JP5409166B2 - 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（燃料ガス）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、集電部材を介して複数個配置して電気的に直列に接続してなるセルスタックを、燃料電池セルに燃料ガスを供給するためのマニホールドに固定してセルスタック装置を構成し、その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外装ケース内に収納してなる燃料電池装置が種々提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

このような燃料電池モジュール（燃料電池装置）においては、燃料電池セルに燃料ガスと酸素含有ガスとを供給して発電を行なうとともに、燃料電池セルの発電に使用されなかった余剰の燃料ガスを、着火装置を用いて燃焼させ、それにより燃料電池セルの温度や燃料電池セルに供給する燃料ガスを生成するための改質器の温度を上昇させることが知られている。

ところで、燃料電池モジュール（燃料電池装置）の運転に伴い、この余剰の燃料ガスの燃焼が消える（失火する）場合がある。特には、燃料電池装置の起動時や、燃料電池セルに供給する燃料ガスの量が低減する部分負荷運転時において失火する場合がある。

ここで、余剰の燃料ガスの燃焼が失火すると、燃料電池セル（セルスタック）の温度が低下して発電効率が低下することや、負荷追従特性が低下するほか、改質器の温度が低下することに伴い、十分に燃料ガスを生成することができず、燃料電池セルに悪影響を及ぼすおそれがある。

それゆえ、このような失火の防止を目的として、着火装置の起動停止を調整することや（例えば、特許文献２参照。）、着火の確認方法等が提案されている（例えば、特許文献３参照。）

特開２００７−５９３７７号公報 特開２００７−２４２６２６号公報 特開２００８−１３５２６８号公報

しかしながら、失火の防止を目的として何度も着火装置を繰り返して作動させる場合においては、着火装置の動作に伴う電力ロスが生じ、発電効率が低下するおそれがある。

それゆえ、本発明においては、失火を抑制することができ、発電効率の向上した燃料電池モジュールおよび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、燃料ガスと酸素含有ガスとで発電を行なう柱状の燃料電池セルを立設させた状態で複数配列してなるセルスタックを収納してなる燃料電池モジュールであって、前記燃料電池セルの一端側に、発電に利用されなかった余剰の燃料ガスを燃焼させる燃焼部を備えるとともに、各前記セルスタック毎に、前記燃料電池セルの配列方向に沿って、かつ前記燃焼部の両側方に、前記余剰の燃料ガスを燃焼させることにより生じる燃焼熱を蓄熱するための蓄熱部材が配置され、さらに前記燃焼部の上方に、原燃料を改質して前記燃料ガスを生成するための改質器が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、各前記セルスタック毎に、燃料電池セルの配列方向に沿って、かつ燃焼部の両側方に、余剰の燃料ガスを燃焼させることにより生じる燃焼熱を蓄熱するための蓄熱部材が配置されていることから、燃料電池モジュールの起動時や部分負荷運転時において、燃焼部（余剰の燃料ガス）の温度が低下することを抑制することができる。

それにより、燃焼部における余剰の燃料ガスの燃焼が失火した場合であっても、燃焼部の温度が高いことから、余剰の燃料ガスが自然発火しやすくなり、着火装置を作動させることなく、余剰の燃料ガスを着火することができる。

それゆえ、失火を抑制することができることから、発電効率の向上した燃料電池モジュールとすることができる。

また、本発明の燃料電池モジュールは、前記蓄熱部材が、前記燃料電池セルの配列方向に沿った前記セルスタックの長さ以上の長さを有することが好ましい。

このような燃料電池モジュールにおいては、燃料電池セルの配列方向に沿った燃焼部の側方に、燃料電池セルの配列方向に沿ったセルスタックの長さ以上の長さを有する蓄熱部材を配置することにより、より多くの燃焼熱を蓄熱することができ、それにより、余剰の燃料ガスが失火した場合であっても、余剰の燃料ガスが自然発火しやすくなり、着火装置を作動させることなく、余剰の燃料ガスを着火することができる。それゆえ、発電効率の向上した燃料電池モジュールとすることができる。

また、本発明の燃料電池モジュールは、前記蓄熱部材が、前記収納容器内の前記燃焼部の周囲以外の部位にも配置されていることが好ましい。

このような燃料電池モジュールにおいては、燃焼部の周囲のみならず、収納容器内の燃焼部の周囲以外の部位にも蓄熱部材が配置されていることから、特に部分負荷運転時のような、燃料電池セルに供給される燃料ガスの量が減少し、収納容器内の温度が低下しやすい場合においても、収納容器内の温度が低下すること、すなわちセルスタックの温度が低下することを抑制することができる。それにより、負荷追従特性の向上した燃料電池モジュールとすることができる。

