JP2024012000A - 燃料電池モジュールおよび燃料電池モジュールのガス供給方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池セルを積層する燃料電池スタック構造を持つ燃料電池モジュールにおいて、燃料電池スタック内の温度均一化を図ることを目的とする。【解決手段】本発明の好ましい一側面は、燃料ガスと酸化剤ガスが供給され発電を行う燃料電池セルを複数積層した燃料電池スタックと、前記燃料電池セルに供給される前記燃料ガスおよび酸化剤ガスの少なくとも一つである供給ガスと、前記燃料電池セルから排出される前記燃料ガスおよび酸化剤ガスの少なくとも一つである排出ガスとの間で、熱交換を行う温度調整部材を備える、燃料電池モジュールである。【選択図】 図３Ａ

Description

本発明は、燃料電池モジュールに関する。

近年、高エネルギー変換が可能であり、かつ炭酸ガスや窒素酸化物などの汚染物質を排出しないクリーンエネルギー源として、燃料電池が注目されている。燃料電池のなかでも、固体電解質型燃料電池（以下、ＳＯＦＣ（Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）と略す）は、発電効率が高く、取り扱いが容易な水素、メタン、一酸化炭素などのガスを燃料にできるので、他の方式と比較して優位な点が多く、省エネ性・環境性に優れたコージェネレーションシステムとして期待されている。

ＳＯＦＣは、固体電解質を燃料極と空気極で挟む構造となっており、電解質を隔壁として燃料極側に水素などの燃料ガスを供給し、空気極側に空気または酸素ガスなどの酸化剤ガスを供給する。特に平板型のＳＯＦＣは、積層することで高出力が得られるため有望である。

特許文献１に開示される平板型ＳＯＦＣスタックは、ベースプレートとエンドプレートの間に燃料電池スタックが繰り返し配置された構造において、燃料電池スタックは、燃料ガスと空気を流して発電する活性な燃料電池スタックと燃料ガスを流さず空気のみ流して発電しない不活性な燃料電池スタックがあり、不活性な燃料電池スタックは、ベースプレートまたはエンドプレートと活性な燃料電池スタック間に配置されている。

特表２０１７－５０８２５４号公報

特許文献1においては、平板型ＳＯＦＣスタックの動作環境における燃料電池スタック内の発電ばらつきを低減した高効率化運転のため、発電する活性な燃料電池スタックの中央部と端部の温度差に着目している。そして、活性な燃料電池スタック端部とガス導入により温度の低下の要因となるベースプレートまたはエンドプレートの間に、発電しない不活性な燃料電池スタックをダミーとして挿入し、活性な燃料電池スタックの中央部と端部の温度差を低減し、発電の指標となる作動電圧差により温度のばらつきを管理している。

しかしながら、特許文献1においては、ベースプレートからエンドプレートまでの温度分布は、変わっておらず、温度低下が大きい領域にダミーを置き換えているだけである。このため、動作環境下では発電するほど活性な燃料電池スタック中央部の温度は上昇し、ベースプレートおよびエンドプレートとの温度差は増加していく。また、燃料電池セルの高発電化が進むと燃料ガスや酸化剤ガスを大量に流す必要があり、ガス導入部となるベースプレート等の温度低下が大きくなり、増々燃料電池スタック内の温度均一化が課題となる。

そのため、最高出力を想定し不活性な燃料電池スタックの総数を増加して挿入しなければならず、コストの増大が懸念される。また、不活性な燃料電池を多数用いた場合、ＳＯＦＣスタック全体が大型化することにより、周辺部品、例えば前記ＳＯＦＣスタックを収めて全体の温度均一化を図るための断熱材で構成されたホットモジュールの大型化など、よりコスト増加が問題となる。

本発明は、上記のような課題に鑑みてなされたものであり、燃料電池セルを積層する燃料電池スタック構造を持つ燃料電池モジュールにおいて、燃料電池スタック内の温度均一化を図ることを目的とする。

本発明の好ましい一側面は、燃料ガスと酸化剤ガスが供給され発電を行う燃料電池セルを複数積層した燃料電池スタックと、前記燃料電池セルに供給される前記燃料ガスおよび酸化剤ガスの少なくとも一つである供給ガスと、前記燃料電池セルから排出される前記燃料ガスおよび酸化剤ガスの少なくとも一つである排出ガスとの間で、熱交換を行う温度調整部材を備える、燃料電池モジュールである。

本発明の他の好ましい一側面は、燃料ガスと酸化剤ガスが供給され発電を行う燃料電池セルを複数積層した燃料電池スタックのガス供給方法であって、前記燃料電池セルに供給される前記燃料ガスおよび酸化剤ガスの少なくとも一つである供給ガスと、前記燃料電池セルから排出される前記燃料ガスおよび酸化剤ガスの少なくとも一つである排出ガスとの間で熱交換を行い、加熱された前記供給ガスを前記燃料電池スタックに供給する、燃料電池モジュールのガス供給方法である。

本発明によれば、燃料電池セルを積層する燃料電池スタック構造を持つ燃料電池モジュールにおいて、燃料電池スタック内の温度均一化を図ることができる。その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。

