JP2020098751A - 燃料電池モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池セルスタックを収容する容器からの放熱量及び燃料電池セルスタックの温度分布を抑制することができ、発電効率の低下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。【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、改質器１２と、燃焼部Ｂと、燃料電池セルスタックに接続されるバスバー２８と、燃料電池セルスタックにおいて発電された電力をバスバーを介して取り出す電力取出し部３０と、少なくとも燃料電池セルスタック及びバスバーを収容する外郭容器部材２と、を有し、外郭容器部材は、燃料電池セルスタックの外側を取り囲むように収容する第１収容部Ｖ１と、バスバーと電力取出し部との接続部の外側を取り囲むように収容する第２収容部Ｖ２と、を備えており、第１収容部は、その外縁が第２収容部の外縁よりも小さくなるように削減された容器削減部Ｖ３を備えている。【選択図】図２

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、及び、バスバーを含む電力取出し部等が設けられている。この電力取出し部により、燃料電池モジュールにおいて発電された電力を外部に供給することができ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、モジュールケースを設計する際に、バスバーを含む電力取出し部がモジュールケース内を占有するスペースが比較的大きく、このような電力取出し部の占有スペースが基準となって設計されることもある。
したがって、燃料電池モジュールがモジュールケース内に収容された状態では、しばしば燃料電池セルの周囲に不要なスペースが生じることになり、燃料電池セルスタックの放熱量の増大及びセルスタックの温度分布が増大する要因にもなり、発電効率の低下を招くという問題がある。

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、燃料電池セルスタックを収容する容器からの放熱量及びセルスタックの温度分布を抑制することができ、発電効率の低下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に接続されるバスバーと、上記バスバーが接続され、上記燃料電池セルスタックにおいて発電された電力を上記バスバーを介して取り出す電力取出し部と、少なくとも上記燃料電池セルスタック及び上記バスバーを収容する外郭容器部材と、を有し、上記外郭容器部材は、上記燃料電池セルスタックの外側を取り囲むように収容する第１収容部と、上記バスバーと上記電力取出し部との接続部の外側を取り囲むように収容する第２収容部と、を備えており、上記第１収容部は、その外縁が上記第２収容部の外縁よりも小さくなるように削減された容器削減部を備え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、燃料電池セルスタックの外側を取り囲むように収容する外郭容器部材の第１収容部が容器削減部を備えているため、この第１収容部の外縁について、バスバーと電力取出し部との接続部の外側を取り囲むように収容する外郭容器部材の第２収容部の外縁よりも小さくすることができる。
したがって、燃料電池セルスタックの熱に主に関与する外郭容器部材の第１収容部内の側面積について、第１収容部が容器削減部を備えていない場合に比べて小さくすることができる。
よって、容器削減部により側面積が削減された外郭容器部材の第１収容部からの放熱量及び燃料電池セルスタックの温度分布を抑制することができるため、燃料電池セルスタックの発電効率の低下を抑制することができる。

本発明において、好ましくは、上記燃料電池セルは、燃料ガスが通過する内側の燃料極部と、空気と接触する外側の空気極部と、上記燃料極部と上記空気極部との間に設けられた電解質層と、を備えており、上記第１収容部の外縁は、上記燃料電池セルを収容する部分が上記容器削減部によって上記外郭容器部材の全体で最小になるように形成されている。
このように構成された本発明においては、第１収容部の外縁について、燃料電池セルの空気極部を収容する部分が容器削減部によって外郭容器部材の全体で最小になるように形成されているため、容器削減部によって外縁が削減された外郭容器部材の第１収容部から放熱される熱量を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、上記第２収容部の外縁は、上記バスバーと上記電力取出し部との接続部を収容する部分が上記第１収容部の外縁よりも外側に突出している。
このように構成された本発明においては、外郭容器部材の第２収容部の外縁について、バスバーと電力取出し部との接続部を収容する部分が第１収容部の外縁よりも外側に突出しているため、外郭容器部材の第１収容部の容器削減部により、第１収容部からの放熱量及び燃料電池セルスタックの温度分布を抑制しつつ、第２収容部において、バスバーと電力取出し部との接続部を収容するスペースを十分に確保することができる。

