JP2021012806A - 燃料電池モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池モジュールを大型化することなく安価な構成で燃料電池スタックの温度をコントロールすること。【解決手段】燃料電池モジュール（１）は、複数の燃料電池スタックで構成される燃料電池カートリッジ（３）と、燃料電池カートリッジを覆う気密容器（２）と、燃料電池カートリッジに酸化ガスを供給する酸化ガス配管（５）と、酸化ガス配管の少なくとも一部を冷却する冷却水が流れる冷却水流路（１０）と、を備える。冷却水流路は、気密容器の外側において、酸化ガス配管の外周に設けられる。【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池モジュールに関する。

近年、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ：Solid Oxide Fuel Cell）の開発が進められている。ＳＯＦＣは、空気極で生成された酸化物イオンが電解質を透過して燃料極に移動し、燃料極で酸化物イオンが水素又は一酸化炭素と反応することにより電気エネルギーを発生する発電メカニズムである。ＳＯＦＣは、現在知られている燃料電池の形態の中では、発電の動作温度が最も高く（例えば９００℃〜１０００℃）、発電効率が最も高いという特性を持つ。

例えば、以下に示す特許文献１では、容器の内部に複数の燃料電池スタック（ＳＯＦＣスタック）が設けられた燃料電池システムについて記載されている。特許文献１では、複数の燃料電池スタックのうち、隣り合う２つの燃料電池スタックの間に冷却器（スタック冷却器）が配置されている。当該冷却器には、配管を介して燃料ガスや酸化剤ガス等の供給ガスが供給される。冷却器は、隣り合う２つの燃料電池スタックの熱を吸収することで熱交換を実現する。

特開２００５−０７８８５９号公報

ところで、特許文献１では、容器内に冷却器が配置されているため、燃料電池システム（モジュール）全体が大型化するという問題がある。また、燃料電池スタックは、システム運転中に高温となるため、燃料電池スタックの近傍に配置される冷却も高温に晒されることになる。この場合、冷却器は、耐熱性の金属やセラミックス等の高価な材料で形成する必要がある。この結果、燃料電池システムの製造コストが増加してしまうという問題がある。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、大型化することなく安価な構成で燃料電池スタックの温度をコントロール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の１つとする。

本発明の一態様の燃料電池モジュールは、複数の燃料電池スタックで構成される燃料電池カートリッジと、前記燃料電池カートリッジを覆う容器と、前記燃料電池カートリッジに燃料ガス又は酸化ガスを供給ガスとして供給するための流路を形成する配管と、前記配管の少なくとも一部を冷却する冷却水が流れる冷却水流路と、を備え、前記冷却水流路は、前記容器の外側において、前記配管の外周に設けられることを特徴とする。

本発明によれば、燃料電池モジュールを大型化することなく安価な構成で燃料電池スタックの温度をコントロールすることができる。

本実施の形態に係る燃料電池モジュールの一例を示す斜視図である。 本実施の形態に係る燃料電池モジュールの一例を示す平断面図である。

以下、本発明を適用可能な燃料電池モジュールについて説明する。図１は、本実施の形態に係る燃料電池モジュールの一例を示す斜視図である。図２は、本実施の形態に係る燃料電池モジュールの一例を示す平断面図である。なお、以下に示す燃料電池モジュールはあくまで一例にすぎず、これに限定されることなく適宜変更が可能である。

図１及び図２に示すように、本実施の形態に係る燃料電池モジュール１は、気密容器２の内部に燃料電池カートリッジ３を配置して構成される。気密容器２は、燃料電池カートリッジ３を覆うように有底円筒状に形成される。具体的に気密容器２は、円形の底壁部（不図示）と、底壁部の外周縁から上方に立ち上がる円筒形状の側壁部２１と、側壁部２１の上方開口を覆う円形の上壁部２２とを備えている。気密容器２は、例えばステンレス等の金属材料によって形成される。