燃料電池モジュールの概略斜視図である。 燃料電池モジュールの上側の平面構成図である。 実施形態１に係る燃料電池モジュール１０のＡ－Ａ断面図である。 実施形態１に係る燃料電池セル３４の断面図である。 実施形態１に係る発電セル基板２８の上側の平面構成図である。 実施形態１に係る電極基板２９の上側の平面構成図である。 実施形態１に係るセパレータ３０の上側の平面構成図である。 実施形態１に係るシール材３１Ａの上側の平面構成図である。 実施形態１に係るシール材３１Ｂの上側の平面構成図である。 実施形態１に係るシール材３１Ｃの上側の平面構成図である。 実施形態１に係るスタック温度調整層１４Ａの上側の平面構成図である。 実施形態１に係るスタック温度調整層１４ＡのＢ－Ｂ断面図である。 比較例における燃料電池モジュールの断面図である。 実施形態１に係るスタック内温度分布を示すグラフ図である。 実施形態２に係るスタック温度調整層の断面図である。 実施形態３に係るスタック温度調整層上側の平面構成図である。 実施形態の燃料電池システムの構成を示す構成図である。

実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。ただし、本発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。本発明の思想ないし趣旨から逸脱しない範囲で、その具体的構成を変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。

以下に説明する実施例の構成において、同一部分又は同様な機能を有する部分には同一の符号を異なる図面間で共通して用い、重複する説明は省略することがある。

同一あるいは同様な機能を有する要素が複数ある場合には、同一の符号に異なる添字を付して説明する場合がある。ただし、複数の要素を区別する必要がない場合には、添字を省略して説明する場合がある。

本明細書等における「第１」、「第２」、「第３」などの表記は、構成要素を識別するために付するものであり、必ずしも、数、順序、もしくはその内容を限定するものではない。また、構成要素の識別のための番号は文脈毎に用いられ、一つの文脈で用いた番号が、他の文脈で必ずしも同一の構成を示すとは限らない。また、ある番号で識別された構成要素が、他の番号で識別された構成要素の機能を兼ねることを妨げるものではない。

図面等において示す各構成の位置、大きさ、形状、範囲などは、発明の理解を容易にするため、実際の位置、大きさ、形状、範囲などを表していない場合がある。このため、本発明は、必ずしも、図面等に開示された位置、大きさ、形状、範囲などに限定されない。

本明細書で引用した刊行物、特許および特許出願は、そのまま本明細書の説明の一部を構成する。

本明細書において単数形で表される構成要素は、特段文脈で明らかに示されない限り、複数形を含むものとする。

実施例で詳細に説明するが、一つの例では、燃料電池セルが積層された燃料電池スタックの端部と燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給・排出する配管が接続されたプレート基板の間にスタック温度調整層を設け、高発電出力、高信頼の燃料電池モジュールを提供する。

スタック温度調整層は、燃料電池スタック端部に接するように蛇行した排出ガス流路を配置し、かつプレート基板側に蛇行した供給ガス流路を設け、排出ガス流路と供給ガス流路は近接した構造であり、発電により高温になった排出ガスにより、燃料電池スタック中央部より温度が低い燃料電池スタック端部と燃料電池スタック内部より温度が低い供給ガスの両方を熱交換を行い燃料電池スタック端部の温度を補正することで燃料電池スタック内の温度均一化が図れる。

本実施例に係る燃料電池モジュールは、電解質層と電解質層を挟む対をなす電極層からなるセルを複数重ねた燃料電池スタックと、ガスの供給・排出配管が接続されたベースプレートまたはエンドプレートとの間に燃料電池スタックからの排出ガスと供給ガスを熱交換させるスタック温度調整層を有する。

図１は、実施の形態１に係る燃料電池モジュール１０の構成を説明する概略斜視図である。
図２は、燃料電池モジュール１０を上側（トッププレート側）から見た平面構成図である。なお、図１、図２では、燃料電池モジュール１０の構成をわかりやすくするため、一部の構成を透過し破線で示したり、一部の構成の図示を省略したりしている。本明細書では、便宜上に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、燃料電池モジュール１０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２以降についても同様である。

燃料電池モジュール１０は、プレート基板となるベースプレート１２とトッププレート１３の間に燃料電池スタック１１（発電単位の積層）を有し、ベースプレート１２と燃料電池スタック１１間、トッププレート１３と燃料電池スタック１１間に燃料電池スタック内の温度を調整するためのスタック温度調整層１４が配置されている。

なお、後述するが、燃料電池スタック１１内、ベースプレート１２、トッププレート１３、スタック温度調整層１４間には、ガスリーク防止、およびガス流路の役割を果たすシール材３１を有している。各部材にはボルト２４が通る貫通穴が加工され、上下をナット２５により一定の圧力で締付けている。なお、本実施の形態１では、ボルト２４を燃料電池モジュール１０周辺８カ所で発電領域となる燃料電池セル３４の外側に設けてあるが、締付け圧力の設定により設置個所と設置数は変更してもよい。

前記ベースプレート１２の下側には、ガス供給貫通穴２６（図１、図２では示していない）に、例えば燃料ガス供給配管１６と燃料ガス排出配管１８がそれぞれガス流路を内部に設けたガス配管接続部１７と連結され、燃料供給ガス１５が燃料電池スタック１１内に供給され、発電後の燃料排出ガス１９として排出される。

