JP5376402B2 - 燃料電池モジュール - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池モジュールに係わり、特に、燃料と発電用空気が反応して発電する複数の燃料電池セルからなる燃料電池セル集合体を備えた燃料電池モジュールに関する。

固体電解質型燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell：以下「ＳＯＦＣ」とも言う）は、電解質として酸化物イオン導電性固体電解質を用い、その両側に電極を取り付け、一方の側に燃料（燃料ガス）を供給し、他方の側に発電用空気を供給して、比較的高温で発電反応を生じさせて発電を行う燃料電池である。

この種の燃料電池では、燃料電池セル集合体を収納する発電室において、発電に寄与しない燃料と発電用空気とが燃焼し、その排気ガスが、発電室の上部から排気ガス排出路を通って排出されるようになっている。

特許文献１には、燃料電池セルを一列に配列したセルスタックを収容する発電室と、この発電室の両側に設けられ、発電に使用されなかった酸素含有ガスと燃料ガスとが燃焼した排気ガスを排出する排気ガス流通空間を備えた燃料電池モジュールが開示されている。この文献１のものでは、発電室と排気ガス流通空間との間に断熱材が配置されている。

特許文献２には、同様に、燃料電池スタックを収容する発電室と、この発電室の周囲に配設された断熱保温層を備えた燃料電池システム（燃料電池モジュール）が開示されている。この特許文献２のものでは、この断熱保温層を通して、発電室内の発電反応に伴って発生する反応熱が外部に放熱されるので、この放熱ロスを防止して反応熱を有効利用するために、断熱保温層内に水の入ったジャケット容器等の熱利用手段を設けるようにしている。

特開２００８−６６１２７号公報 特開２００５−１００８２１号公報

上述した特許文献１及び特許文献２のように、発電室の周囲に断熱材又は断熱保温層を設けた場合、燃料電池セルスタックの中心部が比較的高温となり、一方、セルスタックの周辺部は比較的低温となり、温度のバラツキがあるので、断熱材又は断熱保温層の厚みは、この比較的高温であるセルスタックの中心部の温度に対応した厚みとしなければならず、それにより、断熱材又は断熱保温層の厚みが大きくなり、コンパクト化が要請される燃料電池モジュールにおいては、問題であった。

さらに、特許文献１及び特許文献２には明示されていないが、燃料電池セルスタックや燃料電池セル集合体における温度のバラツキは、良好な電池反応を行うためには好ましくない。

そこで、本発明は、上述した従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、燃料電池セル集合体の温度のバラツキを低減することができる燃料電池モジュールを提供することを目的としている。

上記の目的を達成するために、本発明は、燃料と発電用空気が反応して発電する複数の燃料電池セルからなる燃料電池セル集合体を備えた燃料電池モジュールにおいて、燃料電池セル集合体が配置される発電室と、燃料電池セルの発電反応に用いられなかった燃料と発電用空気が燃焼することにより生じる排気ガスを発電室の上方空間から排出するための排気ガス排出路と、発電室と排気ガス排出路との間の発電室の周辺部に沿って設けられ且つ発電室及び排気ガス排出路のそれぞれとの間で熱移動が可能である空気層と、を有し、排気ガス排出路は複数の入口部とこれらの入口部と連通する本体部を備え、この排気ガス排出路の入口部のそれぞれが、発電室の上方空間の周辺部の中央部を除く隅部に設けられていることを特徴としている。
このように構成された本発明においては、排気ガス排出路の入口部が発電室の上方空間の周辺部の中央部を除く隅部に設けられているので、燃料と発電用空気が燃焼することにより生じる排気ガスが発電室の上方空間から排気ガス排出路の複数の入口部内に流入する。このとき、入口部において、排気ガスが通過する流路面積が狭くなり圧力損失が増大するので、排気ガスが複数の入口部にほぼ均一に分配される。この結果、本発明によれば、燃料電池セル集合体の中央部の比較的高温の排気ガスを均一に分配して、排気ガス排出路内の熱を均一化して、発電室から熱が奪われ難くしたので、燃料電池セル集合体の温度のバラツキを低減することができる。本発明によれば、さらに、空気層を発電室と排気ガス排出路との間の発電室の周辺部に沿って設けたので、この空気層が断熱機能を有し、これにより、発電室が排気ガス排出路から断熱され発電室の温度低下を防止することができ、さらに、発電室から空気層へ熱が移動したとき、空気層内で空気が高温領域から低温領域へ熱拡散するので空気層内の空気の温度が均一化され、これにより、燃料電池セル集合体の温度のバラツキを低減することができる。

