JP5429748B2

JP5429748B2 - Fuel cell module

Info

Publication number: JP5429748B2
Application number: JP2009284538A
Authority: JP
Inventors: 重徳尾沼; 真偉子生野; 諭塩川; 康浩伊澤; 孝小野
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd; Kyocera Corp; Aisin Corp
Current assignee: Kyocera Corp; Aisin Corp
Priority date: 2009-12-15
Filing date: 2009-12-15
Publication date: 2014-02-26
Anticipated expiration: 2029-12-15
Also published as: JP2011129280A

Description

本発明は、燃料電池モジュールに関する。 The present invention relates to a fuel cell module.

燃料電池は、水素および酸素を燃料として電気エネルギを得る装置である。この燃料電池は、環境面において優れており、また高いエネルギ効率を実現できることから、今後のエネルギ供給システムとして広く開発が進められてきている。 A fuel cell is a device that obtains electrical energy using hydrogen and oxygen as fuel. Since this fuel cell is excellent in terms of the environment and can realize high energy efficiency, it has been widely developed as a future energy supply system.

一般的には、複数の燃料電池セルを積層して燃料電池スタックを構成し、大きな出力を得ている。特許文献１には、収納容器内に、燃料電池スタックと、その上方に改質器を配置してなる燃料電池モジュールが開示されている。 In general, a plurality of fuel cells are stacked to form a fuel cell stack, and a large output is obtained. Patent Document 1 discloses a fuel cell module in which a fuel cell stack and a reformer are arranged above the fuel cell stack in a storage container.

特開２００７−０５９３７７号公報JP 2007-059377 A

しかしながら、燃料電池スタックからの放熱、原燃料ガスと燃料電池スタックとの熱交換等に起因して、燃料電池スタックの温度分布が大きくなるおそれがある。 However, the temperature distribution of the fuel cell stack may increase due to heat dissipation from the fuel cell stack, heat exchange between the raw fuel gas and the fuel cell stack, and the like.

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、温度分布を抑制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する。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to provide a fuel cell module capable of suppressing temperature distribution.

本発明に係る燃料電池モジュールは、ケーシング内に、燃料ガスと酸化剤ガスとで発電を行なう燃料電池セルを複数積層してなる燃料電池スタックと、当該燃料電池スタックの各燃料電池セルの第１端部に接続され、当該各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とを備えてなる燃料電池スタック装置と、燃料電池セルとの短絡を防止しつつ、積層された燃料電池セルの側方端部とマニホールドとに対して接触するとともに燃料電池セルの熱伝導度よりも高い熱伝導度を有する高熱伝導部材と、を収納してなることを特徴とするものである。本発明に係る燃料電池モジュールにおいては、複数の燃料電池セルおよびマニホールドを含めて２次元的に熱伝導が促進される。それにより、燃料電池スタックにおける温度分布を抑制することができる。 A fuel cell module according to the present invention includes a fuel cell stack in which a plurality of fuel cells that generate power using fuel gas and an oxidant gas are stacked in a casing, and a first of each fuel cell of the fuel cell stack. A fuel cell stack device comprising a manifold connected to the end portion and supplying a fuel gas to each fuel cell, and a side of the stacked fuel cells while preventing a short circuit between the fuel cells A high thermal conductive member that contacts the side end portion and the manifold and has a thermal conductivity higher than the thermal conductivity of the fuel battery cell is housed. In the fuel cell module according to the present invention, heat conduction is promoted two-dimensionally including a plurality of fuel cells and manifolds. Thereby, the temperature distribution in the fuel cell stack can be suppressed.

上記燃料電池モジュールは、各燃料電池セルの第２端部に、当該燃料電池セルの発電に供されなかった燃料オフガスと酸化剤オフガスとを合流させて燃料オフガスを燃焼させるための燃焼部を備えていてもよい。上記燃料電池モジュールは、燃焼部の上方に、炭化水素系燃料と改質水との改質反応によって水素を含有する改質ガスを生成するための改質器を備えていてもよい。 The fuel cell module includes a combustion portion for combusting the fuel off-gas by joining the fuel off-gas and the oxidant off-gas that have not been supplied to the power generation of the fuel cell at the second end of each fuel cell. It may be. The fuel cell module may include a reformer for generating a reformed gas containing hydrogen by a reforming reaction between a hydrocarbon fuel and reformed water above the combustion section.

上記燃料電池モジュールは、改質器の出口とマニホールドの入口とを接続する燃料ガス配管を備え、該燃料ガス配管は、曲げられて燃料電池スタックに接触する接触部を備えていてもよい。この場合、マニホールドに供給される燃料ガスが加熱される。それにより、燃料電池スタックにおける温度分布を抑制することができる。 The fuel cell module may include a fuel gas pipe that connects the outlet of the reformer and the inlet of the manifold, and the fuel gas pipe may include a contact portion that is bent and contacts the fuel cell stack. In this case, the fuel gas supplied to the manifold is heated. Thereby, the temperature distribution in the fuel cell stack can be suppressed.

上記燃料電池モジュールは、燃料電池スタックと改質器との間に、燃焼部における炎を保持するための保炎部材を備えるとともに、該保炎部材と高熱伝導部材とが接合されていてもよい。この場合、保炎部材から熱を伝導させやすくなる。それにより、燃料電池スタックにおける温度分布を抑制することができる。 The fuel cell module may include a flame holding member for holding a flame in the combustion section between the fuel cell stack and the reformer, and the flame holding member and the high heat conduction member may be joined. . In this case, it becomes easy to conduct heat from the flame holding member. Thereby, the temperature distribution in the fuel cell stack can be suppressed.

