JP2020098750A - 燃料電池モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】発電用の空気を燃料電池セルスタックの各燃料電池セルの供給すべき箇所に優先的に供給することができ、燃料電池セルスタックの温度分布を均一化することができる燃料電池モジュールを提供する。【解決手段】本発明の燃料電池モジュール１は、複数の燃料電池セル８を備えた燃料電池セルスタック６と、原燃料ガスを改質して、水素を含む燃料ガスを生成し、燃料電池セルスタックに供給する改質器１２と、燃料電池セルスタックにおいて発電に使用されずに残った残余燃料ガスを燃焼させ、改質器を加熱する燃焼部Ｂと、燃料電池セルスタックの外側に設けられ、燃料電池セルの側面に発電用の空気を供給する空気供給路１８を備えた外郭容器部材２，１６と、燃料電池セルの側面とこれと対向する外郭容器部材の壁面２ａとの隙間に挿入された絶縁部材２２と、を有し、外郭容器部材の壁面には、絶縁部材を支持して位置決めする支持部材２４が設けられている。【選択図】図５

Description

本発明は、燃料電池モジュールに関し、特に、供給された燃料ガスと酸化剤ガスを反応させることにより発電する燃料電池モジュールに関する。

従来から、供給された燃料ガスと酸化剤ガスを反応させることにより発電する燃料電池モジュールとして、例えば、特許文献１に記載されているものが知られている。
このような特許文献１に記載されている従来の燃料電池モジュールにおいて、そのモジュールケース内には、複数の燃料電池セルを備えた燃料電池セルスタック、改質器、及び、熱交換モジュール（熱交換器、蒸発器）等が設けられている。
また、モジュールケースの側板には、空気供給通路が設けられており、この空気供給通路の複数の吹出口から発電用の空気を各燃料電池セルに向けて噴射することにより、発電用の空気が各燃料電池セルに供給されるようになっている。

特開２０１６−５１５１０号公報

しかしながら、上述した特許文献１に記載されている従来の燃料電池モジュールにおいては、各燃料電池セルの外側面とこれと対向するモジュールケースの内壁面との間に隙間が形成されている。これにより、空気供給通路の複数の吹出口から各燃料電池セルに供給される発電用の空気の一部がこのような隙間を無駄にすり抜けてしまう等の空気ロスが生じることになるため、複数の燃料電池セルのそれぞれに対して発電用の空気を優先的に且つ均等に供給することが難しいという問題がある。

そこで、本発明は、上述した従来技術の問題を解決するためになされたものであり、発電用の空気を燃料電池セルスタックの各燃料電池セルの供給すべき箇所に優先的に供給することができ、燃料電池セルスタックの温度分布を均一化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している。

上述した課題を解決するために、本発明は、供給された燃料ガスと酸化剤ガスを反応させることにより発電する燃料電池モジュールであって、複数の燃料電池セルを備えた燃料電池セルスタックと、原燃料ガスを改質して、水素を含む燃料ガスを生成し、上記燃料電池セルスタックに供給する改質器と、上記燃料電池セルスタックにおいて発電に使用されずに残った残余燃料ガスを燃焼させ、上記改質器を加熱する燃焼部と、上記燃料電池セルスタックの外側に設けられ、上記燃料電池セルの側面に発電用の空気を供給する空気供給路を備えた外郭容器部材と、上記燃料電池セルの側面とこれと対向する上記外郭容器部材の壁面との隙間に挿入された絶縁部材と、を有し、上記外郭容器部材の壁面には、上記絶縁部材を支持して位置決めする支持部材が設けられていることを特徴としている。
このように構成された本発明においては、燃料電池セルの側面とこれと対向する外郭容器部材の壁面との隙間に絶縁部材を挿入し、外郭容器部材の壁面に設けられた支持部材により絶縁部材を確実に支持して位置決めすることができる。
これにより、燃料電池セルの側面と外郭容器部材の壁面との隙間を絶縁部材で埋めることができるため、発電用の空気が燃料電池セルの側面と外郭容器部材の壁面との隙間を無駄にすり抜けてしまう等の空気ロスを抑制することができる。
したがって、発電用の空気を燃料電池セルスタックの各燃料電池セルの供給すべき箇所に優先的に供給することができる。また、燃料電池セルスタックの温度分布を均一化することができる。

本発明において、好ましくは、さらに、上記絶縁部材は、可撓性材料からなる。
このように構成された本発明においては、燃料電池セルの側面と外郭容器部材の壁面との間の設計誤差や熱膨張差について、絶縁部材の可撓性により吸収することができる。