本発明において、好ましくは、排気ガス排出路の本体部は発電室の周辺部の中央部を除く隅部に設けられている。
このように構成された本発明においては、排気ガス排出路の本体部が発電室の隅部に設けられ発電室の周辺部の中央部には設けられていないので、最も温度が高い燃料電池セル集合体の中央部の熱が外気である空気に奪われる。その結果、本発明によれば、燃料電池セル集合体の温度のバラツキを低減することができる。

本発明において、好ましくは、排気ガス排出路の本体部は発電室の周辺部に沿って設けられている。
このように構成された本発明においては、排気ガス排出路の本体部は発電室の周辺部に沿って設けられているので、発電室から熱が奪われ難くなり、燃料電池セル集合体の温度のバラツキを低減することができる。

本発明の燃料電池モジュールによれば、燃料電池セル集合体の温度のバラツキを低減することができる。

本発明の第１実施形態による燃料電池モジュールを備えた固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）を示す全体構成図である。 本発明の第１実施形態による燃料電磁モジュールを示す斜視図である。 本発明の第１実施形態による燃料電池モジュールを示す正面断面図である。 図３のIV-IV線に沿って断面図である。 図３のVI-VI線に沿って見た断面図である。 本発明の第１実施形態による燃料電池モジュールを示す概略正面図である。 本発明の第２実施形態による燃料電池モジュールの図５に対応した断面図である。 本発明の第２実施形態による燃料電池モジュールを示す図６に対応した概略正面図である。

次に、添付図面を参照して、本発明の第１実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）の燃料電池モジュールを説明する。
図１は、本発明の第１実施形態による燃料電池モジュールを備えた固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）を示す全体構成図である。この図１に示すように、固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）１は、燃料電池モジュール２と、補機ユニット４を備えている。

燃料電池モジュール２は、ハウジング６を備え、このハウジング６内部には、密封空間８が形成されている。この密閉空間８の下方部分である発電室１０には、燃料（燃料ガス）と発電用空気とにより発電反応を行う燃料電池セル集合体１２が配置されている。この燃料電池セル集合体１２は、１０個の燃料電池セルスタック１４を備え、この燃料電池セルスタック１４は、１６本の燃料電池セル１６から構成されている。このように、燃料電池セル集合体１２は、１６０本の燃料電池セル１６を有し、これらの燃料電池セル１６の全てが直列接続されている。

燃料電池モジュール２の密封空間８の上述した発電室１０の上方には、燃焼室１８が形成され、この燃焼室１８で、発電反応に使用されなかった残余の燃料（燃料ガス）と残余の発電用空気とが燃焼し、排気ガスを生成するようになっている。
また、この燃焼室１８の上方には、燃料ガスを改質する改質器２０が配置され、残余の燃料ガスの燃料熱によって改質器２０を改質反応が可能な温度となるように加熱している。さらに、この改質器２０の上方には、燃焼熱を受けて発電用空気を加熱するための空気用熱交換器２２が配置されている。

次に、補機ユニット４は、水道等の水供給源２４からの水を貯水してフィルターにより純水とする純水タンク２６と、この貯水タンクから供給される水の流量を調整する水流量調整ユニット２８（モータで駆動される「水ポンプ」等）を備えている。また、補機ユニット４は、都市ガス等の燃料供給源３０から供給された燃料ガスを遮断するガス遮断弁３２と、燃料ガスから硫黄を除去するための脱硫器３６と、燃料ガスの流量を調整する燃料流量調整ユニット３８（モータで駆動される「燃料ポンプ」等）を備えている。さらに、補機ユニット４は、空気供給源４０から供給される空気（発電用空気及び改質用空気）を遮断する電磁弁４２と、改質用空気の流量を調整する改質用空気流量調整ユニット４４（モータで駆動される「空気ブロア」等）及び発電用空気の流量を調整する発電用空気流量調整ユニット４５（モータで駆動される「空気ブロア」等）と、改質器２０に供給される改質用空気を加熱する第１ヒータ４６と、発電室に供給される発電用空気を加熱する第２ヒータ４８とを備えている。これらの第１ヒータ４６と第２ヒータ４８は、起動時の昇温を効率よく行うために設けられているが、省略しても良い。