また、前記トッププレート１３の上方には、例えば酸化剤ガス供給配管２１と酸化剤ガス排出配管２２がガス配管接続部１７で結合され、酸化剤供給ガス２０は、燃料電池スタック１１内に供給され、発電したのち酸化剤排出ガス２３として排出される。

なお、本実施の形態１の、ガス配管の方向、配管接続部の形状は、一例を示したもので、大きさや形が変わっても機能が同じであればよい。また、燃料供給ガス１５としては、水素、メタン、一酸化炭素などがあり、酸化剤供給ガス２０としては空気などが挙げられ、一部混合したガスや水蒸気を含んだ改質ガスでもよい。なお、ベースプレート１２、トッププレート１３、ボルト２４、ナット２５の材質は、ステンレス系の金属を用いている。

図３Ａは、図２のＡ－Ａ断面図である。図の下から上に向かって説明する。図３Ａに示すように、燃料電池モジュール１０は、下側に燃料ガス供給配管１６、燃料ガス供給用のガス配管接続部１７Ａ，燃料ガス排出配管１８，燃料ガス排出用のガス配管接続部１７Ｂを備えたベースプレート１２上にシール材３１Ａを介して第１のスタック温度調整層１４Ａが配置されている。なお、スタック温度調整層１４Ａには、蛇行した供給ガス流路３６と排出ガス流路３７を有している。

次にシール材３１Ｃを介して金属製の電極基板２９を重ねる。次にシール材３１Ｂを介して燃料電池セル３４を装着した発電セル基板２８を重ね、さらにシール材３１Ｂを介して金属製のセパレータ３０を重ねる。

図３Ｂに燃料電池セルの構造を示す。燃料電池セル３４は、アノード電極４３、電解質膜４４、カソード電極４５の積層構造である。なお、図３Ａに示すように、燃料電池セル３４上下には多孔質の金属からなる集電体３３を挿入する。燃料電池セル３４のアノード電極４３とカソード電極４５は、集電体３３を介して、電極基板２９もしくはセパレータ３０と導通させる。

図３Ａに示すように、次にシール材３１Ｂを介して集電体３３を挿入後、発電セル基板２８を再度重ね、シール材３１Ｂと集電体３３を挿入してセパレータ３０を重ねる。

前記発電セル基板２８を電極基板２９とセパレータ３０の金属基板で挟んだ構成、または、発電セル基板２８を上下のセパレータ３０で挟んだ構成がひとつの発電単位３２となる。発電単位３２を積層（スタック）することで、高出力が得られる燃料電池スタックが構成される。

なお、スタック最上層は、電極基板２９であり、図示していないが上層と下層の二つの電極基板は外部に配線で接続され、外部出力ができるようになっている。上層の電極基板２９上にはシール材３１Ｃを介してスタック温度調整層１４Ｂが配置され、電極基板２９側に排出ガス流路３７、トッププレート１３側に供給ガス流路３６となっている。

スタック温度調整層１４Ｂ上にはシール材３１Ａを介してトッププレート１３が載せられている。トッププレート１３には、酸化剤ガス供給配管２１が酸化剤ガス供給用のガス配管接続部１７Ｃにより結合され、酸化剤ガス排出配管２２がガス配管接続部１７Ｄにより結合されている。

前述のとおり、ベースプレート１２、スタック温度調整層１４、燃料電池スタック１１、トッププレート１３は、ボルト２４をナット２５で所定の圧縮力になるまで締付けてある。

次に、本実施形態１の燃料電池モジュールのガスの流れについて説明する。なお、図３Ａに矢印でガスの流れを記載している。例えば室温の燃料供給ガス１５は、一定温度に保たれた（例えば５００℃以上）燃料電池モジュール１０下部の燃料ガス供給配管１６からベースプレート１２のガス供給貫通穴２６を通り、スタック温度調整層１４Ａで暖められながら流れる。

燃料供給ガス１５は、ベースプレート１２側の供給ガス流路３６を流れた後、破線で示した供給ガス貫通穴３８を経て電極基板２９のガス用貫通穴４２Ａに流れる。ここで、そのまま上方向の発電セル基板２８のガス用貫通穴４２Ａと、電極基板２９のガス流路用ザグリ４６の横方向とに分かれて流れる。

横方向のガス流路用ザグリ４６に流れた燃料供給ガスは、発電セル基板２８の貫通穴に露出した燃料電池セル３４のアノード電極に到達し、発電する。発電の際には化学反応により発熱もする。なお、ガス流路用ザグリ４６内には集電体３３があるが、多孔質のため燃料供給ガス１５は分散してアノード電極に到達する。集電体３３の形状を変更して燃料ガスを効率よく消費させてもよい。

発電した燃料（例えば水素）が消費された燃料排出ガス１９は、排出のためのガス用貫通穴４２Ｂから排出される。その後、スタック温度調整層１４Ａの排出ガス流路３７に入り蛇行して電極基板２９の下側を流れ、ベースプレート１２のガス排出貫通穴２７から燃料ガス排出配管１８を通り、外部へ出る。