本発明において、好ましくは、上記燃料電池セルスタックは、上記複数の燃料電池セルのそれぞれが鉛直方向に延びるように配列され、上記絶縁部材は、上記燃料電池セルスタックの側方に配置され、且つ、鉛直方向に連続的に配置されている。
このように構成された本発明においては、燃料電池セルスタックにおける複数の燃料電池セルのそれぞれが鉛直方向に延びるように配列されていても、絶縁部材が燃料電池セルスタックの側方に配置され、且つ、鉛直方向に連続的に配置されているため、発電用の空気が燃料電池セルの側面と外郭容器部材の壁面との間で燃料電池セルスタックの側方に形成される隙間を絶縁部材でより効果的に埋めることができる。
これにより、発電用の空気が燃料電池セルの側面と外郭容器部材の壁面との隙間を鉛直方向に無駄にすり抜けてしまう等の空気ロスをより効果的に抑制することができる。

本発明において、好ましくは、上記空気供給路は、上記外郭容器部材の内壁とその外側の外壁との間に形成されており、上記空気供給路は、上記燃料電池セルスタックよりも上方の位置に設けられた熱交換部を備えており、この熱交換部は、上記燃焼部で上記残余燃料ガスを燃焼させて発生した排気ガスと上記空気供給路内の発電用の空気との間で熱交換を行うように構成されている。
このように構成された本発明においては、空気供給路内の発電用の空気は、燃料電池セルスタックよりも上方の位置に設けられた空気供給路の熱交換部により、燃焼部で残余燃料ガスを燃焼させて発生した排気ガスと空気供給路内の発電用の空気との間で熱交換が行われ、発電用の空気を昇温させることができる。
そして、このように昇温させた発電用の空気について、燃料電池セルスタックの各燃料電池セルの優先的に供給すべき箇所に供給することができる。
また、燃料電池セルの側面と外郭容器部材の壁面との隙間に挿入された絶縁部材により、燃料電池セルスタックの各燃料電池セルに供給された発電用の空気の温度ムラを抑制することができる。

本発明において、好ましくは、上記支持部材は、上記絶縁部材の下端を支持するように構成され、上記外郭容器部材の壁面における上記支持部材よりも下方の位置には、上記燃料電池セルに対して側方から空気を供給する空気供給口が設けられている。
このように構成された本発明においては、空気供給路内の熱交換部を通過した後の発電用の空気について、外郭容器部材の壁面における支持部材よりも下方の空気供給口から各燃料電池セルの側面に向かって優先的に且つ効果的に供給することができる。

本発明において、好ましくは、上記燃焼部は、上記複数の燃料電池セルの上端で上記残余燃料ガスを燃焼させて生成した燃焼熱により上記改質器を加熱するように構成されている。
このように構成された本発明においては、燃焼部により、複数の燃料電池セルの上端で残余燃料ガスを燃焼させて生成した燃焼熱により改質器を効率良く加熱することができるため、改質器における改質反応を効果的に促進することができる。

本発明において、好ましくは、上記絶縁部材の上端は、上記燃料電池セルの上端の下方近傍に位置している。
このように構成された本発明においては、絶縁部材の上端が燃料電池セルの上端に対して下方近傍に位置しているため、燃料電池セルスタックの上方に燃焼部を配置することができる。
これにより、絶縁部材が燃焼部の燃焼熱により損傷することを抑制することができる。

本発明の燃料電池モジュールによれば、発電用の空気を燃料電池セルスタックの各燃料電池セルの供給すべき箇所に優先的に供給することができ、燃料電池セルスタックの温度分布を均一化することができる。

本発明の一実施形態による燃料電池モジュールの斜視図である。 図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図である。 図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図である。 図３に示す本発明の一実施形態による燃料電池モジュールにおいて、モジュールケース内の上方部分を拡大した部分拡大断面図である。 本発明の一実施形態による燃料電池モジュールにおける空気供給路の下方部分を拡大した斜視断面図である。

つぎに、添付図面を参照して、本発明の一実施形態による燃料電池モジュールについて説明する。
図１は、本発明の一実施形態による燃料電池モジュールの斜視図である。また、図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図である。さらに、図３は、図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図である。
まず、図１〜図３に示すように、本発明の一実施形態による燃料電池モジュール１において、ハウジングＨの内部には、断熱材Ｉ（図２、図３参照）等を介してモジュールケース２（外郭容器部材）が内蔵されている。
ここで、図１においては、ハウジングＨ及び断熱材Ｉを省略して示しているが、図２及び図３に示すように、モジュールケース２は、断熱材Ｉにより覆われており、燃料電池モジュール１の内部の熱が、外気へ発散するのを抑制している。

