JP5334513B2 - 燃料電池モジュールおよび燃料電池装置 - Google Patents

Description

本発明は、収納容器内に複数個の柱状の燃料電池セルを収納してなる燃料電池モジュールおよびそれを具備する燃料電池装置に関する。

近年、次世代エネルギーとして、水素含有ガスと空気（酸素含有ガス）とを用いて電力を得ることができる燃料電池セルを複数個立設して電気的に直列に接続してなるセルスタックを燃料電池セルに第１の反応ガスを供給するマニホールドに固定してなるセルスタック装置を、収納容器内に収納してなる燃料電池モジュールや燃料電池モジュールを収納してなる燃料電池装置が種々提案されている。

そのような燃料電池モジュールとしては、例えば、直方体状の収納容器内に設けられた発電室内に、燃料電池セルを複数個並設し電気的に直列に接続してマニホールドに固定してなるセルスタック装置を収納してな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）。
特開２００７−５９３７７号公報

ところで、燃料電池モジュール（燃料電池装置）の起動や発電に伴いセルスタック（燃料電池セル）に熱が生じる。ここで、燃料電池セルにおいて生じた熱は、隣接する燃料電池セル間等から放熱される。

しかしながら、特に燃料電池セルを複数個立設して電気的に直列に接続してなるセルスタックにおいては、セルスタックを構成する燃料電池セルの配列方向の端部に配置される燃料電池セルは放熱しやすいが、セルスタックを構成する燃料電池セルの配列方向の中央部側に配置される燃料電池セルは放熱しにくいため、セルスタック全体として、中央部側の温度が高く、端部側の温度が低いという不均一な温度分布を生じるおそれがある。

そして、セルスタックの温度が不均一な温度分布となる場合においては、セルスタックを構成する各燃料電池セルにマニホールドから供給される第１の反応ガスの流れにばらつきが生じ、セルスタック（燃料電池セル）の発電量が低下する、またはセルスタック（セルスタックを構成する燃料電池セル）が破損するといったおそれがあった。

それゆえ本発明は、セルスタック全体としての温度分布を均一に近づけることが可能な燃料電池モジュールおよびそれを具備する燃料電池装置を提供することを目的とする。

本発明の燃料電池モジュールは、収納容器内に設けられた発電室内に、内部に第１の反応ガスを流通させるためのガス流路を有する柱状の燃料電池セルを複数個立設させた状態で配列して電気的に直列に接続してなるセルスタックと、該セルスタックを構成する前記
燃料電池セルを固定するとともに、前記燃料電池セルに第１の反応ガスを供給するマニホールドとを具備するセルスタック装置を収納してなり、前記収納容器は、内壁と外壁とを有する二重壁構造で、前記内壁と前記外壁との間を前記燃料電池セルの外部に供給する第２の反応ガスの流路とするとともに、前記燃料電池セルの配列方向に沿った前記内壁と、該内壁の内側に所定間隔を空けて設けられた排ガス用内壁との間を、前記燃料電池セルに供給された前記第１の反応ガスおよび前記第２の反応ガスを用いて発電した後の前記発電室内の排ガスが上方から下方に向けて流れる排ガス流路としてなる燃料電池モジュールであって、前記排ガス流路が、前記燃料電池セルの配列方向における前記セルスタックの両端部と対向する位置に設けられ、前記燃料電池セルの配列方向における前記セルスタックの中央部と対向する位置は排ガスが流通しない非流通部とされているとともに、前記セルスタック近傍の温度を測定するための温度センサが、前記収納容器の前記燃料電池セルの配列方向に沿った側面側の外部より、前記第２の反応ガス流路および前記非流通部を通過し、前記発電室内に挿入して配置されてい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、内壁と外壁との間を燃料電池セルに供給する第２の反応ガスの流路と、内壁と内壁の内側に所定間隔をあけて設けられた排ガス用内壁との間を、発電室内の排ガスが上方から下方に向けて流れる排ガス流路としてなることから、第２の反応ガスの流路を流れる第２の反応ガスと、排ガス流路を流れる排ガスとで熱交換が行われ、第２の反応ガスの温度が上昇する。そして温度の高い第２の反応ガスが燃料電池セルに供給される。