次に、燃料電池モジュール２には、排気ガスが供給される温水製造装置５０が接続されている。この温水製造装置５０には、水供給源２４から水道水が供給され、この水道水が排気ガスの熱により温水となり、図示しない外部の給湯器の貯湯タンクへ供給されるようになっている。
また、燃料電池モジュール２には、燃料ガスの供給量等を制御するための制御ボックス５２が取り付けられている。
さらに、燃料電池モジュール２には、燃料電池モジュールにより発電された電力を外部に供給するための電力取出部（電力変換部）であるインバータ５４が接続されている。

次に、図２乃至図６により、本発明の第２実施形態による燃料電池モジュールの内部構造を説明する。図２は本発明の第２実施形態による燃料電磁モジュールを示す斜視図であり、図３は本発明の第１実施形態による燃料電池モジュールを示す正面断面図であり、図４は図３のIV-IV線に沿って断面図であり、図５は図３のVI-VI線に沿って見た断面図でり、図６は本発明の第１実施形態による燃料電池モジュールを示す概略正面図である。

図２乃至図４に示すように、燃料電池モジュール２のハウジング６内の密閉空間８には、上述したように、下方から順に、燃料電池セル集合体１２、改質器２０、空気用熱交換器２２が配置されている。

改質器２０は、その上流端側に純水を導入するための純水導入管６０と改質される燃料ガスと改質用空気を導入するための被改質ガス導入管６２が取り付けられ、また、改質器２０の内部には、上流側から順に、蒸発部２０ａと改質部２０ｂを形成され、改質部２０ｂには改質触媒が充填されている。この改質器２０に導入された水蒸気（純水）が混合された燃料ガス及び空気は、改質器２０内に充填された改質触媒により改質される。改質触媒としては、アルミナの球体表面にニッケルを付与したものや、アルミナの球体表面にルテニウムを付与したものが適宜用いられる。

この改質器２０の下流端側には、燃料ガス供給管６４が接続され、この燃料ガス供給管６４は、下方に延び、さらに、燃料電池セル集合体１２の下方に形成されたマニホールド６６内で水平に延びている。燃料ガス供給管６４の水平部６４ａの下方面には、複数の燃料供給孔６４ｂが形成されており、この燃料供給孔６４ｂから、改質された燃料ガスがマニホールド６６内に供給される。

このマニホールド６６の上方には、上述した燃料電池セルスタック１４を支持するための貫通孔を備えた下支持板６８が取り付けられており、マニホールド６６内の燃料ガスが、燃料電池セル１６内に供給される。

次に、改質器２０の上方には、空気用熱交換器２２が設けられている。この空気用熱交換器２２は、上流側に空気集約室７０、下流側に２つの空気分配室７２を備え、これらの空気集約室７０と空気分配室７２は、６個の空気流路管７４により接続されている。ここで、図３に示すように、３個の空気流路管７４が一組（７４ａ，７４ｂ，７４ｃ，７４ｄ，７４ｅ，７４ｆ）となっており、空気集約室７０内の空気が各組の空気流路管７４からそれぞれの空気分配室７２へ流入する。

空気用熱交換器２２の６個の空気流路管７４内を流れる空気は、燃焼室１８で燃焼して上昇する排気ガスにより予熱される。
空気分配室７２のそれぞれには、空気導入管７６が接続され、この空気導入管７６は、下方に延び、その下端側が、発電室１０の下方空間に連通し、発電室１０に余熱された空気を導入する。
また、図３に示すように、燃料ガスと空気との燃焼を開始するための点火装置８３が、燃焼室１８に設けられている。

