JP5063065B2 - 燃料電池モジュールおよび燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池の発電を行なう燃料電池セルを収納した燃料電池モジュールおよびそれを具備する燃料電池システムに関する。

近年、次世代エネルギーとして、燃料電池により発電を行なう燃料電池システムが種々提案されている。そのような燃料電池システムにおいては、実際に発電を行なう燃料電池セルをケーシング内に内包する燃料電池モジュールが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

従来、このケーシングは、複数の金属板がネジ等により固定して形成されており、この固定部分より燃料電池の発電による排ガス等が漏出しないよう、シート状の断熱材等のシール部材を挟み込んでネジ等により固定される構造となっている。図７に、従来の金属板の固定方法について、その固定部分を一部抜粋して拡大して示す。図７において、金属板３３、３４はその端部においてシール部材３５を挟持して、ボルト３８とナット３９により連結されている。なお、図７において、右斜線部分はモジュールの内部を示している。
特開２００５−１８３３７５号公報

ところで、固体電解質形燃料電池の運転（作動）温度は、一般に８００〜１０００℃の高温となるため、燃料電池の発電により生じる排ガスの温度も５００〜６００℃と高くなり、あわせてケーシングの温度も４００〜５００℃程度の高温となる。

それゆえ、ケーシングを構成する複数の金属板を固定する際に用いられるシール部材としては、排ガス温度に耐えうるシート状断熱材や、最高使用温度が高いシール材等が用いられる。

しかしながら、シート状断熱材はシール性能が十分でなく、モジュール内部より圧力がかかった場合に、排ガスがシート状断熱材より漏出するという問題があり、また、最高使用温度が高いシール材は、燃料電池モジュール本体（金属板）が熱により歪みを生じた場合に、シール材が破損し、シール性能を確保することが難しいという問題があった。

したがって、本発明の目的は、複数の金属板を連結して形成される箱状のケーシングにおいて、燃料電池の発電により生じる排ガスが、燃料電池モジュールの外部へ漏出することを抑制するとともに、シール材が破損することを抑制することができる燃料電池モジュールおよび燃料電池モジュールを具備してなる燃料電池システムを提供することにある。

本発明の燃料電池モジュールは、燃料電池セルと、複数の金属板を連結して形成され、前記燃料電池セルを収納する箱状のケーシングとを具備する燃料電池モジュールであって、前記ケーシングは、前記複数の金属板のうち連結した一対の金属板の一方の前記金属板の端部が他方の前記金属板の外周部にシール部材を介して連結されているとともに、前記複数の金属板の連結部の少なくとも一部に、該連結部を冷却するための冷却管が設けられており、該冷却管の内部を酸素含有ガスが流通するとともに、該流通した酸素含有ガスが前記燃料電池モジュール内部に発電用ガスとして供給されることを特徴とする。

このような燃料電池モジュールにおいては、複数の金属板を連結して形成した箱状のケーシングにおいて、複数の金属板のうち連結した一対の金属板の一方の金属板の端部が他方の金属板の外周部にシール部材を介して連結されているとともに、複数の金属板の連結部の少なくとも一部に、連結部を冷却するための冷却管が設けられていることから、連結部の温度を下げることができる。

またその際、冷却管はケーシングの外面側に設けられていることから、連結部の温度を下げるとともに、燃料電池の発電を行なう発電部の温度に与える影響を少なくできる。

それゆえ、連結部の温度が下がることにより、高温では使用できないシール性能の優れたシール部材を使用することが可能となり、燃料電池モジュールからの排ガス等の漏出を抑制することができる。