燃料電池セルの第２端から第１端に向けて前記高熱伝導部材の断面積が大きくなっていてもよい。高熱伝導部材は、燃料電池スタックを構成する燃料電池セルの積層方向において、断続的に設けられていてもよい。高熱伝導部材は、複数設けられており、燃料電池スタックを構成する燃料電池セルの積層方向の端部側よりも中央側において多く設けられていてもよい。高熱伝導部材は、絶縁性のセラミックスまたは、表面に絶縁処理が施された金属、合金および導電性セラミックスのいずれか一種からなる板あるいは多孔体であってもよい。燃料電池セルは、固体酸化物形燃料電池であってもよい。 The cross-sectional area of the high thermal conductivity member may increase from the second end to the first end of the fuel cell. The high heat conductive member may be provided intermittently in the stacking direction of the fuel cells constituting the fuel cell stack. A plurality of high heat conductive members are provided, and more high heat conductive members may be provided on the center side rather than the end side in the stacking direction of the fuel cells constituting the fuel cell stack. The high heat conductive member may be an insulating ceramic, or a plate or a porous body made of any one of a metal, an alloy, and a conductive ceramic whose surface is subjected to an insulating treatment. The fuel cell may be a solid oxide fuel cell.

本発明によれば、温度分布の発生を抑制することができる燃料電池モジュールを提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the fuel cell module which can suppress generation | occurrence | production of temperature distribution can be provided.

燃料電池セルの断面を含む部分斜視図である。It is a fragmentary perspective view containing the cross section of a fuel cell. 燃料電池スタックを説明するための斜視図である。It is a perspective view for demonstrating a fuel cell stack. 改質器と燃料電池スタック装置とを説明するための斜視図である。It is a perspective view for demonstrating a reformer and a fuel cell stack apparatus. 改質器の詳細を説明するための斜視図である。It is a perspective view for demonstrating the detail of a reformer. 燃料電池モジュールの全体構成を説明するための断面図である。It is sectional drawing for demonstrating the whole structure of a fuel cell module. 高熱伝導部材の一例を示す斜視図である。It is a perspective view which shows an example of a high heat conductive member. 高熱伝導部材の他の例を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the other example of a high heat conductive member. （ａ）、（ｂ）、（ｃ）はそれぞれ高熱伝導部材のさらに他の例を示す斜視図である。(A), (b), (c) is a perspective view which shows the further another example of a highly heat-conductive member, respectively. （ａ）は高熱伝導部材の断面積の例を示す図であり、（ｂ）は高熱伝導部材の多孔度の例を示す図である。(A) is a figure which shows the example of the cross-sectional area of a high heat conductive member, (b) is a figure which shows the example of the porosity of a high heat conductive member. 燃料ガス配管について説明するための図である。It is a figure for demonstrating fuel gas piping. 燃料電池モジュールの他の例の全体構成を説明するための断面図である。It is sectional drawing for demonstrating the whole structure of the other example of a fuel cell module. 保炎板の詳細を説明するための斜視図である。It is a perspective view for demonstrating the detail of a flame-holding board.

以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。 Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described.

（例１）
図１は、本発明の燃料電池モジュールを構成する燃料電池セル１０を抜粋して示しており、燃料電池セル１０の断面を含む部分斜視図である。図１に示すように、燃料電池セル１０は、平板柱状の全体形状を有する。ガス透過性を有する導電性支持体１１の内部に、軸方向に沿って貫通する複数の燃料ガス通路１２が形成されている。一方の平面上に、燃料極１３、固体電解質１４、および酸素極１５が順に積層されている。導電性支持体１１の外周面における他方の平面上には、接合層１６を介してインターコネクタ１７が設けられ、その上に接触抵抗低減用のＰ型半導体層１８が設けられている。それにより、燃料極１３とインターコネクタ１７とは、間に導電性支持体１１を介して対向するように配置されている。 (Example 1)
FIG. 1 shows an excerpt of a fuel cell 10 constituting the fuel cell module of the present invention, and is a partial perspective view including a cross section of the fuel cell 10. As shown in FIG. 1, the fuel battery cell 10 has a flat plate-like overall shape. A plurality of fuel gas passages 12 penetrating along the axial direction are formed in the conductive support 11 having gas permeability. On one plane, a fuel electrode 13, a solid electrolyte 14, and an oxygen electrode 15 are sequentially stacked. On the other plane of the outer peripheral surface of the conductive support 11, an interconnector 17 is provided via a bonding layer 16, and a P-type semiconductor layer 18 for reducing contact resistance is provided thereon. Thereby, the fuel electrode 13 and the interconnector 17 are disposed so as to face each other with the conductive support 11 interposed therebetween.

燃料ガス通路１２に水素を含む燃料ガスが供給されることによって、燃料極１３に水素が供給される。一方、燃料電池セル１０の周囲に酸素を含む酸化剤ガスが供給されることによって、酸素極１５に酸素が供給される。それにより、酸素極１５及び燃料極１３において下記の電極反応が生じることによって発電が行われる。発電反応は、例えば、６００℃〜１０００℃で行われる。
酸素極：１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｏ^２−（固体電解質）
燃料極：Ｏ^２−（固体電解質）＋Ｈ_２→Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻ When fuel gas containing hydrogen is supplied to the fuel gas passage 12, hydrogen is supplied to the fuel electrode 13. On the other hand, oxygen is supplied to the oxygen electrode 15 by supplying an oxidant gas containing oxygen around the fuel cell 10. As a result, the following electrode reactions occur in the oxygen electrode 15 and the fuel electrode 13 to generate power. The power generation reaction is performed at 600 ° C. to 1000 ° C., for example.
Oxygen electrode: 1 / 2O ₂ + 2e ⁻ → O ²⁻ (solid electrolyte)
Fuel electrode: O ²⁻ (solid electrolyte) + H ₂ → H ₂ O + 2e ⁻

酸素極１５は、耐酸化性を有し、気相酸素が固体電解質１４との界面に到達できるように多孔質である。固体電解質１４は、酸素極１５から燃料極１３へ酸素イオンＯ^２−を移動させる機能を有する。固体電解質１４は、酸素イオン導電性酸化物によって構成される。また、固体電解質１４は、燃料ガスと酸化剤ガスとを物理的に隔離するため、酸化／還元雰囲気中において安定でありかつ緻密質である。燃料極１３は、還元雰囲気中で安定でありかつ水素との親和性を有する材料によって構成され、多孔質である。インターコネクタ１７は、燃料電池セル１０同士を直列接続するために設けられており、燃料ガスと酸化剤ガスとを物理的に隔離するために緻密質である。 The oxygen electrode 15 has oxidation resistance and is porous so that gas phase oxygen can reach the interface with the solid electrolyte 14. The solid electrolyte 14 has a function of moving oxygen ions O ²⁻ from the oxygen electrode 15 to the fuel electrode 13. The solid electrolyte 14 is composed of an oxygen ion conductive oxide. Further, since the solid electrolyte 14 physically separates the fuel gas and the oxidant gas, the solid electrolyte 14 is stable and dense in the oxidizing / reducing atmosphere. The fuel electrode 13 is made of a material that is stable in a reducing atmosphere and has an affinity for hydrogen, and is porous. The interconnector 17 is provided to connect the fuel cells 10 in series, and is dense so as to physically separate the fuel gas and the oxidant gas.

