JP5092360B2

JP5092360B2 - 燃料電池発電装置

Info

Publication number: JP5092360B2
Application number: JP2006310949A
Authority: JP
Inventors: 崇大内
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2006-11-17
Filing date: 2006-11-17
Publication date: 2012-12-05
Anticipated expiration: 2026-11-17
Also published as: JP2008130261A

Description

本発明は、低負荷の発電出力の際であっても、熱自立した運転が可能となる燃料電池発電装置に関する。

燃料電池発電装置は、水素と酸素との結合エネルギーを直接電気エネルギーに変換する発電装置である。かかる燃料電池発電装置には、電解質膜の両面に電極を熱圧着して形成した電解質膜・電極接合体を一対のセパレータで挟持した燃料電池単セルを、複数積層させた燃料電池スタックが使用されている。そして、この燃料電池単セルの一方の電極（アノード側）に、水素を含有する燃料ガスを供給すると共に、他方の電極（カソード側）に、酸素を含有する酸化ガス（空気）を供給し、両極間で起きる電気化学反応を利用して起電力を得ている。

また、燃料電池発電装置は、採用する電解質の違いにより分類されており、固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）、リン酸型燃料電池（ＰＡＦＣ）、溶融炭酸塩型燃料電池（ＭＣＦＣ）、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）に大別されている。これらの燃料電池発電装置の燃料電池スタックには、それぞれ運転最適温度がある。例えば、ＰＥＦＣは約８０℃が運転最適温度であり、ＰＡＦＣは約２００℃が運転最適温度である。

このため、高い発電出力を得るには、燃料電池スタックの運転温度を最適温度に維持する必要がある。また、燃料電池発電装置は、日々、起動停止が繰り返されることがあり、特に家庭用の燃料電池においては、起動停止の繰り返し頻度が大きい。このため、起動時間や起動エネルギーを低減する必要があるとともに、定格出力３０％程度の低負荷の発電出力の際にも、熱自立して安定した運転が要求されている。

そこで、燃料電池スタックの外周を、断熱材等の配備されたケーシング等で包囲することで、燃料電池スタックからの放熱を抑え、低負荷の発電出力の際にも、熱自立して運転できるようにするといった試みが行われている。

例えば、下記特許文献１には、複数の単位電池を備えた燃料電池発電装置であって、各単位電池は、アノード電極と、カソード電極と、前記アノード電極及び前記カソード電極の間に配置される電解質膜とを含む複数の単位発電部を積層した単位スタック部と、前記単位スタック部の表面を前記表面との間に隙間を開けて囲む断熱板とを含む燃料電池発電装置が開示されている。

また、燃料電池スタックからの放熱量を低減する目的から断熱強化が望ましいが、断熱層が厚すぎる場合には、燃料電池発電装置の外形寸法が大型化して、発電装置全体の小型化を阻害することとなり、特に家庭用燃料電池としては問題がある。

このため、粉末材料や繊維材料を芯材として、プラスチックや金属箔でラミネートして、内部を真空にする真空断熱材（熱伝導率０．００５Ｗ／ｍ・Ｋ）や、空気運動を規制する微細な独立気泡を有するＷＤＳ断熱材（熱伝導率０．０２１Ｗ／ｍ・Ｋ）等の比較的低熱伝導率の断熱材を用いて燃料電池発電装置の断熱層を薄くし、燃料電池スタックの外形寸法を小型にすることが行われている。
特開２００４−２８１０７２号公報

長期間の発電運転においては、定期点検等で断熱材を取外して内部点検を行なう必要があることから、外力により断熱材がケーシングから剥離したり、接着力等の低下により断熱材がケーシングから剥落して、燃料電池単セルと接触することがあり、短絡や地絡等の電気トラブルが発生する問題があった。また、断熱材と燃料電池単セルが接触した際、燃料電池単セルが物理的に破損して発電効率が低下することもあった。

したがって、本発明の目的は、低負荷の発電出力の際にも熱自立した運転が可能で、短絡や地絡等の電気トラブルが生じることなく、長期にわたって安定した発電出力が得られる燃料電池発電装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の燃料電池発電装置は、電解質層の両面に電極層が配置され、更にその両外面にガス流路を有するセパレータが配置された燃料電池単セルが複数積層されたスタック部と、このスタック部の両末端に配置された、前記スタック部で発電した電流を外部に導く一対の集電板と、この集電板の外側に配置された端部材とを有する燃料電池スタックを備え、この燃料電池スタックが、内側に断熱材が固定されたケーシングで包囲されてなる燃料電池発電装置であって、前記断熱材の前記スタック部側の表面と、前記スタック部の表面との間に、前記燃料電池スタックから延設された接触防止部材が同一面上に２箇所以上設けられ、前記断熱材は、前記燃料電池スタックの同一面上に設けられた接触防止部材間の長さよりも、該長さと同一方向により長く、前記接触防止部材が、絶縁性材料で構成され、前記断熱材と前記スタック部との間に、空隙層が設けられていることを特徴とする。