燃料電池カートリッジ３は、複数の燃料電池スタック（不図示）を平面視矩形状に配置して構成され、全体として直方体形状を有している。燃料電池スタックは、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ：Solid Oxide Fuel Cell）で構成され、例えばＺ方向である上下方向に長い中空円筒形状に形成される。複数の燃料電池スタックは、例えば、図１のＸ方向及びＹ方向に所定のピッチで並べて配置される。本実施の形態において、単一の燃料電池カートリッジ３は、平面視でＸ方向に長い矩形状を有する直方体で構成される。また、燃料電池カートリッジ３は、気密容器２内において、短手方向であるＹ方向に並んで２つ配置されている。なお、燃料電池スタック、燃料電池カートリッジ３の構成及びレイアウトは、これに限定されず適宜変更が可能である。

また、燃料電池モジュール１は、燃料電池カートリッジ３に燃料ガス又は酸化ガスを供給ガスとして供給するための流路を形成する配管を備えている。具体的に配管は、燃料ガスの流路を形成する燃料ガス配管４と、酸化ガスの流路を形成する酸化ガス配管５と、を有している。燃料ガスとしては、例えば都市ガスが用いられ、酸化ガスとしては、例えば空気が用いられる。なお、酸化剤ガスは、空気に他のガスを混合してもよい。また、燃料ガスは、アノードガスと呼ばれてもよく、酸化ガスは、カソードガスと呼ばれてもよい。

燃料ガス配管４は、気密容器２の外部から内部に連通する入口配管４０を備えている。入口配管４０は、例えば側壁部２１の側面上端側に配置されている。図示はしないが、入口配管４０の上流側には、燃料ガス供給源が接続されている。また入口配管４０は、気密容器２の内側で複数の燃料電池カートリッジ３毎に分岐している。具体的に入口配管４０は、気密容器２の内側で２つに分岐し、それぞれの先端が各燃料電池カートリッジ３の上端側に接続される。また、各燃料電池カートリッジ３の下端側には、反応後の燃料ガスが流れる出口配管４１が接続されている。各燃料電池カートリッジ３から延びる出口配管４１は、気密容器２の内部で１つに合流し、側壁部２１の下端側から外部に突出している。説明の便宜上、気密容器２内の入口配管４０、出口配管４１の構成は省略する。

酸化ガス配管５は、入口配管５０と出口配管５１とで構成される。入口配管５０の上流側は、図示しない酸化ガス供給源に接続されている。また、入口配管５０は、気密容器２の外側で複数の燃料電池カートリッジ３毎に分岐している。具体的に入口配管５０は、側壁部２１の外側で２つに分岐する第１分岐部５２と、第１分岐部５２から側壁部２１の外面に沿って水平方向に延びる一対の第１分岐配管５３とを有している。第１分岐部５２は、燃料ガス配管４の出口配管４１の真上に配置されている。第１分岐配管５３は、それぞれ側壁部２１に沿って回り込み、各燃料電池カートリッジ３の長手方向の側面に対応する側壁部２１の下端側の側面から内部に接続される。

各第１分岐配管５３は、気密容器の内部で２つに分岐する第２分岐部５４と、第２分岐部５４から側壁部２１の内面に沿って水平方向に延びる一対の第２分岐配管５５と、を有している。第２分岐配管５５は、それぞれ側壁部２１の内面と燃料電池カートリッジ３の側面との間で燃料電池カートリッジ３の外側を回り込み、各燃料電池カートリッジ３の短手方向の側面に接続される。

出口配管５１は、各燃料電池カートリッジ３の長手方向の側面に対応する側壁部２１の上端側の側面から突出する一対の第３分岐配管５６と、一対の第３分岐配管５６を合流させる合流部５７と、を有している。第３分岐配管５６は、側壁部２１の外面に沿って回り込み、燃料電池カートリッジ３の短手方向の側面に対応する側壁部２１の外側で合流部５７に接続される。合流部５７は、燃料ガス配管４の入口配管４０の直下に位置している。なお、説明の便宜上、気密容器２内の出口配管５１の構成は省略する。

このように構成される燃料電池モジュール１では、燃料ガス供給源からの燃料ガスが燃料ガス配管４を経由して燃料電池カートリッジ３に供給される。一方、酸化ガス供給源からの酸化ガスは、酸化ガス配管５を経由して燃料電池カートリッジ３に供給される。燃料電池カートリッジ３内で燃料ガス及び酸化ガスが化学反応を起こすことにより、電気エネルギー（直流電力）が発生する。発生した直流電力は、例えば不図示のインバータによって交流電力に変換される。反応後の燃料ガス及び酸化ガスは、それぞれの配管を経由して燃料電池モジュール１の外に排出される。