例えば、酸素極１５は、電子およびイオンの双方の導電性が高いランタンマンガネート系のペロブスカイト型複合酸化物等から形成される。固体電解質１４は、イオン導電性の高いＹ_２Ｏ_３を含有するＺｒＯ_２（ＹＳＺ）等によって形成される。燃料極１３は、電子導電性の高いＮｉとＹ_２Ｏ_３を含有するＺｒＯ_２（ＹＳＺ）との混合物等によって形成される。インターコネクタ１７は、電子導電性の高い、アルカリ土類酸化物を固溶したＬａＣｒＯ_３等によって形成される。これらの材料は、熱膨張率が近いものが好適である。 For example, the oxygen electrode 15 is formed of a lanthanum manganate-based perovskite complex oxide having high conductivity of both electrons and ions. The solid electrolyte 14 is formed of ZrO ₂ (YSZ) containing Y ₂ O ₃ having high ion conductivity. The fuel electrode 13 is formed of a mixture of Ni having high electronic conductivity and ZrO ₂ (YSZ) containing Y ₂ O ₃ . The interconnector 17 is made of LaCrO ₃ or the like that has a high electronic conductivity and in which an alkaline earth oxide is dissolved. These materials are preferably close in thermal expansion coefficient.

図２は、本発明の燃料電池モジュールを構成する燃料電池スタック２０を説明するための斜視図である。図２に示すように、燃料電池スタック２０においては、複数の燃料電池セル１０が互いに集電部材（図示せず）を介して積層されている。この場合、各燃料電池セル１０は、燃料極１３側と酸素極１５側とが対向するように積層される。なお、図２において、矢印は燃料ガスの流れを示し、太線矢印は酸化剤ガスの流れを示す。 FIG. 2 is a perspective view for explaining the fuel cell stack 20 constituting the fuel cell module of the present invention. As shown in FIG. 2, in the fuel cell stack 20, a plurality of fuel cells 10 are stacked on each other via current collecting members (not shown). In this case, each fuel cell 10 is laminated so that the fuel electrode 13 side and the oxygen electrode 15 side face each other. In FIG. 2, the arrow indicates the flow of the fuel gas, and the thick arrow indicates the flow of the oxidant gas.

図３は、本発明の燃料電池モジュールを構成する燃料電池スタック装置と、改質器３０とを抜粋して示す斜視図である。図３に示すように、マニホールド４０上に２個の燃料電池スタック２０が配置され、燃料電池スタック２０の上方に改質器３０が配置されている。 FIG. 3 is a perspective view showing the fuel cell stack device and the reformer 30 that constitute the fuel cell module of the present invention. As shown in FIG. 3, two fuel cell stacks 20 are disposed on the manifold 40, and the reformer 30 is disposed above the fuel cell stack 20.

２個の燃料電池スタック２０は、それぞれの燃料電池スタック２０を構成する燃料電池セル１０の積層方向が略平行になるように並列配置されている。改質器３０は、一方の燃料電池スタック２０の上方を燃料電池セル１０の積層方向に沿って伸び、他方の燃料電池スタック２０の上方を燃料電池セル１０の積層方向に沿ってコ字状に折り返す。改質器３０の出口とアノードマニホールド４０の入口とは、燃料ガス配管５０によって接続されている。 The two fuel cell stacks 20 are arranged in parallel so that the stacking directions of the fuel cells 10 constituting each fuel cell stack 20 are substantially parallel. The reformer 30 extends above one fuel cell stack 20 along the stacking direction of the fuel cells 10, and extends above the other fuel cell stack 20 into a U shape along the stacking direction of the fuel cells 10. Wrap. The outlet of the reformer 30 and the inlet of the anode manifold 40 are connected by a fuel gas pipe 50.

燃料電池スタック２０の下端は、マニホールド４０に固定されている。マニホールド４０には、各燃料電池セル１０の燃料ガス通路１２と連通する孔が形成されている。それにより、改質器３０から燃料ガス配管５０、マニホールド４０および燃料ガス通路１２へと連通する燃料ガス流路が形成される。 The lower end of the fuel cell stack 20 is fixed to the manifold 40. The manifold 40 has a hole communicating with the fuel gas passage 12 of each fuel cell 10. As a result, a fuel gas passage communicating from the reformer 30 to the fuel gas pipe 50, the manifold 40 and the fuel gas passage 12 is formed.

図４は、改質器３０の詳細を説明するための斜視図である。図４に示すように、改質器３０は、入口側から、気化部３１、加熱部３２、および改質部３３が順に接続された構造を有する。気化部３１は、後述する燃料オフガスの燃焼熱を利用して改質水を気化させる空間部である。 FIG. 4 is a perspective view for explaining the details of the reformer 30. As shown in FIG. 4, the reformer 30 has a structure in which a vaporization unit 31, a heating unit 32, and a reforming unit 33 are sequentially connected from the inlet side. The vaporization part 31 is a space part that vaporizes the reformed water by using the combustion heat of the fuel off gas described later.