本発明の燃料電池発電装置によれば、燃料電池スタックが、内側に断熱材が固定されたケーシングで包囲されているので、燃料電池スタックからの放熱による温度低下を抑えることができ、低負荷の発電出力の際にも熱自立した運転が可能となる。また、断熱材の前記スタック部側の表面と、スタック部の表面との間に、燃料電池スタックから延設された接触防止部材を同一面上に２箇所以上備えているので、燃料電池発電装置のメンテナンス時に外力が加わりケーシングが変形した場合や、ケーシングの内側に取付けられた断熱材が経時的な接着力の低下等の要因により脱落した場合であっても、接触防止部材によって断熱材が支持されて、断熱材がスタック部に接触しにくく、燃料電池単セルの物理的破損や短絡・地絡等の電気トラブルが生じにくい。そして、接触防止部材は絶縁性材料で構成されているので、断熱材と接触防止部材とが接触した場合であっても、断熱材に電気が通電されにくいので、漏電が生じにくく、更には断熱材が損傷して断熱性能が低下することもない。

本発明の燃料電池発電装置は、前記接触防止部材が、前記端部材に備えられていることが好ましい。接触防止部材が端部材に備えられていれば、スタック部における電極反応に何ら影響をもたらすことがないので、安定した発電出力が得られる。

本発明の燃料電池発電装置は、前記断熱材と前記スタック部との間に、空隙層が設けられていることが好ましい。空気の熱伝導率は比較的小さいため、断熱材とスタック部との間に空隙層を設けることで、燃料電池スタックの放熱による温度低下を効果的に抑制でき、低負荷の発電出力の際にも熱自立した運転ができる。

本発明の燃料電池発電装置は、前記接触防止部材が、前記断熱材から１〜５ｍｍ離れて前記燃料電池スタックに配置されていることが好ましい。この態様によれば、接触防止部材が常時は断熱材に接触することないので、接触部材から断熱材を経由した熱放出を防ぐことができ、断熱材が剥落したり、撓んだりしたときには、接触防止部材が断熱材を支持してスタック部に当接することを効果的に防止できる。

また、本発明の燃料電池発電装置は、前記接触防止部材が、前記燃料電池スタックの両側面及び上面の少なくともいずれか一面にあり、前記スタック部の両末端に配置された端部材に、それぞれ１箇所以上配置されていることが好ましい。断熱材とスタック部との接触は、燃料電池スタックの上面及び両側面で生じやすく、燃料電池スタックの両端面は端板で覆われており、底面では断熱材がケーシング底壁上に載っているので、スタック部との接触は生じにくい。したがって、燃料電池スタックの上面及び両側面に接触防止部材を配置することによって、断熱材とスタック部との接触を効果的に防止できる。

また、本発明の燃料電池発電装置は、前記接触防止部材が、燃料電池の発熱に耐性のある樹脂で構成されていることが好ましい。この態様によれば、接触防止部材が断熱材に接触しても、接触防止部材の絶縁性によって漏電を防止できると共に、燃料電池の発熱によって軟化したり、変形したりすることがない。

また、本発明の燃料電池発電装置は、前記セパレータが、該セパレータの側部にセンサー取付け溝を備え、このセパレータのセンサー取付け溝にセンサーが設置されており、前記ケーシングが、該ケーシングの下部に前記センサーの配線取出し口を備え、この配線取出し口から前記センサーの配線が延出していることが好ましい。この態様によれば、ケーシングの下部に配線取出し口を設け、ケーシングの上部はできるだけ気密性が維持されるようにすることができるので、燃料電池の発熱によって加温された高温空気の流出を抑制して保温性を維持することができる。

また、本発明の燃料電池発電装置は、前記センサーが、温度センサー及び／又は電圧センサーであることが好ましい。この態様によれば、燃料電池発電装置のスタック部に温度センサー及び電圧センサーを配置して、電圧及び温度の運転データを収集することにより、燃料電池発電装置の異常状態の早期発見が可能となる。