次に、図４に示すように、マニホールド６６の下方には、排気ガス室７８が形成されている。また、図５及び図６に示すように、ハウジング６の長手方向に沿った面である前面６ａと後面６ｂの内側の４隅には、上下方向に延びる４つの排気ガス排出路８０（８０ａ，８０ｂ，８０ｃ，８０ｄ）が形成されている。これらの排気ガス排出路８０は、その上端側である入口部８０Ａと入口部８０Ａの下方側と連通する本体部８０Ｂを備え、入口部８０Ａは、空気用熱交換器２２（空気流路管７８）が配置された発電室１０の上方の空間と連通し、本体部８０Ｂの下端側は、排気ガス室７８と連通している。また、排気ガス室７８の下面のほぼ中央には、排気ガス排出管８２が接続され、この排気ガス排出管８２の下流端は、図１に示す上述した温水製造装置５０に接続されている。

さらに、図４及び図５に示すように、排気ガス排出路８０と発電室８との間の空間には、空気層８４が形成されている。この空気層８４は、燃料電池セル集合体１２が平面視で長方形形状となっているので、この燃料電池セル集合体１２の長手方向に沿って、前側と後側の２箇所に設けられている。なお、排気ガス排出路８０が４隅のみに配置されているため、この空気層８４は、発電室８の周辺部の中央部において、ハウジング６の前面６ａと後面６ｂと接している。

これらの空気層８４は、図４に示すように、発電室８の前側と後側で且つ燃料電池セル集合体１２の長手方向に沿って設けられた第１板状部材８６と、排気ガス排出路８０の内部側壁として機能する第２板状部材８８から形成される。

次に、上述した第１実施形態による燃料電池モジュールの作用（動作）を説明する。
本実施形態による燃料電池モジュールにおいては、排気ガス排出路８０の入口部８０Ａが発電室１０の上方空間の周辺部の中央部を除く４隅に設けられているので、燃料と発電用空気が燃焼することにより生じる排気ガスが発電室１０の上方空間から排気ガス排出路８０の４つの入口部８０Ａ内に流入する。このとき、排気ガス排出路８０の入口部８０Ａにおいて、排気ガスが通過する流路面積が小さくなり、圧力損失が増大するので、排気ガスが４つの入口部８０Ａにほぼ均一に分配される。この結果、本実施形態によれば、燃料電池セル集合体１２の中央部の比較的高温の排気ガスを均一に分配して、排気ガス排出路８０内の熱を均一化して、発電室１０から熱が奪われ難くしたので、燃料電池セル集合体１２の温度のバラツキを低減することができる。

更に、本実施形態においては、排気ガス排出路８０の本体部８０Ｂが、発電室１０の周辺部の中央部を除く４隅に設けられ、発電室１０の周辺部の中央部には設けられていないので、最も温度が高い燃料電池セル集合体１２の中央部の熱がハウジング６の前面６ａと後面６ｂを介して外気である空気に奪われる。その結果、本実施形態によれば、燃料電池セル集合体１２の温度のバラツキを低減することができる。

更に、本実施形態においては、発電室１０と排気ガス排出路８０との間の発電室の周辺部に沿って空気層８４を設けているので、この空気層８４が断熱機能を有し、これにより、発電室１０が排気ガス排出路８０から断熱され発電室１０の温度低下を防止することができる。次に、発電室１０から空気層８４へ熱が移動したとき、空気層８４内で空気が高温領域から低温領域へ熱拡散するので空気層内の空気の温度が均一化され、これにより、燃料電池セル集合体１２の温度のバラツキを低減することができる。

次に、図７及び図８を参照して、本発明の第２実施形態による燃料電池モジュールを説明する。第１実施形態と同一部分には同一符号を付し説明を省略する。以下、第１実施形態と異なる部分のみ説明する。図７は本発明の第２実施形態による燃料電池モジュールの図５に対応した断面図であり、図８は本発明の第２実施形態による燃料電池モジュールを示す図６に対応した概略正面図である。