加熱部３２は、燃料オフガスの燃焼熱によって改質水および炭化水素系燃料を加熱する空間部である。加熱部３２には、例えば、セラミックスボールが封入されている。改質部３３は、改質水と炭化水素系燃料との水蒸気改質反応を生じさせるための空間部である。改質部３３には、例えば、ＮｉまたはＲｕなどの触媒金属が担持されたアルミナなどのセラミックスボールが封入されている。 The heating unit 32 is a space that heats the reformed water and the hydrocarbon fuel with the combustion heat of the fuel off gas. For example, a ceramic ball is enclosed in the heating unit 32. The reforming part 33 is a space part for causing a steam reforming reaction between the reformed water and the hydrocarbon fuel. For example, a ceramic ball such as alumina carrying a catalyst metal such as Ni or Ru is enclosed in the reforming unit 33.

図５は、本発明の一例である燃料電池モジュール１００の全体構成を説明するための断面図である。図５に示すように、燃料電池モジュール１００は、酸化剤ガスが流動するための流路を形成する２重壁からなるケーシング６０内の下部断熱材６１および側部断熱部材６２によって、図３の燃料電池スタック２０、改質器３０、およびマニホールド４０が囲まれた構造を有する。なお、本例においては、燃料電池セル１０の第２端部側（改質器３０側）を上方とし、第１端部側（マニホールド４０側）を下方とする。 FIG. 5 is a cross-sectional view for explaining the overall configuration of the fuel cell module 100 as an example of the present invention. As shown in FIG. 5, the fuel cell module 100 includes a lower heat insulating member 61 and a side heat insulating member 62 in a casing 60 formed of a double wall that forms a flow path for the oxidant gas to flow. The fuel cell stack 20, the reformer 30, and the manifold 40 are enclosed. In this example, the second end side (reformer 30 side) of the fuel battery cell 10 is the upper side, and the first end side (manifold 40 side) is the lower side.

ケーシング６０への酸化剤ガスの入口は、ケーシング６０の底面に設けられている。酸化剤ガスは、ケーシング６０の側部の流路を通って、各燃料電池スタック２０の上方に流動する。その後、酸化剤ガスは、一方の燃料電池スタック２０と他方の燃料電池スタック２０との間を通って下方に流動し、各燃料電池スタック２０の下端部側に供給される。図４で説明したように、燃料ガスはマニホールド４０から各燃料電池セル１０の燃料ガス通路１２へと供給される。それにより、各燃料電池セル１０において発電が行われる。 The inlet of the oxidizing gas to the casing 60 is provided on the bottom surface of the casing 60. The oxidant gas flows through the flow path on the side of the casing 60 and above each fuel cell stack 20. Thereafter, the oxidant gas flows downward between one fuel cell stack 20 and the other fuel cell stack 20 and is supplied to the lower end side of each fuel cell stack 20. As described with reference to FIG. 4, the fuel gas is supplied from the manifold 40 to the fuel gas passage 12 of each fuel cell 10. Thereby, power generation is performed in each fuel cell 10.

燃料電池セル１０において発電に供されなかった燃料ガス（燃料オフガス）と発電に供されなかった酸化剤ガス（酸化剤オフガス）とは、各燃料電池セル１０の上端において合流する。燃料オフガスには水素等の可燃物が含まれていることから、燃料オフガスは、酸化剤オフガスに含まれる酸素を利用して燃焼する。本例においては、燃料電池セル１０の上端と改質器３０との間において燃料オフガスが燃焼する部位を燃焼部７０と称する。燃焼部７０の燃焼熱は、改質器３０に供給される。それにより、改質器３０の温度を上昇させることができ、改質反応が促進される。 The fuel gas (fuel offgas) that has not been used for power generation in the fuel cell 10 and the oxidant gas (oxidant offgas) that has not been used for power generation merge at the upper end of each fuel cell 10. Since the fuel off-gas contains a combustible material such as hydrogen, the fuel off-gas burns using oxygen contained in the oxidant off-gas. In this example, a portion where the fuel off gas burns between the upper end of the fuel battery cell 10 and the reformer 30 is referred to as a combustion unit 70. The combustion heat of the combustion unit 70 is supplied to the reformer 30. Thereby, the temperature of the reformer 30 can be raised and the reforming reaction is promoted.

燃焼部７０における燃焼後の燃料オフガスおよび酸化剤オフガス（以下、両者をまとめて燃焼オフガスという場合がある。）は、酸化剤ガスが流れるケーシング６０の側部の流路と側部断熱部材６２との間に設けられた燃焼オフガス流路を下方に流動し、外部に排出される。この場合、ケーシング６０内を流動する酸化剤ガスは、燃焼オフガスによって加熱される。それにより、燃料電池スタック２０への低温ガスの供給が抑制される。その結果、燃料電池スタック２０における温度分布が抑制される。 The fuel off-gas and the oxidant off-gas after combustion in the combustion unit 70 (hereinafter, they may be collectively referred to as combustion off-gas) are flow paths on the side of the casing 60 through which the oxidant gas flows and the side heat insulating members 62. The gas flows downward in the combustion off-gas passage provided between the two and is discharged to the outside. In this case, the oxidant gas flowing in the casing 60 is heated by the combustion off gas. Thereby, supply of the low temperature gas to the fuel cell stack 20 is suppressed. As a result, the temperature distribution in the fuel cell stack 20 is suppressed.

ところで、燃料電池スタック２０の発電時に、燃料電池スタック２０において温度分布が生じることがある。そこで、本例においては、図５に示すように、各燃料電池セル１０の側方端部に接するように、高熱伝導部材８０を配置する。なお、燃料電池セル１０の側方端部とは、燃料電池スタック２０の側方に現れる端部のことである。すなわち、燃料電池セル１０の側方端部とは、図１の平板柱形状の側端部のことである。 By the way, a temperature distribution may occur in the fuel cell stack 20 when the fuel cell stack 20 generates power. Therefore, in this example, as shown in FIG. 5, the high heat conductive member 80 is disposed so as to be in contact with the side end portion of each fuel cell 10. The side end of the fuel cell 10 is an end that appears on the side of the fuel cell stack 20. That is, the side end portion of the fuel cell 10 is the side end portion of the flat plate column shape of FIG.