本発明の燃料電池発電装置によれば、燃料電池スタックが、内側に断熱材が固定されたケーシングで包囲されているので、燃料電池スタックからの放熱による温度低下を抑えることができ、低負荷の発電出力の際にも熱自立した運転が可能である。また、燃料電池発電装置のメンテナンス時に外力が加わりケーシングが変形した場合や、経時的にケーシングの内側に取付けられた断熱材が接着力の低下等の要因により脱落した場合であっても、接触防止部材によって断熱材が支持されて、断熱材がスタック部に接触しにくく、燃料電池単セルの物理的破損や短絡・地絡等の電気トラブルが生じにくい。そして、接触防止部材は絶縁性材料で構成されているので、断熱材と接触防止部材とが接触した場合であっても、断熱材に電気が通電されにくいので、漏電が生じにくく、更には断熱材が損傷して断熱性能が低下することもない。

以下、本発明について図面を用いて更に詳細に説明する。図１、２には、本発明の燃料電池発電装置の第１の実施形態が示されている。

図１に示すように、この燃料電池発電装置は、燃料電池スタック１０と、この燃料電池スタック１０を包囲する、内側に断熱材２０が固定された合成樹脂製のケーシング３０とで主に構成されている。

燃料電池スタック１０は、燃料電池単セル１１が複数積層されている。この燃料電池単セル１１は、図２に示すように、電解質膜１を、カソード電極２ａと、アノード電極２ｂとで挟持して形成された電解質膜・電極接合体３が、ガス流路５及び冷却水路６を備えた一組のセパレータ４で挟持されて構成されている。

そして、上記燃料電池単セル１１が複数積層して形成されたスタック部１２の両末端には、スタック部１２で発電した電流を図示しないインバータ等に導く集電板１３，１３が、それぞれ配置されている。

また、この集電板１３，１３の外側には、外部の導電性部材との間を電気的に絶縁する絶縁板１４，１４が、それぞれ配置されている。更に、この絶縁板１４，１４の外側には、加圧板１５，１５がそれぞれ配置されている。なお、この実施形態では、上記絶縁板１４，１４と加圧板１５，１５とが、本発明における端部材を構成している。

そして、スタック部１２の両端面に取付けられた一対の加圧板１５，１５の４隅に、それぞれ締め付け棒１７を挿通させ、図示しないナット等によって締め付けることにより、スタック部１２、集電板１３、絶縁板１４、Ｌ字板１６が、その集積方向に向かって適度の加圧力により締め付けられて、燃料電池スタック１０が構成されている。

また、上記締め付け棒１７の両端部には、断面Ｌ字状に折曲された金属板からなる合計４つの脚部１６が取付けられ、これらの脚部１６はケーシング３０の底面から下方に延出されて床面に当接し、燃料電池スタック１０を直接支持している。

そして、上記燃料電池スタック１０が、内側に断熱材２０が固定されたケーシング３０で包囲されている。ケーシング３０の底部には、脚部３１が設けられており、脚部３１によってケーシングが支持されている。すなわち、燃料電池スタック１０及びケーシング３０は、それぞれの脚部によって独立して支持されている。

ケーシング３０の材質は、特に限定されないが、軽量で気密性を保持しやすい点から、合成樹脂板で形成されたものが好ましく採用される。

断熱材２０としては、特に限定されないが、例えば、ロックウール、グラスウール等からなる繊維材料をマット状に成形したものや、断熱性を有する粉末材料や繊維材料をプラスチックや金属箔でラミネートして内部を真空にした真空断熱材等を用いることができ、特に上記真空断熱材が好ましく用いられる。

断熱材２０は、接着剤や粘着テープ等でケーシング３０の内面に接着固定されていることが好ましい。接着剤や粘着テープ等による取付けは、簡便であり、燃料電池発電装置内の構造が複雑化することもない。

また、ケーシング３０内面の断熱材２０と、燃料電池スタック１０のスタック部１２との間には、空隙層２１が設けられている。断熱材２０と燃料電池スタック１０との間に空隙層２１を設けることで、空気の熱伝導率は比較的小さいため、燃料電池スタックからの放熱による温度低下を効果的に抑制できる。

そして、加圧板１５の両側面及び上面には、絶縁性材料で構成された接触防止部材１８が取付けられている。この接触防止部材１８は、断熱材２０とスタック部１２との間の間隔を維持し、断熱材２０のスタック部１２への接触を防止するために設けられる。