また、連結部の温度が下がる（言い換えれば、連結部が高温とならない）ことにより、ケーシングを構成する金属板において、高温により歪みを生じることを抑制することができることから、シール性が向上し、燃料電池モジュールからの排ガス等の漏出を抑制することができるとともに、金属板の歪みによりシール部材が割れるといったことも抑制することができる。
さらに、冷却管の内部を酸素含有ガスが流通することから、連結部と酸素含有ガスとで熱交換が行なわれることとなる。それにより、連結部の温度を下げることができる。また、熱交換を行なった後の酸素含有ガス、すなわち、暖められた酸素含有ガスを、燃料電池モジュールの内部に発電用ガスとして供給することができることから、酸素含有ガスの温度を上昇させるために使用する燃料ガスを低減することができるとともに、発電効率を向上することができる。さらに、酸素含有ガスは、冷却管の内部を流通させた後、燃料電池モジュールの内部に発電用ガスとして供給すればよいことから、通常、燃料電池モジュールの内部に発電用ガスとして供給するための酸素含有ガス供給ポンプを共用することができる。また、例えば燃料電池モジュールの内部に発電用ガスとして供給する酸素含有ガスの全量を、冷却管の内部を流通させた後に、燃料電池モジュールの内部に発電用ガスとして供給することもでき、その場合は、燃料電池モジュールの内部に、暖められた酸素含有ガスを発電用ガスとして供給することができることから、効率のよい燃料電池モジュールとすることができる。

また、本発明の燃料電池モジュールは、前記一方の金属板の端部が前記ケーシングの外側に屈曲しており、前記他方の金属板の外周部と前記一方の金属板の屈曲部とが、前記シール部材を介して連結されていることが好ましい。

このような燃料電池モジュールにおいては、一方の金属板の端部が、ケーシングの外側に屈曲しており、その屈曲部に他方の金属板の外周部が連結している。すなわち、連結部はケーシングの外側に屈曲した形状となっている。それゆえ、連結部に冷却管を容易に配置することができる。

そして、連結部が屈曲した形状となっていることから、連結部の外面側の両方に冷却管を配置することができ、連結部の温度を効果的に下げることができる。したがって、燃料電池モジュールからの排ガス等の漏出をより抑制することができる。

また、本発明の燃料電池モジュールは、前記一方の金属板の端部が前記ケーシングの内側に屈曲しており、前記他方の金属板の外周部と前記一方の金属板の屈曲部とが、前記シール部材を介して連結されていることが好ましい。

このような燃料電池モジュールは、一方の金属板の端部が、ケーシングの内側に屈曲しており、その屈曲部に他方の金属板の外周部が連結している。

この場合において、連結部のうち、ケーシングの外面側に冷却管を配置することにより、ケーシングの外形を大きくすることなく、連結部の温度を効果的に下げることができる。したがって、燃料電池モジュールからの排ガス等の漏出をより抑制することができる。

本発明の燃料電池は、複数の金属板を連結して箱状に形成されたケーシングにおいて、複数の金属板のうち一対の金属板の一方の金属板の端部が他方の金属板の外周部にシール部材を介して連結されているとともに、その連結部の少なくとも一部に、連結部を冷却するための冷却管が設けられていることから、連結部の温度を下げることができる。それにより、高温では使用できないシール部材を用いることができ、また連結部の歪によるシール部材の破損も抑制でき、燃料電池モジュールからの排ガス等の漏出を抑制することができる。また、冷却管の内部に酸素含有ガスを流通させて熱交換を行い、熱交換後の酸素含有ガスを有効に活用することで、発電効率の良い燃料電池モジュールおよびそれを具備する燃料電池システムを提供できる。

図１は、本発明の燃料電池モジュール１を示した分解斜視図であり、燃料電池セルと、複数の金属板を連結して形成された箱状のケーシング２とを具備している。なお、図１においては、箱状のケーシング２は、筒状容器３に金属板４を連結して形成される場合を示している。なお、図１において燃料電池モジュール１内に収納される燃料電池セルは図示していない。また、同一の部材については同一の番号を付するものとし、以下同様とする。

ケーシング２は、複数の金属板４を連結して箱状に形成され、複数の金属板のうち連結した一対の金属板の一方の金属板の端部が他方の金属板の外周部にシール部材を介して連結されている。

