JP6277113B2 - 燃料電池モジュール - Google Patents

Description

本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する平板状の固体酸化物形燃料電池を備え、複数の前記固体酸化物形燃料電池が積層された平板積層型燃料電池スタックを備える燃料電池モジュールに関する。

通常、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）は、固体電解質に酸化物イオン導電体、例えば、安定化ジルコニアを用いている。固体電解質の両側にアノード電極とカソード電極とを配設した電解質・電極接合体（以下、ＭＥＡともいう）は、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持されている。固体酸化物形燃料電池は、通常、電解質・電極接合体とセパレータとが所定数だけ積層された燃料電池スタックとして使用されている。

固体酸化物形燃料電池では、その作動温度が非常に高温（例えば８００℃〜１０００℃程度）であることから、発電と同時に高温の熱が排出されている。この高温の排熱を有効利用することにより、エネルギ効率を向上させることを課題として、例えば、特許文献１に開示されている固体酸化物形燃料電池システムが提案されている。

この固体酸化物形燃料電池システムでは、バーナ部、蒸気発生部及び熱発電部を備えている。バーナ部は、固体酸化物形燃料電池から排気通路に排出された排気に燃料を混合して燃焼可能である。蒸気発生部は、排気通路に配置された蒸発管内に液体を供給して蒸気消費部に供給される蒸気を発生させている。熱発電部は、蒸発管の外表面に熱電変換材料を設け、排気と前記蒸発管との温度差を利用して発電を行っている。

従って、熱発電部では、固体酸化物形燃料電池から排出された比較的高温の排気と蒸気発生部に供給される比較的低温の液体との温度差を利用して、熱電変換材料のゼーベック効果により発電を行うことができる。そして、この発電電力を、例えば、固体酸化物形燃料電池の発電電力に加えて電力消費部に供給して利用する、又は、別の用途に利用することができる、としている。

ところで、燃料電池から出力される直流電圧は、例えば、ＤＣ／ＤＣコンバータに供給されて昇圧され、又は、パワーコンディショナー（以下、パワコンという）に供給されて交流に変換されている。このため、通常、燃料電池の出力端子にバスバーが電気的に接続されるとともに、前記バスバーは、所望の制御機器に電気的に接続されて電力を送電している。

この種の技術として、例えば、特許文献２に開示されている燃料電池システムの電気接続構造が知られている。この電気接続構造では、燃料電池から延出する出力側端子と、電圧変換装置から延出する入力側端子と、前記出力側端子及び前記入力側端子間を電気接続する編組フレキシブルバスバーとを含んでいる。そして、燃料電池の出力側端子と電圧変換装置の入力側端子とは、互いに離間するが端子延出方向に関してだけ見れば重なる部分が存在する位置関係に配置されている。

従って、編組フレキシブルバスバーは、曲げやねじりに対する柔軟性に優れている。これにより、上記のような位置関係で離間して配置された出力側端子及び入力側端子間に位置誤差が生じた場合でも、その位置誤差を簡単に吸収して両端子間の電気接続作業を容易に行うことができる、としている。

特開２００７−０４２４３７号公報 特開２０１０−２７２４５８号公報

一般的に、固体酸化物形燃料電池では、チューブ状の燃料電池（以下、チューブＦＣという）の他、平板状の燃料電池（以下、平板ＦＣという）が採用されている。平板ＦＣは、チューブＦＣに比べて低電圧高電流の電力が出力されている。このため、出力端子は、燃料電池の熱による影響を受けて高温になり易く、制御機器に至るまでに所望の温度に冷却させる必要がある。このため、出力端子に接続されているバスバーを相当に長尺化させることにより、放熱を促進させる等の対応策が施されている。

しかしながら、上記の特許文献１では、バスバーを良好に冷却する工夫が開示されておらず、前記バスバーが不要に長尺化するという問題がある。さらに、上記の特許文献２では、編組フレキシブルバスバーを採用しているが、この編組フレキシブルバスバーが不要に長尺化してしまう。従って、システム全体のコンパクト化が容易に遂行されないという問題がある。

本発明は、この種の問題を解決するものであり、バスバーが不要に長尺化することがなく、コンパクトな構成で、前記バスバーを良好に冷却することが可能な燃料電池モジュールを提供することを目的とする。

