JP5066373B2 - 燃料電池モジュール - Google Patents

Description

本発明は、原燃料及び空気を導入して発電を行う燃料電池モジュールに関するものである。

燃料電池の一つとして固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）がある。一般に固体酸化物形燃料電池モジュールは、灯油や都市ガス等の炭化水素燃料（原燃料）を改質して水素含有ガス（改質ガス）を生成する改質器と、この改質器で得られた改質ガスと空気とを電気化学的に発電反応させる燃料電池スタックとを備えている。燃料電池スタックは、通常５５０〜１０００℃程度の高温下で作動される。そのようなＳＯＦＣシステムとしては、例えば特許文献１に記載されているものがある。
特開２００６−２９４５０８号公報

しかしながら、上記従来技術においては、以下の問題点が存在する。即ち、原燃料の改質反応としては、水蒸気改質や部分酸化改質などの種々の反応が利用される。例えば水蒸気改質反応は非常に大きな吸熱反応であり、反応温度が５５０〜７５０℃程度と比較的高いので、高温の熱源が必要となる。このため、燃料電池スタックの近傍に改質器を配置し、燃料電池スタックからの輻射熱及びオフガス燃焼熱を熱源として改質器を加熱することが提案されているが、これだけでは十分高い改質器温度が得られないことがある。従って、原燃料を完全に改質させることができず、所望の水素量を得ることが困難であった。また、原燃料が完全に改質される場合にも、改質器で生成される改質ガス中の水素濃度が十分高くならないため、所望のスタック電圧が得られず、発電効率を上げることが困難であった。

本発明の目的は、発電効率を向上させることができる燃料電池モジュールを提供することである。

本発明の燃料電池モジュールは、原燃料を改質して改質ガスを生成する改質器と、改質器で生成された改質ガスを用いて発電を行う燃料電池スタックと、燃料電池スタックと改質器とを結合するように設けられ、燃料電池スタックの熱を改質器に伝導させる熱伝導部材とを備え、燃料電池スタックは、固体酸化物形燃料電池スタック、又は、溶融炭酸塩形燃料電池スタックであり、熱伝導部材は、燃料電池スタックから改質器に向かって断面積が大きくなるような形状を有していることを特徴とするものである。

このような本発明の燃料電池モジュールにおいては、燃料電池スタックからの輻射熱等が改質器に伝わるだけでなく、燃料電池スタックで発生する熱が熱伝導部材を介して改質器に伝わるようになる。このため、燃料電池スタックからの熱が改質器に効率良く伝わり、燃料電池スタックから改質器への伝熱量が増大するため、改質器の温度が十分に高くなる。これにより、改質器で生成される改質ガス中の水素濃度が十分高くなるため、その分だけ燃料電池スタックで発生する電圧も高くなる。その結果、燃料電池モジュールの発電効率が向上するようになる。

好ましくは、燃料電池スタックは、複数の単セルスタックを積層してなるスタック本体と、スタック本体を積層方向に対して挟むように配置された１対のエンドプレートとを有し、熱伝導部材は、エンドプレートと改質器とを結合するように設けられている。燃料電池スタックのエンドプレートは、スタック本体を形成する単セルスタックの構成部品である電極やセパレータに比べて、厚く形成されている。従って、エンドプレートと改質器とを熱伝導部材で結合することで、熱伝導部材による燃料電池スタックから改質器への熱伝導が効率良く行われるようになる。

また、好ましくは、熱伝導部材が弾性体構造を有している。これにより、熱伝導率が高い金属を熱伝導部材の材料として使用した場合に、熱伝導部材の熱膨張・熱収縮により生じる熱応力を十分緩和することができる。

また、好ましくは、エンドプレートとスタック本体との間には電気絶縁部材が介在されている。改質器の筐体が導電性金属で形成されている場合、燃料電池スタックと改質器とを結合する熱伝導部材が熱伝導率の高い導電性金属で形成されていたり、燃料電池スタックと改質器とが直接結合されると、燃料電池スタックから改質器に電気が流れてしまう。エンドプレートとスタック本体との間に電気絶縁部材を介在させることにより、そのような燃料電池スタックから改質器の通電を回避することができる。