ここで、箱状のケーシング２を形成するにあたって、例えば各面をそれぞれ別の金属板とし、それらをすべて連結して作製することもでき、筒状の金属板に蓋をする形状として作製することもできる。また、例えば複数の金属板を溶接等にて接合し、残りの面を構成する金属板の外周部と、溶接した金属板の外周部（端部）に、シール部材を介して連結して箱状としてもよい。なお、図１においては、複数の金属板を溶接により筒状容器３とし、残りの側面を金属板４で蓋をした形状を示している。

ここで、例えば固体電解質形燃料電池の運転温度は、一般に８００〜１０００℃の高温となるため、ケーシング２を構成する金属板は、固体電解質形燃料電池の運転温度に耐えうる材料とする必要があり、例えばステンレス等により作製される。

筒状容器３と金属板４は、それぞれの端部および外周部（合わせ面）を間にシール部材５を介して合わせてネジ等により連結される。それゆえ、筒状容器３と金属板４のそれぞれの端部および外周部に、ネジ止めに対応した孔部６が複数設けられている。なお、ネジ止めを容易とするため、筒状容器３および金属板４の孔部６に、ボルトに対応する雌ネジを切っていてもよい。

また図１においては、シール部材５は枠状の形状とした例を示しているが、例えば断片的なシート状としてもよい。この場合、筒状容器３と金属板４のそれぞれの端部および外周部（合わせ面）を、断片的なシートを複数枚張り合わせて、隙間なく覆うことが好ましい。

そして、筒状容器３と金属板４の連結部のうち、ケーシングの外面側には、連結部を冷却するための冷却管７が設けられている。

冷却管７は、連結部の外面側（すなわち、ケーシングの外面側）に設けられていればよく、連結部の一部を冷却するような形状としてもよいが、連結部をより効果的に冷却するため、連結部の全体を冷却できるよう配置するのが好ましい。なお、図１においては、連結部の全体を冷却できるよう、連結部を一周するように配置した冷却管７の例を示している。

ここで、冷却管７は連結部の外面側（すなわち、ケーシングの外面側）に設けられていることから、連結部の温度を下げることができる。この場合において、冷却管７は、ケーシングの連結部の外面側に設けられていることから、燃料電池の発電を行なう発電部の温度に与える影響を少なくできる。 そして、連結部に冷却管７を設けることにより、連結部の温度が下がるため、筒状容器３の外周部と金属板４の外周部の間に設けられるシール部材において、よりシール性能の優れたシール部材を使用することが可能となる。そのようなシール部材としては、例えば黒鉛製、合成樹脂（ＰＴＥＥ等）製等の耐熱２５０℃相当のガスケット、液状の合成樹脂系等のシール材を用いることができ、特には上記ガスケット、シール材の併用をすることでシール性能を良くすることが好ましい。

それゆえ、高温では使用できないシール性能の優れたシール部材を使用することが可能となるため、燃料電池モジュール１からの排ガス等の漏出を抑制することができる。

また、連結部の温度が下がることにより、ケーシング２を構成する筒状容器３と金属板４とが高温とならず、それにより歪みが生じることを抑制することができる。したがって、筒状容器３と金属板４とのシール性が向上し、燃料電池モジュール１からの排ガス等の漏出を抑制することができるとともに、筒状容器３や金属板４の歪みによりシール部材が破損することも抑制することができる。

図２は、筒状容器３と金属板４との連結部分の横断面図を一部抜粋して拡大して示した図であり、（ａ）は筒状容器３の外周部を、ケーシング２の外側に屈曲させ、その屈曲部に金属板４を連結した形状を示し、筒状容器３と金属板４を間にシール部材５を介して、ボルト８およびナット９により連結されている。また、（ｂ）は、筒状容器３の外周部を、ケーシング２の内側に屈曲させ、その屈曲部に金属板４を連結した形状を示し、筒状容器３と金属板４を間にシール部材５を介して、ボルト８およびナット９により連結されている。なお図中において、右斜線はケーシング２の内部側を示している。これらの構造により、筒状容器３とシール部材５と金属板４とが、ボルト８およびナット９により強固に連結され、連結部からの燃料電池モジュールからの排ガス等の漏出を抑制することができる。

