JP6110181B2 - 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、収納容器内にセルスタック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マニホールドに固定し、それを収納容器内に収納してなる燃料電池モジュールが種々提案されている。

こ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なるセルスタックを収納してなるものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

ところで、発電に伴いセルスタックに熱が生じるが、その発電により生じた熱はセルスタックから放熱されるため、その放熱を抑制すべく、セルスタックを挟むように断熱部材が配置されている。

また、上記特許文献１では、起動の短時間化、または、発電時における燃料電池セルの温度維持のため、燃料電池セルの上方で発電に用いられなかった余剰の燃料ガスを燃焼させている。

特開２００７−５９３７７号公報

しかしながら、燃料電池セルの上方で燃料ガスを燃焼させた場合、燃料電池セルの上端部は高い温度となるが、下端部は温度が低下しやすいため、セルスタックの上下で温度差があった。

本発明は、セルスタックにおける均熱化を図ることができ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、柱状の燃料電池セルを複数個立設してなるセルスタックと、前記燃料電池セルの配列方向に沿って前記セルスタックの側面と対向するように並設された断熱部材とを収納容器に収納してなり、前記断熱部材は、前記セルスタックと対向する側面に凹部を有するとともに、該凹部に発熱体を収容してなり、前記燃料電池セルの下端部に酸素含有ガスを供給するための酸素含有ガス供給体が、前記燃料電池セルの長さ方向に沿って設けられ、前記発熱体には前記セルスタックと対向する放熱体が設けられており、前記発熱体と前記放熱体とで形成された空間内を、前記酸素含有ガス供給体が通過していることを特徴とする。

本発明の燃料電池装置は、上記した燃料電池モジュールを外装ケース内に収納してなることを特徴とする。

本発明の燃料電池モジュールでは、断熱部材のセルスタックと対向する側面に凹部を有しており、この凹部に発熱体を収容したので、セルスタックの側方から、セルスタックの温度の低い部分を発熱体で加熱することができ、セルスタックにおける均熱化を図ること
ができる。それにより、燃料電池装置の長期信頼性を図ることができる。

燃料電池モジュールの一形態を示す外観斜視図である。 燃料電池モジュールを示す断面図である。 （ａ）は断熱部材の斜視図、（ｂ）は断熱部材とセルスタックとの位置関係を示す側面図である。 （ａ）は断熱部材と発熱体との位置関係を示す側面図、（ｂ）は（ａ）の縦断面図、（ｃ）は発熱体を示す斜視図である。 一列のセルスタックを有する燃料電池モジュールを示す断面図である。 （ａ）は発熱体と放熱体とで形成される空間に、酸素含有ガス供給体が挿入されている状態を示す縦断面図、（ｂ）は発熱体に放熱体が取り付けられている状態を示す斜視図である。 燃料電池装置を示す斜視図である。

図１は、本発明の燃料電池モジュール（以下、モジュールという場合がある）の一形態を示す外観斜視図である。なお、異なる図中の同一の構成要素については、同一の符号を付与するものとする。

モジュール１は、直方体状の収納容器２の内部に、内部をガスが流通するガス流路を有する燃料電池セル３を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の下端部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２列のセルスタック５を収納して構成されている。また、図１においては、燃料電池セル３として、燃料電池セル３の内部に長さ方向ｙに設けられたガス流路を燃料ガスが流れる中空平板型で、支持基板の表面に、燃料側電極、固体電解質及び酸素側電極を順に設けてなる固体酸化物形燃料電池セル３を例示している。

また、燃料電池セル３にて使用する水素含有ガスを得るために、天然ガスや灯油等の燃料を改質して燃料ガス（水素含有ガス）を生成するためのＵ字状の改質器６をセルスタック５の上方に配置している。そして、改質器６で生成された燃料ガスは、ガス流通管７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。これにより、セルスタック装置８が構成されている。燃料電池セル３のガス流路に供給され、発電に使用されなかった余剰の燃料ガスは、燃料電池セル３の上方に放出され、燃料電池セル３の外側に供給される酸素含有ガス（空気）と反応して燃焼する。