本発明には、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する平板状の固体酸化物形燃料電池を備え、複数の前記固体酸化物形燃料電池が積層された平板積層型の燃料電池スタックを備える燃料電池モジュールに関するものである。

この燃料電池モジュールは、燃料電池スタックにより発電された電力を外部に出力するとともに、前記燃料電池スタックの外部に突出する出力端子とを備えている。出力端子には、燃料電池スタックの外部に延在する放熱機能を有する長方形状バスバーが、電気的に接続されるとともに、前記燃料電池スタックには、前記長方形状バスバーを覆ってカバー部が設けられている。

そして、長方形状バスバーは、長手方向一端が出力端子に電気的に接続される一方、長手方向他端から外部に前記電力を送電している。カバー部の内部には、燃料電池スタックから離間するカバー部表面側の内部最外方位置に、冷却機構が配置されている。

また、冷却機構は、カバー部の内部に配置され、冷却風を重力方向下方から上方に向けて流通させる冷風流路と、前記冷風流路に前記冷却風を送風させる冷却ファンと、を備えることが好ましい。このため、冷却風により長方形状バスバーを良好に冷却することができ、前記長方形状バスバーが不要に長尺化することがなく、該長方形状バスバーの小型化が容易に遂行可能になる。

さらに、冷却機構は、カバー部の内部に配置され、冷却水を重力方向上方から下方に向けて流通させる冷水流路を備えるとともに、前記冷水流路は、循環流路を形成することが好ましい。従って、冷却水により長方形状バスバーを良好に冷却することができ、前記長方形状バスバーの小型化が容易に遂行可能になる。

さらにまた、冷却機構は、カバー部の内部に配置され、冷却風を重力方向下方から上方に向けて流通させる冷風流路と、前記カバー部の内部に配置され、冷却水を重力方向上方から下方に向けて流通させる冷水流路と、を備えることが好ましい。これにより、冷却風及び冷却水により長方形状バスバーを一層良好に冷却することができ、前記長方形状バスバーの小型化が容易に遂行可能になる。

また、この燃料電池モジュールでは、冷却機構と長方形状バスバーとの間には、該冷却機構側と該長方形状バスバー側との温度差により発電する熱電変換素子が配設されることが好ましい。このため、熱電変換素子による長方形状バスバーからの遮熱効果が得られるとともに、前記長方形状バスバーを良好に冷却することができる。従って、長方形状バスバーの小型化が容易に遂行される。

しかも、熱の有効利用が図られるため、燃料電池モジュールとしての発電効率の向上が可能になる一方、冷却機構による温度差の拡大がなされるため、熱電変換素子の発電効率の向上が容易に図られる。

さらに、本発明に係る燃料電池モジュールでは、平板積層型の燃料電池スタックにより発電された電力を外部に出力するとともに、前記燃料電池スタックの外部に突出する出力端子を備えている。出力端子には、バスバーの一端が電気的に接続される一方、前記バスバーの他端から外部に電力が送電されている。

燃料電池スタックには、バスバーを覆ってカバー部が設けられている。そして、カバー部とバスバーとの間には、該カバー部側と該バスバー側との温度差により発電する熱電変換素子が配置されている。

さらにまた、カバー部の内部には、燃料電池モジュールから離間するカバー部表面側の内部最外方位置に、冷却機構が配置されることが好ましい。その際、冷却機構は、カバー部の内部に配置され、冷却風を重力方向下方から上方に向けて流通させる冷風流路と、前記冷風流路に前記冷却風を送風させる冷却ファンと、を備えることが好ましい。これにより、冷却風により長方形状バスバーを良好に冷却することができ、前記長方形状バスバーの小型化が容易に遂行可能になる。

また、この燃料電池モジュールでは、熱電変換素子から発生した電力を、冷却ファンを運転させる電力として使用させる電力線を備えることが好ましい。このため、燃料電池モジュールの運転が停止されている時にも、熱電変換素子から供給される電力により冷却ファンを運転させることができる。従って、電力の消費が良好に削減されるとともに、スイッチ等の削除によるコストダウンが図られる。