ハウジング６の長手方向に沿った面である前面６ａと後面６ｂの内側に沿って２つの排気ガス排出路９０（９０ａ，９０ｂ）が設けられている。これらの２つの排気ガス排出路９０のそれぞれは、発電室１０の４隅に位置する２つの入口部９０Ａと、これらの２つの入口部９０Ａの下方側と連通する本体部９０Ｂを備えている。ここで、入口部９０Ａは、空気用熱交換器２２（空気流路管７８）が配置された発電室１０の上方の空間と連通し、本体部９０Ｂの下端側は、排気ガス室７８と連通している。

さらに、図７に示すように、排気ガス排出路９０と発電室８との間の空間には、空気層９２が形成されている。この空気層９２は、燃料電池セル集合体１２が平面視で長方形形状となっているので、この燃料電池セル集合体１２の長手方向に沿って、前側と後側の２箇所に設けられている。

次に、第２実施形態による燃料電池モジュールの作用（動作）を説明する。
第２実施形態による燃料電池モジュールにおいても、第１実施形態と同様に、排気ガス排出路９０の入口部９０Ａが発電室１０の上方空間の周辺部の中央部を除く４隅に設けられているので、燃料と発電用空気が燃焼することにより生じる排気ガスが発電室１０の全体の空間から排気ガス排出路９０の４つの入口部９０Ａ内に流入する。このとき、排気ガス排出路９０の入口部９０Ａにおいて、排気ガスが通過する流路面積が小さくなり、圧力損失が増大するので、排気ガスが４つの入口部９０Ａにほぼ均一に分配される。この結果、第２実施形態においても、同様に、燃料電池セル集合体１２の中央部の比較的高温の排気ガスを均一に分配して、排気ガス排出路９０内の熱を均一化して、発電室１０から熱が奪われ難くしたので、燃料電池セル集合体１２の温度のバラツキを低減することができる。

更に、第２実施形態においては、排気ガス排出路９０の本体部９０Ｂは発電室１０の周辺部に沿って設けられているので、発電室１０から熱が奪われ難くなり、燃料電池セル集合体１４の温度のバラツキを低減することができる。

更に、第２実施形態においては、第１実施形態と同様に、発電室１０と排気ガス排出路９０との間の発電室の周辺部に沿って空気層９２を設けているので、この空気層９２が断熱機能を有し、これにより、発電室１０が排気ガス排出路９０から断熱され発電室１０の温度低下を防止することができる。次に、発電室１０から空気層９２へ熱が移動したとき、空気層９２内で空気が高温領域から低温領域へ熱拡散するので空気層内の空気の温度が均一化され、これにより、燃料電池セル集合体１２の温度のバラツキを低減することができる。

１ 固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）
２ 燃料電池モジュール
６ ハウジング
１０ 発電室
１２ 燃料電池セル集合体
１４ 燃料電池セルスタック
１６ 燃料電池セル
１８ 燃焼室
８０，９０ 排気ガス排出路
８０Ａ，９０Ａ 入口部
８０Ｂ，９０Ｂ 本体部
８４，９２ 空気層

Claims (4)

1. 燃料と発電用空気が反応して発電する複数の燃料電池セルからなる燃料電池セル集合体を備えた燃料電池モジュールにおいて、
   燃料電池セル集合体が配置される発電室と、
   上記燃料電池セルの発電反応に用いられなかった燃料と発電用空気が燃焼することにより生じる排気ガスを上記発電室の上方空間から排出するための排気ガス排出路と、
   上記発電室と上記排気ガス排出路との間の上記発電室の周辺部に沿って設けられ且つ上記発電室及び上記排気ガス排出路のそれぞれとの間で熱移動が可能である空気層と、を有し、
   上記排気ガス排出路は複数の入口部とこれらの入口部と連通する本体部を備え、この排気ガス排出路の入口部のそれぞれが、上記発電室の上方空間の周辺部の中央部を除く隅部に設けられていることを特徴とする燃料電池モジュール。
2. 上記排気ガス排出路の入口部は、上記発電室の隅部に中央部よりも近接して設けられている請求項１に記載の燃料電池モジュール。
3. 上記排気ガス排出路の本体部は上記発電室の周辺部の中央部を除く隅部に設けられている請求項１又は２に記載の燃料電池モジュール。
4. 上記排気ガス排出路の本体部は上記発電室の周辺部に沿って設けられている請求項１又は２に記載の燃料電池モジュール。

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