なお、図１においては、収納容器２の一部（前後面）を取り外し、内部に収納されているセルスタック装置８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８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、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９と外壁１０を有する二重構造で、外壁１０により収納容器２の外枠が形成されるとともに、内壁９によりセルスタック５（セルスタック装置８）を収納する発電室１１が形成されている。

さらにモジュール１においては、内壁９と外壁１０との間を、燃料電池セル３に導入する反応ガスの流路としており、例えば、燃料電池セル３に導入する酸素含有ガス等の反応
ガスが流れる。モジュール１の側面に位置する内壁９と外壁１０との間には、反応ガス流路の一部を仕切る複数の仕切部材９ａが配置されており、反応ガスがジグザグに流れ、排ガスとの熱交換効率を高めるように構成されている。

ここで内壁９には、内壁９の上面からセルスタック５の側面の側方にまで延び、セルスタック５を構成する燃料電池セル３の配列方向ｘにおける長さに対応し、内壁９と外壁１０とで形成される流路につながって、セルスタック５に反応ガスを導入するための板状の反応ガス導入部材１２が備えられている。また、反応ガス導入部材１２の下端部側（燃料電池セル３の下端部側）の両側には、燃料電池セル３の下端部に反応ガスを供給するための吹出口１３が設けられている。

なお、図２において、酸素含有ガス供給体１２は、互いに所定間隔を空けて並設された一対の板部材により酸素含有ガス供給体を形成し、下端部に底部材を接合して形成されている。また、図２においては、酸素含有ガス供給体１２は、収納容器２の内部に並置された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。なお、酸素含有ガス供給体１２は、収納されるセルスタック５の数により、例えばセルスタック５を２つの酸素含有ガス供給体１２で挟み込むように配置してもよい。

そして、酸素含有ガス供給体１２の内部に、温度センサ１４の測温部１５が位置するよう、温度センサ１４が収納容器２の上面側より挿入されている。なお、温度センサ１４としては、例えば熱電対を用いることができる。

ここで、燃料電池セル３は所定の温度範囲で運転されるため、発電室１１内（好ましくはセルスタック５もしくはその近傍）の温度を測定するとともに、その温度管理を行なうことが必要となる。特に燃料電池セル３が、固体酸化物形の燃料電池セル３の場合においては、その運転温度が非常に高く、燃料電池セル３（セルスタック５）の温度が過度に上昇すると発電量が低下し、さらには劣化や熱応力により燃料電池セル３（セルスタック５）に破損等を生じるおそれがあるため、セルスタック５近傍の温度を効果的に測定するとともに、その温度管理を行なうことが特に必要となる。それゆえ、温度センサ１４は、測温部１５がセルスタック５の最も高い温度となる中央部側（セルスタック５を構成する燃料電池セル３の配列方向ｘの中央部で、かつ燃料電池セル３の長さ（上下）方向ｙにおける中央部に位置する部位）を測定できるように配置することが好ましい。

また発電室１１内には、モジュール１内の熱が極端に放熱され、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にするために、モジュール１内の温度を高温に維持するための断熱部材１６が適宜設けられている。なお、断熱部材１６としては、絶縁性であり、かつ断熱効果を有しているものを使用することができる。

ここで、燃料電池セル３（セルスタック５）の温度を高温に維持すべく、断熱部材１６をセルスタック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ｘに沿ってセルスタック５の側面側に並設するとともに、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部材１６を並設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。なお、セルスタック５の側面の外形と同等とは、セルスタック５を構成する燃料電池セル３の配列方向ｘにおける長さの９０％以上で、かつ燃料電池セル３の長さ方向ｙにおける長さの９０％以上の長さとすることが好ましい。以降の説明においても同様である。

また、セルスタック５の側面側に、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部材１６を設けることにより、酸素含有ガス供給体１２より供給されるガスが、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の外周の反応ガスの流れを促進することができる。

