JP5377835B2 - 燃料電池モジュール - Google Patents

Description

本発明は、スタックから発生する熱を利用して燃料ガス及び空気の予熱を行うようにした燃料電池モジュールに関し、特にスタック性能の向上に加え、生産コストを抑えた燃料電池モジュールに関する。

燃料電池には、電解質の種類などによってタイプの異なる様々なものが開発されているが、その一つに１０００℃程度の高温で動作することを特徴とする固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）がある。固体酸化物形燃料電池は、固体電解質板と、固体電解質板のそれぞれの面に積層された電極板からなる平板型の単セルを、ガスセパレータを介して多数積層することで平板型のスタックが形成される。そして、スタックに対して空気および燃料ガスを供給することによりセルで電気化学反応が生じ、電気エネルギーが発生する。そのスタックで発生した電気エネルギーは集電され、出力端子を経て外部に取り出される。

こうしたＳＯＦＣでは、セラミックスを使用してセルが形成されるため、供給する燃料ガスや空気を予熱した状態で送り込む必要が生じる。高温で動作しているスタック内に温度の低い燃料ガスや空気が供給されると、セラミックスが破損するおそれがあるからである。そこで、例えばスタックの手前に熱交換器が設けられ、その熱交換器を通した配管に燃料ガスや空気を流し、予熱された状態で燃料ガスや空気をスタック内に供給することが行われている。また、この熱交換作用では、燃料ガスや空気がモジュール内で発生した熱を吸収することにより冷却効果を果たしている。
特開平６−５２８８１号公報 特開２００５−７８８５９号公報

ところで、複数個のスタックを使用して構成された従来の燃料電池モジュールには次のような問題があった。例えば、熱交換器を用いた予熱及び吸熱構造によっては、発電により生じる熱が電池本体内にこもってしまい、スタックなどに悪影響を及ぼすことが考えられる。すなわち、熱交換器と複数あるスタックとの位置関係によって、スタックによってはバランス良く冷却されないものがある。そうした場合、スタックを構成するセラミックスのセルに温度勾配ができてしまい、温度差によって生じる熱応力でセルが破壊されるおそれがあった。

また、予熱された燃料ガスや空気を供給する配管構造によっては、各スタックの配置に上流と下流の区別ができてしまい、下流側のスタックには上流に位置するスタックの発電に使用された燃料が供給されることになる。すると、下流側のスタックほど燃料ガスの濃度が薄くなり、複数あるスタック間に性能のバラツキができてしまう。複数個のスタックで構成された燃料電池モジュールでは、性能の低いものに合わせて運転することになるため、これによってモジュール全体の性能を下げてしまうことになる。

そこで、本発明は、かかる課題を解決すべく、予熱及び吸熱に優れた燃料電池モジュールを提供することを目的とする。

本発明に係る燃料電池モジュールは、単セルを積層して構成された複数のスタックと、そのスタックに供給する燃料ガスを改質する改質器と、その改質器に送る燃料ガスを予熱する燃料予熱器と、スタックに供給する空気を予熱する空気用熱交換器とを有するものであって、一対のスタックの中間位置に前記改質器が配置され、当該スタックを挟んで改質器の反対側に前記空気用熱交換器がそれぞれ配置された燃料電池ユニットを有し、その燃料電池ユニットが複数組み合わされて構成されたものであること、前記燃料電池ユニットを構成する一対のスタックに跨って荷重プレートが上から当てられ、その荷重プレートに対して荷重を加える１つのベローズが、前記一対のスタックの中間位置の上部に設けられたものであることを特徴とする。

また、本発明に係る燃料電池モジュールは、前記燃料電池ユニットの組み合わせにより、複数の前記スタックが２列に配置され、隣り合うペア同士のスタックの中央にバーナーの噴射口が形成され、４個のスタックに対して、燃焼ガスを直接吹き付けるようにしたものであることが好ましい。
また、本発明に係る燃料電池モジュールは、前記燃料予熱器が前記改質器内に設けられ、内側の燃料予熱器を通って予熱された燃料ガスが外側の改質器に流れて改質されるようにしたものであることが好ましい。
また、本発明に係る燃料電池モジュールは、前記燃料電池ユニットには前記改質器から送り出された燃料ガスを溜めるガスチャンバを有し、そのガスチャンバから一対のスタックへ燃料ガスが供給されるようにしたものであることが好ましい。