本発明において、好ましくは、さらに、上記燃料電池セルスタックに設けられて上記改質器から供給された燃料ガスを上記燃料電池セルスタックに供給するマニホールドを有し、このマニホールドは、上記第２収容部内に収容されている。
このように構成された本発明においては、マニホールドが第２収容部内に収容されているため、第１収容部の外縁を容器削減部によって第２収容部の外縁よりも小さく維持することができると共に、第１収容部から放熱される熱量を抑制しながら、マニホールド内の燃料ガスを燃料電池セルスタックに供給することができる。

本発明において、好ましくは、上記マニホールドは、上記燃料電池セルスタックの底部に設けられて上記改質器から供給された燃料ガスを上記燃料電池セルスタックの下方に供給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、マニホールドが燃料電池セルスタックの底部に設けられているため、第１収容部の外縁を容器削減部によって第２収容部の外縁よりも小さく維持することができると共に、第１収容部から放熱される熱量を抑制しながら、マニホールド内の燃料ガスを燃料電池セルスタックの下方から供給することができる。

本発明において、好ましくは、さらに、上記容器削減部によって削減された上記第１収容部内の側面とこれと対向する上記燃料電池セルスタックの側面との間に挿入される断熱材を有する。
このように構成された本発明においては、外郭容器部材の容器削減部によって削減された第１収容部内の側面とこれと対向する燃料電池セルスタックの側面との間に断熱材を挿入することにより、断熱効果を高めることができる。これにより、容器削減部によって削減された外郭容器部材の第１収容部から放熱される熱量をより効果的に抑制することができる。
したがって、燃料電池モジュールの放熱による発電効率の低下をより効果的に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、燃料電池セルスタックを収容する容器からの放熱量及び燃料電池セルスタックの温度分布を抑制することができ、発電効率の低下を抑制することができる。

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。 本発明の一実施形態による燃料電池モジュールの燃料電池セルスタックの燃料電池セルについて一部分の断面が見えるように破断した部分拡大断面図である。

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。
まず、図１及び図２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、概ね円筒形状であり、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。
なお、本実施形態の燃料電池モジュール１においては、複数の概ね円筒形状の燃料電池セル８を備えた燃料電池セルスタック６の形態について説明するが、このような形態に限られず、扁平型セルを複数枚鉛直方向に延びて等間隔に配列された形態、もしくは複数の平板型の燃料電池セルを鉛直方向又は水平方向に積層して構成された、いわゆる、積層型の燃料電池セルスタックの形態であってもよい。

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１４が設けられている。燃焼室Ｂ内において、点火装置１４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１６が断熱材Ｉを介して設けられている。この蒸発器１６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１及び図２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１８を備えている。この空気通路カバー１８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２０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２０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２に示すように、空気供給路２０内の上方側の流路には、複数のフィン（図示せず）が設けられている。これにより、空気供給路２０内の発電用空気がこれらのフィン（図示せず）を通過すると、空気供給路２０に隣接する排気通路２２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２０内におけるフィン（図示せず）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２４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２４を経て空気供給路２０に供給されるようになっている。
また、図２に示すように、モジュールケース２内の下方の内壁面２ａ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。空気供給路２０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の下方側面に供給されるようになっている。

つぎに、図１及び図２に示すように、燃料電池モジュール１は、モジュールケース２内において、導電性のバスバー２８及び電力取出し部３０を備えている。
バスバー２８は、燃料電池セルスタック６のうちの一部の燃料電池セル８に接続される入力側接続部２８ａと、電力取出し部３０の端子板３０ａに接続される出力側接続部２８ｂとを備えている。
また、電力取出し部３０は、端子板３０ａと、この端子板３０ａを包囲する碍子３０ｂとを備えている。碍子３０ｂは、セラミック等の絶縁材からなり、モジュールケース２の底部に固定されている。
これらにより、燃料電池セルスタック６において発電された電力は、バスバーを介して電力取出し部３０から取り出されるようになっている。