また、酸化剤供給ガス２０に関しても、この酸化剤ガス供給配管２１を通して、第２のスタック温度調整層１４Ｂ、燃料電池セルのカソード電極を流れた後、再度第２のスタック温度調整層１４Ｂに酸化剤排出ガス２３となって流れてくる。なお、発電単位３２としては、電極基板２９、発電セル基板、セパレータ３０とその間のシール材３１Ｂ、およびセパレータ３０に挟まれた発電セル基板２８とシール材３１Ｂの構成となる。

上記のように発電の際の発熱のため、燃料電池モジュール１０は内側（ベースプレート１２とトッププレート１３からZ軸方向に離れた部分）で温度が高く、外側（ベースプレート１２とトッププレート１３からZ軸方向に近い部分）で温度が室温に近くなる。すなわち、燃料電池セル３４の温度分布は均一ではない。

一般には、温度が高いほうが発電の効率が良いが、部品の熱膨張等を考慮すると適切な範囲で高温に保たれることが望ましい。適切な範囲は燃料電池モジュール１０の設計にも依存するが、例えば２００～８００℃である。理想的には燃料電池セル３４全体がこの温度に保たれることが望ましいが、上記のように外側では温度が低くなり発電効率が下がる。そこで本実施例では、スタック温度調整層１４を用いて、燃料電池モジュール１０に入るガスと出るガスの間で熱交換を行い、燃料電池モジュール１０に入る燃料供給ガス１５や酸化剤供給ガス２０の予熱を行う。

図４は、実施形態１に係る発電セル基板２８の上側の平面構成図である。発電セル基板２８の外形は、ベースプレート１２、トッププレート１３と同様とし、材質はセラミック基板で厚さ約３ｍｍを用いる。外周部にはボルト２４を通す貫通穴３５が８カ所配置され、中央部には燃料電池セル３４を設置するための発電セル用ザグリ４１が設けられており、深さは例えば燃料電池セル３４を発電セル用ザグリ４１に乗せ接着した場合に燃料電池セル３４が若干高くなるようにしてある。

なお、燃料電池セル３４は、アノード電極４３上に電解質膜４４が形成され、その内側にカソード電極４５が形成されている。アノード電極４３と電解質膜４４は同じ大きさでもよい。燃料電池セル３４の厚みは１００μｍから１ｍｍ程度である。

また、発電セル基板２８の中央部は、燃料電池セル３４のカソード電極４５より大きく電解質膜４４より小さい大きさで貫通穴が開いており、集電体３３がアノード電極４３に接触できるように加工されている。

発電セル用ザグリ４１の外周には、燃料ガスと酸化剤ガスの供給、排出用のガス用貫通穴４２が四辺に複数個設けられている。本実施の形態では、ガス用貫通穴４２は、一辺に５カ所設けている。このガス用貫通穴によりスタックされた各発電単位３２の燃料電池セル３４へのガス供給・排出がなされ発電が可能となる。なお、本実施形態では、燃料電池セル３４を1枚搭載した場合について説明したが、複数枚搭載できるように発電セル基板２８を変更しても良い。また、厚さを変更しても良い。

図５は、実施形態１に係る電極基板２９の上側の平面構成図である。電極基板２９の外形は、ベースプレート１２、トッププレート１３と同様とし、ステンレス系の耐熱金属で形成され、厚さは約３ｍｍである。外周部には、発電セル基板２８と同様にボルト２４を通す貫通穴３５が８カ所配置され、さらに燃料ガスと酸化剤ガスの供給、排出用のガス用貫通穴４２が発電セル基板２８と同位置に形成されている。

また、燃料ガス、または酸化剤ガスを燃料電池セルに流すため、ガス流路用ザグリ４６が一方向に延び、例えば燃料供給ガス１５の供給と排出のガス用貫通穴４２が形成されている。ただし、後述するスタック温度調整層１４の供給ガス流路３６と排出ガス流路３７の位置には前記ガス用貫通穴４２を設けない。また、電極基板２９は９０°回転させ、上下反転させれば酸化剤ガス側の電極として使用できる。また、厚さを変更しても良い。

図６は、実施形態１に係るセパレータ３０の上側の平面構成図である。セパレータ３０は、前記電極基板２９と外形、外周部の貫通穴３５、燃料ガスと酸化剤ガスの供給、排出用のガス用貫通穴４２、ガス流路用ザグリ４６の配置が同一である。

異なる部分は、裏面側に反対面ガス流路用ザグリ４７が配置されていることである。反対面流路用ザグリは、表側のガス流路用ザグリ４６を９０°回転させた形状であり、表裏で異なるガスを流す役割をしている。

なお、ガス流路用ザグリ４６と反対面ガス流路用ザグリ４７は、貫通しておらず燃料ガスと酸化剤ガスが混合することはない。供給、排出用のガス用貫通穴４２は前記発電セル基板２８と重ねたときに同じ場所になるようにする。また、厚さは電極基板２９と同じ３ｍｍであるが、変更しても良い。

図７Ａ～図７Ｃは、実施形態１に係るシール材３１の上側の平面構成図である。シール材３１は、燃料ガスと酸化剤ガスの混合を防止するためのもので、例えばガラス系材質やバーミキュライトを原料とした耐熱性に優れたシート材であっても良い。前記シール材３１は、３仕様の形状を本実施形態１では使用している。