本発明によれば、発電効率を向上させた高性能の燃料電池モジュールを得ることが可能となる。

以下、本発明に係わる燃料電池モジュールの好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明に係わる燃料電池モジュールの第１実施形態を備えた燃料電池システムを示すシステム構成図である。同図において、本実施形態の燃料電池モジュール１は、改質原料（原燃料）を改質して改質ガスを生成する改質器２と、この改質器２で得られた改質ガスと空気とを用いて発電を行う平板型の固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）スタック３と、改質器２及びＳＯＦＣスタック３を収容するモジュール容器４とを備えている。

改質器２は、原燃料及び水蒸気が混合された改質原料を改質触媒で水蒸気改質反応させて、水素及び一酸化炭素を含有する改質ガスを生成する。水蒸気改質反応は非常に大きな吸熱反応であり、反応温度が５５０〜７５０℃程度と比較的高いので、高温の熱源が必要となる。このため、改質器２は、ＳＯＦＣスタック３の近傍に配置されており、ＳＯＦＣスタック３からの輻射熱及びオフガス燃焼熱を利用して水蒸気改質反応を行う。なお、ＳＯＦＣスタック３は、通常５５０〜１０００℃程度の高温で作動する。

改質器２には、改質原料を改質器２に供給するための原料供給系５が接続されている。原燃料としては、例えば灯油や都市ガス等の炭化水素燃料が用いられる。原料供給系５は、例えば水気化器（図示せず）で得られた水蒸気に燃料気化器（図示せず）で得られた原燃料ガスを混合させて改質原料ガスを生成する。そして、その改質原料ガスが原料導入管６内を通って改質器２に導入される。なお、原料供給系５は、原燃料の供給量を調整する電磁バルブ７と、水蒸気の供給量を調整する電磁バルブ８とを有している。

ＳＯＦＣスタック３は、改質ガス供給管９を介して改質器２と接続されている。また、ＳＯＦＣスタック３には、空気ブロア１０からの空気を導入するための空気導入管１１が接続されている。空気導入管１１には、空気の導入量を調整する電磁バルブ１２が設けられている。

ＳＯＦＣスタック３は、複数の単セルスタック１３が積層されてなるスタック本体１４と、このスタック本体１４を積層方向に対して挟み込むように配置された１対のエンドプレート１５と、スタック本体１４と各エンドプレート１５との間にそれぞれ介在された絶縁シート１６とを有している。

単セルスタック１３は、図２に示すように、アノード（燃料極）１７と、カソード（空気極）１８と、アノード１７とカソード１８との間に配置された電解質１９と、アノード１７及びカソード１８の外側にそれぞれ配置されたセパレータ２０とを有している。アノード１７には、改質器２からの改質ガスが導入され、カソード１８には、空気ブロア１０からの空気が導入される。これにより、各単セルスタック１３において電気化学的な発電反応が行われることになる。

エンドプレート１５は、例えばステンレス綱（ＳＵＳ）等の金属で形成されている。エンドプレート１５の厚みは、セパレータ２０の厚みに比べて十分大きくなっている。絶縁シート１６は、電気絶縁性を有する材料（例えばアルミナ等）で形成されたシートであり、エンドプレート１５とセパレータ２０との間に介在されている。

ＳＯＦＣスタック３の各エンドプレート１５と改質器２の筐体２ａとは、ＳＯＦＣスタック３の熱を改質器２に伝導させる熱伝導部材２１を介してそれぞれ結合されている。一方の熱伝導部材２１は、改質器２における改質ガス供給管９との接続部（改質ガスの出口）の近傍に結合されている。熱伝導部材２１は、例えばＳＵＳやインコネル（クロム及び鉄を含むニッケル系合金の商標名）、ニッケルといった金属など、熱伝導率及び耐熱温度の高い材料で形成されている。