ここで、排ガス流路は、セルスタックの両端部（燃料電池セルの配列方向における両端部）と対向する位置に設けられている、すなわち排ガス流路は、セルスタックの中央部側（燃料電池セルの配列方向における中央部側）と対向する位置には設けられていないこととなる。すなわち、セルスタックの両端部と対向する部位には温度の高い排ガスが流れるのに対し、セルスタックの中央部側には温度の高い排ガスが流れないこととなる。

それゆえ、燃料電池セルの配列方向における両端部の温度が低下することを抑制できる（または両端部の温度を上昇させることができる）とともに、燃料電池セルの配列方向における中央部側の温度を低下させることができ、セルスタック全体としての温度分布を均一に近づけることができる。それにより、セルスタックの発電量が低下することを抑制でき、発電効率を向上することができる。さらには、セルスタックが破損することを抑制することができる。
また、セルスタック近傍の温度を測定するための温度センサを、収納容器の燃料電池セルの配列方向に沿った側面側の外部より挿入するが、その際、第２の反応ガス流路は通過するものの、排ガス流路を通過しないように発電室内に挿入して配置する。すなわち、収納容器の外部から温度センサを挿入するにあたり、温度センサは収納容器の外壁と内壁だけを貫通して発電室内に配置される。 それにより、容易に発電室内に温度センサを挿入してセルスタックの近傍に配置することができる。

また、本発明の燃料電池モジュールは、前記排ガス流路の上端の高さは、燃料電池セルの上端以上の高さとされていることが好ましい。

本発明の燃料電池装置は、外装ケース内に、上記のうちいずれかに記載の燃料電池モジュールを収納してなることを特徴とする。

このような燃料電池装置においては、上述したうちいずれかの燃料電池モジュールを収納ケース内に収納してなることから、発電効率が向上するとともに、信頼性が向上した燃料電池装置とすることができる。

本発明の燃料電池モジュールは、セルスタック全体としての温度分布を均一に近づけることができ、発電効率を向上することができる。さらには、セルスタックが破損することを抑制することができる。また、容易に発電室内に温度センサを挿入してセルスタックの近傍に配置することができる。

図１は、燃料電池モジュール１（以下、モジュールという場合がある。）の一例を示す外観斜視図である。なお、以降の図において同一の部材については同一の番号を付するものとする。

モジュール１は、内部にガス流路を有する柱状の燃料電池セル３の複数個を立設させた状態で所定間隔をおいて配列し、隣接する燃料電池セル３間に集電部材（図示せず）を介して電気的に直列に接続してセルスタック５を構成するとともに、燃料電池セル３の下端をガラスシール材等の絶縁性接合材（図示せず）で、燃料電池セル３に第１の反応ガスを供給するマニホールド４に固定してなるセルスタック装置１０を、直方体状の収納容器２の発電室内に収納して構成されている。なお、収納容器２の構成は、図２を用いて説明するものとする。

なお図１においては、燃料電池セル３として、内部を第１の反応ガスである水素含有ガス（燃料ガス）が長手方向に流通するガス流路を有する中空平板型で、ガス流路を有する支持体の表面に、燃料側電極層、固体電解質層および酸素側電極層を順に積層してなる固体酸化物形燃料電池セル３を例示している。なお以降の説明において、特に断らない限り、第１の反応ガスを水素含有ガス（燃料ガス）、第２の反応ガスを酸素含有ガス（空気等）とする場合の燃料電池セル３（燃料電池モジュール１）を用いて説明する。

また図１においては、燃料電池セル３の発電で使用する燃料ガスを得るために、天然ガスや灯油等の原燃料を改質して燃料ガスを生成するための改質器６をセルスタック５（燃料電池セル３）の上方に配置している。なお、改質器６は、効率のよい改質反応である水蒸気改質を行うことができる構造とすることが好ましく、水を気化させるための気化部７と、原燃料を燃料ガスに改質するための改質触媒（図示せず）が配置された改質部８とを備えている。そして、改質器６で生成された燃料ガスは、ガス流通管９によりマニホールド４に供給され、マニホールド４を介して燃料電池セル３の内部に設けられたガス流路に供給される。なお、セルスタック装置１０を改質器６を含むものとしてもよい。

また、図１においては、収納容器２の一部（前後面）を取り外し、内部に収納されるセルスタック装置１０を後方に取り出した状態を示している。ここで、図１に示したモジュール１においては、セルスタック装置１０を、収納容器２内にスライドして収納することが可能である。