つぎに、モジュールケース２内には、下方から上方に向かって、マニホールド４及び燃料電池セルスタック６がそれぞれ設けられている。
マニホールド４は、その上方の発電室Ｅに収容される燃料電池セルスタック６の複数の燃料電池セル８の各下端部を支持している。
また、マニホールド４の側部には、燃料ガス供給管１０の一端が接続されており、この燃料ガス供給管１０の他端（上端）は、モジュールケース２内の上方の改質器１２に接続されている。
さらに、燃料電池セルスタック６は、燃料ガスと酸化剤ガス（以下、適宜「発電用空気」又は「空気」と呼ぶ。）とにより発電反応を行うものである。
各燃料電池セル８は、鉛直方向に延びて互いに等間隔で配列されており、集電部材（図示せず）を介して互いに電気的に接続されている。

つぎに、モジュールケース２内において、発電室Ｅの上方、すなわち、各燃料電池セル８の上端付近及びその上方には、燃焼室Ｂ（燃焼部）が設けられている。
燃焼室Ｂには、点火装置１３が設けられている。燃焼室Ｂ内において、点火装置１３を点火することによって、発電反応に使用されなかった（発電に寄与しなかった）残余の燃料ガスと残余の空気とが各燃料電池セル８の上端付近で燃焼し、排気ガス（言い換えると「燃焼ガス」）が生成されるようになっている。
この燃焼室Ｂの上方には、燃料ガスを改質する改質器１２が配置されている。この改質器１２は、原燃料ガスを改質して、水素を含む燃料ガスを生成し、燃料電池セルスタックに供給するものである。
また、改質器１２は、燃焼室Ｂの各燃料電池セル８の上端付近における残余ガスの燃焼熱によって加熱される、いわゆる、「セルバーナー方式」で加熱されることにより、改質反応が可能な温度となるようになっている。
なお、本実施形態では、セルバーナー方式を採用した例について説明するが、セルバーナー方式以外の方式（燃焼器等）によって改質器が加熱される形態であってもよい。

つぎに、ハウジングＨ内においてモジュールケース２の外部上方には、蒸発器１４が断熱材Ｉを介して設けられている。この蒸発器１４は、供給された水と排気ガスとの間で熱交換が行われることによって、水を蒸発させて水蒸気を生成し、この水蒸気と原燃料ガスとの混合ガス（以下では「燃料ガス」と呼ぶこともある。）がモジュールケース２内の改質器１２に供給されるようになっている。
また、改質器１２内で改質された燃料ガスは、燃料ガス供給管１０を経てマニホールド４内に供給された後、マニホールド４から各燃料電池セル８に供給されるようになっている。

つぎに、図４は、図３に示す本発明の一実施形態による燃料電池モジュールにおいて、モジュールケース内の上方部分を拡大した部分拡大断面図である。
図１〜図４に示すように、モジュールケース２は、その外側に設けられた空気通路カバー１６を備えている。この空気通路カバー１６の内面とこれに対向するモジュールケース２の外面とは互いに離間しており、両者の間には、空気供給路１８が形成されている。これにより、各燃料電池セル８に供給されるべき発電用空気が、空気供給路１８に沿って上方から下方に向かって流れるようになっている。
また、図４に示すように、空気供給路１８内の上方側の流路には、複数のフィン１８ａが設けられている。これにより、空気供給路１８内の発電用空気がこれらのフィン１８ａを通過すると、空気供給路１８に隣接する排気通路１９内の排気ガスとの熱交換が行われ、加熱されるようになっている。
すなわち、空気供給路１８内におけるフィン１８ａが設けられた部分は、熱交換部として機能することができるようになっている。
さらに、モジュールケース２の上面には、空気供給管２０が設けられている。発電用の空気は、モジュールケース２の外部から空気供給管２０を経て空気供給路１８に供給されるようになっている。

つぎに、図５は、本発明の一実施形態による燃料電池モジュールにおける空気供給路の下方部分を拡大した斜視断面図である。
図２〜図５に示すように、燃料電池セルスタック６の各燃料電池セル８の側面とこれに対向するモジュールケース２の内壁面２ａとの隙間には、絶縁部材２２が挿入されている。
この絶縁部材２２は、非導電性の断熱材からなることに加えて、可撓性材料（例えば、アルミナファイバー、非晶質ガラス等）からなるため、各燃料電池セル８の側面とこれに対向するモジュールケース２の内壁面２ａとの間の設計誤差や熱膨張差を抑制することができるようになっている。
また、図５に示すように、モジュールケース２の内壁面２ａには、支持部材２４が固定されており、この支持部材２４によって絶縁部材２２の下端が支持されている。
ここで、支持部材２４は、Ｌ字形の横断面形状を備えたアングル材として図示しているが、剛性などの必要に応じて、支持部材２４の断面形状を矩形、Ｕ字形などとしてもよい。
また、支持部材２４については、絶縁部材２２の下端面に沿って長手方向に連続的に支持するような単一の細長い梁状の形態であってもよいし、或いは、絶縁部材２２の下端面に沿って間隔を置いて配置した複数の梁又はアングル材で断続的に支持するような形態であってもよい。