高熱伝導部材８０は、各燃料電池セル１０の熱伝導度よりも高い熱伝導度を有する。ここで、燃料電池セル１０の熱伝導度とは、燃料電池セル１０の各部材の熱伝導度の平均値を意味する。それにより、燃料電池セル１０に比較して高熱伝導部材８０において熱が伝導しやすくなる。なお、燃料電池セル１０の各部材の熱伝導度は、燃料電池セル１０を構成する各部材を作製し、レーザーフラッシュ法等を用いて測定することができる。なお、燃料電池セル１０の熱伝導度を、燃料電池セル１０そのものの熱伝導度とすることもでき、この場合の熱伝導度は、燃料電池セル１０の一部を切りとった試験片を、レーザーフラッシュ法等を用いて測定することができる。 The high thermal conductivity member 80 has a thermal conductivity higher than the thermal conductivity of each fuel cell 10. Here, the thermal conductivity of the fuel cell 10 means an average value of the thermal conductivity of each member of the fuel cell 10. Accordingly, heat can be more easily conducted in the high thermal conductive member 80 than in the fuel battery cell 10. The thermal conductivity of each member of the fuel battery cell 10 can be measured using a laser flash method or the like by producing each member constituting the fuel battery cell 10. The thermal conductivity of the fuel battery cell 10 can also be the thermal conductivity of the fuel battery cell 10 itself. In this case, the thermal conductivity is measured by using a test piece obtained by cutting a part of the fuel battery cell 10 with a laser. It can be measured using a flash method or the like.

高熱伝導部材８０を構成する材料は、燃料電池セル１０よりも高い熱伝導度を有していれば特に限定されるものではない。例えば、高熱伝導部材８０は、ステンレス等の金属や合金、あるいはセラミックスからなる。高熱伝導部材８０が導電性を有する場合には、高熱伝導部材８０の表面には絶縁処理が施されることによって、各燃料電池セル１０における短絡を防止することができる。また、軽量化または酸化剤ガス拡散性向上の観点から、高熱伝導部材８０は、メッシュ状、多孔状、またはスリット状であってもよい。なお、高熱伝導部材８０の表面に絶縁処理が施されている場合、高熱伝導部材８０の熱伝導度は、絶縁処理前のものとすることができ、絶縁処理後のものとすることもできる。なお、絶縁処理を施した高熱伝導部材８０の熱伝導度は、絶縁処理を施した高熱伝導部材８０の一部を切り取った切断片を、レーザーフラッシュ法等を用いて測定することにより求めることができる。 The material constituting the high thermal conductive member 80 is not particularly limited as long as it has a higher thermal conductivity than the fuel cell 10. For example, the high thermal conductive member 80 is made of a metal such as stainless steel, an alloy, or ceramics. When the high heat conductive member 80 has conductivity, the surface of the high heat conductive member 80 is subjected to insulation treatment, whereby a short circuit in each fuel cell 10 can be prevented. Further, from the viewpoint of weight reduction or oxidant gas diffusibility improvement, the high thermal conductive member 80 may be mesh-shaped, porous, or slit-shaped. In addition, when the insulation process is performed on the surface of the high heat conductive member 80, the heat conductivity of the high heat conductive member 80 can be the thing before an insulation process, and can also be the thing after an insulation process. The thermal conductivity of the high heat conductive member 80 subjected to the insulation treatment can be obtained by measuring a cut piece obtained by cutting a part of the high heat conductive member 80 subjected to the insulation treatment using a laser flash method or the like. it can.

高熱伝導部材８０は、燃料電池セル１０に短絡を防止しつつ接触するとともに、マニホールド４０に接触している。この場合、複数の燃料電池セル１０およびマニホールド４０を含めて２次元的に熱伝導が促進される。それにより、燃料電池スタック２０における温度分布を抑制することができる。その結果、燃料電池スタック２０の劣化を抑制することができる。なお、「接触している」とは、直接当接している状態だけでなく、接合材を介して接合されている状態を含む。 The high heat conductive member 80 is in contact with the fuel cell 10 while preventing a short circuit and is in contact with the manifold 40. In this case, heat conduction is promoted two-dimensionally including the plurality of fuel cells 10 and the manifold 40. Thereby, the temperature distribution in the fuel cell stack 20 can be suppressed. As a result, deterioration of the fuel cell stack 20 can be suppressed. Note that “in contact” includes not only a state of direct contact but also a state of being bonded via a bonding material.

なお、燃料電池スタック２０においては、燃料電池セル１０の積層方向の端部側が、放熱によって温度が低下しやすくなる。それにより、燃料電池スタック２０においては、燃料電池セル１０の積層方向において温度分布が生じることがある。また、本例のように改質器３０が燃料電池スタック２０上に配置されている場合には、燃料電池スタック２０における燃料電池セル１０の積層方向において温度分布が生じることがある。改質器３０においては、気化熱に起因して気化部３１において温度が低くなり、加熱部３２および改質部３３においては温度が高くなるからである。 In the fuel cell stack 20, the temperature at the end portion side in the stacking direction of the fuel cells 10 tends to decrease due to heat radiation. Thereby, in the fuel cell stack 20, a temperature distribution may occur in the stacking direction of the fuel cells 10. Further, when the reformer 30 is arranged on the fuel cell stack 20 as in this example, a temperature distribution may occur in the stacking direction of the fuel cells 10 in the fuel cell stack 20. This is because in the reformer 30, the temperature is lowered in the vaporization section 31 due to the heat of vaporization, and the temperature is increased in the heating section 32 and the reforming section 33.

そこで、図６に示すように、高熱伝導部材８０は、燃料電池スタック２０を構成する一端の燃料電池セル１０から他端の燃料電池セル１０にかけて配置されていることがより好ましい。この場合、燃料電池スタック２０における燃料電池セル１０の積層方向における温度分布の発生を抑制することができる。なお、図６においては燃料電池セル１０が６個配置されているが、この個数は限定されるものではない。後述する図７においても同様である。なお、図６および図７においては、高熱伝導部材８０を説明するために、１つの燃料電池スタック２０の周囲に高熱伝導部材８０を配置している例を示している。 Therefore, as shown in FIG. 6, it is more preferable that the high heat conduction member 80 is disposed from the fuel cell 10 at one end to the fuel cell 10 at the other end constituting the fuel cell stack 20. In this case, occurrence of temperature distribution in the stacking direction of the fuel cells 10 in the fuel cell stack 20 can be suppressed. In FIG. 6, six fuel cells 10 are arranged, but the number is not limited. The same applies to FIG. 7 described later. 6 and 7 show an example in which the high heat conductive member 80 is disposed around one fuel cell stack 20 in order to explain the high heat conductive member 80. FIG.