図２は、図１で示すモジュール１の断面図である。モジュール１を構成する収納容器２は、内壁１１と外壁１２とを有する二重構造で、外壁１２により収納容器２の外枠が形成されるとともに、内壁１１によりセルスタック５（セルスタック装置１０）を収納する発電室１３が形成されている。さらにモジュール１（収納容器２）においては、内壁１１と外壁１２との間を、燃料電池セル３に導入する第２の反応ガス（酸素含有ガス）が流通する反応ガス流路としている。

ここで内壁１１には、内壁１１の上面よりセルスタック５の側面側にまで延び、セルスタック５の配列方向における幅に対応する幅を有し、内壁１１と外壁１２とで形成される反応ガス流路に通じて、セルスタック５に酸素含有ガスを導入するための反応ガス導入部材１４が備えられている。なお反応ガス導入部材１４の構成によっては、反応ガス導入部材１４を内壁１１よりセルスタック５の側面側までに延びる構成としてもよい。また、反応ガス導入部材１４の下端部側（マニホールド４に立設した燃料電池セル３の下端部側と対向する領域）に、燃料電池セル３に第２の反応ガスを供給するための反応ガス導入口１５が設けられている。

図２においては、反応ガス導入部材１４が、収納容器２の内部に横並びに並置された２つのセルスタック５（セルスタック装置１０）間に位置するように配置されているが、セルスタック５（セルスタック装置１０）の数により、例えば反応ガス導入部材１４をセルスタック５の両側面側から挟み込むように配置してもよい。具体的には、セルスタック５（セルスタック装置１０）を１つだけ収納する場合には、反応ガス導入部材１４を２つ設け、セルスタック５を両側面側から挟み込むように配置することができる。

また発電室１３内には、モジュール１内の熱が極端に放散され、燃料電池セル３（セルスタック５）の温度が低下して発電量が低減しないよう、モジュール１内の温度を高温に維持するための断熱材１７が適宜設けられている。

断熱材１７は、セルスタック５の近傍に配置することが好ましく、特には、燃料電池セル３の配列方向に沿ってセルスタック５の側面側に配置するとともに、セルスタック５の側面の外形と同等またはそれ以上の大きさを有する断熱材１７を配置することが好ましい。なお、好ましくは、断熱材１７はセルスタック５の両側面側に配置することが好ましい。それにより、セルスタック５の温度が低下することを効果的に抑制できる。さらには、反応ガス導入部材１４より供給される第２の反応ガス（酸素含有ガス）が、セルスタック５の側面側より排出されることを抑制でき、セルスタック５を構成する燃料電池セル３間の第２の反応ガスの流れを促進することができる。

なお、反応ガス導入部材１４に近接して配置する断熱材１７の下端側には、第２の反応ガス（素含有ガス）を燃料電池セル３の下端部側に供給するための切り欠き部を有していることが好ましい。

また、燃料電池セル３の配列方向に沿った内壁１１の内側には、排ガス用内壁１８が設けられおり、内壁１１と排ガス用内壁１８との間が、発電室１３内の排ガスが上方から下方に向けて流れる排ガス流路２０とされている。なお、排ガス流路２３は、収納容器２の底部に設けられた排気孔１９と通じている。

それにより、燃料電池装置の稼動（起動処理時、発電時、停止処理時）に伴って生じる排ガスは、排ガス流路２０を流れた後、排気孔１９より排気される構成となっている。なお、排気孔１９は収納容器２の底部の一部を切り欠くようにして形成してもよく、また管状の部材を設けることにより形成してもよい。

ここで、セルスタック５において、セルスタック５を構成する燃料電池セル３の配列方向の端部側に配置される燃料電池セル３は放熱しやすく、セルスタック５を構成する燃料電池セル３の配列方向の中央部側に配置される燃料電池セル３は放熱しにくい。それゆえ、セルスタック５全体として中央部側の温度が高く、端部側の温度が低いという不均一な温度分布を生じる場合がある。

ここで、セルスタック５の温度が付不均一な温度分布となる場合においては、セルスタック５を構成する各燃料電池セル３にマニホールドから供給される第１の反応ガス（燃料ガス）の流れにばらつきが生じ、セルスタック５（燃料電池セル３）の発電量が低下する、またはセルスタック５（セルスタック５を構成する燃料電池セル３）が破損するといったおそれがある。