ところで、従来の燃料電池モジュールでは、容器の内部に設けられた複数の燃料電池スタックのうち、隣り合う２つの燃料電池スタックの間に冷却器を配置したものが存在する。当該冷却器には、燃料ガスや酸化剤ガス等の供給ガスが供給される。冷却器は、隣り合う２つの燃料電池の熱を吸収することで熱交換を実現する。

しかしながら、容器内に冷却器が配置されているため、燃料電池モジュール全体が大型化するという問題がある。また、燃料電池スタックは、システム運転中に高温となるため、燃料電池スタックの近傍に配置される冷却器も高温に晒されることになる。この場合、冷却器は、耐熱性の金属（遷移金属や耐熱鋼）やセラミックス等の高価な材料で形成する必要がある。この結果、燃料電池システムの製造コストが増加してしまうという問題がある。また、運転中の燃料電池スタックから熱交換を実現するため、システム起動時では燃料電池スタックの温度が上がっておらず、冷却器による熱交換ができないことが想定される。また、燃料電池スタック毎に温度をコントロールすることが困難であることも想定される。

そこで、本件発明者は、燃料電池スタックに供給ガスを供給する配管に着目し、本発明に想到した。具体的に本実施の形態では、気密容器２の外側に露出する配管（酸化ガス配管５）の外周に冷却水が流れるための冷却水流路１０を設けている。

この構成によれば、冷却水流路１０に冷却水が流れることで配管が冷却され、配管内を流れる供給ガス（酸化ガス）も冷却される。このように、気密容器２の外側で供給ガスを冷却することにより、気密容器２内の燃料電池カートリッジ３の温度を間接的にコントロールすることが可能である。また、気密容器２の外側に冷却水流路１０を設けるだけで燃料電池カートリッジ３の温度調整ができるため、気密容器２内に専用の冷却器を設ける必要がなく構成が簡略化される。この結果、燃料電池モジュール１全体を大きくすることなく、安価に製造することが可能である。

また、上記の冷却構造によれば、燃料電池カートリッジ３の熱を直接利用しないため、運転中だけでなく、起動時にも利用可能である。また、詳細は後述するが、冷却水流路１０の途中に冷却水の流量を調整する流量調節弁１３を設けたことで、燃料電池カートリッジ３の温度を容易にコントロールすることが可能である。

次に、気密容器２の外側における配管周辺の構造、特に冷却構造について説明する。上記したように、燃料ガス又は酸化ガスが流れる配管の一部は、気密容器２の外側に露出している。露出した各配管は、断熱用のカバー（断熱カバー）によって覆われている。

具体的に燃料ガス配管４を構成する入口配管４０及び出口配管４１には、外周を覆うように筒状の断熱カバー６、７が設けられている。また、酸化ガス配管５を構成する入口配管５０及び出口配管５１にも、筒状の断熱カバー８、９が設けられている。これらの断熱カバーは、気密容器２と同じくステンレス等の金属材料によって形成され、各配管の外周面との間に所定の隙間を形成している。例えば、断熱カバーと配管との間にガラスウール等の高温用断熱材（不図示）を配置することで、配管の熱が外に拡散することを防止できる。なお、断熱材は、断熱カバーの外周側に設けられてもよい。また、断熱材は、番線等の金属製ワイヤを巻き付けて固定されてもよい。

特に酸化ガス配管５の入口配管５０を覆う断熱カバー８は、入口配管５０との間の隙間に冷却水流路１０を形成する（図１、２のハッチング部分を参照）。すなわち、断熱カバー８は、入口配管５０を冷却する冷却水が流れる冷却水流路１０を形成するダクト部を構成する。

この構成によれば、入口配管５０の外周を冷却水が流れることで、入口配管５０を流れる酸化ガスを冷却することが可能である。すなわち、気密容器２内の燃料電池カートリッジ３に供給される前の酸化ガスを予め所望の温度に冷却することで、燃料電池カートリッジ３の温度を調整することが可能である。特に、酸化ガスは、温度の調整が容易であるため、燃料電池カートリッジ３の温度調整を効果的に実施することが可能である。

