JP5315210B2 - 燃料電池モジュール - Google Patents

Description

本発明は、改質器を収納してなる燃料電池モジュールに関する。

収納容器内に改質器を収納してなる燃料電池モジュールとしては、例えば、固体酸化物形燃料電池セルを収納してなる燃料電池モジュールがある。固体酸化物形燃料電池セルは、作動温度が７００〜１０００℃と比較的高温であるため、その排熱を利用して、改質器による改質反応を促進させることができる。例えば、特許文献１〜特許文献４に記載の燃料電池では、燃料電池セルを積層してなるセルスタックの上方に改質器を配置し、セルスタックから排出される燃料オフガスをこの改質器の直下で燃焼させることで、改質器による改質反応を促進させている。

しかし、一般的に、改質器は、改質反応が進行する部分（改質部）よりも、原燃料や改質用水が導入される部分（気化部）の温度が低いという性質がある。そのため、この改質器の不均一な温度分布が、その直下に配置されるセルスタックの運転温度にも影響し、セルスタックの温度分布までもが不均一になり、発電効率が低下してしまう場合があるという問題があった。このような問題は、固体酸化物形燃料電池セルを収納してなる燃料電池モジュールに限らず、改質器を収納してなる燃料電池モジュールに共通する問題であった。

特開２００５−６３８０６号公報 特開２００７−５９３７７号公報 特開２００８−３４２０５号公報 特開２００８−６６１２７号公報

上述した問題を考慮し、本発明が解決しようとする課題は、改質器の温度分布の均一化を図ることにある。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。

［適用例１］燃料電池モジュールであって、収納容器内に、外部から供給される水分と原燃料とを昇温して水蒸気を含む原燃料ガスを生成する気化部と、該気化部から供給された前記原燃料ガスを改質して水素を含有する燃料ガスを生成する改質部とを有する改質器と、酸素を含有する酸化剤ガスと前記燃料ガスとで発電を行うとともに、内部に前記燃料ガスが流れる燃料ガス流路を有し、第１の端部から前記燃料ガスを導入して、第２の端部から発電に供されなかった燃料オフガスを排出する燃料電池セルが複数配列され、前記各燃料電池セルの前記第２の端部が前記改質器と間隔を空けて対向して配置されるよう形成されたセルスタックと、前記セルスタックから排出された前記燃料オフガスを、前記改質器と前記セルスタックとの間で燃焼させる燃焼部と、を備え、前記改質器において、前記気化部を構成する筐体の前記セルスタックと対向する面に沿う方向における熱伝導性が、前記改質部を構成する筐体の前記セルスタックと対向する面に沿う方向における熱伝導性よりも高い、燃料電池モジュール。

このような構成であれば、改質器において、気化部を構成する筐体のセルスタックと対向する面に沿う方向における熱伝導性が、改質部を構成する筐体のセルスタックと対向する面に沿う方向における熱伝導性よりも高く形成されているので、比較的低温な水分と原燃料とが外部から気化部に供給された場合であっても、気化部の温度低下を抑制することができる。そのため、気化部ひいては改質器全体の温度分布を均一化することができる。この結果、改質器と対向して配置されたセルスタックの温度分布が不均一になることが抑制されるので、燃料電池モジュールの発電効率を向上させることが可能になる。

［適用例２］適用例１に記載の燃料電池モジュールであって、前記気化部を構成する筐体と前記改質部の筐体とは同一の金属材料によって形成されており、前記気化部を構成する筐体の前記セルスタックに対向する面を構成する壁材の厚みが、前記改質部を構成する筐体の前記セルスタックに対向する面を構成する壁材の厚みよりも大きく形成されている、燃料電池モジュール。このような燃料電池モジュールであれば、気化部を構成する筐体の熱伝導性を簡易な構成で高めることができる。

本発明の一例としての燃料電池モジュール１０の鉛直断面図である。 セルスタック３０の概略構成を示す図である。 改質器２０の概略構成を示す斜視図である。 気化部２４および改質部２５の断面構造を示す図である。