図７Ａは、ベースプレート１２とスタック温度調整層１４の間およびトッププレート１３とスタック温度調整層１４の間のシール材３１Ａを示す。シール材３１Ａの内部加工は、外周部のボルト２４を通す貫通穴３５とベースプレート１２、トッププレート１３のガス配管接続部１７に対応した貫通穴４８が形成されている。

図７Ｂは、電極基板２９と発電セル基板２８間、および発電セル基板２８とセパレータ３０間に用いるシール材３１Ｂを示す。シール材３１Ｂの内部は、外周部のボルト２４を通す貫通穴３５と燃料電池セル３４より大きい領域の貫通穴４９と電極基板２９のガス用貫通穴４２と重ねたときに同一となる貫通穴４８が設けられている。

図７Ｃシール材３１Ｃは、電極基板２９とスタック温度調整層１４間に用いるシール材である。シール材３１Ｃの内部は、外周部のボルト２４を通す貫通穴３５と供給ガス用貫通穴５０，排出ガス用貫通穴５１が設けられている。なお、シール材の厚さは、０．３～１ｍｍ程度である。

図８は、実施形態１に係るスタック温度調整層１４Ａ（ベースプレート１２側）の上側の平面構成図である。スタック温度調整層１４では、燃料供給ガス１５および酸化剤供給ガス２０の少なくとも一つと、燃料排出ガス１９および酸化剤排出ガス２３の少なくとも一つの間で熱交換を行う。すなわち、比較的高温（例えば５００℃）である燃料排出ガス１９や酸化剤排出ガス２３（排出ガス）から、熱量を比較的低温（例えば２５℃）である燃料供給ガス１５や酸化剤供給ガス２０（供給ガス）に移動させる。

実施例において、スタック温度調整層１４は板状あるいは層状の形態である。供給ガスが流れる供給ガス流路３６と排出ガスが流れる排出ガス流路３７は、スタック温度調整層１４の主面（最大の面積を持つ面）に平行な面内にガスが流れるように形成されている。熱量の移動を効率よく行うためには、供給ガスと排出ガスの距離を小さくする、供給ガスと排出ガスの間に熱伝導率の大きな物質を置く、供給ガス（配管）と排出ガス（配管）の対向面積を大きくする等の手法を採用する。対向面積を大きくするために、図８の例では配管が蛇行している。図８に示す例では、燃料供給ガス１５と燃料排出ガス１９の間で熱交換を行う。

図９は、図８のＢ－Ｂ断面図である。図８に見られるように、スタック温度調整層１４Ａの外周には電極基板２９と同様に８か所にはボルト２４用の貫通穴３５が形成されている。

図９において、スタック温度調整層１４Ａの上面側に図５の電極基板２９が重なるように配置される。スタック温度調整層１４Ａの上面側には排出ガス流路３７が蛇行して形成されている。例えば電極基板２９のガス用貫通穴４２Ｂ（図３Ａ参照）を通った燃料排出ガス１９は、排出ガス流路３７を通り排出ガス貫通穴４０に流れ、ベースプレート１２のガス排出貫通穴２７から排出される。なお、排出ガス流路３７は燃料電池セル３４の大きさ内に配置されている。

スタック温度調整層１４Ａの下面側にはベースプレート１２がシール材３１Ａを介して近接する。スタック温度調整層１４Ａの下面側には、ベースプレート１２の燃料供給用のガス供給貫通穴２６に連結した供給ガス流路３６が蛇行して形成され、供給ガス貫通穴３８を通り、表面の供給ガススタック流路３９とつながっている（図３Ａも参照）。

図８に示すように、供給ガス流路３６と排出ガス流路３７は、スタックの積層方向（Z方向）に重ねて配置されているが、Z方向（XY平面上）の射影が重なる部分を大きくとることにより、熱交換の効率を高めている。

なお、前記供給ガススタック流路３９は、電極基板２９のガス用貫通穴４２Ａにつながっている。スタック温度調整層の材質１４は、金属や熱伝導の良いアルミナ系セラミックが好ましく、熱交換が良好な材質がよい。厚さは、１～５ｍｍ程度がよく、本実施の形態1では、３ｍｍとした。したがって、供給ガス流路３６と排出ガス流路３７を隔てる部分の厚さは１ｍｍ以下である。

上記ではスタック温度調整層１４Ａの構成を説明したが、スタック温度調整層１４Ｂでは、酸化剤供給ガス２０と酸化剤排出ガス２３の間で熱交換を行う。物理的な構成はスタック温度調整層１４Ａを上下（Z方向）に反転させた形となる。なお、配管の構成によっては、燃料供給ガス１５と酸化剤排出ガス２３の間、あるいは酸化剤供給ガス２０と燃料排出ガス１９の間で熱交換を行う構成としてもよい。

また上記の例では、排出ガス流路３７を燃料電池セル３４側に配置している。このため、排出ガスの熱量が、電極基板２９を介して燃料電池セル３４に伝達されるので、燃料電池セル３４の温度を上昇させる効果も併せて有する。