また、断熱カバー８には、冷却水の導入口１１と排出口１２が設けられている。導入口１１は、第１分岐部５２の真上に対応する位置に設けられており、先端が上方に向けられている。排出口１２は、各第１分岐配管５３の下流側で側壁部２１との接続部分近傍に設けられており、先端が上方に向けられている。冷却水流路１０を流れる冷却水は、第１分岐配管５３内の酸化ガスと熱交換することで蒸気となり得る。排出口１２の先端が上方に向けられることで、蒸気となった冷却水を排出し易くすることが可能である。なお、図１では説明の便宜上、紙面手前側の排出口１２のみ図示している。

冷却水流路１０は、導入口１１から一対の第１分岐配管５３に沿って２つに分岐している。分岐した各冷却水流路１０の上流端側には、流量調節弁１３が設けられている。すなわち、流量調節弁１３は、第１分岐配管５３毎に配置されている。この構成によれば、各冷却水流路１０毎に冷却水の流量を調整することで、燃料電池カートリッジ３毎に温度を調整することが可能である。例えば、２つのうち一方の燃料電池カートリッジ３の温度が他方よりも高くなった場合、一方の流量調節弁１３を開いて一方の冷却水流路１０に流れる冷却水の流量を増やす。これにより、一方の燃料電池カートリッジ３の冷却が促進され、２つの燃料電池カートリッジ３の温度を均一に保つことができる。このように、２つの燃料電池カートリッジ３間の温度差を極力小さくすることで、それぞれの燃料電池カートリッジ３の寿命を同時期に調整することが可能である。

以上説明したように、本発明では、燃料電池カートリッジ３に供給ガスを供給する配管の一部を気密容器２の外側に露出させ、露出した配管の外周に冷却水流路１０を設けたことで、気密容器２の内部に専用の冷却器を用いることなく燃料電池カートリッジ３の温度をコントロールすることが可能である。この結果、燃料電池モジュール１を大型化することなく安価に製造することが可能である。

また、上記実施の形態において、冷却水流路１０が酸化ガス配管５の一部に設けられる場合について説明したが、この構成に限定されない。冷却水流路１０は、燃料ガス配管４に設けられてもよい。

また、上記実施の形態において、燃料電池カートリッジ３が気密容器２内に２つ設けられる場合について説明したが、この構成に限定されない。燃料電池カートリッジ３は、１つ又は３つ以上設けられてもよい。

また、上記実施の形態において、酸化ガス配管５が気密容器２の外側で２つに分岐する場合について説明したが、この構成に限定されない。酸化ガス配管５は、気密容器２の内側で２つに分岐してもよく、分岐数は２つに限らず、３つ以上であってもよい。

また、上記実施の形態において、燃料ガス配管４が気密容器２の内側で２つに分岐する場合について説明したが、この構成に限定されない。燃料ガス配管４は、気密容器２の外側で２つに分岐してもよく、分岐数は２つに限らず、３つ以上であってもよい。

また、上記実施の形態において、燃料ガス配管４、酸化ガス配管５の取り回しは適宜変更が可能である。また、冷却水流路１０や流量調節弁１３、導入口１１や排出口１２のレイアウト等も適宜変更が可能である。

また、上記実施の形態において、酸化ガス配管５の外周にダクト部として断熱カバー８を設け、酸化ガス配管５と断熱カバー８との間の隙間に冷却水流路１０が形成される場合について説明したが、この構成に限定されない。冷却水流路１０は、気密容器２の外側に露出された配管の外周に所定の流路を形成すれば、どのように構成されてもよい。例えば、配管の外周に螺旋状配管を巻き付け、螺旋状配管内に冷却水を流すように構成してもよい。また、配管を二重管構造として、内側配管内で供給ガスを流し、外側配管内で冷却水を流すように構成してもよい。

また、本実施の形態及び変形例を説明したが、他の実施の形態として、上記実施の形態及び変形例を全体的又は部分的に組み合わせたものでもよい。

また、本実施の形態は上記の実施の形態及び変形例に限定されるものではなく、技術的思想の趣旨を逸脱しない範囲において様々に変更、置換、変形されてもよい。さらに、技術の進歩又は派生する別技術によって、技術的思想を別の仕方で実現することができれば、その方法を用いて実施されてもよい。したがって、特許請求の範囲は、技術的思想の範囲内に含まれ得る全ての実施態様をカバーしている。

