JP6154197B2 - 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、複数の燃料電池セルを具備す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の発電室内に、複数の燃料電池セルを電気的に直列に接続してなるセルスタックを収納したものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

ところで、燃料電池セルの発電に伴い、熱が生じるが、発電により生じた熱はセルスタックから外部に放熱されるため、その放熱を抑制すべく、セルスタックの外側には断熱部材が配置されている。

燃料電池セルは、内部に長さ方向に延びる燃料ガス通路を有しており、発電は、燃料ガス通路に燃料ガスを、セルスタックを構成する燃料電池セル間に酸素含有ガスを供給することで行われる。

特開２００７−５９３７７号公報

しかしながら、隣接する燃料電池セル間に供給された酸素含有ガスは、燃料電池セル間の狭い空間から、燃料電池セル間以外の広い空間に流れやすく、このため、酸素含有ガスが燃料電池セルで利用される割合が小さく、大量の酸素含有ガスを供給する必要があった。そして、一般に低温の酸素含有ガスを燃料電池セルに大量に供給することにより、セルスタック温度が低下し、発電性能が低下する傾向にあった。

本発明は、発電性能を向上できる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、長さ方向に延びる第１ガスの流路を内部に有する柱状の複数の燃料電池セルを、該燃料電池セル間を第２ガスが流れるように所定間隔をおいて複数個配列し、隣接する前記燃料電池セル同士を電気的に接続してなるセルスタックと、該セルスタックの周囲に配置された断熱部材と、前記燃料電池セルの配列方向と平行な前記セルスタックの両側面にそれぞれ当接配置された絶縁性封止板とを具備するとともに、該絶縁性封止板のうち少なくとも一方が、前記断熱部材よりも高い熱伝導率を有す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は、隣接する燃料電池セルおよび絶縁性封止板で挟まれた空間が第２ガスの流路となり、第２ガスは燃料電池セル間を燃料電池セルの長さ方向に強制的に流れることになり、燃料電池セルにおける第２ガスの利用率を向上でき、発電に使用する第２ガス量を低減できるとともに、第２ガスは燃料電池セルおよび絶縁性封止板に沿って流れるため、発電により温度の高くなった燃料電池セルの熱が、燃料電池セルに接触している高熱伝導性の絶縁性封止板に伝導し、この絶縁性封止板の熱が第２ガスに伝導し、第２ガス温度を高くでき、セルスタックが低温となることを抑制し、これにより、発電効率を高めることができる。

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縦断面図である。 図２のａ−ａ線に沿った断面図である。 絶縁性封止板の配置状態を示すもので、（ａ）はセルスタック装置の側面図、（ｂ）は絶縁性封止板を示す側面図、（ｃ）はセルスタック装置の側面に絶縁性封止板を配置した状態を示す側面図である。 セルスタック集合体の両端に、断熱材料である絶縁性封止板が配置され、セルスタックの第２ガス供給板側には、高熱伝導性の絶縁性封止板を配置した燃料電池モジュールの形態を示す外観斜視図である。 セルスタックの第２ガス供給板側には、第２ガス供給板との間に隙間が形成されるように高熱伝導性の絶縁性封止板を配置した燃料電池モジュールの形態を示す外観斜視図である。 （ａ）４個のセルスタックを有するセルスタック装置を示す平面図、（ｂ）は４個のセルスタックを有する燃料電池モジュールを示す縦断面模式図である。 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、内部を第１ガスが流通する第１ガス流路を有する燃料電池セル３を立設させた状態で一列に配列し、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してなる２つのセルスタック５を収納して構成されている。燃料電池セル３の下端部は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に固定されている。２つのセルスタック５のそれぞれの両端には引出部５ａが接続され、一方側の引出部５ａ同士は連結部材５ｂで連結され、セルスタック５が電気的に直列に接続されている。