図３は、燃料電池モジュール２１の一部を抜粋して示す分解斜視図である。図３に示す燃料電池モジュール２１においては、燃料電池セル３の配列方向に沿った内壁１１の内側（発電室１３側）に排ガス用内壁１８が設けられており、内壁１１と排ガス用内壁１８との間が、発電室１３内の排ガスが流れるための排ガス流路２０として構成されている。なお、発電室１３内の排ガスは、排ガス流路２０を上方から下方に流れて、排気孔１９より排気されることとなる。そして、内壁１１と外壁１２との間を下方から上方に向けて流れる第２の反応ガスと、排ガス流路２０を上方から下方に流れる排ガスとで熱交換が行われ、温度の高い第２の反応ガスが、燃料電池セル３に供給される。

ここで、図３において、内壁１１と排ガス用内壁１８との間のうち、セルスタック５の両端部（燃料電池セル３の配列方向における両端部）と対向する位置に排ガス流路２０が設けられている。すなわち、内壁１１と排ガス用内壁１８との間のうち、セルスタック５の中央部側（燃料電池セル３の配列方向における中央部側）は、発電室１３内の排ガスが流通しない部位（非流通部）２２とされている。

それにより、セルスタック５の両端部と対向して配置された排ガス流路２３内には温度の高い排ガスが流れることから、セルスタック５の両端部の温度が低下することを抑制できる（または両端部の温度を上昇させることができる）。

一方、セルスタック５の中央部側と対向する部位は、排ガスが流通しない非流通部２２であることから、セルスタック５の中央部側には温度の高い排ガスが流れず、セルスタック５の中央部側の温度を低下させることができる。すなわち、セルスタック５全体としての温度分布を均一に近づけることができる。それにより、セルスタック５の発電量が低下することを抑制でき、発電効率を向上することができる。さらには、セルスタッ５クが破損することを抑制することができる。

なお、排ガス流路２０はセルスタック５の両端部を含む両端部側に対向する位置に設けることが好ましい。それにより、セルスタック５の両端部側（燃料電池セル３の配列方向における両端部側）の温度を上昇させることができ、セルスタック５の全体としての温度分布をより均一に近づけることができる。それゆえ、図３を含む以降の図においては、セルスタック５の両端部側に対向する位置に排ガス流路２０を設けている例を示している。なお、排ガス流路２０は、あらかじめセルスタック５の燃料電池セル３の配列方向における温度分布を調査しておくことにより、適宜、その大きさを設定することができるが、排ガス流路２０の高さ方向については、少なくとも燃料電池セル３の上端部以上の高さとすることが好ましい。

一方、排ガスが流通しない非流通部２２は、発電室１３内の排ガスが流通しない形状とすればよく、流路を完全に塞いだ形状とすることができる。また、セルスタック５の中央部側の温度を効率よく低下させる目的で、例えば内部を中空状とするとともに、内壁１１と外壁１２との間を流れる第２の反応ガス（酸素含有ガス）の温度を、セルスタック５側に効率よく伝熱することができる熱伝導部材を配置する形状とすることもできる。

図４は、燃料電池モジュールの他の一例を抜粋して示す分解斜視図であり、図４に示すモジュール２３においては、排ガス流路２０はセルスタック５の両端部（両端部側）に対向する位置にのみ設けられている。

すなわち、セルスタック５の中央部側には、排ガス流路２０を流れる排ガスと熱交換されていない、内壁１１と外壁１２との間を流れる温度の低い第２の反応ガスの熱が伝熱されることとなる。

それにより、セルスタック５の中央部側の温度を効率よく低下させることができ、セルスタック５全体としての温度分布を均一に近づけることができる。それにより、セルスタック５の発電量が低下することを抑制でき、発電効率を向上することができる。さらには、セルスタッ５クが破損することを抑制することができる。

図５は、セルスタック５近傍の温度を測定するための温度センサ２５を備える本発明の燃料電池モジュールの一例を抜粋して示す分解斜視図である。

図５において示すモジュール２４においては、温度センサ２５が収納容器２の燃料電池セル３の配列方向に沿った側面側の外部より、発電室１３内に挿入してセルスタック５（燃料電池セル３）の近傍に配置されている。ここで、温度センサ２５を配置するにあたり、温度センサ２５を内壁１１と外壁１２とで形成される第２の反応ガス流路を通過し、かつ排ガス流路２０を通過することなく、発電室１３内に配置する。