また、本例においては、燃料電池セル１０の上端において燃焼部７０が位置することから、燃料電池スタック２０においては上下方向において上端側で高温になり下端側で低温になるような温度分布が発生しやすくなる。さらに、ケーシング６０の下端においては低温のケーシング６０内において加熱される前の酸化剤ガスが流入することから、燃料電池スタック２０の下端において温度が低下しやすくなる。それにより、燃料電池スタック２０の上下方向において温度分布が生じやすくなる。 Further, in this example, since the combustion part 70 is located at the upper end of the fuel battery cell 10, the fuel cell stack 20 has a temperature distribution in which the temperature is high at the upper end side and lower at the lower end side in the vertical direction. It becomes easy to do. Furthermore, since the oxidant gas before being heated in the low-temperature casing 60 flows into the lower end of the casing 60, the temperature tends to decrease at the lower end of the fuel cell stack 20. Thereby, the temperature distribution is likely to occur in the vertical direction of the fuel cell stack 20.

そこで、高熱伝導部材８０は、燃料電池セル１０の下端から上端にかけて配置されていることが好ましい。この場合、燃焼部７０における燃焼熱が高熱伝導部材８０を介してマニホールド４０側に伝導しやすくなる。それにより、燃料電池スタック２０における上下方向の温度分布がより抑制される。 Therefore, the high heat conductive member 80 is preferably arranged from the lower end to the upper end of the fuel battery cell 10. In this case, the combustion heat in the combustion unit 70 is easily conducted to the manifold 40 side via the high heat conduction member 80. Thereby, the temperature distribution in the vertical direction in the fuel cell stack 20 is further suppressed.

高熱伝導部材８０は、上端から下端までの熱伝導度が燃料電池セル１０の積層方向の一端から他端までの熱伝導度よりも高くなるように配置されていることが好ましい。例えば、図７に示すように、高熱伝導部材８０を、燃料電池セル１０の積層方向において断続的に配置してもよい。この場合、燃料電池セル１０の積層方向において途切れる箇所において熱伝導度が高くなる。それにより、高熱伝導部材８０は、上端から下端までの熱伝導度が燃料電池セル１０の積層方向の一端から他端までの熱伝導度よりも高くなる。このような構成とすることで、燃料電池セル１０の積層方向に比較して上下方向において優先的に熱が伝導することから、燃料電池スタック２０の上下方向における温度分布をより抑制することができる。また、高熱伝導部材８０を燃料電池スタック２０の側部全体に設ける必要がないため、高熱伝導部材８０の重量を抑制することができる。その結果、燃料電池モジュール１００のコスト低下および軽量化を図ることができる。 The high thermal conductive member 80 is preferably arranged so that the thermal conductivity from the upper end to the lower end is higher than the thermal conductivity from one end to the other end in the stacking direction of the fuel cells 10. For example, as illustrated in FIG. 7, the high heat conductive member 80 may be intermittently disposed in the stacking direction of the fuel cells 10. In this case, the thermal conductivity is increased at a location where the fuel cell 10 is interrupted in the stacking direction. Thereby, the high thermal conductivity member 80 has a thermal conductivity from the upper end to the lower end higher than the thermal conductivity from one end to the other end in the stacking direction of the fuel cells 10. By adopting such a configuration, heat is preferentially conducted in the vertical direction compared to the stacking direction of the fuel cells 10, so that the temperature distribution in the vertical direction of the fuel cell stack 20 can be further suppressed. . Moreover, since it is not necessary to provide the high heat conductive member 80 in the whole side part of the fuel cell stack 20, the weight of the high heat conductive member 80 can be suppressed. As a result, the cost and weight of the fuel cell module 100 can be reduced.

図８（ａ）〜図８（ｃ）は、高熱伝導部材８０の他の例を説明するための斜視図である。なお、図８（ａ）〜図８（ｃ）においては、燃料電池スタック２０の側面側に配置される高熱伝導部材８０を抜粋して示している。図８（ａ）に示すように、高熱伝導部材８０は、燃料電池スタック２０の上端および下端、さらに燃料電池セル１０の積層方向の両端に配置されていてもよい。この場合、燃焼部７０における燃焼熱が高熱伝導部材８０を介して、燃料電池セル１０の積層方向における端部側に位置する燃料電池セル１０およびマニホールド４０側に伝導しやすくなる。それゆえ、高熱伝導部材８０を軽量化させつつ、燃料電池スタック２０における温度分布を抑制することができる。 FIG. 8A to FIG. 8C are perspective views for explaining another example of the high heat conductive member 80. 8A to 8C, the high heat conductive member 80 arranged on the side surface side of the fuel cell stack 20 is extracted and shown. As shown in FIG. 8A, the high heat conductive members 80 may be disposed at the upper and lower ends of the fuel cell stack 20 and further at both ends in the stacking direction of the fuel cells 10. In this case, the combustion heat in the combustion unit 70 is easily conducted to the fuel cell 10 and the manifold 40 side located on the end side in the stacking direction of the fuel cells 10 via the high heat conduction member 80. Therefore, the temperature distribution in the fuel cell stack 20 can be suppressed while reducing the weight of the high heat conductive member 80.