Ａ．例：
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しつつ例に基づき説明する。
図１は、本発明の一例としての燃料電池モジュール１０の鉛直断面図である。以下では、紙面に向かって左側、右側、上側、下側が、それぞれ、燃料電池モジュール１０の左側、右側、上側、下側であるものとし、紙面手前側が燃料電池モジュール１０の前側、紙面奥側が燃料電池モジュール１０の後側として説明する。

燃料電池モジュール１０は、固体酸化物形燃料電池セルを収納してなる燃料電池モジュールであり、断熱性部材によって形成された略直方体状の収納容器１２内に、改質器２０と、固体酸化物形燃料電池セル（以下、燃料電池セルと略す場合がある。）を積層してなるセルスタック３０ａおよびセルスタック３０ｂと、酸素を含有する酸化剤ガス（本例では、空気）を外部から導入する酸化剤ガス流路４０と、改質器２０によって生成された燃料ガスをセルスタック３０ａ，３０ｂに供給する燃料ガス中継流路５０と、セルスタック３０ａ，３０ｂから排出され、後述する燃焼後に生じた燃焼オフガスを外部に排出する燃焼オフガス流路６０と、を備えている。各流路は、金属製の板材によって収納容器１２内を区画することで形成されている。なお、セルスタック３０ａとセルスタック３０ｂは同一の構成であるため、以下では、まとめて、セルスタック３０という場合がある。

酸化剤ガス流路４０は、酸化剤ガスを外部から導入する酸化剤ガス導入口４１と、分岐部４２と、下方流路４５と、側面流路４４ａ，４４ｂと、上方流路４３と、中央流路４６とを備えている。酸化剤ガス導入口４１は、収納容器１２の下部に設けられている。酸化剤ガス流路４０は、この酸化剤ガス導入口４１から収納容器１２の内部に延伸された部分において、分岐部４２によって流路が二股に分岐される。分岐部４２によって分岐された酸化剤ガス流路４０は、下方流路４５によって、収納容器１２の下側内壁に沿って左右方向に延伸された後、側面流路４４ａにより収納容器１２の左側内壁に沿って鉛直上向きに延伸され、側面流路４４ｂにより収納容器１２の右側内壁に沿って鉛直上向きに延伸される。鉛直上向きに延伸された側面流路４４ａ，４４ｂは、収納容器１２の上側に達すると、収納容器１２の上側内壁に沿って設けられた上方流路４３に接続される。上方流路４３の略中央には、収納容器１２の下方に向けて酸化剤ガスを流す中央流路４６が接続されている。この中央流路４６の下端は、セルスタック３０ａ，３０ｂの下端付近で開口している。酸化剤ガスは、この開口した中央流路４６の端部からセルスタック３０ａ，３０ｂの下端部に供給される。

セルスタック３０ａは、中央流路４６の左側に立設され、セルスタック３０ｂは、中央流路４６の右側に立設されている。セルスタック３０ａ，３０ｂは、それぞれ、鉛直方向に延びる略柱状の燃料電池セルが、燃料電池モジュール１０の前後方向に複数積層されて構成されている。

図２は、セルスタック３０の概略構成を示す図である。この図は、図１におけるＡ−Ａ断面を示している。セルスタック３０を構成する各燃料電池セル３１は、固体電解質３２と、アノード３３と、カソード３４と、支持基材３５と、インターコネクタ３６とを備えている。各燃料電池セル３１の間には、集電部材３７が配置されている。集電部材３７は、内部に中空部３８を有している。この中空部３８内には、集電部材３７に設けられたスリット（図示せず）を通じて酸化剤ガス流路４０（詳しくは中央流路４６）から酸化剤ガスが供給される。