図１０は、比較例における燃料電池モジュール１００の断面図である。プレート基板となるベースプレート１２、トッププレート１３、および燃料電池スタック１１は、前記実施の形態１の燃料電池モジュール１０と同じであり、唯一異なるのは、前記スタック温度調整層１４が除去されていることである。

燃料供給ガス１５の流れは、ベースプレート１２の供給ガス貫通穴からすぐに電極基板２９のガス用貫通穴を通り、横方向のガス流路用ザグリ４６と上層の燃料電池セル基板のガス用貫通穴４２を通り次の発電単位へと流れる。

ここで、外部より入ってきた室温の燃料供給ガス１５の温度は燃料電池スタック内部より低く、また配管長が短いため、電極基板２９の温度が低下してしまう。なお、燃料排出ガス１９は、燃料電池スタック内の発電により高温となり、ベースプレート１２の排出ガス貫通穴に流れるが、短い配管のため、ガス配管接続部１７以外温度は高くならない。むしろ燃料ガス排出配管１８の温度が上昇する。

また、ガス供給貫通穴２６とガス排出貫通穴２７を近づけても貫通穴が短いため、あまり熱交換されず、燃料供給ガス１５はさほど暖まらない。酸化剤供給ガス２０に関しても燃料供給ガス１５と同様に外部から供給されるため温度が低いまま燃料電池モジュール１００に流れ、トッププレート１３下の電極基板２の温度を低下させてしまう。

図１１は、実施形態１に係る燃料電池スタック内温度分布を示す。横軸に温度、縦軸に燃料電池スタック１１のベースプレートからトッププレートまでの位置を示す。破線が比較例の燃料電池モジュール１００の燃料電池スタック内温度になる。

上述したように、燃料供給ガス１５，酸化剤供給ガス２０により、燃料電池スタック１１端部の電極基板２９が供給ガスで冷されるため低く、中央部に向かうほど発電による発熱で温度が高くなる傾向にある。

比較例の実験では、燃料供給ガス１５および酸化剤供給ガス２０を２Ｌ/分流した場合、燃料電池スタック端部と中央部の温度差は２０℃程度であった。これに対して、本実施形態１では、燃料電池スタック１１端部にスタック温度調整層１４が設けられているため、まず供給ガスと排出ガスの熱交換作用により、供給ガスの温度が比較例よりも高くなる。さらに、排出ガスの電極基板２９への熱交換により電極基板２９の温度後隣の発電単位より若干温度が高くなる（図１１中の実線のグラフが不連続に変化している部分）。

これら二つの効果により燃料電池スタック１１の端部と中央部の温度差は、約６℃まで温度差を低減できた。以上のように高温となる排出ガスと供給ガスとの熱交換と、燃料電池端部基板との熱交換により、燃料電池スタック１１内の温度分布を緩和できた。

なお、好ましい熱交換の効率の関係としては、供給ガス流路３６と排出ガス流路３７間＞排出ガス流路３７と電極基板２９≧供給ガス流路３６とベースプレート１２またはトッププレート１３が好ましい。前述の関係から、熱伝導率の大きさの関係は、スタック温度調整層１４＞電極基板２９≧ベースプレート１２またはトッププレート１３が好ましい。

また、ベースプレート１２またはトッププレート１３を厚くするなど体積を増やして、スタック温度調整層１４および電極基板２９より熱容量を増やし、スタック温度調整層１４の供給ガス流路に近接することで供給ガスの温度を上昇させることもできる。

前記燃料電池モジュール１０は、燃料電池スタック１１を上下に重ねた例を挙げたが、横向きにした燃料電池モジュール１０であってもよい。

上記の実施例に係る燃料電池モジュールによれば、スタック温度調整層１４の片側は燃料電池スタック端部に接しており、スタック温度調整層１４内に設けられた蛇行した排出ガス流路を有し、燃料電池スタックから排出されたガスが排出ガス流路を流れることにより、燃料電池スタック端部の温度を上昇させ燃料電池スタック内部との温度差が低減する。

また、スタック温度調整層１４のベースプレート１２側には、蛇行した供給ガス流路を有し、供給ガス流路は排出ガス流路とはつながっておらずガスが混合しないよう一定の厚みを持って配置され、排気ガスと供給ガスの熱交換が行われ、燃料電池スタック直前において供給ガス温度が燃料電池スタック内の温度に近づき、燃料電池スタック中央部と端部の温度差を低減できる。

本実施例によれば、燃料電池セルを積層する燃料電池スタック構造を持つ燃料電池モジュールにおいて、燃料電池スタック内の温度均一化を図り、高効率化発電とともに、安定した発電による信頼性向上、および低コストの燃料電池システムを提供することができる。

実施形態２は、排出ガスによる供給ガスへの熱交換をさらに効率よくするための構成であり、以下に説明する。

図１２は、本発明の実施形態２に係るスタック温度調整層１４－２の断面図である。この図に示すように、スタック温度調整層１４－２は、５層の基板から構成されている。なお、いずれの層にもボルト２４用の貫通穴３５が、図示していないが形成されている。