ここで、ＳＯＦＣスタック３におけるスタック本体１４とエンドプレート１５との間には絶縁シート１６が介在されているので、改質器２の筐体２ａが導電金属で形成されている場合でも、ＳＯＦＣスタック３から改質器２へ電気が流れて改質器２に悪影響を与えることは無い。

また、熱伝導部材２１の断面積が大きくなるほど熱抵抗が小さくなるため、熱伝導部材２１は、熱の流れる方向、ここではＳＯＦＣスタック３から改質器２に向かって断面積が大きくなるような形状を有しているのが好ましい。

さらに、熱伝導部材２１としては、熱膨張・熱収縮による熱応力を緩和するために、ポーラスメタルやメタルフォーム等と称される金属多孔体といった弾性率の低いものを使用するのが好ましい。

以上のような燃料電池モジュール１の運転時には、改質器２に水蒸気及び原燃料を供給することで、改質器２により改質ガスが生成され、この改質ガスが改質ガス供給管９を介してＳＯＦＣスタック３のアノード３ａに供給される。また、空気ブロア１０からの空気がＳＯＦＣスタック３のカソード３ｂに供給される。そして、ＳＯＦＣスタック３が所定の温度まで昇温されると、ＳＯＦＣスタック３から電流を取り出すことにより、ＳＯＦＣスタック３による発電が開始される。

このとき、改質器２の温度が高くなるほど、改質器２で生成される改質ガス中に含まれる水素の濃度が高くなるため、ＳＯＦＣスタック３で発生する電圧が高くなり、これに伴って発電効率が高くなる。このため、下記式で表される空気利用率を上げる等の方法により、ＳＯＦＣスタック３の温度を高くすることで、ＳＯＦＣスタック３から改質器２に伝わる熱輻射量が増えるような運転を行う必要がある。

しかし、ＳＯＦＣスタック３の構成材料には決まった耐熱温度があるため、ＳＯＦＣスタック３の温度を上げることには限界があり、ＳＯＦＣスタック３から改質器２への熱輻射量を十分に増やすことは困難である。このため、ＳＯＦＣスタック３からの輻射熱及びオフガス燃焼熱だけでは、改質器２の温度を十分に高くすることはできない。また、改質器２を加熱するためのヒータやバーナ等をモジュール容器４内に配置すると、燃料電池モジュールの構造が複雑になり、コストアップにつながる。

これに対し本実施形態では、ＳＯＦＣスタック３の各エンドプレート１５と改質器２の筐体２ａとを熱伝導部材２１で結合したので、ＳＯＦＣスタック３からの輻射熱及びオフガス燃焼熱が改質器２に伝わることに加え、ＳＯＦＣスタック３で発生した熱がエンドプレート１５から熱伝導部材２１を介して改質器２に伝導熱として伝わるようになる。このため、ＳＯＦＣスタック３から改質器２に伝わる総熱量が増大するため、改質器２の温度が十分に高くなる。このとき、熱伝導部材２１を改質器２の改質ガス出口の近傍に結合することにより、改質器２の改質ガス出口付近の温度上昇が顕著となるため、改質器２で生成される改質ガス中に含まれる水素の濃度が十分に高くなる。これにより、ＳＯＦＣスタック３で発生するスタック電圧が十分高くなるため、燃料電池モジュール１の発電効率が向上するようになる。

ただし、上記のようにＳＯＦＣスタック３から改質器２への伝熱量が増加すると、そのままではＳＯＦＣスタック３の温度が低下してしまう。そこで、ＳＯＦＣスタック３へ供給される空気流量を減らして、空気利用率を上げる（上記（Ａ）式参照）ことにより、ＳＯＦＣスタック３の温度を上昇させることができる。このように空気の供給量を減らすことは、空気ブロア１０の消費電力の低下につながるため、結果的に燃料電池モジュール１の発電効率の向上に一層寄与することとなる。