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に設けられた第１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がセルスタック５の上方に配置されている。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
られた第１ガス流路に供給される。これにより、セルスタック装置８が構成される。燃料電池セル３の第１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の上方に放出される。余剰の燃料ガスは、燃料電池セル３の外部に供給された酸素含有ガス（空気）と反応させ燃焼させることができる。

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の縦断面図である。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に導入する第２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、第２ガスの流路の一部を仕切る複数の仕切部材（図示せず）が配置されており、第２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に第２ガス（酸素含有ガス）を導入するための第２ガス供給板１２が備えられている。また、第２ガス供給板１２の下端部側（燃料電池セル３の下端部側）には、燃料電池セル３に第２ガスを導入するための吹出口１３が設けられている。

なお図２において、第２ガス供給板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第２ガス流路を形成し、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、第２ガス供給板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（セルスタック装置８）間に位置するように配置されている。２つのセルスタック５はセルスタック集合体を構成している。なお、第２ガス供給板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つの第２ガス供給板１２で挟み込むように配置してもよい。

第２ガス供給板１２の内部には、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内のセルスタック５の周囲には、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材料からなる断熱部材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、かつ断熱効果を有するものを使用することができる。例えば、アルミナ系、シリカ系、アルミナシリカ系材料からなる。断熱部材は熱の遮断および保温のために用いられるため、その熱伝導率はなるべく低く設定されており、例えば、０．０５Ｗ／ｍ・Ｋ以下とされている。

ここで、燃料電池セル３（セルスタック５）の温度を高温で維持すべく、図３に示すように、４枚の板状の断熱部材１６がセルスタック装置８を囲むように配置されている。また、セルスタック５間に、これらのセルスタック５に側面に当接し、かつ、第２ガス供給板１２と当接する断熱材１６ａが配置されており、これにより、セルスタック５間から、第２ガスが漏出することを抑制できる。図３では、燃料電池セル３の一部の記載を省略した。なお、符号３ａは、第１ガス流路を示している。

そして、燃料電池セル３の配列方向ｘと平行なセルスタック５の両側面には、図２〜図４に示すように、それぞれ絶縁性封止板２０が当接配置されており、この絶縁性封止板２０は、燃料電池セル３間に第２ガスを封入して、この第２ガスを燃料電池セル３間を長さ方向に確実に流す機能を有している。

絶縁性封止板２０の下端とセルスタック５のマニホールド４の上面との間には隙間が存在しており、第２ガス供給板１２の下端部に形成された吹出口１３から吹き出された第２ガスが、上記隙間から各燃料電池セル３間に供給され、この燃料電池セル３間に供給され第２ガスは、燃料電池セル３間と絶縁性封止板２０とで囲まれた空間を強制的に長さ方向ｙに流されるように構成されている。また、絶縁性封止板２０の上端は、セルスタック５の上端よりも低い位置となっている。

絶縁性封止板２０は、断熱部材１６よりも熱伝導率が高いもので、０．１Ｗ／ｍ・Ｋ以上、特には、０．５Ｗ／ｍ・Ｋ以上とされている。絶縁性封止板２０は、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している。絶縁性封止板２０は断熱材料と異なる、例えば、耐火材（三井金属鉱業社製 Ｓ１２：熱伝導率０．８Ｗ／ｍ・Ｋ、またはＭ１２８９：熱伝導率２．０Ｗ／ｍ・Ｋ）を用いることができる。

絶縁性封止板２０は、例えば、ムライト質(３Ａｌ_２Ｏ_３・２ＳｉＯ_２)、ジルコニア質（ＺｒＯ_２）、炭化ケイ素質（ＳｉＣ）からなるもので、絶縁性封止板２０は第２ガスの封止性を向上すべく、第２ガスが漏出しないように緻密質であることが望ましい。