つぎに、図１及び図２に示すように、モジュールケース２（外郭容器部材）は、その内部の上下方向に第１収容部Ｖ１及び第２収容部Ｖ２をそれぞれ備えている。
第１収容部Ｖ１は、主に、燃料電池セルスタック６及び改質器１２の外側を取り囲むように収容している。
また、第２収容部Ｖ２は、マニホールド４の外側、及び、バスバー２８と電力取出し部３０との接続部２８ｂの外側を取り囲むように収容している。
さらに、モジュールケース２（外郭容器部材）の第１収容部Ｖ１は、その外縁が第２収容部Ｖ２の外縁よりも小さくなるように削減された容器削減部Ｖ３を備えている。
すなわち、モジュールケース２（外郭容器部材）の第２収容部Ｖ２の外縁は、バスバー２８と電力取出し部３０との接続部２８ｂを収容する部分（第２収容部Ｖ２の側縁部）が第１収容部Ｖ１の外縁（第１収容部Ｖ１の側縁部）よりも外側に突出するように形成されている。

つぎに、図３は、本発明の一実施形態による燃料電池モジュールの燃料電池セルスタックの燃料電池セルについて一部分の断面が見えるように破断した部分拡大断面図である。
図３に示すように、各燃料電池セル８は、上下方向に延びる管状構造体であり、内部に燃料ガス流路８ａを形成する円筒形の内側電極層８ｂと、円筒形の外側電極層８ｃと、内側電極層８ｂと外側電極層８ｃとの間にある電解質層８ｄとを備えている。
ここで、内側電極層８ｂは、燃料ガスが通過する燃料極であり、マイナス（−）極となる。
一方、外側電極層８ｃは、空気と接触する空気極であり、プラス（＋）極となる。
また、図１及び図２に示すように、モジュールケース２（外郭容器部材）の第１収容部Ｖ１の外縁は、各燃料電池セル８の外側電極層８ｃ（空気極部）を収容する部分が容器削減部Ｖ３によってモジュールケース２の全体で最小になるように形成されている。
なお、本実施形態の変形例として、モジュールケース２（外郭容器部材）の第１収容部Ｖ１の外縁については、各燃料電池セル８を収容する部分のみを小さくしてもよい。

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の外側を取り囲むように収容するモジュールケース２（外郭容器部材）の第１収容部Ｖ１が容器削減部Ｖ３を備えている。これにより、第１収容部Ｖ１の外縁について、バスバー２８と電力取出し部３０との接続部２８ｂの外側を取り囲むように収容する第２収容部Ｖ２の外縁よりも小さくすることができる。
したがって、燃料電池セルスタック６の放熱に主に関与する第１収容部Ｖ１内の側面積について、第１収容部Ｖ１が容器削減部Ｖ３を備えていない場合に比べて小さくすることができる。
よって、容器削減部Ｖ３により側面積が削減されたモジュールケース２の第１収容部Ｖ１からの放熱量及び燃料電池セルスタック６の温度分布を抑制することができるため、燃料電池セルスタックの発電効率の低下を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、モジュールケース２（外郭容器部材）の第１収容部Ｖ１における容器削減部によって削減された外縁について、各燃料電池セル８を収容する部分が容器削減部Ｖ３によってモジュールケース２の全体で最小になるように形成されている。
これにより、容器削減部Ｖ３によって外縁が削減されたモジュールケース２の第１収容部Ｖ１から放熱される燃料電池セルスタック６の熱量を効果的に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、モジュールケース２（外郭容器部材）の第２収容部Ｖ２の外縁について、バスバー２８と電力取出し部３０との接続部２８ｂを収容する部分が第１収容部Ｖ１の外縁よりも外側に突出している。
これにより、モジュールケース２の第１収容部Ｖ１の容器削減部Ｖ３により、第１収容部Ｖ１からの放熱量及び燃料電池セルスタック６の温度分布を抑制しつつ、第２収容部Ｖ２において、バスバー２８と電力取出し部３０との接続部２８ｂを収容するスペースを十分に確保することができる。