下層の供給ガス熱交換層５３は、図示されていないが例えば燃料ガス供給配管１６のガス配管接続部１７と連結した供給ガス貫通穴６０Ａが設けられ、蛇行した供給ガス流路３６－２に接続されている。また、燃料排出ガス１９が排出される燃料ガス排出配管１８のガス配管接続部１７の位置に排出ガス貫通穴５８が形成されている。

供給ガス熱交換層５３の上には、シール材５４が配置され、シール材５４には、下層の供給ガス熱交換層５３の排出ガス貫通穴５８と重なる位置と、後述する供給ガス貫通穴５９に重なる位置に貫通穴が形成されている。なお、厚さは0.3ｍｍと薄いほど良い。

シール材５４の上に熱電率が高く、例えば金属の薄い熱交換層５５を重ねる。内部の加工は、前述のシール材５４と同位置に排出ガス貫通穴５８と供給ガス貫通穴５９が開けられている。その上には再度シール材５４が重なり、最上層には排出ガス熱交換層５６が重ねられている。

排出ガス熱交換層５６には下層のシール材５４の供給ガス貫通穴に重なる位置に供給ガス貫通穴５９が開けられており、排出ガス貫通穴５８に重なる位置から蛇行した排出ガス流路３７－２が配置され、且つこの上に配置される電極基板２９の排出ガス用貫通穴４２の位置と前記排出ガス流路３７－２が重なる位置に排出ガス貫通穴６０Ｂが開けられている。

なお、供給ガス流路３６－２と排出ガス流路３７－２は、前述のスタック温度調整層１４の平面図に示したものと同じく、なるべく上下で重なる領域を多く形成する。この面積が多いほど熱交換が行われやすくなる。

図１２の形状としたことで、例えば燃料供給ガス１５は、図示していないがベースプレート１２のガス供給貫通穴２６から供給ガス熱交換層５３供給ガス貫通穴６０Ａに入り、供給ガス流路３６－２を流れ、供給ガス貫通穴５９を通って電極基板２９に流れていく。

燃料排出ガス１９は、電極基板２９の排出ガスのためのガス用貫通穴４２から排出ガス熱交換層５６の排出ガス貫通穴６０Ｂに流れ、排出ガス流路３７－２を通り、排出ガス貫通穴５８からベースプレート１２のガス排出貫通穴２７へと流れていく。

この際、燃料排出ガス１９は、排出ガス流路３７－２の領域で排出ガス熱交換層５６とシール材３１Ｃを介して接する電極基板２９と熱交換し、温度を中央と近づける効果がある。また、前記排出ガス流路３７－２は、金属の熱伝導がよい熱交換層５５を介して供給ガス流路３６－２と近接しているため、燃料供給ガス１５の温度を熱交換により高くすることができ、電極基板２９の温度低下を低減でき、燃料電池スタック１１内の温度均一化が図れる。

なお、供給ガス熱交換層５３と排出ガス熱交換層５６の材質は、アルミナ系セラミックで熱伝導率がよい材料がよい。熱伝導の良い関係としては、金属による熱交換層５５＞供給ガス熱交換層５３、排出ガス熱交換層５６＞ベースプレート１２、電極基板２９が好ましい。

図１３は、実施形態３に係るスタック温度調整層１４－３の上側の平面構成図である。スタック温度調整層１４－３は、1枚の基板の片側同一面に蛇行した供給ガス流路３６－３の溝と並走して排出ガス流路３７－３の溝が配置され、例えば燃料排出ガス１９と隣り合う燃料供給ガス１５の熱交換により燃料供給ガスの温度を上昇させ、電極基板２９へと流し、前記と同様に燃料電池スタック１１内の温度均一化が図れる。スタック温度調整層１４－３の基板は、アルミナ系セラミックで熱伝導率がよい材料がよい。

なお、ガス供給貫通穴６３は下層のベースプレート１２のガス供給貫通穴２６と重なり、排出ガス貫通穴６６は、ベースプレート１２の排出ガスのためのガス用貫通穴４２と重なる。この構造においても供給ガスの温度上昇が期待でき、上述と同様、燃料電池スタック１１内の温度均一化が図れる。

また、その他の構成として電極基板の裏側に排出ガスの流路とベースプレートの表面に供給ガス流路を設け、その間に熱伝導率の高い流路を設けない金属基板を導入し、前記電極基板裏側と金属基板とベースプレート表面において本実施形態のスタック温度調整層としても同様の効果が期待できる。

図１４は、実施例の燃料電池システムの構成を示す図である。燃料電池システム７０は、スタック温度調整層１４を搭載した燃料電池モジュール１０を断熱材で構成されたホットモジュール７１内で断熱されている。燃料電池モジュールに接続された燃料ガス供給配管１６と燃料ガス排出配管１８は、ホットモジュール７１外部でも燃料ガス熱交換器７２で燃料供給ガス１５を温める。また、酸化剤ガス供給配管２１と酸化剤ガス排出配管２２においても酸化剤ガス熱交換器７３で酸化剤供給ガス２０を温める。なお、ホットモジュール７１と燃料ガス熱交換器７２、および酸化剤ガス熱交換器７３間も断熱材を用いて温度低下を抑制するような機構を設けることで、さらに燃料電池スタック１１内の温度均一化が図れる。また、酸化剤ガス供給配管２１にバーナーなどによる温度調整可能な加熱機構を付けても良い。