また、本発明に係る燃料電池モジュールは、前記熱交換器には理論反応量の数倍の流量を送り込み、前記スタックに対する燃料ガスの供給量変化に対応して空気の供給量を変化させるようにしたものであることが好ましい。

よって、本発明によれば、燃料電池ユニットを構成する一対のスタックの中間位置に燃料予熱器及び改質器を、その反対側にはそれぞれ空気用熱交換器を配置し、各スタックについて内側と外側との各々で熱交換する構成としたので、スタックから発生する熱を燃料ガスや空気の予熱において効果的に利用することができる。
また、本発明の燃料電池モジュールは、スタック、燃料予熱器、改質器及び空気用熱交換器を所定位置に配した燃料電池ユニットを複数組み合わせて構成するため、ユニット数の変化によって必要とする電力量の燃料電池モジュールを容易に製造することができるようになり、しかも部品の共通化によって低コストで製造することが可能になる。

次に、本発明に係る燃料電池モジュールの一実施形態について、図面を参照しながら以下に説明する。図１は、燃料電池モジュールの一実施形態を概念的に示した平面図であり、図２は、その燃料電池モジュールについて図１のＡ−Ａ断面を示した図である。
燃料電池モジュール１は、平板型の単セルがガスセパレータを介して多数積層されたスタック２を有するものであり、６個のスタック２が２列に配置されているが、本実施形態では特に、一対のスタック２が１組となって燃料電池ユニット１０を構成している。

また、スタック２に対しては燃料ガス及び空気が供給されるが、燃料ガスは燃料予熱器３及び改質器４を介して、また空気は空気用熱交換器５を介してそれぞれ予熱されスタック２へと供給される。その燃料予熱器３及び改質器４は、一対のスタック２の間に挟まれるようにして配置され、空気用熱交換器５は、燃料予熱器３及び改質器４とは反対の外側にそれぞれ配置されている。本実施形態では、こうして一対のスタック２に加え、燃料予熱器３、改質器４及び空気用熱交換器５によって燃料電池モジュール１を構成する燃料電池ユニット１０が構成され、特に燃料電池モジュール１は、３組の燃料電池ユニット１０によって構成されている。

このように本実施形態では、燃料電池ユニット１０の組み合わせによって目的とする電力量の燃料電池モジュールを生産することを可能なものとしている。例えば、この燃料電池モジュール１では、５キロワットの電力を発生させるものであるため、３組の燃料電池ユニット１０の組み合わせによって構成されている。つまり、１個のスタック２ではほぼ１キロワットの電力を得ることができ、また、空気の供給に使用するブロワなどの補助装置を駆動させる電力を確保するようにしている。そのため、１キロワット分を加えて６キロワットの電力が得られるように、６個のスタック２となる３組の燃料電池ユニット１０で構成されている。

燃料電池モジュール１は、こうしたスタック２、燃料予熱器３、改質器４および空気用熱交換器５はベースプレート６上に固定されて一体になり、全体が断熱材の入った箱形の電池本体７によって気密に覆われている。また、電池本体７内に改質器４を備える燃料電池モジュール１にあっては、燃料改質用に高温度の水蒸気を供給する必要がある。そのため、電池本体７には水蒸気を得るための水蒸気発生器８が一体に設けられている。

燃料予熱器３及び改質器４は、その内部を流れる燃料ガスによってスタック２から発生する熱を吸熱し、予熱する熱交換器及び改質する改質器として機能する。本実施形態では、燃料予熱器３が改質器４内に設けられた二重構造で形成され、ガス供給管を通して送られた燃料ガスがベースプレート６の下から燃料予熱器３へと送り込まれて内部流路を上昇し、予熱されたその燃料ガスが上部で連結した改質器４を通って再び下降するように構成されている。なお、ベースプレート６は架台９に固定されて下部空間を形成し、その下部空間には図示しない燃料ガスや空気を送るためのパイプが配管されている。