下記に、上記実施の形態における特徴点を整理する。
上記実施の形態に記載の燃料電池モジュールは、複数の燃料電池スタックで構成される燃料電池カートリッジと、前記燃料電池カートリッジを覆う容器と、前記燃料電池カートリッジに燃料ガス又は酸化ガスを供給ガスとして供給するための流路を形成する配管と、前記配管の少なくとも一部を冷却する冷却水が流れる冷却水流路と、を備え、前記冷却水流路は、前記容器の外側において、前記配管の外周に設けられることを特徴とする。

また、上記実施の形態に記載の燃料電池モジュールは、前記容器の外側で前記配管の外周を覆うダクト部を更に備え、前記冷却水流路は、前記配管と前記ダクト部との間の隙間に形成されることを特徴とする。

また、上記実施の形態に記載の燃料電池モジュールにおいて、前記冷却水流路の途中に前記冷却水の流量を調整する流量調節弁が設けられることを特徴とする。

また、上記実施の形態に記載の燃料電池モジュールにおいて、前記燃料電池カートリッジは、前記容器内に複数設けられ、前記配管は、前記容器の外側で複数の前記燃料電池カートリッジ毎に分岐しており、前記流量調整弁は、分岐した前記配管毎に配置されることを特徴とする。

また、上記実施の形態に記載の燃料電池モジュールにおいて、前記配管は、前記燃料ガスの流路を形成する燃料ガス配管と、前記酸化ガスの流路を形成する酸化ガス配管と、を有し、前記冷却水流路は、前記酸化ガス配管の外周に設けられることを特徴とする。

また、上記実施の形態に記載の燃料電池モジュールにおいて、前記冷却水流路には、前記冷却水の導入口と排出口が設けられ、前記冷却水の排出口は、上方に向けられていることを特徴とする。

以上説明したように、本発明は、燃料電池モジュールを大型化することなく安価な構成で燃料電池スタックの温度をコントロールすることができるという効果を有し、特に、固体酸化物形燃料電池モジュールに有用である。

１ ：燃料電池モジュール
２ ：気密容器（容器）
３ ：燃料電池カートリッジ
４ ：燃料ガス配管（配管）
５ ：酸化ガス配管（配管）
６ ：断熱カバー
７ ：断熱カバー
８ ：断熱カバー（ダクト部）
９ ：断熱カバー
１０ ：冷却水流路
１１ ：導入口
１２ ：排出口
１３ ：流量調節弁
２１ ：側壁部
２２ ：上壁部
４０ ：入口配管
４１ ：出口配管
５０ ：入口配管
５１ ：出口配管
５２ ：第１分岐部
５３ ：第１分岐配管
５４ ：第２分岐部
５５ ：第２分岐配管
５６ ：第３分岐配管
５７ ：合流部

Claims (6)

1. 複数の燃料電池スタックで構成される燃料電池カートリッジと、
   前記燃料電池カートリッジを覆う容器と、
   前記燃料電池カートリッジに燃料ガス又は酸化ガスを供給する配管と、
   前記配管の少なくとも一部を冷却する冷却水が流れる冷却水流路と、を備え、
   前記冷却水流路は、前記容器の外側において、前記配管の外周に設けられることを特徴とする燃料電池モジュール。
2. 前記容器の外側で前記配管の外周を覆うダクト部を更に備え、
   前記冷却水流路は、前記配管と前記ダクト部との間の隙間に形成されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池モジュール。
3. 前記冷却水流路に前記冷却水の流量を調整する流量調節弁が設けられることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池モジュール。
4. 前記燃料電池カートリッジは、前記容器内に複数設けられ、
   前記配管は、前記容器の外側で複数の前記燃料電池カートリッジ毎に分岐しており、
   前記流量調節弁は、分岐した前記配管毎に配置されることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池モジュール。
5. 前記配管は、
   前記燃料ガスの流路を形成する燃料ガス配管と、
   前記酸化ガスの流路を形成する酸化ガス配管と、を有し、
   前記冷却水流路は、前記酸化ガス配管の外周に設けられることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の燃料電池モジュール。
6. 前記冷却水流路には、前記冷却水の導入口と排出口が設けられ、前記冷却水の排出口は、上方に向けられていることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の燃料電池モジュール。

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