絶縁性封止板２０は、第２ガスが燃料電池セル３間から絶縁性封止板２０の継ぎ目を介して漏出することを抑制すべく、一枚板からなることが望ましい。

このようなモジュールでは、燃料電池セル３間および絶縁性封止板２０で挟まれた空間が第２ガスの流路となり、第２ガスは燃料電池セル３間を長さ方向ｙに強制的に流されることになり、燃料電池セル３における第２ガスの利用率を向上でき、低温の第２ガスを少量燃料電池セルに供給すれば発電に利用されるガス量を満足するとともに、第２ガスは燃料電池セル３および絶縁性封止板２０に沿って流れるため、発電により温度の高くなった燃料電池セル３の熱が、燃料電池セル３に接触している高熱伝導性の絶縁性封止板２０に伝導し、この絶縁性封止板２０の熱が第２ガスに伝導し、第２ガス温度を高くでき、セルスタック５が低温となることを抑制し、これにより、発電効率を高めることができる。

例えば、負荷追従運転する場合に、夜中等においては発電量が少なくなるため、セルスタック５の温度が低下する傾向があるが、上記形態では、セルスタック５の低温化を抑制でき、発電効率を高めることができる。

さらに、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、セルスタック５において、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、第２ガス供給板１２より比較的低温の第２ガス（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。

これに対して、上記形態では、燃料電池セル３の熱が高熱伝導性の絶縁性封止板２０に伝導するため、温度の高い燃料電池セル３から絶縁性封止板２０に熱が伝導し、この絶縁性封止板２０に伝導した熱が第２ガスに伝導し、もしくは温度の低い燃料電池セル３へ伝導し、セルスタック５の配列方向ｘにおける温度分布を低減でき、また燃料電池セル３の上部の熱が、絶縁性封止板２０を介して第２ガス、もしくは燃料電池セル３の下部に伝導し、これにより燃料電池セル３の上下方向における温度分布を低減できる。

なお、１個のセルスタック５を収納容器２内に収納してモジュールを構成しても良い。

また、図２に示すように、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（図示せず）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２５は、セルスタック５の底面に配置された断熱部材である。

図５は、モジュールの他の形態を示すもので、この形態では、２つのセルスタック５からなるセルスタック集合体を有している。２つのセルスタック５は、図２と同様に、セルスタック５の側面同士が対向するように、かつ燃料電池セル３の配列方向ｘが平行になるように、配列されている。２列のセルスタック５間には、第２ガスを長さ方向ｙに供給するための中空の第２ガス供給板１２が配置され、この第２ガス供給板１２と２つのセルスタック５の側面との間には、断熱部材ではない、高熱伝導性の絶縁性封止板２０が当接配置されている。

一方、セルスタック集合体の両端、言い換えれば、セルスタック５の収納容器２側の側面には、断熱部材である絶縁性封止板２０が当接配置されている。なお、図５では、図２の断熱部材１６が、絶縁封止板２０を兼ねている。断熱部材１６とは別個に、断熱部材からなる絶縁封止板２０を、セルスタック５の収納容器２側の側面に当接配置しても良い。

このようなモジュールでは、図２〜４の形態と同様の効果を得ることができるが、さらに、断熱部材からなる絶縁性封止板２０がセルスタック５の収納容器側の面に当接しているため、セルスタック５からの放熱を抑制できる。

図６は、モジュールのさらに他の形態を示すもので、この形態では、２つのセルスタック５からなるセルスタック集合体を有しており、２つのセルスタック５は、セルスタック５の側面同士が対向するように、かつ燃料電池セル３の配列方向ｘが平行になるように、配列されている。２列のセルスタック５間には、第２ガスを長さ方向ｙに供給するための中空の第２ガス供給板１２が配置され、この第２ガス供給板１２と２つのセルスタック５の側面との間には、断熱部材ではない、高熱伝導性の絶縁性封止板２０が配置され、絶縁性封止板２０は、第２ガス供給板１２と所定間隔を置いて配置されている。そして、第２ガスが、第２ガス供給板１２と絶縁性封止板２０との間から漏出することを防止するため、絶縁性封止板２０と第２ガス供給板１２との間の上下端の空間には、断熱部材からなる封止体２１が配置されている。