なお、燃料電池セル１０の積層方向における端部からの放熱に起因して、燃料電池スタック２０における燃料電池セル１０の積層方向の中央部において温度が相対的に高くなることがある。そこで、図８（ｂ）および図８（ｃ）に示すように、高熱伝導部材８０は、燃料電池スタック２０の中央部において多く配置されていてもよい。この場合、燃料電池セル１０の積層方向の中央部における熱が高熱伝導部材８０を介して、燃料電池セル１０の積層方向における端部側に位置する燃料電池セル１０およびマニホールド４０側に伝導しやすくなる。それにより、燃料電池セル１０の上下方向の温度分布の発生を抑制することができるとともに、燃料電池セル１０の積層方向における中央部の温度を下げる（端部側の温度を上昇させる）ことができ、燃料電池セル１０の積層方向における温度分布の発生を抑制することができる。それゆえ、燃料電池スタック２０における温度分布の発生を抑制することができる。 Note that the temperature may be relatively high in the center portion of the fuel cell stack 20 in the stacking direction of the fuel cell stack 20 due to heat radiation from the end portion in the stacking direction of the fuel cell 10. Therefore, as shown in FIG. 8B and FIG. 8C, a large number of high heat conductive members 80 may be arranged in the central portion of the fuel cell stack 20. In this case, heat at the center of the fuel cell 10 in the stacking direction is easily conducted to the side of the fuel cell 10 and the manifold 40 located on the end side in the stacking direction of the fuel cell 10 via the high thermal conductive member 80. Become. Thereby, the generation of the temperature distribution in the vertical direction of the fuel cell 10 can be suppressed, and the temperature of the central part in the stacking direction of the fuel cell 10 can be lowered (the temperature on the end side can be raised). The occurrence of temperature distribution in the stacking direction of the fuel cells 10 can be suppressed. Therefore, occurrence of temperature distribution in the fuel cell stack 20 can be suppressed.

また、上記各例において、燃料電池セル１０の上端側から下端側に向けて高熱伝導部材８０の断面積が大きくなっていてもよい。断面積変化は、緻密体であれば厚み、多孔体であれば多孔度を変化させることによって調整することができる。このような断面積構造を有することによって、高熱伝導部材８０において、燃料電池セル１０の上端側における熱伝導度を相対的に低くし、下端側における熱伝導度を相対的に高くすることができる。それにより、燃料電池セル１０の下端側における熱伝導が促進され、燃料電池スタック２０の上下方向における温度分布を抑制することができる。図９（ａ）に断面積の例を示し、図９（ｂ）に多孔度の例を示す。 In each of the above examples, the cross-sectional area of the high heat conductive member 80 may increase from the upper end side to the lower end side of the fuel cell 10. The change in the cross-sectional area can be adjusted by changing the thickness if it is a dense body and the porosity if it is a porous body. By having such a cross-sectional area structure, in the high thermal conductive member 80, the thermal conductivity on the upper end side of the fuel cell 10 can be relatively lowered, and the thermal conductivity on the lower end side can be relatively increased. . Thereby, the heat conduction at the lower end side of the fuel cell 10 is promoted, and the temperature distribution in the vertical direction of the fuel cell stack 20 can be suppressed. FIG. 9A shows an example of the cross-sectional area, and FIG. 9B shows an example of the porosity.

ところで、改質器３０において生成される燃料ガスの温度が燃料電池スタック２０の発電時の温度に比較して低い場合、マニホールド４０と燃料電池スタック２０との温度差が大きくなることがある。この場合、燃料電池スタック２０における温度分布が大きくなってしまうおそれがある。 By the way, when the temperature of the fuel gas generated in the reformer 30 is lower than the temperature at the time of power generation of the fuel cell stack 20, the temperature difference between the manifold 40 and the fuel cell stack 20 may become large. In this case, the temperature distribution in the fuel cell stack 20 may be increased.

特に、改質器３０が燃料電池スタック２０の各燃料電池セル１０の上方に配置される構成においては、燃料ガス配管５０が燃料電池スタック２０のいずれかの端部側に配置される。この場合、燃料ガス配管５０からの放熱に起因して、燃料ガス配管５０を流れる燃料ガスの温度が低下してしまう。したがって、マニホールド４０と燃料電池スタック２０との温度差がより大きくなってしまうおそれがある。 In particular, in the configuration in which the reformer 30 is disposed above each fuel cell 10 of the fuel cell stack 20, the fuel gas pipe 50 is disposed on either end side of the fuel cell stack 20. In this case, due to heat radiation from the fuel gas pipe 50, the temperature of the fuel gas flowing through the fuel gas pipe 50 decreases. Therefore, the temperature difference between the manifold 40 and the fuel cell stack 20 may become larger.

そこで、図１０（ａ）および図１０（ｂ）に示すように、燃料ガス配管５０は、曲げられて燃料電池スタック２０に接触する構成を有していてもよい。この場合、燃料電池スタック２０と燃料ガス配管５０を流れる燃料ガスとの間で熱交換が行われる。それにより、燃料ガスが加熱される。その結果、マニホールド４０と燃料電池スタック２０との温度差を低減させることができる。その結果、燃料電池スタック２０における温度分布の発生を抑制することができる。なお、燃料ガス配管５０のうち、燃料電池セルスタック２０と接触する部位の表面は、絶縁処理を施していることが好ましい。 Therefore, as shown in FIGS. 10A and 10B, the fuel gas pipe 50 may be bent and contact the fuel cell stack 20. In this case, heat exchange is performed between the fuel cell stack 20 and the fuel gas flowing through the fuel gas pipe 50. Thereby, the fuel gas is heated. As a result, the temperature difference between the manifold 40 and the fuel cell stack 20 can be reduced. As a result, generation of temperature distribution in the fuel cell stack 20 can be suppressed. In addition, it is preferable that the surface of the site | part which contacts the fuel cell stack 20 among the fuel gas piping 50 has performed the insulation process.