また、内壁９により形成される底面（内部底面）および燃料電池セル３の配列方向ｘに沿って形成された側面（内部側面）に対して所定間隔を空けて併設された排ガス用内壁１７により排ガス流路が形成され、さらに収納容器２の底部に設けられた排気孔１８と排ガス流路が通じている。モジュール１の側面に位置する排ガス流路には、排ガス流路の一部を仕切るように複数の仕切部材１７ａが設けられており、排ガスがジグザグに流れ、酸素含有ガスとの熱交換効率を高めるように構成されている。

それにより、モジュール１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、排ガス流路を流れた後、排気孔１８より排気される構成となっている。

なお、排気孔１８は収納容器２の底（底面）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。また、符号１９は、マニホールド４の下面に配置された容器側断熱材である。

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ｘの両端部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ｘの中央部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全体として配列方向ｘの中央部の温度が高く、両端部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。

また、一方で、熱は下方から上方に移動し、上部にこもりやすいため、また、余剰の燃料ガスがセルスタック５の上方で燃焼し、さらに、酸素含有ガス供給体１２により比較的低温の酸素含有ガスがセルスタック５の下端部に供給されるため、燃料電池セル３の長さ方向（上下方向）ｙの上端部は高温となり、下端部は低温となる傾向にある。

本形態では、セルスタック５の側面と対向するように配置された断熱部材１６において、セルスタック５と対向する側面に凹部２０が複数形成されており、これらの凹部２０には発熱体２１が収容されている。

断熱部材１６のセルスタック５側の面には、図３に示すように、４つの直方体状の凹部２０が燃料電池セル３の配列方向ｘに沿って延びており、凹部２０は、断熱部材１６の両側に所定間隔をおいて２つ配置され、さらに、断熱部材１６の中央部および下端部にそれぞれ２つずつ形成されている。

すなわち、断熱部材１６の凹部２０とセルスタック５との位置関係は、図３（ｂ）に示すように、セルスタック５の側面に対向しており、燃料電池セル３の配列方向ｘの両端部であり、かつ燃料電池セル３の長さ方向ｙの中央部および下端側に位置するように、凹部２０が形成されている。これにより、凹部２０内の発熱体２１により、主に、配列方向ｘの両端部に位置するセルスタック５であって、長さ方向ｙの中央部および下端側に位置するセルスタック５の部分を加熱できるように構成されている。

発熱体２１は、図４に示すように、例えば、金属ブロック２１ａ内にヒータ２１ｂを内蔵して構成されており、金属ブロック２１ａ内には、さらに、例えば、熱電対からなる温度センサ２２が内蔵されている。金属ブロック２１ａは、耐熱性合金から形成することができる。

発熱体２１は、発熱体２１の温度を温度センサ２２で検出し、この温度センサ２２の検出温度に基づき、それぞれの発熱体２１のヒータ２１ｂを制御装置でＯＮ、ＯＦＦできる
ように構成されている。長さ方向ｙの中央部および下端側に位置する発熱体２１の温度は、それぞれ別個に制御可能とされている。発熱体２１の制御は、例えば、外気温度、発電出力に基づいて行うことができる。例えば、外気温度が低い場合には、起動時にヒータ２１ｂのＯＮのタイミングを早めることにより、起動時間を短縮できる。また、要求負荷電力が低い場合にはヒータ２１ｂをＯＦＦとし、要求負荷電力が高くなる場合にはヒータ２１ｂをＯＮとすることにより、安定した発電が可能となる。

以上のような燃料電池モジュールでは、断熱部材１６のセルスタック５側の面に凹部２０を有しており、この凹部２０に発熱体２１を収容したので、セルスタック５の側面を発熱体２１で加熱することができ、温度の低いセルスタック５の下端部を発熱体２１で加熱することができ、セルスタック５の燃料電池セル３の長さ方向ｙにおける均熱化を図ることができるとともに、発熱体２１を断熱部材１６の凹部２０内に収容したので、燃料電池モジュール１の小型化を促進できる。また、断熱部材１６をセルスタック５の側面に当接でき、断熱部材１６の凹部２０の発熱体２１により加熱できる。

また、上記形態では、燃料電池セル３の配列方向ｘの両端部に位置する断熱部材１６に凹部２０を形成し、この凹部２０内に発熱体２１を収容したので、配列方向ｘにおけるセルスタック５の均熱化を図ることができる。