一方、セルスタック集合体の両端、言い換えれば、セルスタック５の収納容器２側の側面には、断熱部材である絶縁性封止板２０が当接配置されている。なお、図６では、図２の断熱部材１６が、絶縁封止板２０を兼ねている。断熱部材１６とは別個に、断熱部材からなる絶縁封止板２０を、セルスタック５の収納容器２側の側面に当接配置しても良い。

このようなモジュールでも、上記図５の形態と同様の効果を得ることができる。

図７は、モジュールのさらに他の形態を示すもので、この形態では、４つのセルスタック５からなるセルスタック集合体を有しており、４つのセルスタック５は、セルスタック５の側面同士が対向するように、かつ燃料電池セル３の配列方向ｘが平行になるように、配列されている。

言い換えれば、２つのセルスタック５の下端部がマニホールド４に固定されたセルスタック装置８が２つ収納容器２内に収容されている。

２つのセルスタック５間には、第２ガスを長さ方向ｙに供給するための中空の第２ガス供給板１２が配置され、この第２ガス供給板１２と２つのセルスタック５の側面との間には、断熱部材ではない、高熱伝導性の絶縁性封止板２０が当接配置されている。セルスタック集合体の両端、言い換えれば、セルスタック５の収納容器２側の側面には、断熱部材からなる絶縁性封止板２０が当接配置されている。

このようなモジュールでも、上記図２〜４の形態と同様の効果を得ることができる。

図８は、外装ケース内に燃料電池モジュール１と、燃料電池モジュール１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８においては一部構成を省略して示している。

図８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では、上述したようなモジュールを外装ケース内に収納することにより、セルスタック全体としての温度低下を抑制でき、発電効率を向上した燃料電池装置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、燃料電池セルを、支持基板の表面に酸素側電極、固体電解質及び燃料側電極を順に設けた場合には、燃料電池セルの内部に設けられたガス流路に酸素含有ガスを流通させ、第２ガス供給板より燃料ガスを導入することもできる。

また、燃料電池セル３の形状としては、平板型、円筒型、中空平板型等のいずれであっても良い。燃料電池セル３（セルスタック５）の発電を効率よく行なう上で、中空平板型の燃料電池セルとすることが好ましい。

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：第２ガス供給板
１６、１６ａ：断熱部材
２０：絶縁性封止板

Claims (6)

1. 長さ方向に延びる第１ガスの流路を内部に有する柱状の複数の燃料電池セルを、該燃料電池セル間を第２ガスが流れるように所定間隔をおいて複数個配列し、隣接する前記燃料電池セル同士を電気的に接続してなるセルスタックと、該セルスタックの周囲に配置された断熱部材と、前記燃料電池セルの配列方向と平行な前記セルスタックの両側面にそれぞれ当接配置された絶縁性封止板とを具備するとともに、該絶縁性封止板のうち少なくとも一方が、前記断熱部材よりも高い熱伝導率を有することを特徴とする燃料電池モジュール。
2. 前記絶縁性封止板が０．１Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率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. 複数の前記セルスタックからなるセルスタック集合体を有するとともに、隣接する前記セルスタックの側面同士が対向するように、かつ前記燃料電池セルの配列方向が平行になるように、前記複数のセルスタックが配列さ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. 前記第２ガスを前記長さ方向に供給するための中空の第２ガス供給板を、前記燃料電池セルの配列方向と平行となるように、隣接する前記セルスタック間に具備するとともに、前記絶縁性封止板が、前記セルスタックと前記第２ガス供給板との間に配置されていることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池モジュール。
5. 前記セルスタック集合体における前記セルスタックの配列方向の両端には、前記断熱部材である前記絶縁性封止板が配置されていることを特徴とする請求項３または４に記載の燃料電池モジュール。
6. 請求項１乃至５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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