支持基材３５は、燃料ガスが流れる複数（図２では４本）の燃料ガス流路３９が内部に形成された平板状の部材である。支持基材３５は、気孔率が１０〜５０％の多孔質部材によって形成されており、燃料ガス流路３９からアノード３３に燃料ガスを透過する。支持基材３５の第１の面３５ａと、湾曲した２つの側面３５ｂとは、アノード３３によって被覆されている。アノード３３の外表面は、固体電解質３２によって被覆されている。支持基材３５の第１の面３５ａ側の固体電解質３２上には、カソード３４が配置されている。支持基材３５の第２の面３５ｃには、発電された電気を集電するためのインターコネクタ３６が配置されている。インターコネクタ３６には、湾曲された固体電解質３２の両端部と、湾曲されたアノード３３の両端部とが接合されている。インターコネクタ３６は、燃料ガス流路３９内を通る燃料ガスと、集電部材３７内の中空部３８を通る酸化剤ガスとを分離させる役割も果たしている。各燃料電池セル３１は、カソード３４と集電部材３７とが接触するように連続的に配置され、電気的に直列に接続される。集電部材３７内の中空部３８を通る酸化剤ガスは、集電部材３７に設けられたスリットを通じてカソード３４に供給される。

以上のように構成されたセルスタック３０の上方（図１参照）には、セルスタック３０と酸化剤ガス流路４０（詳しくは上方流路４３）との間に、改質器２０が配置されている。改質器２０は、収納容器１２の上方から鉛直下向きに見たときに、略Ｕ字形状をなしている。

図３は、改質器２０の概略構成を示す斜視図である。改質器２０は、燃料電池モジュール１０内を前後方向に延びる略直方体状の第１のケーシング２１と第２のケーシング２２とを備えている。第１のケーシング２１と第２のケーシング２２とは、水平面上に互いに平行に配置されている。第１のケーシング２１は、セルスタック３０ａの上方に配置され、第２のケーシング２２は、セルスタック３０ｂの上方に配置される。第１のケーシング２１と第２のケーシング２２とは、これらの後端部が、第３のケーシング２３によって結合されている。このように結合された第１のケーシング２１と第２のケーシング２２と第３のケーシング２３とは、内部空間がすべて連通している。本例では、第１のケーシング２１と第２のケーシング２２と第３のケーシング２３とは、全て同一の金属材料によって形成されている。金属材料としては、例えば、ステンレス鋼を用いることができる。このように構成された改質器２０において、以下では、第２のケーシング２２の前端から略中央までの部分を気化部２４とし、第２のケーシング２２の気化部２４を除いた部分と、第３のケーシング２３と、第１のケーシング２１とからなる部分を改質部２５とした構成である。

図４は、気化部２４および改質部２５の図３の破線部分における断面構造を示す図である。気化部２４の内部には、セラミックスボール２６（例えば、Ａｌ_２Ｏ_３やＺｒＯ_２）が収容されており、改質部２５の内部には、触媒が塗布されたセラミックスボール２７が収容されている（詳細は後述）。更に、本例では、気化部２４を構成する第２のケーシング２２は、その下面の厚みＴ１が、改質部２５を構成する第１のケーシング２１の下面の厚みＴ２よりも大きく形成されている。

図１および図３に示すように、気化部２４には、原料導入配管２８が接続されている。気化部２４には、この原料導入配管２８を通じて燃料電池モジュール１０の外部から、原燃料と改質用水とが供給される。原燃料とは、改質器２０における水蒸気改質に供される燃料であり、本例では、メタン（ＣＨ_４）を含有するガスを用いる。なお、原燃料としては、その他にも、プロパン、ブタン、灯油、ナフサ等の炭化水素系燃料や、メタノール、エタノール、ジメチルエーテル等の燃料を用いることができる。改質用水とは、この原燃料の水蒸気改質に供される水分である。

気化部２４では、原料導入配管２８から供給された原燃料と改質用水とが、後述する燃焼部７０における燃焼熱とセルスタック３０の発電による発熱とを受けて加熱される。この加熱により、気化部２４では、原燃料が水蒸気改質反応に適した温度まで昇温されるとともに、改質用水が気化されて水蒸気が発生する。こうして加熱された水蒸気を含む原燃料のことを、以下では、原燃料ガスという。上述したように、気化部２４には、セラミックスボール２６が収容されており、これにより原燃料ガスの昇温が補助される。