それにより、セルスタック５の近傍に温度センサを配置することができ、セルスタック５の温度を容易に測定できるとともに、温度センサ２５は、内壁１１と外壁１２とで形成される第２の反応ガス流路を通過するだけで発電室１３内に挿入して配置することができることから、温度センサ５を容易に発電室１３内に挿入して配置することができるとともに、発電室１３内の排ガスが漏出することを抑制することができる。

図６は、本発明の燃料電池装置２６の一例を示す分解斜視図である。なお、図６においては一部構成を省略して示している。

図６に示す燃料電池装置２６は、支柱２７と外装板２８から構成される外装ケース内を仕切板２９により上下に区画し、その上方側を上述した燃料電池モジュール１を収納するモジュール収納室３０とし、下方側を燃料電池モジュール１を動作させるための補機類を収納する補機収納室３１として構成されている。なお、補機収納室３１に収納する補機類を省略して示している。

また、仕切板２９は、補機収納室３１の空気をモジュール収納室３０側に流すための空気流通口３２が設けられており、モジュール収納室３０を構成する外装板２８の一部に、モジュール収納室３０内の空気を排気するための排気口３３が設けられている。

このような燃料電池装置２６においては、上述したように、発電効率が向上した燃料電池モジュール１をモジュール収納室３０内に収納して構成されることにより、発電効率の向上した燃料電池装置２６とすることができる。

以上、本発明について詳細に説明したが、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。

たとえば、燃料電池セル３を、内部を第２の反応ガスである酸素含有ガスが長手方向に流通するガス流路を有する中空平板型とすることもできる。この場合においては、内壁１１と外壁１２とで形成される反応ガス流路を第１の反応ガスである燃料ガスが流通する流路とし、マニホールド４（燃料電池セル３）に酸素含有ガスを供給する構成となる。この場合においても、上述と同様に、セルスタック５全体としての温度分布を均一に近づけることができ、発電効率を向上することができる。さらには、セルスタック５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の一例を示す外観斜視図である。 図１に示した燃料電池モジュールの断面図である。 燃料電池モジュールの他の一例を抜粋して示す分解斜視図である。 燃料電池モジュールのさらに他の一例を抜粋して示す分解斜視図である。 本発明の燃料電池モジュールの一例を抜粋して示す分解斜視図である。 本発明の燃料電池装置の一例を示す分解斜視図である。

符号の説明

１、２１、２３、２４：燃料電池モジュール
３：燃料電池セル
４：マニホールド
１１：内壁
１２：外壁
１８：排ガス用内壁
２０：排ガス流路
２５：温度センサ
２６：燃料電池装置

Claims (3)

1. 収納容器内に設けられた発電室内に、内部に第１の反応ガスを流通させるためのガス流路を有する柱状の燃料電池セルを複数個立設させた状態で配列して電気的に直列に接続してなるセルスタックと、該セルスタックを構成する前記燃料電池セルを固定するとともに、前記燃料電池セルに第１の反応ガスを供給するマニホールドとを具備するセルスタック装置を収納してなり、前記収納容器は、内壁と外壁とを有する二重壁構造で、前記内壁と前記外壁との間を前記燃料電池セルの外部に供給する第２の反応ガスの流路とするとともに、前記燃料電池セルの配列方向に沿った前記内壁と、該内壁の内側に所定間隔を空けて設けられた排ガス用内壁との間を、前記燃料電池セルに供給された前記第１の反応ガスおよび前記第２の反応ガスを用いて発電した後の前記発電室内の排ガスが上方から下方に向けて流れる排ガス流路としてなる燃料電池モジュールであって、前記排ガス流路が、前記燃料電池セルの配列方向における前記セルスタックの両端部と対向する位置に設けられ、前記燃料電池セルの配列方向における前記セルスタックの中央部と対向する位置は排ガスが流通しない非流通部とされているとともに、前記セルスタック近傍の温度を測定するための温度センサが、前記収納容器の前記燃料電池セルの配列方向に沿った側面側の外部より、前記第２の反応ガス流路および前記非流通部を通過し、前記発電室内に挿入して配置されていることを特徴とする燃料電池モジュール。
2. 前記排ガス流路の上端の高さは、前記燃料電池セルの上端以上の高さと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. 外装ケース内に、請求項１または２に記載の燃料電池モジュールを収納してなることを特徴とする燃料電池装置。

Images