なお、ナット９は、ネジ止めを容易とすべく、筒状容器３に溶接していてもよい。この場合、金属板４側より、ボルト８を締めるだけで、筒状容器３と金属板４を連結することができる。 ここで、（ａ）の形状においては、筒状容器３の外周部と金属板４の外周部の連結部が、ケーシング２の外側に屈曲した形状であることから、冷却管７を連結部の外面側（シール部材と接していない面側、以下同意）の両面に配置することが容易となる。それゆえ、連結部の外面側の一方にのみ冷却管７を配置してもよいが、より効果的に連結部を冷却すべく、連結部の外面側の両面に冷却管７を配置することが好ましい。そして、連結部の外面側の両面に冷却管７を配置することにより、より効果的に連結部を冷却することができる。したがって、筒状容器３と金属板４との連結において、シール性能の高いシール部材を用いることができ、また筒状容器３や金属容器４の歪みを抑制することができることから、燃料電池モジュール１からの排ガス等の漏出をより抑制することができる。

なお連結部は、筒状容器３の外周部を、ケーシング２の外側に屈曲させればよく、ケーシング２に対して、上下左右方向に適宜屈曲させて形成することができる。

また、（ｂ）の形状においては、筒状容器３の外周部を、ケーシング２の内側に屈曲させ、その屈曲部に金属板４を連結した形状であることから、ケーシングの外形を大きくすることなく、連結部を設けることができる。

なお、この形状の場合は、燃料電池の発電を行なう発電部の温度を下げることなく、連結部の温度を下げるべく、冷却管７は、連結部の外面側のうち、ケーシング２の外側に位置する面にのみ設けることが好ましい。それにより、発電部の温度を下げることなく、効果的に連結部を冷却することができる。したがって、筒状容器３と金属板４との連結において、シール性能の高いシール部材を用いることができ、また筒状容器３や金属容器４の歪みを抑制することができることから、燃料電池モジュール１からの排ガス等の漏出をより抑制することができる。なお、ケーシングの内部構造により、冷却管７をケーシング２の内側に位置する面に設けても発電部の温度に影響がない場合においては、連結部の外面側のうち、ケーシング２の内側に位置する面に冷却管７を設けることもできる。

図３は、冷却管１０を金属板４の孔部（図面上はボルト８）の周囲に設けた燃料電池モジュール１の側面図であり、冷却管１０には、酸素含有ガスが流通する場合の一例を示したものである。

冷却管１０を、酸素含有ガスが流通することから、連結部と酸素含有ガスとの間で熱交換が行なわれることとなり、連結部の温度を下げることができる。なお、酸素含有ガスは、連結部を所望の温度とすべく、適宜流量等を設定して流通させることが好ましい。

そして、熱交換を行なった後の暖められた酸素含有ガスを、燃料電池モジュール１の内部に発電用ガスとして供給することにより、酸素含有ガスの温度を上昇させるために使用する燃料ガスを低減することができるとともに、発電効率を向上することができる。

したがって、冷却管１０は、燃料電池モジュール１の酸素含有ガス導入口の配置場所にあわせて配置すればよく、例えば図３においては、燃料電池モジュール１の下側に酸素含有ガス導入口がある場合（図示せず）に、より効率よく連結部と酸素含有ガスの熱交換を行なうため、燃料電池モジュールの上側より、連結部全体を通って、酸素含有ガス導入口と連結するよう、冷却管１０が配置されている。

また、酸素含有ガスは、冷却管１０を流通した後、燃料電池モジュール１の内部に発電用ガスとして供給されることから、通常、燃料電池モジュールの内部に発電用ガスとして供給するための酸素含有ガス供給ポンプ（図示せず）を共用することができる。