一方、改質部２５の内部には、上述したように、水蒸気改質反応を促進するための触媒が塗布されたセラミックスボール２７が収容されている。触媒としては、ルテニウム系触媒やニッケル系触媒を用いることができる。改質部２５は、気化部２４から原燃料ガスの供給を受けると、約６００℃の温度でこの原燃料ガスを改質し、水素を含有する燃料ガス（水素含有ガス）を生成する。この改質反応は、吸熱反応であり、後述する燃焼部７０における燃焼熱とセルスタック３０の発電による発熱とが利用される。改質部２５によって生成された燃料ガスは、第１のケーシング２１の前端部に接続された燃料ガス供給管５１を通じて、セルスタック３０の下方に配置された燃料ガス中継流路５０に流入する。燃料ガス中継流路５０は、セルスタック３０内の各燃料ガス流路３９に接続されている。改質部２５によって生成された燃料ガスは、これら燃料ガス供給管５１および燃料ガス中継流路５０を通じて、セルスタック３０の下端より供給される。

セルスタック３０ａ，３０ｂの下端に供給された燃料ガスは、セルスタック３０ａ，３０ｂに備えられた支持基材３５内の燃料ガス流路３９（図２参照）を通って、セルスタック３０ａ，３０ｂ内を下方から上方に流れ、発電に供される。また、中央流路４６を通じてセルスタック３０ａ，３０ｂの下端部に供給された酸化剤ガスは、セルスタック３０ａ，３０ｂに備えられた集電部材３７内の中空部３８（図２参照）を通って、燃料ガスと並行してセルスタック３０ａ，３０ｂ内を下方から上方に流れ、発電に供される。

セルスタック３０ａ，３０ｂによる発電に供されなかった燃料ガスのオフガス（以下、燃料オフガスという。）と酸化剤ガスのオフガス（以下、酸化剤オフガスという。）とは、それぞれ、セルスタック３０ａ，３０ｂの上端から排出され、セルスタック３０ａ，３０ｂの上端と改質器２０との間に形成された空間である燃焼部７０において燃焼される。燃焼部７０における燃焼熱は、その上方に配置された改質部２５における改質反応に利用される。燃焼部７０の近傍には、スパーク電極７２が設けられている。スパーク電極７２は、燃料電池モジュール１０の始動時に火花放電され、これにより、燃焼部７０において燃料オフガスが着火する。

燃焼部７０において燃焼された後の燃焼オフガスは、燃焼オフガス流路６０によって燃料電池モジュール１０の外部に排出される。この燃焼オフガス流路６０は、燃焼オフガス左側流路６０ａと、燃焼オフガス右側流路６０ｂと、燃焼オフガス下方流路６０ｃと、燃焼オフガス排出口６０ｄとによって構成されている。燃焼オフガス左側流路６０ａは、セルスタック３０ａと側面流路４４ａとの間に設けられており、燃焼オフガス右側流路６０ｂは、セルスタック３０ｂと側面流路４４ｂとの間に設けられている。燃焼オフガス下方流路６０ｃは、燃料ガス中継流路５０の下方に配置されている。燃焼オフガス下方流路６０ｃの左端部は、燃焼オフガス左側流路６０ａの下端に接続されており、燃焼オフガス下方流路６０ｃの右端部は、燃焼オフガス右側流路６０ｂの下端に接続されている。燃焼オフガス下方流路６０ｃの略中央には、収納容器１２の下部を貫く燃焼オフガス排出口６０ｄが接続されている。このような燃焼オフガス流路６０の構成により、燃焼部７０において燃焼された後の燃焼オフガスが、セルスタック３０ａ，３０ｂや燃料ガス中継流路５０の周囲を経由して、燃料電池モジュール１０の外部に排出される。