なお、本発明では、温度の低い、セルスタック５の下端部、または、セルスタックの配列方向ｘの両端部のいずれかを加熱するように、断熱部材１６に凹部２０を形成しても良いことは勿論である。

図５は、マニホールド４に１つのセルスタック５が設けられており、このセルスタック５の両側からセルスタック５を挟むように２つの酸素含有ガス供給体１２が配置されている。このような燃料電池モジュール１であっても、上記形態と同様の効果を有する。

そして、図５のように、酸素含有ガス供給体１２が断熱部材１６に近接して設けられている場合、図６に示すように、金属ブロック２１ａに、金属ブロック２１ａとの間に空間を形成するように帯状の放熱体２３の両端部を固定し、金属ブロック２１ａと放熱体２３との間の空間を、酸素含有ガス供給体１２が通るように構成することができる。放熱体２３は耐熱性合金から形成することができる。

この場合には、金属ブロック２１ａと放熱体２３とで酸素含有ガス供給体１２を挟むため、酸素含有ガス供給体１２を通過する酸素含有ガスを加熱でき、セルスタック５の下端部を酸素含有ガスで加熱できるとともに、放熱体２３がセルスタック５の側面に近接されるため、発熱体２１から放熱体２３に伝導した熱が放熱体２３からセルスタック５の下端部に向けて放熱され、セルスタック５の下端部を加熱でき、より均熱化を図ることができる。

なお、金属ブロック２１ａに放熱体２３を固定した図６の構造は、１つのスタック５に有するモジュール１に限定されるものではなく、２つ以上のセルスタック５を有する燃料電池モジュール１であっても良いことは勿論である。

図７は、外装ケース内に図２で示した燃料電池モジュール１と、燃料電池セルスタック装置８を動作させるための補機とを収納してなる燃料電池装置の一例を示す分解斜視図である。なお、図７においては一部構成を省略して示している。

図７に示す燃料電池装置は、支柱２４と外装板２５と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燃料電池モジュール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においては、モジュール１におけるセルスタック５の均熱化を図ることができるとともに、発熱体２１を断熱部材１６の凹部２０内に収容したので、モジュール１の小型化を促進できるため、燃料電池装置の長期信頼性を図ることができるとともに、小型化を向上することができる。

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、燃料電池セル３の長さ方向ｙにおける中央部および下端側に位置するように発熱体２１を設けたが、上端部および下端側に位置するように発熱体２１を設けても良い。また、燃料電池セルの形状についても中空平板型に限定されるものではなく、円筒型であっても良い。さらに、上記形態では、発熱体２１を断熱部材１６の両側に所定間隔をおいて２つ設けたが、発熱体２１は、配列方向ｘに延びる１本で構成しても良い。

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
１２：酸素含有ガス供給体
１６：断熱部材
２０：凹部
２１：発熱体
２３：放熱体
ｘ：燃料電池セルの配列方向
ｙ：燃料電池セルの長さ方向

Claims (4)

1. 柱状の燃料電池セルを複数個立設してなるセルスタックと、前記燃料電池セルの配列方向に沿って前記セルスタックの側面と対向するように並設された断熱部材とを収納容器に収納してなり、前記断熱部材は、前記セルスタックと対向する側面に凹部を有するとともに、該凹部に発熱体を収容してなり、前記燃料電池セルの下端部に酸素含有ガスを供給するための酸素含有ガス供給体が、前記燃料電池セルの長さ方向に沿って設けられ、前記発熱体には前記セルスタックと対向する放熱体が設けられており、前記発熱体と前記放熱体とで形成された空間内を、前記酸素含有ガス供給体が通過していることを特徴とする燃料電池モジュール。
2. 前記凹部は前記燃料電池セルの配列方向に沿って延びており、前記凹部内の前記発熱体が、前記燃料電池セルの配列方向に沿って延び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. 前記発熱体が、燃料電池セルの長さ方向に所定間隔をおいて複数設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池モジュール。
4. 請求項１乃至３のうちいずれかに記載の燃料電池モジュール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。

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