本実施形態の燃料電池モジュール１は、燃料電池ユニット１０を１単位して構成され、一対のスタック２で発生した熱を、その中間位置に配置した燃料予熱器３及び改質器４と空気用熱交換器５によって吸熱し、熱交換が効率良く行われるようにしている。なお、運転時のスタック２は８００℃程度にまで発熱し、改質反応は６００℃ほどで行われ、燃料予熱器３による予熱はそれ以下であってもよい。そのため、改質器４が燃料予熱器３の外側に設けられ、また、改質反応は吸熱反応でもあるので、こうした構造及び配置によってスタック２と改質器４との間の熱交換がより促進されるようにしている。

改質器４で改質された燃料ガスは一対のスタック２に均等に送り込まれるが、その際直接供給するのではなく、一旦容量の大きな空間を介して圧力を下げてから送るようにするのがよい。スタック内部を流れる改質ガスの圧力損失にバラツキが生じると、それがスタック間の性能差になってしまい、燃料電池モジュール１全体の性能低下につながるからである。そこで、詳しく図示しないが本実施形態では、スタック２内の流路に比べて容量の大きなガスチャンバをベースプレート６の下に設け、そこに一旦溜めた燃料ガスを二次側のスタック２へ圧を下げて供給するようにする。これにより、圧力損失に差が生じていても均等な量の燃料ガスが送られるようになるからである。

次に、燃料予熱器３及び改質器４とは反対側に配置された空気用熱交換器５は、ベースプレート６の下から不図示の空気管を通して大量の空気が供給され、そこで予熱された空気が再びベースプレート６の下から空気管を通してスタック２へと送り込まれるように構成されている。なお、空気の場合は、理論反応量の２〜３倍の流量を流してスタック２へ送り込んでいるので、圧力損失差が生じてもスタック間での性能に影響はない。そのため、燃料ガスのようにチャンバを設けることなく、空気用熱交換器５で予熱された空気を直接スタック２へ供給するようにする。

そして、大流量の空気を供給するようにすれば、吸熱能力が高まって電池本体７内の温度調整にも有効である。固体酸化物形の燃料電池では、スタック２を構成する平板型のセルがセラミックスで形成されているので、温度勾配が生じると熱応力によってセルが破損するおそれがある。そのため、燃料予熱器３及び改質器４と空気用熱交換器５とは、スタック２を挟んで反対側に配置され、両側からバランス良く冷却するよう構成されている。特に、電力使用量によって発電能力が変化すると燃料ガスの供給量にも変動が生じるため、そうした場合でも、例えば流量センサの検出値を基にブロアの駆動制御を行うことで空気の供給量を変化させてバランスをとることができるようになっている。

次に、固体酸化物形の燃料電池は、スタック２が平板型単セルを多数積層して構成されているが、そのセルがセラミックスで形成されているため、単に重ね合わせただけでは積層されたセルやセパレータとの間の気密性が良くない。そして、気密性が良くなければ、接触抵抗が大きくなってスタック２の性能を低下させることになる。そこで、本実施形態では、スタック２に対して上から荷重をかけて押さえ付けることにより、セルが気密に当たるようにした構成がとられている。

スタック２を押さえ付ける押圧手段としてはベローズ１１が使用される。ベローズ１１は、スタック２と電池本体７の天井との間に配置され、供給される空気圧によってスタック２を押さえ付けるようにしている。ただし、燃料電池ユニット１０を構成する一対のスタック２の上には絶縁板を介して荷重プレート１２が載せられ、その荷重プレート１２を介して１つのベローズ１１が２つのスタック２を同時に押さえ付けるようにしている。なお、押圧手段としてベローズ１１を用いていることで、供給する空気圧を管理する流体回路を設け、設定した荷重値でスタック２を押さえるようにしている。