セルスタック３０と燃焼部７０と改質器２０と燃料ガス中継流路５０と中央流路４６とは、これらをＵ字状に包囲する断熱部材８０によって断熱されている。この断熱部材８０は、左側断熱部材８０ａと右側断熱部材８０ｂと下方断熱部材８０ｃとによって構成されている。左側断熱部材８０ａは、上端が改質器２０の上面付近に達しており、燃焼オフガス左側流路６０ａとセルスタック３０ａとの間に配置されている。右側断熱部材８０ｂは、上端が改質器２０の上面付近に達しており、燃焼オフガス右側流路６０ｂとセルスタック３０ｂとの間に配置されている。下方断熱部材８０ｃは、燃料ガス中継流路５０と燃焼オフガス下方流路６０ｃとの間に配置されている。下方断熱部材８０ｃの左端部は、左側断熱部材８０ａの下端に接しており、右端部は右側断熱部材８０ｂの下端に接している。本例では、このような断熱部材８０によって、セルスタック３０等の周囲を断熱することで、セルスタック３０の発電に伴う発熱と燃焼部７０による燃焼熱とを改質器２０に効率よく伝えることができるとともに、セルスタック３０に供給される燃料ガスや酸化剤ガスを予熱することが可能になる。

以上で説明したように、本例の燃料電池モジュール１０では、改質器２０において、気化部２４を構成する筐体の下面を構成する壁材が、改質部２５を構成する筐体の下面を構成する壁材よりも厚く形成されている。そのため、気化部２４を構成する筐体の下面部内の横方向（換言すれば、セルスタック３０と対向する面に沿った方向、あるいは、ガスの流れ方向）における熱伝導性が、改質部２５を構成する筐体の下面部内の横方向における熱伝導性よりも高くなる。このように、気化部２４を構成する筐体の下面部内の横方向における熱伝導性が高まれば、比較的温度の低い原燃料や改質用水が供給され原燃料ガスの生成のために大きな吸熱が生じる気化部２４に対して、比較的高温になる改質部２５側から、効率よく熱を伝導することができる。この結果、気化部２４の下面が伝熱プレートの役割を果たすことになり、改質器２０全体の温度分布の均一化を図ることが可能になる。改質器２０の運転温度は、その下方に対向して配置されるセルスタック３０の運転温度にも影響を与えることから、上述のように改質器２０全体の温度分布が均一化されると、各燃料電池セル３１の運転温度の均一化を図ることも可能になる。そのため、セルスタック３０全体の発電効率を向上させることが可能になる。

なお、改質器２０において、気化部２４の下面部内の熱伝導性が改質部２５の下面部内の熱伝導性よりも高いことは、例えば、次のような方法で確認することができる。すなわち、改質器２０を構成する筐体の底面に、ガスの流れ方向に沿って熱電対を等間隔で複数貼り付け、それぞれの熱電対によって温度を測定する。そうすると、気化部２４側は、熱伝導性が高いため、隣接する熱電対でそれぞれ測定した温度は略等しくなる。これに対して、改質部２５側は、熱伝導性が気化部２４よりも低く、気化部２４側に熱が伝導するため、隣接する熱電対でそれぞれ測定した温度に差が生じることになる（より具体的には、隣接した熱電対のうち、気化部２４に近い側の熱電対で測定した温度の方が、気化部２４から遠い側の熱電対で測定した温度よりも低くなる）。よって、このような方法によって改質器２０を構成する筐体の底面の各部の温度を測定することにより、気化部２４の下面部内の熱伝導性が改質部２５の下面部内の熱伝導性よりも高いことを確認することができる。なお、上記方法では、熱電対を、改質器２０を構成する筐体の底面に貼り付けることとしたが、改質器２０を構成する筐体の下面を構成する壁材に穴を空けて差し込むこととしてもよい。こうすることで、より精度良く温度を測定することができる。

Ｂ．変形例：
以上、本発明の一例について説明したが、本発明はこのような例に限定されず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の構成を採ることができる。例えば、以下のような変形が可能である。