さらに、この燃料電池モジュールでは、熱電変換素子とバスバーとの間には、高熱伝導性及び絶縁性を有する基板が配設されることが好ましい。これにより、熱電変換素子とバスバーとが通電することを阻止するとともに、前記熱電変換素子と前記バスバーとを接触配置させることが可能になり、小型化が図られる。しかも、基板は、高熱伝導性を有するため、熱電変換素子の発電効率が有効に向上する。

さらにまた、この燃料電池モジュールでは、基板は、窒化アルミニウムにより形成されることが好ましい。このため、基板の材料として、所望の高熱伝導性及び絶縁性を確実に有することができる。

また、冷却機構は、カバー部の内部に配置され、冷却水を重力方向上方から下方に向けて流通させる冷水流路を備えることが好ましい。従って、冷却風の他に冷却水により長方形状バスバーを良好に冷却することができ、前記長方形状バスバーの小型化が容易に遂行可能になる。

さらに、本発明に係る燃料電池モジュールでは、平板積層型の燃料電池スタックにより発電された電力を外部に出力するとともに、前記燃料電池スタックの外部に突出する出力端子を備えている。出力端子には、燃料電池スタックの外部に延在する放熱機能を有する長方形状バスバーが、電気的に接続されるとともに、前記燃料電池スタックには、前記長方形状バスバーを覆ってカバー部が設けられている。カバー部の内部には、冷却機構が配置されている。

そして、長方形状バスバーの長辺側の側面に対向し且つ該長方形状バスバーから離間して、第１熱電変換素子及び第１基板の順に配置されている。長方形状バスバーの裏面には、燃料電池スタックが配置される一方、前記長方形状バスバーの表面には、該表面に接触して第２基板が配置され、前記第２基板には、第２熱電変換素子及び第３基板の順に積層されている。

さらにまた、この燃料電池モジュールでは、第１基板は、絶縁基板であり、前記第２基板は、高熱伝導性を有する絶縁基板であり、前記第３基板は、絶縁基板であることが好ましい。これにより、良好な絶縁性を確保するとともに、熱電変換素子の発電効率の向上が図られる。

また、この燃料電池モジュールでは、カバー部の内部には、前記カバー部のカバー部表面側の内部最外方位置と第１基板及び第３基板との間に位置して冷却機構が配設されることが好ましい。このため、長方形状バスバーを良好に冷却することができ、前記長方形状バスバーの小型化が容易に遂行可能になる。

本発明によれば、燃料電池スタックの外部に突出する出力端子に、長方形状バスバーが電気的に接続されるとともに、前記長方形状バスバーを覆ってカバー部が設けられている。このため、長方形状バスバーから良好に放熱される一方、カバー部により前記長方形状バスバーの落下を阻止することができる。

しかも、カバー部の内部には、燃料電池スタックから離間するカバー部表面側の内部最外方位置に、冷却機構が配置されている。従って、長方形状バスバーを良好に冷却することができ、前記長方形状バスバーが不要に長尺化されることがなく、該長方形状バスバーの小型化が容易に遂行可能になる。

また、本発明によれば、カバー部とバスバーとの間には、該カバー部側と該バスバー側との温度差により発電する熱電変換素子が配置されている。これにより、熱電変換素子によるバスバーからの遮熱効果が得られるとともに、前記バスバーを有効に冷却することができる。このため、バスバーは、不要に長尺化されることがなく、前記バスバーの小型化が容易に遂行される。

さらに、本発明によれば、長方形状バスバーの長辺側の側面に対向し且つ該長方形状バスバーから離間して、第１熱電変換素子及び第１基板の順に配置されている。従って、長方形状バスバーの側面からの熱を効率的に熱電変換することが可能になるとともに、外部への通電を防止することができる。

しかも、長方形状バスバーの表面には、該表面に接触して第２基板が配置され、前記第２基板には、第２熱電変換素子及び第３基板の順に積層されている。これにより、長方形状バスバーの表面からの熱を効率的に熱電変換することが可能になるとともに、コンパクトな構成で、外部への通電を確実に防止することができる。

本発明の第１の実施形態に係る燃料電池モジュールの概略斜視説明図である。 前記燃料電池モジュールの要部断面側面図である。 前記燃料電池モジュールの要部分解斜視説明図である。 前記燃料電池モジュールの要部斜視説明図である。 前記燃料電池モジュールを構成する熱電変換素子の原理説明図である。 前記燃料電池モジュールを構成する冷却機構の斜視説明図である。 前記燃料電池モジュールが組み込まれる燃料電池システムの起動時の概略説明図である。 前記燃料電池システムの定格運転時の概略説明図である。 前記燃料電池システムの停止時の概略説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池モジュールの要部斜視説明図である。 本発明の第３の実施形態に係る燃料電池モジュールの要部斜視説明図である。