次に、燃料電池モジュール１は、各スタック２のプラス側の電流取出し端子２１とマイナス側の電流取出し端子２２とを交互に直列接続して所定の電力を得るようにしたものであるが、その電流取出し端子２１，２２はベースプレート６を突き抜け、電池本体７の外で接続するように構成されている。電池本体７内は８００℃ほどの高温になるため、本体内では接続部材に使用可能な材料が限定されてしまうためである。また、電池本体７の外で接続することにより、複数あるスタック２の一つに故障が生じても切り換えが容易で、故障したものを除いて運転を継続させることができるようになっている。

燃料電池モジュール１では、起動時は起動バーナーを使用して燃焼ガスを発生させ、燃料電池の発電が開始できる温度にまで昇温させる必要がある。そのため、本実施形態では、隣り合う燃料電池ユニット１０の間に、バーナーからの燃焼ガスを電池本体７内に噴射するガス噴射部１５が設けられている。そのガス噴射部１５には、特に周りに配置されている隣り合うペア同士の４個のスタック２に対して燃焼ガスを矢印で示すように直接吹き付けられるように噴射口が形成されている。

そこで、起動時には図示しないバーナーの燃焼ガスがスタック２に吹き付けられ、発電が開始できる温度にまで加熱され、その後は発電によって発生する熱によって熱自立をして運転が行われる。運転時には、スタック２へ燃料ガス及び空気が送られ、それぞれ固体電解質を挟んで燃料極側には燃料が、空気極側には空気が供給されて、電気化学反応によって電力が取り出される。その際、スタック２では発電に伴って発熱し、更にスタック２から排出された燃料ガスや空気が混ざり合って電池本体７内で燃焼する。

スタック２から放出された熱や燃焼ガスは、一対のスタック２間にある燃料予熱器３や改質器４を加熱し、更に反対側の空気用熱交換器５を加熱する。そうしたなか、燃料ガス管から送り込まれた燃料ガスは加熱された燃料予熱器３内を上昇して予熱され、上部連絡流路を介して改質器４内に流れ込み、改質反応によって水素等に改質される。その後、燃料ガスは一旦容量の大きなガスチャンバに溜められ、一対のスタック２へと送り込まれる。一方、空気管から空気用熱交換器５に送り込まれた空気は、そこで予熱されてスタック２へと送り込まれる。こうした燃料ガスや空気の流れは燃料電池ユニット１０毎に生じている。

よって、本実施形態では、こうして一対のスタック２について、中間位置に燃料予熱器３及び改質器４を、その反対側にはそれぞれ空気用熱交換器５を配置し、各スタック２について内側と外側との各々で熱交換する構成としたので、スタック２から発生する熱を燃料ガスや空気の予熱において効果的に利用することができるようになった。また、こうして両側からの吸熱反応によってバランス良くスタック２が冷却されるため、熱応力の発生を防いでセルの破損を回避する効果も有する。特に、空気の供給量を調整して吸熱バランスをとることで更に熱応力によるセルの破損を回避できる。

また、本実施形態では、一対のスタック２と、その間の燃料予熱器３及び改質器４、そして空気用熱交換器５を配した燃料電池ユニット１０を構成要素とし、それが複数組み合わされて燃料電池モジュール１が構成されている。従って、燃料電池ユニット１０の数を調整することにより必要とする電力量の燃料電池モジュールを容易に製造することができる。そして、燃料電池ユニット１０毎に構成部品が共通化できるので、燃料電池モジュールの生産コストを抑えることが可能になった。

また、一対のスタック２には荷重プレート１２を掛け渡し、ベローズ１１による荷重をかけてセルとセパレータとの接触抵抗を減らして性能低下を回避するようにしている。そのため、各スタック２の構成を均一化することにより性能の差を無くし、燃料電池モジュール１全体の性能を上げることができる。その際、荷重プレート１２を使用することでベローズ１１の数を減らすことができ、コストが抑えることができる。そして、ベローズ１１によれば、内部圧力をコントロールすることで、所定の荷重値で安定してスタック２を押し付けることができる。