さらに、図２及び図３に示すように、絶縁部材２２は、燃料電池セルスタック６の側方の全周に亘って配置されている。
これにより、絶縁部材２２は、各燃料電池セル８の側面に接触した状態で、支持部材２４の上面から鉛直方向上方に連続的に延びており、絶縁部材２２の上端が燃焼室Ｂの点火装置１３よりも下方の各燃料電池セル８の上端の下方近傍付近に位置している。

つぎに、図２及び図５に示すように、モジュールケース２の内壁面２ａにおいて、支持部材２４よりも下方には、複数の貫通孔である空気供給口２６が水平方向に配列されている。
図２〜図５に示すように、空気供給路１８のフィン１８ａ（熱交換部）を通過して熱交換された発電用空気は、各空気供給口２６から各燃料電池セル８の側面の下方部分に優先的に供給されるようになっている。

上述した本発明の一実施形態の燃料電池モジュール１によれば、燃料電池セルスタック６の各燃料電池セル８の側面とこれと対向するモジュールケース２（外郭容器部材）の内壁面２ａとの隙間に絶縁部材２２を挿入すると共に、モジュールケース２（外郭容器部材）の内壁面２ａに設けられた支持部材２４により絶縁部材２２を確実に支持して位置決めすることができる。
これにより、各燃料電池セル８の側面とモジュールケース２（外郭容器部材）の内壁面２ａとの隙間を絶縁部材２２で埋めることができる。よって、発電用の空気が各燃料電池セル８の側面とモジュールケース２（外郭容器部材）の内壁面２ａとの隙間を無駄にすり抜けてしまう等の空気ロスを抑制することができる。
したがって、発電用の空気を燃料電池セルスタック６の各燃料電池セル８の供給すべき箇所（各燃料電池セル８の下方側面）に優先的に供給することができる。また、燃料電池セルスタック６の温度分布を均一化することができる。

また、本実施形態の燃料電池モジュール１によれば、絶縁部材２２が、非導電性の断熱材からなることに加えて、可撓性材料からなるため、各燃料電池セル８の側面とこれに対向するモジュールケース２の内壁面２ａとの間の設計誤差や熱膨張差について、絶縁部材２２の可撓性により吸収して抑制することができる。

さらに、本実施形態の燃料電池モジュール１によれば、燃料電池セルスタック６における複数の燃料電池セル８のそれぞれが鉛直方向に延びるように配列されていても、絶縁部材２２が燃料電池セルスタック６の側方に全周に亘って配置され、且つ、鉛直方向に連続的に配置されている。
これにより、各燃料電池セル８の側面とモジュールケース２（外郭容器部材）の内壁面２ａとの隙間を絶縁部材２２でより効果的に埋めることができる。よって、発電用の空気が各燃料電池セル８の側面とモジュールケース２（外郭容器部材）の内壁面２ａとの隙間を無駄にすり抜けてしまう等の空気ロスをより効果的に抑制することができる。

また、本実施形態の燃料電池モジュール１によれば、空気通路カバー１６の内面とこれに対向するモジュールケース２の外面とは互いに離間しており、両者の間には、空気供給路１８が形成されている。さらに、空気供給路１８内の上方側の流路には、複数のフィン１８ａ（熱交換部）が設けられている。
これらにより、これにより、空気供給路１８内の発電用空気がこれらのフィン１８ａを通過すると、空気供給路１８に隣接する排気通路１９内の排気ガス（燃焼室Ｂで残余燃料ガスを燃焼させて発生した排気ガス）と空気供給路１８内の発電用の空気との間で熱交換が行われるため、発電用の空気を加熱して昇温させることができる。
そして、このように昇温させた空気供給路１８内の発電用の空気について、空気供給口２６から燃料電池セルスタック６の各燃料電池セル８の優先的に供給すべき箇所（各燃料電池セル８の下方側面）に供給することができる。
また、各燃料電池セル８の側面とモジュールケース２（外郭容器部材）の内壁面２ａとの隙間に挿入された絶縁部材２２により、燃料電池セルスタック６の各燃料電池セル８に供給された発電用の空気の温度ムラを抑制することができる。