＜本発明の変形例について＞
本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

上記実施例によれば、効率の良い燃料電池が実現可能となるため、消費エネルギーが少なく、炭素排出量を減らし、地球温暖化を防止、持続可能な社会の実現に寄与することができる。

１０：燃料電池モジュール、１１：燃料電池スタック、１２：ベースプレート、１３：トッププレート、１４：スタック温度調整層、１５：燃料供給ガス、１６：燃料ガス供給配管、１７：ガス配管接続部、１８：燃料ガス排出配管、１９：燃料排出ガス、２０：酸化剤供給ガス、２１：酸化剤ガス供給配管、２２：酸化剤ガス排出配管、２３：酸化剤排出ガス、２８：発電セル基板、２９：電極基板、３０：セパレータ、３１：シール材、３２：発電単位
３３：集電体、３４：燃料電池セル、３６：供給ガス流路、３７：排出ガス流路、４０：排出ガス貫通穴

Claims (15)

1. 燃料ガスと酸化剤ガスが供給され発電を行う燃料電池セルを複数積層した燃料電池スタックと、
   前記燃料電池セルに供給される前記燃料ガスおよび酸化剤ガスの少なくとも一つである供給ガスと、前記燃料電池セルから排出される前記燃料ガスおよび酸化剤ガスの少なくとも一つである排出ガスとの間で、熱交換を行う温度調整部材を備える、
   燃料電池モジュール。
2. 前記温度調整部材は、温度調整層であり、
   前記温度調整層には、
   前記供給ガスが前記温度調整層の面方向に流れる流路である供給ガス流路と、
   前記排出ガスが前記温度調整層の面方向に流れる流路である排出ガス流路が、形成されている、
   請求項１記載の燃料電池モジュール。
3. 前記供給ガス流路と前記排出ガス流路は、前記温度調整層の面内で屈曲した構造を持つ、
   請求項２記載の燃料電池モジュール。
4. 前記供給ガス流路と前記排出ガス流路は、前記温度調整層の厚さ方向に分離して配置されている、
   請求項２記載の燃料電池モジュール。
5. 前記供給ガス流路と前記排出ガス流路は、前記温度調整層を構成する同一の基板の表裏に形成されている、
   請求項４記載の燃料電池モジュール。
6. 前記基板は、金属あるいはアルミナ系セラミックで構成される、
   請求項５記載の燃料電池モジュール。
7. 前記供給ガス流路は、前記温度調整層を構成する第１の基板に形成され、
   前記排出ガス流路は、前記温度調整層を構成する第２の基板に形成され、
   前記第１の基板と前記第２の基板の間に熱交換層が形成されている、
   請求項４記載の燃料電池モジュール。
8. 前記第１の基板および前記第２の基板がアルミナ系セラミック、前記熱交換層が金属で形成されている、
   請求項７記載の燃料電池モジュール。
9. 前記供給ガス流路と前記排出ガス流路は、前記温度調整層の同じ面内に分離して配置されている、
   請求項２記載の燃料電池モジュール。
10. 前記燃料電池スタックは、トッププレートとベースプレートの間に配置され、
    前記トッププレートおよび前記ベースプレートは、前記燃料ガスおよび前記酸化剤ガスの少なくとも一つのための配管を備えており、
    前記温度調整層は、前記燃料電池スタックと前記トッププレートの間、および、前記燃料電池スタックと前記ベースプレートの間の少なくとも一方に配置されている、
    請求項２記載の燃料電池モジュール。
11. 前記温度調整層の熱伝導率は、前記燃料電池スタックを構成する電極基板、前記ベースプレートおよび前記トッププレートより高く構成される、
    請求項１０記載の燃料電池モジュール。
12. 前記ベースプレートおよび前記トッププレートの熱容量は、前記温度調整層および前記燃料電池スタックを構成する電極基板より大きく構成される、
    請求項１０記載の燃料電池モジュール。
13. 燃料ガスと酸化剤ガスが供給され発電を行う燃料電池セルを複数積層した燃料電池スタックのガス供給方法であって、
    前記燃料電池セルに供給される前記燃料ガスおよび酸化剤ガスの少なくとも一つである供給ガスと、前記燃料電池セルから排出される前記燃料ガスおよび酸化剤ガスの少なくとも一つである排出ガスとの間で熱交換を行い、
    加熱された前記供給ガスを前記燃料電池スタックに供給する、
    燃料電池モジュールのガス供給方法。
14. 前記供給ガスおよび前記排出ガスのための配管が接続されるトッププレートとベースプレートの間に前記燃料電池スタックを配置し、
    前記トッププレートと前記燃料電池スタックの間、および、前記ベースプレートと前記燃料電池スタックの間、の少なくとも一つに配置された温度調整部材により、前記熱交換を行う、
    請求項１３記載の燃料電池モジュールのガス供給方法。
15. 前記温度調整部材は板状の構成であって、前記供給ガスのための配管と前記排出ガスのための配管を面方向に伸ばし、かつ屈曲して配置することで、前記供給ガスと前記排出ガスの間の熱交換を実現する、
    請求項１４記載の燃料電池モジュールのガス供給方法。

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