（例２）
図１１は、本発明の他の例である燃料電池モジュール１００ａの全体構成を説明するための断面図である。図１２は、高熱伝導部材８０および後述する保炎板８０ａを抜粋して示す斜視図である。図１１に示すように、燃料電池モジュール１００ａが図５の燃料電池モジュール１００と異なる点は、高熱伝導部材８２と保炎部材８１とからなる保炎板８０ａを備えている点である。図１１および図１２に示すように、保炎板８０ａは、燃料電池スタック２０と改質器３０との間の燃焼部７０に配置された保炎部材８１と、燃料電池スタック２０の側部からマニホールド４０の下部まで設けられた高熱伝導部材８２とを備える。 (Example 2)
FIG. 11 is a cross-sectional view for explaining the overall configuration of a fuel cell module 100a which is another example of the present invention. FIG. 12 is a perspective view showing the high heat conductive member 80 and a flame holding plate 80a described later. As shown in FIG. 11, the fuel cell module 100 a is different from the fuel cell module 100 of FIG. 5 in that a flame holding plate 80 a including a high heat conducting member 82 and a flame holding member 81 is provided. As shown in FIGS. 11 and 12, the flame holding plate 80 a is formed from the flame holding member 81 disposed in the combustion unit 70 between the fuel cell stack 20 and the reformer 30, and the side of the fuel cell stack 20. And a high heat conduction member 82 provided to the lower part of the manifold 40.

また、図１２に示すように、保炎部材８１には、保炎用の孔８３が複数形成されている。燃料オフガスの燃焼によって生じる炎は、孔８３において保炎される。それにより、保炎部材８１は、燃料オフガスの燃焼によって加熱される。高熱伝導部材８２が保炎部材８１に接合されていることから、高熱伝導部材８２に燃料オフガスの燃焼熱が効率よく伝導する。この場合、燃料オフガスの燃焼熱が燃料電池スタック２０の下方に効率よく伝導する。その結果、燃料電池スタック２０の上下方向における温度分布を抑制することができる。また、保炎部材８１を設けることによって、燃料オフガスの燃焼炎が安定化する。それにより、エミッションを抑制することができる。 Further, as shown in FIG. 12, the flame holding member 81 has a plurality of flame holding holes 83 formed therein. The flame generated by the combustion of the fuel off gas is held in the holes 83. Thereby, the flame holding member 81 is heated by the combustion of the fuel off gas. Since the high heat conduction member 82 is joined to the flame holding member 81, the combustion heat of the fuel off gas is efficiently conducted to the high heat conduction member 82. In this case, the combustion heat of the fuel off gas is efficiently conducted below the fuel cell stack 20. As a result, the temperature distribution in the vertical direction of the fuel cell stack 20 can be suppressed. Further, by providing the flame holding member 81, the combustion flame of the fuel off gas is stabilized. Thereby, emission can be suppressed.

なお、上記各例においては、高熱伝導部材は燃料電池セル１０の各部材の熱伝導度の平均値よりも高い熱伝導度を有していたが、それに限られない。例えば、燃料電池セル１０において、部材によっては高い熱伝導度を有しているものも含まれる。したがって、高熱伝導部材は、燃料電池セル１０の中で最も高い熱伝導度よりもさらに高い熱伝導度を有していることが好ましい。この場合、燃料電池スタック２０における温度分布をより抑制することができる。 In each of the above examples, the high thermal conductivity member has a thermal conductivity higher than the average thermal conductivity of each member of the fuel cell 10, but is not limited thereto. For example, in the fuel cell 10, some members have high thermal conductivity. Therefore, it is preferable that the high thermal conductivity member has a higher thermal conductivity than the highest thermal conductivity among the fuel cells 10. In this case, the temperature distribution in the fuel cell stack 20 can be further suppressed.

また、上記各例においては２個の燃料電池スタック２０が配置されているが、１個であってもよく３個以上であってもよい。 In each of the above examples, two fuel cell stacks 20 are disposed, but may be one or three or more.

１０燃料電池セル
２０燃料電池スタック
３０改質器
４０マニホールド
５０燃料ガス配管
６０ケーシング
７０燃焼部
８０，８２高熱伝導部材
８０ａ保炎板
８１保炎部材
１００燃料電池モジュール DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Fuel cell 20 Fuel cell stack 30 Reformer 40 Manifold 50 Fuel gas piping 60 Casing 70 Combustion part 80,82 High heat conduction member 80a Flame holding plate 81 Flame holding member 100 Fuel cell module

Claims

In the casing,
A fuel cell stack formed by stacking a plurality of fuel cells that generate power using fuel gas and oxidant gas, and connected to a first end of each fuel cell of the fuel cell stack; A fuel cell stack device comprising a manifold for supplying fuel gas;
While preventing a short circuit with the fuel cell, the side end of the stacked fuel cell and the manifold are in contact with each other and have a thermal conductivity higher than the thermal conductivity of the fuel cell. A fuel cell module comprising: a high heat conductive member.

The second end of each fuel battery cell is provided with a combustion section for joining the fuel off-gas and the oxidant off-gas that have not been used for power generation of the fuel battery cell to burn the fuel off-gas. The fuel cell module according to claim 1.

3. A reformer for generating a reformed gas containing hydrogen by a reforming reaction between a hydrocarbon fuel and reformed water is disposed above the combustion section. Fuel cell module.

A fuel gas pipe connecting the outlet of the reformer and the inlet of the manifold;
The fuel cell module according to claim 3, wherein the fuel gas pipe includes a contact portion that is bent and contacts the fuel cell stack.

A flame holding member for holding a flame in the combustion section is provided between the fuel cell stack and the reformer, and the flame holding member and the high heat conduction member are joined. The fuel cell module according to claim 3 or 4 .

The fuel cell module according to any one of claims 1 to 5, wherein a cross-sectional area of the high thermal conductivity member increases from a second end to a first end of the fuel cell.

The fuel cell module according to claim 1, wherein the high heat conductive member is provided intermittently in a stacking direction of the fuel cells constituting the fuel cell stack. .

A plurality of the high thermal conductivity members are provided,
The fuel cell module according to any one of claims 1 to 7, wherein the fuel cell module is provided more on the center side than on the end side in the stacking direction of the fuel cells constituting the fuel cell stack.

9. The high heat conductive member according to claim 1, wherein the high thermal conductive member is a plate or a porous body made of an insulating ceramic, or a metal, an alloy, or a conductive ceramic whose surface is insulated. The fuel cell module according to any one of the above.

The fuel cell module according to claim 1, wherein the fuel cell is a solid oxide fuel cell.