さらに、本実施形態の燃料電池モジュール１によれば、支持部材２４が絶縁部材２２の下端を支持しており、モジュールケース２（外郭容器部材）の内壁面２ａにおける支持部材２４よりも下方の位置には、燃料電池セル８のそれぞれに対して側方から空気を供給する空気供給口２６が設けられている。
これにより、空気供給路１８内のフィン１８ａ（熱交換部）を通過した後の発電用の空気について、モジュールケース２（外郭容器部材）の内壁面２ａにおける支持部材２４よりも下方の空気供給口２６から各燃料電池セル８の下方側面に向かって優先的に且つ効果的に供給することができる。

さらに、本実施形態の燃料電池モジュール１によれば、燃焼室Ｂ内において、複数の燃料電池セル８の上端で残余燃料ガスを燃焼させて生成した燃焼熱により改質器１２を効率良く加熱することができるため、改質器１２における改質反応を効果的に促進することができる。

さらに、本実施形態の燃料電池モジュール１によれば、絶縁部材２２の上端が各燃料電池セル８の上端の下方近傍に位置しているため、燃料電池セルスタック６の上方に燃焼室Ｂ（燃焼部）や点火装置１３を配置することができる。
これにより、絶縁部材２２が燃焼室Ｂ（燃焼部）の燃焼熱により損傷することを抑制することができる。

１ 燃料電池モジュール
２ モジュールケース（外郭容器部材）
２ａ モジュールケースの内壁面（外郭容器部材の壁面）
４ マニホールド
６ 燃料電池セルスタック
８ 燃料電池セル
１０ 燃料ガス供給管
１２ 改質器
１３ 点火装置
１４ 蒸発器
１６ 空気通路カバー（外郭容器部材）
１８ 空気供給路
１８ａ フィン（熱交換部）
１９ 排気通路
２０ 空気供給管
２２ 絶縁部材
２４ 支持部材
２６ 空気供給口
Ｂ 燃焼室（燃焼部）
Ｅ 発電室
Ｈ ハウジング
Ｉ 断熱材

Claims (7)

1. 供給された燃料ガスと酸化剤ガスを反応させることにより発電する燃料電池モジュールであって、
   複数の燃料電池セルを備えた燃料電池セルスタックと、
   原燃料ガスを改質して、水素を含む燃料ガスを生成し、上記燃料電池セルスタックに供給する改質器と、
   上記燃料電池セルスタックにおいて発電に使用されずに残った残余燃料ガスを燃焼させ、上記改質器を加熱する燃焼部と、
   上記燃料電池セルスタックの外側に設けられ、上記燃料電池セルの側面に発電用の空気を供給する空気供給路を備えた外郭容器部材と、
   上記燃料電池セルの側面とこれと対向する上記外郭容器部材の壁面との隙間に挿入された絶縁部材と、を有し、
   上記外郭容器部材の壁面には、上記絶縁部材を支持して位置決めする支持部材が設けられていることを特徴とする燃料電池モジュール。
2. 上記絶縁部材は、可撓性材料からなる請求項１記載の燃料電池モジュール。
3. 上記燃料電池セルスタックは、上記複数の燃料電池セルのそれぞれが鉛直方向に延びるように配列され、
   上記絶縁部材は、上記燃料電池セルスタックの側方に配置され、且つ、鉛直方向に連続的に配置されている請求項１又は２に記載の燃料電池モジュール。
4. 上記空気供給路は、上記外郭容器部材の内壁とその外側の外壁との間に形成されており、
   上記空気供給路は、上記燃料電池セルスタックよりも上方の位置に設けられた熱交換部を備えており、この熱交換部は、上記燃焼部で上記残余燃料ガスを燃焼させて発生した排気ガスと上記空気供給路内の発電用の空気との間で熱交換を行うように構成されている請求項１乃至３の何れか１項に記載の燃料電池モジュール。
5. 上記梁は、上記絶縁部材の下端を支持するように構成され、
   上記外郭容器部材の壁面における上記支持部材よりも下方の位置には、上記燃料電池セルに対して側方から空気を供給する空気供給口が設けられている請求項４記載の燃料電池モジュール。
6. 上記燃焼部は、上記複数の燃料電池セルの上端で上記残余燃料ガスを燃焼させて生成した燃焼熱により上記改質器を加熱するように構成されている請求項１乃至５の何れか１項に記載の燃料電池モジュール。
7. 上記絶縁部材の上端は、上記燃料電池セルの上端の下方近傍に位置している請求項６記載の燃料電池モジュール。

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