また、本実施形態の燃料電池モジュール１によれば、マニホールド４がモジュールケース２の第２収容部Ｖ２内に収容されている。
これにより、第１収容部Ｖ１の外縁を容器削減部Ｖ３によって第２収容部Ｖ２の外縁よりも小さく維持することができると共に、第１収容部Ｖ１から放熱される燃料電池セルスタック６の熱量を抑制しながら、マニホールド４内の燃料ガスを燃料電池セルスタック６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、マニホールド４が燃料電池セルスタック６の底部に設けられているため、第１収容部Ｖ１の外縁を容器削減部Ｖ３によって第２収容部Ｖ２の外縁よりも小さく維持することができると共に、第１収容部Ｖ１から放熱される熱量を抑制しながら、マニホールド４内の燃料ガスを燃料電池セルスタック６の下方から供給することができる。

なお、上述した本発明の一実施形態による燃料電池モジュール１の変形例として、モジュールケース２（外郭容器部材）の容器削減部Ｖ３によって削減された第１収容部Ｖ１内の側面とこれと対向する燃料電池セルスタック６の側面との間において、断熱材（図示せず）が挿入されてもよい。
これにより、第１収容部Ｖ１内の側面と燃料電池セルスタック６の側面との間における断熱効果を高めることができる。
よって、容器削減部Ｖ３によって削減されたモジュールケース２の第１収容部Ｖ１から放熱される熱量をより効果的に抑制することができ、燃料電池モジュール１の放熱による発電効率の低下をより効果的に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）
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
８ａ 燃料ガス流路
８ｂ 内側電極層（燃料極部）
８ｃ 外側電極層（空気極部）
８ｄ 電解質層
１０ 燃料ガス供給管
１２ 改質器
１４ 点火装置
１６ 蒸発器
１８ 空気通路カバー
２０ 空気供給路
２２ 排気通路
２４ 空気供給管
２６ 空気供給口
２８ バスバー
２８ａ 入力側接続部
２８ｂ 出力側接続部
３０ 電力取出し部
３０ａ 端子板
３０ｂ 碍子
Ｂ 燃焼室（燃焼部）
Ｅ 発電室
Ｈ ハウジング
Ｉ 断熱材
Ｖ１ 第１収容部
Ｖ２ 第２収容部
Ｖ３ 容器削減部

Claims (6)

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に接続されるバスバーと、
   上記バスバーが接続され、上記燃料電池セルスタックにおいて発電された電力を上記バスバーを介して取り出す電力取出し部と、
   少なくとも上記燃料電池セルスタック及び上記バスバーを収容する外郭容器部材と、を有し、
   上記外郭容器部材は、上記燃料電池セルスタックの外側を取り囲むように収容する第１収容部と、上記バスバーと上記電力取出し部との接続部の外側を取り囲むように収容する第２収容部と、を備えており、上記第１収容部は、その外縁が上記第２収容部の外縁よりも小さくなるように削減された容器削減部を備えていることを特徴とする燃料電池モジュール。
2. 上記燃料電池セルは、燃料ガスが通過する内側の燃料極部と、空気と接触する外側の空気極部と、上記燃料極部と上記空気極部との間に設けられた電解質層と、を備えており、
   上記第１収容部の外縁は、上記燃料電池セルを収容する部分が上記容器削減部によって上記外郭容器部材の全体で最小になるように形成されている請求項１記載の燃料電池モジュール。
3. 上記第２収容部の外縁は、上記バスバーと上記電力取出し部との接続部を収容する部分が上記第１収容部の外縁よりも外側に突出している請求項１又は２に記載の燃料電池モジュール。
4. さらに、上記燃料電池セルスタックに設けられて上記改質器から供給された燃料ガスを上記燃料電池セルスタックに供給するマニホールドを有し、このマニホールドは、上記第２収容部内に収容されている請求項１乃至３の何れか１項に記載の燃料電池モジュール。
5. 上記マニホールドは、上記燃料電池セルスタックの底部に設けられて上記改質器から供給された燃料ガスを上記燃料電池セルスタックの下方に供給するように構成されている請求項４記載の燃料電池モジュール。
6. さらに、上記容器削減部によって削減された上記第１収容部内の側面とこれと対向する上記燃料電池セルスタックの側面との間に挿入される断熱材を有する請求項１乃至５の何れか１項に記載の燃料電池モジュール。

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