本発明の燃料電池装置は、上記のうちいずれかに記載の燃料電池モジュールと、前記セルスタックを作動させるための補機とを、外装ケース内に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、発電効率の向上した燃料電池モジュールを外装ケース内に収納することにより、発電効率の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、各前記セルスタック毎に、燃料電池セルの配列方向に沿って、かつ燃焼部の両側方に、余剰の燃料ガスを燃焼させることにより生じる燃焼熱を蓄熱するための蓄熱部材が配置され、さらに前記燃焼部の上方に、原燃料を改質して燃料ガスを生成するための改質器が配置されていることから、燃料電池モジュールの起動時や部分負荷運転時において、余剰の燃料ガスの失火を抑制することができ、発電効率を向上することができる。

本発明の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。 本発明の燃料電池モジュールの他の一例を示す断面図である。 本発明の燃料電池装置の一例を示す分解斜視図である。

図１は、本発明の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。以下、まずモジュール１について説明する。

図１に示すモジュール１は、収納容器２の内部に、内部を第１の反応ガス（水素含有ガス、以下燃料ガスという場合がある）が流通するガス流路（図示せず）を有する柱状の燃料電池セル３を複数立設させた状態で配列し、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）でマニホールド４に固定してなるセルスタック５を収納して構成されている。なお、セルスタック５の両端部には、セルスタック５（燃料電池セル３）の発電により生じた電流を集電して外部に引き出すための、電流引き出し部を有する導電部材が配置されている（図示せず）。上述のような構成によりセルスタック装置１２が構成される。

なお、図１においては、燃料電池セル３として、内部を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、燃料極層、固体電解質層および空気極層を順に積層してなる固体酸化物形燃料電池セルを例示している。そして、燃料電池セル３に、燃料ガスと酸素含有ガス（空気等）とを供給することにより発電が行なわれる。

さらに図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、原燃料供給管１０を介して供給される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、燃料ガス流通管９を介してマニホールド４に供給され、マニホールド４より燃料電池セル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１２の構成は、燃料電池セル３の種類や形状により、適宜変更することができ、例えばセルスタック装置１２に改質器６を含むこともできる。

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１２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１２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。

なお、収納容器２の内部には、マニホールド４に並置されたセルスタック５の間に配置され、第２の反応ガス（酸素含有ガス）が燃料電池セル３の側方を下端部から上端部に向けて流れるように、反応ガス導入部材１１が配置されている。

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１３と外壁１４とを有する二重構造で、外壁１４により収納容器２の外枠が形成されるとともに、内壁１３によりセルスタック５（セルスタック装置１２）を収納する発電室１５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１３と外壁１４との間を、燃料電池セル３に導入する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１３には、内壁１３の上面よりセルスタック５の側面側にまで延び、内壁１３と外壁１４とで形成される反応ガス流路に通じて、セルスタック５（燃料電池セル３）に酸素含有ガスを導入するための反応ガス導入部材１１が備えられている。また、反応ガス導入部材１１の下端に、燃料電池セル３の配列方向に沿って、燃料電池セル３の下端部に酸素含有ガスを導入するための反応ガス導入口１６が設けられている。なお、反応ガス導入口１６は、それぞれのセルスタック５の側面に対向する側面に設けることもできる。

図２においては、反応ガス導入部材１１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間に位置するように配置されているが、セルスタック５の数により、例えば反応ガス導入部材１１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１２）を１つだけ収納する場合には、反応ガス導入部材１１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１５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に、板状やブランケット等の形状の断熱材１７が適宜設けられている。

図２においては、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がセルスタック５の側面側に配置されており、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１１より導入される酸素含有ガスが、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間の酸素含有ガスの流れを促進することができる。なお、図１においてはマニホールド４の底面側や発電室１５内にも断熱材１７を適宜設けている。それにより、収納容器２内の温度を高温に維持することができる。

また、燃料電池セル３の配列方向に沿った内壁１３の内側には、排ガス用内壁１８が設けられており、内壁１３と排ガス用内壁１８との間が、発電室１５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されている。なお、排ガス流路は、収納容器２の底部に設けられた排気孔１９と通じている。