また、ＳＯＦＣスタック３と改質器２とを熱伝導部材２１で連結することにより、ＳＯＦＣスタック３から改質器２への熱伝導が効率良く行われるため、改質器２を加熱するためのヒータやバーナ等を特に設けなくても、簡易な構造でもって改質器２の温度を十分に高くすることができる。これにより、コスト増大やモジュールの大型化を防止することが可能となる。

図３は、本発明に係わる燃料電池モジュールの第２実施形態を備えた燃料電池システムを示すシステム構成図である。図中、第１実施形態と同一または同等の部材及び要素には同じ符号を付し、その説明を省略する。

同図において、本実施形態の燃料電池モジュール３０は、第１実施形態と同様の改質器２、ＳＯＦＣスタック３及びモジュール容器４を備え、ＳＯＦＣスタック３の各エンドプレート１５が改質器２の筐体２ａに直接結合されている。その他の構成は、第１実施形態と同様と同様である。

このような本実施形態では、ＳＯＦＣスタック３で発生した熱がエンドプレート１５から改質器２に伝導熱として伝わるようになる。この場合にも、燃料電池スタック３から改質器２に伝わる総熱量が増大するため、改質器２の温度が十分に高くなる。これにより、第１実施形態と同様に、燃料電池モジュール３０の発電効率を向上させることができる。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、ＳＯＦＣスタック３におけるスタック本体１４と各エンドプレート１５との間に絶縁シート１６を介在させる構成としたが、改質器２の筐体２ａや熱伝導部材２１が電気絶縁性を有する材料で形成されている場合には、絶縁シート１６は特に設けなくても良い。

また、上記実施形態では、ＳＯＦＣスタック３を平板型構造としたが、本発明は、円筒型のＳＯＦＣバンドル（スタック）を備えた燃料電池モジュールにも適用可能である。なお、円筒型のＳＯＦＣバンドルでは、各単セルスタック同士がインターコネクタを介して接続されている。このタイプの場合には、例えば円筒状バンドルの収納容器と改質器２の筐体２ａとを熱伝導部材で結合したり直接結合すれば良い。

さらに、上記実施形態は、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）についてであるが、本発明は、例えばＳＯＦＣと同じ高温型燃料電池である溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）等にも適用可能である。

本発明に係わる燃料電池モジュールの第１実施形態を備えた燃料電池システムを示すシステム構成図である。 図１に示した単セルスタックの分解斜視図である。 本発明に係わる燃料電池モジュールの第２実施形態を備えた燃料電池システムを示すシステム構成図である。

符号の説明

１…燃料電池モジュール、２…改質器、３…固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）スタック、１３…単セルスタック、１４…スタック本体、１５…エンドプレート、１６…絶縁シート（電気絶縁部材）、２１…熱伝導部材、３０…燃料電池モジュール。

Claims (4)

1. 原燃料を改質して改質ガスを生成する改質器と、
   前記改質器で生成された前記改質ガスを用いて発電を行う燃料電池スタックと、
   前記燃料電池スタックと前記改質器とを結合するように設けられ、前記燃料電池スタックの熱を前記改質器に伝導させる熱伝導部材とを備え、
   前記燃料電池スタックは、固体酸化物形燃料電池スタック、又は、溶融炭酸塩形燃料電池スタックであり、
   前記熱伝導部材は、前記燃料電池スタックから前記改質器に向かって断面積が大きくなるような形状を有している、
   ことを特徴とする燃料電池モジュール。
2. 前記燃料電池スタックは、複数の単セルスタックを積層してなるスタック本体と、前記スタック本体を積層方向に対して挟むように配置された１対のエンドプレートとを有し、
   前記熱伝導部材は、前記エンドプレートと前記改質器とを結合するように設けられていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池モジュール。
3. 前記熱伝導部材が弾性体構造を有していることを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池モジュール。
4. 前記エンドプレートと前記スタック本体との間には電気絶縁部材が介在されていることを特徴とする請求項２記載の燃料電池モジュール。
   

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