また、改質器４を経て予熱された燃料ガスをガスチャンバ６を介してスタック２へと送り込むことにより、一対のスタック２の間で圧力損失差が生じていても、ほぼ同じ流量の燃料ガスを流すことができる。そのため、全てのスタック２について性能の差を無くし、或いはその差を小さくして運転することができ、燃料電池モジュール全体の性能を向上させることが可能になる。更に、本実施形態の燃料電池モジュール１では、電流取出し端子２１，２２をベースプレート６から突き出し、電池本体７の外で接続するようにしているので、接続部材に使用可能な材料の選択が広がり、また、複数あるスタック２の一つに故障が生じても切り換えが容易で、故障したものを除いて運転を継続させることができる。

以上、本発明に係る燃料電池モジュール１について一実施形態を説明したが、本発明はこれに限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。
例えば、燃料電池ユニット１０は、一対のスタック２、燃料予熱器３、改質器４及び空気用熱交換器５が一単位として構成されているが、ベースプレート６は、ブロック毎に分離されたものである必要はなく、燃料電池モジュール１全体で１枚のものであってもよい。
また、例えば、前記実施形態では、燃料電池ユニット１０毎にベローズ１１と荷重プレート１２を配置した構成になっているが、燃料電池モジュール１を構成する全てのスタック２に対して１枚の荷重プレートを設け、６つのベローズ１１を各スタック２に対応して配置した構成であってもよい。

燃料電池モジュールの一実施形態を概念的に示した平面図である。 燃料電池モジュールの一実施形態について図１のＡ−Ａ断面を示した概念図である。

符号の説明

１ 燃料電池モジュール
２ スタック
３ 燃料予熱器
４ 改質器
５ 空気用熱交換器
１０ 燃料電池ユニット
１１ ベローズ
１２ 荷重プレート
１５ ガス噴射部

Claims (5)

1. 単セルを積層して構成された複数のスタックと、そのスタックに供給する燃料ガスを改質する改質器と、その改質器に送る燃料ガスを予熱する燃料予熱器と、スタックに供給する空気を予熱する空気用熱交換器とを有する燃料電池モジュールにおいて、
   一対のスタックの中間位置に前記改質器が配置され、当該スタックを挟んで前記改質器の反対側に前記空気用熱交換器がそれぞれ配置された燃料電池ユニットを有し、その燃料電池ユニットが複数組み合わされて構成されたものであること、
   前記燃料電池ユニットを構成する一対のスタックに跨って荷重プレートが上から当てられ、その荷重プレートに対して荷重を加える１つのベローズが、前記一対のスタックの中間位置の上部に設けられたものであることを特徴とする燃料電池モジュール。
2. 請求項１に記載する燃料電池モジュールにおいて、
   前記燃料電池ユニットの組み合わせにより、複数の前記スタックが２列に配置され、隣り合うペア同士のスタックの中央にバーナーの噴射口が形成され、４個のスタックに対して、燃焼ガスを直接吹き付けるようにしたものであることを特徴とする燃料電池モジュール。
3. 請求項１又は請求項２に記載する燃料電池モジュールにおいて、
   前記燃料予熱器が前記改質器内に設けられ、内側の燃料予熱器を通って予熱された燃料ガスが外側の改質器に流れて改質されるようにしたものであることを特徴とする燃料電池モジュール。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれかに記載する燃料電池モジュールにおいて、
   前記燃料電池ユニットには前記改質器から送り出された燃料ガスを溜めるガスチャンバを有し、そのガスチャンバから一対のスタックへ燃料ガスが供給されるようにしたもので
   あることを特徴とする燃料電池モジュール。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれかに記載する燃料電池モジュールにおいて、
   前記空気用熱交換器には理論反応量の数倍の流量を送り込み、前記スタックに対する燃料ガスの供給量変化に対応して空気の供給量を変化させるようにしたものであることを特徴とする燃料電池モジュール。

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