ここで、燃料電池セル３のガス流路より排出される発電に利用されなかった燃料ガス（以下、余剰の燃料ガスという場合がある。）を燃料電池セル３の一端側（図２においては上端側）で燃焼させることにより、燃料電池セル３の温度を上昇させるとともに、高温に維持することができる。それにより、セルスタック装置１２の起動を早めることができるとともに、発電効率や負荷追従特性が向上する。すなわち、図２に示すモジュール１においては、燃料電池セル３の上端と改質器６との間が燃焼部２０（火炎周辺部）とされている。あわせて、燃料電池セル３（セルスタック５）の上方に配置された改質器６を温めることができ、改質器６で効率よく改質反応を行なうことができる。

なお、図には示していないが、燃焼部２０で余剰の燃料ガスを燃焼させるにあたって、燃料電池装置のような温度の低い状態を考慮して、着火装置を配置することが好ましい。着火装置としては、余剰の燃料ガスを燃焼させることができるものであればよく、例えば、着火ヒーターやバーナー等を用いることができる。

ところで、モジュール１（燃料電池装置）の起動時や、燃料電池セル３に供給する燃料ガスの量が低減する部分負荷運転中においては、燃焼部２０における余剰の燃料ガスの燃焼が失火する場合がある。余剰の燃料ガスが失火すると、モジュール１内部の温度が低下し、効率のよい発電や負荷追従特性が低下するほか、改質器６の温度が低下し、改質効率が低下し、燃料電池セル３に悪影響を及ぼすおそれがある。

それゆえ、余剰の燃料ガスが失火したと判断された場合には、着火装置を作動させて再度着火させることが考えられるが、何度も着火装置を繰り返して作動させると、着火装置の動作に伴う電力ロスが生じ、発電効率が低下するおそれがある。

ここで、図２に示すモジュール１においては、燃焼部２０の周囲の少なくとも一部（具体的には、燃料電池セル３の配列方向に沿った燃焼部２０の側方。）に、余剰の燃料ガスを燃焼させることにより生じる燃焼熱を蓄熱するための蓄熱部材２１が配置されている。なお、燃焼部２０の周囲とは、燃焼部２０において余剰の燃料ガスが燃焼することにより生じる火炎と近接する周囲のことをいい、例えば、平面視でセルスタック５と同等の大きさとすることができる。

燃焼部２０での燃焼熱を、蓄熱部材２１が蓄熱することにより、燃焼部２０の温度が低下することを抑制できる。特に、燃料ガスとして水素含有ガスを用いる場合に、水素ガスは約５７０℃で自然発火することから、この燃焼部２０の温度を高温に保持することにより、燃焼部における余剰の燃料ガスの燃焼が失火した場合であっても、余剰の燃料ガスが自然発火しやすくなることで、着火装置を作動させることなく、余剰の燃料ガスを着火することができる。それにより、モジュール１の起動時や部分負荷運転中において、余剰の燃料ガスの失火を抑制することができ、発電効率の向上したモジュール１とすることができる。

蓄熱部材２１としては、蓄熱性および耐熱性に優れているものであればよく、例えば、耐火レンガや、アルミナ等を含有する不定形耐火物成形材料（キャスタブル耐火性材料）のうちより熱容量の高い物質にて形成された部材等を用いることができる。

ここで、蓄熱部材２１を燃焼部２０の周囲の少なくとも一部に配置するにあたり、図２において示したように、燃料電池セル３の配列方向に沿った燃焼部２０の側方に、燃料電池セル３の配列方向に沿ったセルスタック５の長さ以上の長さを有する蓄熱部材２１を配置することが好ましい。

それにより、燃焼部２０の燃焼熱をより多く蓄熱することができ、それにより燃焼部２０の温度が低下することを抑制でき、余剰の燃料ガスが失火した場合であっても、余剰の燃料ガスが自然発火しやすくなり、着火装置を作動させることなく、余剰の燃料ガスを着火することができる。

なお、蓄熱部材２１は、燃焼部２０の温度が低下することを抑制するにあたり、燃焼部２０の周囲全面に配置することが好ましいが、燃焼部２０の上面側に配置される改質器６の温度が低下しないように、また燃焼部２０での燃焼に悪影響を与えないように考慮したうえで、適宜配置することが好ましい。なお、図２においては、蓄熱部材２１を燃料電池セル３の配列方向に沿って配置される断熱材１７の上方に配置している。それにより、燃焼部２０での燃焼に悪影響を及ぼすことなく、燃焼部２０の温度が低下することを抑制できることから、発電効率を向上させることもできる。

図３は、本発明の燃料電池モジュールの他の一例を示しており、図２で示すモジュール１（収納容器２）内に適宜配置されている断熱材１７の一部を蓄熱部材２１とした例を示している。