また、燃料電池モジュール１の内部に発電用ガスとして供給する酸素含有ガスの全量を、冷却管１０の内部を流通させた後に、燃料電池モジュール１の内部に発電用ガスとして供給することもできる。それにより、燃料電池モジュール１の内部に、予め暖められた酸素含有ガスを発電用ガスとして供給することができることから、効率のよい燃料電池モジュール１とすることができる。

図４は、冷却管１１の内部に水を流通させる場合の燃料電池モジュール１の側面図であり、冷却管１１は、金属板４の孔部（図面上はボルト８）の周囲に設けられており、金属板４（連結部）を一周した形状となっている。

ここで、冷却管１１の内部を水が流通することにより、連結部と冷却管１１の内部を流通する水とが熱交換を行なうことができる。この場合において、より効率的な熱交換を行なうべく、冷却管１１は連結部全体に配置されていることが好ましい。それにより、連結部の温度が下がることから、筒状容器３と金属板４との連結において、シール性能の高いシール部材を用いることができ、また筒状容器３や金属容器４の歪みを抑制することができ、燃料電池モジュール１からの排ガス等の漏出を防止することができる。

図５は、図４に示した燃料電池モジュール１と、貯湯タンク２２とを具備してなる燃料電池システムの構成図の一例を示したものである。

図５における燃料電池システムは、燃料電池１２、天然ガス等の燃料ガスを供給する燃料供給装置１３、酸素含有ガスを燃料電池１２に供給するための酸素含有ガス供給装置１４、被改質ガスと水蒸気により水蒸気改質を行なう改質器１５、給水管１６より供給された水を精製する水処理装置１７、水処理装置１７により精製された水を貯水するための水タンク１８、水タンク１８に貯水された水を改質器１５に供給するための水ポンプ１９、燃料電池の発電による排ガスを供給するための排ガス供給管２０、排ガス供給管２０より供給された排ガスを湯水に熱交換する排熱回収用熱交換器２１、熱交換により生じた湯水を貯水するための貯湯タンク２２、湯水を循環するための循環配管２３、および循環ポンプ２４、により構成されている。なお、図５中の矢印は、水、燃料ガス、酸素含有ガスの流れを示している。

ここで、燃料電池システムは、以下の構成を基本的構成としている。

給水管１６より供給された水を、水処理装置１７にて精製した後、水タンク１８に貯水する。水タンク１８に貯水された水を、水ポンプ１９により改質器１５に供給するとともに、燃料供給装置１３より改質器１５に供給される被改質ガスとを反応させ水蒸気改質を行い、改質ガスを生成する。改質器１５より供給される改質ガスと、酸素含有ガス供給装置１４から供給される酸素含有ガスとにより、燃料電池１２において発電を行なう。その際、燃料電池１２の発電により生じた排ガスは、排ガス供給管２０を通じて排熱回収用熱交換器２１に供給される。排熱回収用熱交換器２１においては、貯湯タンク２２から循環配管２３に供給され、循環ポンプ２４により循環配管２３を循環する水と、排ガス供給管２０を通じて供給される排ガスとの間で熱交換を行なう。そして、熱交換後の排ガスは燃料電池システム外へ排気されるとともに、熱交換された水は貯湯タンク２２に貯湯される。

図５における燃料電池システムにおいては、さらに、貯湯タンク２２より供給される水を、燃料電池モジュール１に設けられた冷却管１１（図示せず）に供給し、冷却管１１の内部を流通する水と、連結部とで熱交換を行なう。そして、熱交換を行なった後の水（湯水）は、直接貯湯タンク２２に貯水される。

ここで、燃料電池モジュール１における連結部の熱を、冷却管１１を流通する水により熱交換することから、燃料電池モジュール１における連結部の熱を効率よく回収するとともに、燃料電池モジュール１の連結部を冷却するだけでなく、貯湯タンク２２に湯水を貯水することができる。したがって、効率の良い燃料電池システムとすることができる。