接触防止部材１８は、この実施形態の場合は、加圧板１５の外周に、合成樹脂等の絶縁性材料からなるブロックを、接着剤や、樹脂製のネジ等の手段で固着することによって取付けられている。なお、この実施形態では、接触防止部材１８は、加圧板１５に延設されているが、絶縁板１４に延設されていてもよく、加圧板１５及び絶縁板１４の両方に延設されていてもよい。接触防止部材１８を絶縁板１４，１４の外周に設ける場合、例えば絶縁板１４，１４の外周を機械加工等の方法で削りだして加工してもよい。

接触防止部材１８の形状は、断熱材２０と接触したとき、断熱材が破損しないような形状であれば特に限定は無く、断熱材２０と接触しうる面が平面で、エッジ部分が面取りされて、Ｒ加工が施されているものが好ましい。

接触防止部材１８の材質は、絶縁性を有するものであれば特に限定は無く、燃料電池の電極反応に伴う発熱で劣化しない程度の耐熱性を備えた樹脂で構成されていることが好ましい。絶縁性材料で構成することで、断熱材２０と接触防止部材１８とが接触した際、断熱材２０に電気が通電されにくいので、漏電が生じにくく、更には断熱材２０が損傷して断熱性能が低下することもない。

接触防止部材１８は、燃料電池スタック１０の両側面及び上面のそれぞれに、２箇所以上、好ましくは３箇所以上、より好ましくは４箇所以上設けられていることが好ましい。この実施形態の場合、接触防止部材１８は、燃料電池スタック１０の両端面に配置された加圧板１５の両側面及び上面のそれぞれに所定間隔をおいて２箇所ずつ設けられている。したがって、燃料電池スタック１０の両側面及び上面のそれぞれの４隅に、接触防止部材１８が配置されていることになる。これによれば、断熱材２０が剥離して落下した場合でも、各面の４隅に配置された接触防止部材１８によって断熱材２０が支持されるので、スタック部１２に断熱材２０が接触することを効果的に防止できる。

なお、ケーシング３０の１つの面に取付けられる断熱材２０は、燃料電池スタック１０の同一面上に取付けられた接触防止部材１８どうしの間隔Ｌよりも、該間隔と同一方向により長いことが必要である。断熱材２０の長さが、前記長さＬよりも短いと、複数の接触防止部材１８によって断熱材２０を支持することができないため、断熱材２０がスタック部１２に接触することを効果的に防止できない。

接触防止部材１８の高さ幅は、５〜１０ｍｍが好ましく、５〜８ｍｍがより好ましい。５ｍｍ未満であると、接触防止部材１８によって断熱材２０が支持できたとしても、断熱材２０が撓んでスタック部１２に接触することがあり、１０ｍｍを超えると、燃料電池発電装置の外径が大きくなり、コンパクト化ができなくなる。

本発明の燃料電池発電装置において、断熱材２０は、接触防止部材１８から１〜５ｍｍ離れていることが好ましく、２〜３ｍｍ離れていることがより好ましい。上記距離が１ｍｍ未満であると、断熱材２０の経時的な弛み等によって、断熱材２０が接触防止部材１８に接触しやすくなり、上記距離が５ｍｍを超えると、燃料電池発電装置の外径が大きくなり、コンパクト化ができなくなる。

上記構成からなる本発明の燃料電池発電装置によれば、燃料電池スタック１０が、内側に断熱材２０が固定されたケーシング３０で包囲されて、内部の気密性が保たれているので、燃料電池スタック１０からの放熱による温度低下を抑えることができ、低負荷の発電出力の際にも熱自立した運転が可能である。また、燃料電池発電装置のメンテナンス時に、外力が加わりケーシング３０が変形した場合や、経時的にケーシング３０の内側に取付けられた断熱材２０が、接着力の低下等の要因により脱落した場合であっても、接触防止部材１８によって断熱材２０を支持できるので、断熱材２０が燃料電池スタック１０のスタック部１２に接触しにくく、燃料電池単セル１１の物理的破損や短絡・地絡等の電気トラブルが生じにくい。そして、接触防止部材１８は絶縁性材料で構成されているので、断熱材２０と接触防止部材１８とが接触した場合であっても、断熱材２０に電気が通電されにくいので、漏電することもなく、更には断熱材２０が損傷して断熱性能が低下することもない。