モジュール２２において、外部負荷の要求に追従するように部分負荷運転を行う場合においては、燃料電池セル３に供給される燃料ガスの量が減少することに伴い、収納容器２内の温度が低下しやすくなり、あわせてセルスタック５の温度が低下しやすくなる。この場合において、急激に外部負荷の要求が増加する場合には、外部負荷の要求に追従することが難しくなる場合がある。それゆえ、部分負荷運転中であっても、収納容器２内の温度を高温に維持できることが好ましい。

ここで、図３に示すモジュール２２においては、燃焼部２０の周囲以外の部位（図３においては、セルスタック５の側面や排ガス用内壁１８の側面。）にも蓄熱部材２１を配置している。

それにより、モジュール２２において部分負荷運転を行う場合において、収納容器２内やセルスタック５の温度が低下することを抑制できる（言い換えれば、収納容器２内やセルスタック５の温度を高温に維持することができる。）。それにより、外部負荷の要求に追従した運転を容易に行なうことができ、負荷追従特性の向上した燃料電池モジュールとすることができる。

なお、燃料部２０の周囲以外の部位に蓄熱部材２１を配置するにあたっては、特にセルスタック５の温度が高温になりすぎる場合に、燃料電池セル３の劣化を引き起こすおそれがあることから、燃料電池セル３に劣化に悪影響を与えないように適宜配置することが好ましい。具体的には、上述した燃料電池セル３を収納してなるモジュール２２においては、セルスタック５の温度が８００℃を超えない程度となるように蓄熱部材２１を適宜配置することが好ましい。

図４は、外装ケース内に図２で示したモジュール１と、モジュール１を動作させるための補機（不図示）とを収納してな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。なお、図４においては一部構成を省略して示している。

図４に示す燃料電池装置２３は、支柱２４と外装板２５から構成される外装ケース内を仕切板２６により上下に区画し、その上方側を上述したモジュール１を収納するモジュール収納室２７とし、下方側をモジュール１を動作させるための補機類を収納する補機収納室２８として構成されている。なお、補機収納室２８に収納する補機類としては、モジュール１に水を供給するための水供給装置、燃料ガス、空気を供給するための供給装置等があるが、これらの補機類は省略して示している。

また、仕切板２６には、補機収納室２８の空気をモジュール収納室２７側に流すための空気流通口２９が設けられており、モジュール収納室２７を構成する外装板２５の一部に、モジュール収納室２７内の空気を排気するための排気口３０が設けられている。

このような燃料電池装置２３においては、上述したように、発電効率や負荷追従特性が向上したモジュール１をモジュール収納室２７に収納して構成されることにより、信頼性の向上した燃料電池装置２３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。

例えば、上述の例において、燃料電池セル３として中空平板型の燃料電池セルを用いて説明したが、平板型や円筒型など、燃料電池セルの一端側で余剰の燃料ガスを燃焼させるタイプの燃料電池セルであれば特に制限はない。また、同様に上述の燃料電池セル３において、燃料極支持タイプの燃料電池セル３を用いて説明したが、空気極支持タイプの燃料電池セルとしてもよい。この場合においては、モジュール１の構成を適宜変更することができる。

１：燃料電池モジュール
２：収納容器
３：燃料電池セル
５：セルスタック
６：改質器
２０：燃焼部
２１：蓄熱部材
２３：燃料電池装置

Claims (4)

1. 収納容器内に、燃料ガスと酸素含有ガスとで発電を行なう柱状の燃料電池セルを立設させた状態で複数配列してなるセルスタックを収納してなる燃料電池モジュールであって、前記燃料電池セルの一端側に、発電に利用されなかった余剰の燃料ガスを燃焼させる燃焼部を備えるとともに、各前記セルスタック毎に、前記燃料電池セルの配列方向に沿って、かつ前記燃焼部の両側方に、前記余剰の燃料ガスを燃焼させることにより生じる燃焼熱を蓄熱するための蓄熱部材が配置され、さらに前記燃焼部の上方に、原燃料を改質して前記燃料ガスを生成するための改質器が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. 前記蓄熱部材が、前記燃料電池セルの配列方向に沿った前記セルスタックの長さ以上の長さを有す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. 前記蓄熱部材が、前記収納容器内の前記燃焼部の周囲以外の部位にも配置されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池モジュール。
4. 請求項１乃至請求項３のうちいずれかに記載の燃料電池モジュールと、前記セルスタックを作動させるための補機とを、外装ケース内に収納してなることを特徴とする燃料電池装置。