Ｂ１．変形例１：
上記例では、気化部２４の下面を構成する壁材の厚みを増すことで、その熱伝導性を高めることとしたが、気化部２４を構成する筐体を、改質部２５を構成する筐体よりも熱伝導率の大きな材料によって構成してもよい。こうすることで、気化部２４と改質部２５のそれぞれを構成する筐体の厚みが同じであっても、気化部２４を構成する筐体の熱伝導性を高めることができる。例えば、改質部２５を構成する筐体をステンレス鋼によって形成した場合には、気化部２４を構成する筐体を、軟鋼ＳＰＣＣ（ＪＩＳ）、ニッケル、更にはステンレス／銅／ステンレスの多層材料等によって形成することで、改質部２５よりも気化部２４を構成する筐体の熱伝導性を高めることが可能である。

Ｂ２．変形例２：
上記例では、気化部２４は、下方から熱せられるため、気化部２４の下面を構成する壁材の厚みを増すこととした。しかし、下面だけではなく、気化部２４を構成する筐体の全面の壁材の厚みを増すこととしてもよい。また、例えば、改質器２０が、横側から熱せられる構成であれば、気化部２４を構成する筐体側面を構成する壁材の厚みを増すこととしてもよい。また、改質器２０が、上方から熱せられる構成であれば、気化部２４を構成する筐体上面を構成する壁材の厚みを増すこととしてもよい。

Ｂ３．変形例３：
上記例では、燃料電池モジュール１０は、固体酸化物形燃料電池セルを収納してなる燃料電池モジュールとしたが、改質器から燃料ガスの供給を受ける燃料電池セルであれば、他の形式の燃料電池セルについても本発明を適宜適用可能である。

１０…燃料電池モジュール
１２…収納容器
２０…改質器
２１…第１のケーシング
２２…第２のケーシング
２３…第３のケーシング
２４…気化部
２５…改質部
２６，２７…セラミックスボール
２８…原料導入配管
３０，３０ａ，３０ｂ…セルスタック
３１…燃料電池セル
３２…固体電解質
３３…アノード
３４…カソード
３５…支持基材
３６…インターコネクタ
３７…集電部材
３８…中空部
３９…燃料ガス流路
４０…酸化剤ガス流路
５０…燃料ガス中継流路
５１…燃料ガス供給管
６０…燃焼オフガス流路
７０…燃焼部
７２…スパーク電極
８０…断熱部材

Claims (2)

1. 燃料電池モジュールであって、
   収納容器内に、
   外部から供給される水分と原燃料とを昇温して水蒸気を含む原燃料ガスを生成する気化部と、該気化部から供給された前記原燃料ガスを改質して水素を含有する燃料ガスを生成する改質部とを有する改質器と、
   酸素を含有する酸化剤ガスと前記燃料ガスとで発電を行うとともに、内部に前記燃料ガスが流れる燃料ガス流路を有し、第１の端部から前記燃料ガスを導入して、第２の端部から発電に供されなかった燃料オフガスを排出する燃料電池セルが複数配列され、前記各燃料電池セルの前記第２の端部が前記改質器と間隔を空けて対向して配置されるよう形成されたセルスタックと、
   前記セルスタックから排出された前記燃料オフガスを、前記改質器と前記セルスタックとの間で燃焼させる燃焼部と、を備え、
   前記改質器において、前記気化部を構成する筐体の前記セルスタックと対向する面に沿う方向における熱伝導性が、前記改質部を構成する筐体の前記セルスタックと対向する面に沿う方向における熱伝導性よりも高い、
   燃料電池モジュール。
2. 請求項１に記載の燃料電池モジュールであって、
   前記気化部を構成する筐体と前記改質部の筐体とは同一の金属材料によって形成されており、
   前記気化部を構成する筐体の前記セルスタックに対向する面を構成する壁材の厚みが、前記改質部を構成する筐体の前記セルスタックに対向する面を構成する壁材の厚みよりも大きく形成されている、燃料電池モジュール。

Images