図３には、本発明の燃料電池発電装置の第２の実施形態が示されている。なお、上記第１の実施形態と実質的に同一部分には、同符号を付してその説明を省略することとする。

この実施形態では、燃料電池単セル１１のセパレータ４の側部に、電圧センサー取付け溝７ａ及び温度センサー取付け溝７ｂが設けられ、それぞれのセンサー取付け溝７ａ，７ｂに、電圧センサー８及び温度センサー９が取付けられている。なお、電圧センサー８及び温度センサー９は、燃料電池単セル１１の全部に設けてもよく、複数セル毎に設けてもよい。

そして、電圧センサー８及び温度センサー９の配線は、ケーシング３０の底面の、燃料電池スタック１０の一側面の下辺に位置する部分、この実施形態では更にその端部である底面の一つの隅部に、開口部３２を設けて取出されている。なお、ケーシング３０と燃料電池スタック１０とは、電圧センサー８及び温度センサー９が配置された面側（例えば図３（ｂ）の左側）が、断熱材２０の内側により大きな間隙が形成されるように、オフセットして配置されている。

この実施形態によれば、燃料電池発電スタック１０のスタック部１２に、電圧センサー８及び温度センサー９を配置したことで、電圧及び温度の運転データを収集することにより、燃料電池発電装置の異常状態の早期発見が可能となり、運転状態の遠隔監視が可能である。また、センサーの配線をケーシング３０の下部に設けた開口部３２から取出し、燃料電池発電装置の上部空間は、密閉性を確保しているので、ケーシング３０内に滞留している高温気流が外部へ流出しにくく、断熱性能を維持することができる。また、ケーシング３０の内部が配線で煩雑化することもない。

本発明の燃料電池発電装置の第１の実施形態の概略図であって、（ａ）は側断面図、（ｂ）は燃料電池単セル部分の正面断面図である。燃料電池単セルの概略断面図である。本発明の燃料電池発電装置の第２の実施形態の概略図であって、（ａ）は側断面図、（ｂ）は燃料電池単セル部分の正面断面図である。

符号の説明

１：電解質膜
２ａ：カソード電極
２ｂ：アノード電極
３：電解質膜・電極接合体
４：セパレータ
５：ガス流路
６：冷却水路
７ａ：電圧センサー取付け溝
７ｂ：温度センサー取付け溝
８：電圧センサー
９：温度センサー
１０：燃料電池スタック
１１：燃料電池単セル
１２：スタック部
１３：集電板
１４：絶縁板
１５：加圧板
１６：Ｌ字板
１７：締め付け具
１８：接触防止部材
２０：断熱材
２１：空隙層
３０：ケーシング
３１：脚部
３２：開口部

Claims

電解質層の両面に電極層が配置され、更にその両外面にガス流路を有するセパレータが配置された燃料電池単セルが複数積層されたスタック部と、このスタック部の両末端に配置された、前記スタック部で発電した電流を外部に導く一対の集電板と、この集電板の外側に配置された端部材とを有する燃料電池スタックを備え、この燃料電池スタックが、内側に断熱材が固定されたケーシングで包囲されてなる燃料電池発電装置であって、
前記断熱材の前記スタック部側の表面と、前記スタック部の表面との間に、前記燃料電池スタックから延設された接触防止部材が同一面上に２箇所以上設けられ、
前記断熱材は、前記燃料電池スタックの同一面上に設けられた接触防止部材間の長さよりも、該長さと同一方向により長く、
前記接触防止部材が、絶縁性材料で構成され、
前記断熱材と前記スタック部との間に、空隙層が設けられていることを特徴とする燃料電池発電装置。
前記接触防止部材が、前記端部材に設けられている請求項１に記載の燃料電池発電装置。
前記接触防止部材が、前記断熱材から１〜５ｍｍ離れて前記燃料電池スタックに配置されている請求項１又は２に記載の燃料電池発電装置。
前記接触防止部材が、前記燃料電池スタックの両側面及び上面の少なくともいずれか一面にあり、前記スタック部の両末端に配置された端部材に、それぞれ１箇所以上配置されている請求項１〜３のいずれか一つに記載の燃料電池発電装置。
前記接触防止部材が、燃料電池の発熱に耐性のある樹脂で構成されている請求項１〜４のいずれか一つに記載の燃料電池発電装置。
前記セパレータが、該セパレータの側部にセンサー取付け溝を備え、このセパレータのセンサー取付け溝にセンサーが設置されており、
前記ケーシングが、該ケーシングの下部に前記センサーの配線取出し口を備え、この配線取出し口から前記センサーの配線が延出している請求項１〜５のいずれか一つに記載の燃料電池発電装置。
前記センサーが、温度センサー及び／又は電圧センサーである請求項６に記載の燃料電池発電装置。