図６は、図４に示した燃料電池モジュール１と、水蒸気改質を行なう改質器１５とを具備し、改質器１５に水と被改質ガスとを供給し、水蒸気改質を行い、生成される改質ガスを燃料電池モジュール１に供給する燃料電池システムにおいて、冷却管の内部を水が流通するとともに、流通した水が改質器１５（水タンク１８）に供給されることを示す。なお、図６において、各構成は図５に示したものと同一である。また、図６においては、冷却管を流通した水を水タンク１８に供給した後、改質器１５に供給しているが、流通した水を直接改質器１５に供給しても良い。

上記燃料電池システムにおいては、例えば、給水管１６より供給された水を水処理装置１７で精製した後、燃料電池モジュールに設けられている冷却管１１を流通させた後、水タンク１８に貯水することができる。これにより、燃料電池モジュールの連結部と冷却管の水とが熱交換することから、効率よく連結部の熱を回収することができ、熱交換が終了した水（水蒸気）は、水蒸気改質を行なうための改質器１５に供給される。したがって、改質器において水を蒸発させるために用いる熱量を低減することができることから、水蒸気改質を行なうための水蒸気用の燃料を低減でき、効率の良い燃料電池システムとすることができる。

また、図６に示したように、冷却管に流通させる水を改質器１５（水タンク１８）に供給することができることから、改質器１５に供給する水と冷却管を流通させる水とを共用することができ、効率の良い燃料電池システムを提供できる。

なお、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変更、改良等が可能である。

例えば、冷却管を流通させる水を、貯湯タンク２２および改質器１５（水タンク１８）の両方に供給するよう、システム設計しても良い。

本発明の燃料電池モジュールの一例を示す分解斜視図である。 筒状容器と金属板を連結した連結部の一例を示した図であり、（ａ）は連結部がケーシングより外側に突出した形状を示しており、（ｂ）はケーシングを構成する金属板の一部が、ケーシングの内側に折り曲げられた形状を示している。 本発明の燃料電池モジュールの他の一例を示す側面図であり、冷却管の内部に酸素含有ガスが流通する場合の一例を示している。 燃料電池モジュールのさらに他の一例を示す側面図であり、冷却管の内部に水が流通する場合の一例を示している。 燃料電池システムの構成の一例を示す構成図である。 燃料電池システムの構成の他の一例を示す構成図である。 従来の燃料電池モジュールの連結部の一部拡大図である。

符号の説明

１：燃料電池モジュール
２：ケーシング
３：筒状容器
４：金属板
５：シール部材
６：孔部
７、１０、１１：冷却管
８：ボルト
９：ナット
１２：燃料電池
１５：改質器
２２：貯湯タンク

Claims (3)

1. 燃料電池セルと、複数の金属板を連結して形成され、前記燃料電池セルを収納する箱状のケーシングとを具備する燃料電池モジュールであって、前記ケーシングは、前記複数の金属板のうち連結した一対の金属板の一方の前記金属板の端部が他方の前記金属板の外周部にシール部材を介して連結されているとともに、前記複数の金属板の連結部の少なくとも一部に、該連結部を冷却するための冷却管が設けられており、該冷却管の内部を酸素含有ガスが流通するとともに、該流通した酸素含有ガスが前記燃料電池モジュール内部に発電用ガスとして供給されることを特徴とする燃料電池モジュール。
2. 前記一方の金属板の端部が前記ケーシングの外側に屈曲しており、前記他方の金属板の外周部と前記一方の金属板の屈曲部とが、前記シール部材を介して連結されてい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. 前記一方の金属板の端部が前記ケーシングの内側に屈曲しており、前記他方の金属板の外周部と前記一方の金属板の屈曲部とが、前記シール部材を介して連結されてい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。

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