図１に示すように、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池モジュール１０は、定置用や車載用の他、可搬用等の種々の用途に用いられる。

燃料電池モジュール１０は、平板積層型の燃料電池スタック１２を備える。燃料電池スタック１２は、燃料ガス（水素ガスにメタン、一酸化炭素が混合した気体）と酸化剤ガス（空気）との電気化学反応により発電する平板状の複数の固体酸化物形燃料電池１４が積層される。固体酸化物形燃料電池１４は、例えば、安定化ジルコニア等の酸化物イオン導電体で構成される電解質１６の両面に、カソード電極１８とアノード電極２０とが設けられた電解質・電極接合体（ＭＥＡ）２２を備える。

電解質・電極接合体２２の両側には、カソードセパレータ２４とアノードセパレータ２６とが配設される。カソードセパレータ２４には、カソード電極１８に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路２８が形成されるとともに、アノードセパレータ２６には、アノード電極２０に燃料ガスを供給する燃料ガス流路３０が形成される。なお、固体酸化物形燃料電池１４としては、従来より使用されている種々の平板状のＳＯＦＣを用いることができる。

燃料電池スタック１２には、前記燃料電池スタック１２の外部に突出する出力端子３２ａ、３２ｂが設けられる。出力端子３２ａ、３２ｂは、平板形状を有し、それぞれの途上で略９０゜だけ屈曲された略Ｌ字状に形成される。出力端子３２ａは、例えば、直流プラス端子であり、出力端子３２ｂは、直流マイナス端子であり、積層された固体酸化物形燃料電池１４の積層方向両端から延在する。

出力端子３２ａ、３２ｂには、燃料電池スタック１２の外部に延在する放熱機能を有する長方形状バスバー３４ａ、３４ｂの長手方向一端が、電気的に接続される。長方形状バスバー３４ａ、３４ｂの長手方向一端と出力端子３２ａ、３２ｂとは、ボルト締めされる。長方形状バスバー３４ａ、３４ｂの長手方向他端には、配線３６ａ、３６ｂの一端がボルト締めされるとともに、前記配線３６ａ、３６ｂの他端は、後述するパワコン７４に電気的に接続されて電力を送電する。

図１及び図２に示すように、燃料電池スタック１２には、長方形状バスバー３４ａ、３４ｂを覆ってカバー部３８が設けられる。カバー部３８は、矩形状の筐体で構成され、前記カバー部３８の内部には、燃料電池スタック１２から離間するカバー部表面３８ｆ側の内部最外方位置に冷却機構４０が配置される。

図２〜図４に示すように、カバー部３８は、燃料電池スタック１２に対向する面が開口されるとともに、下部内壁３８ｄ及び上部内壁３８ｕにより内側空間４２ａと外側空間４２ｂとが形成される。図２に示すように、下部内壁３８ｄは、水平方向に延在する底部３８ｄｈと、前記底部３８ｄｈの内方端部から鉛直上方向に延在する垂直部３８ｄｖとを有する。上部内壁３８ｕは、水平方向に延在する天井部３８ｕｈと、前記天井部３８ｕｈの内方端部から鉛直下方向に延在する垂直部３８ｕｖとを有する。垂直部３８ｄｖと垂直部３８ｕｖとは、互いに離間して終端する。

長方形状バスバー３４ａ、３４ｂの長辺側の側面に対向し（すなわち上下両側に位置し）且つ該長方形状バスバー３４ａ、３４ｂから離間して、それぞれ第１熱電変換素子４４ａ及び第１基板４６ａの順に配置される。第１熱電変換素子４４ａは、ゼーベック効果を利用して高温領域と低温領域との温度差から熱エネルギを電気エネルギに直接変換する。図５に示すように、第１熱電変換素子４４ａは、ｎ型半導体素子４８ｎとｐ型半導体素子４８ｐとが交互に並列されるとともに、導体５０を介して互いに電気的に直列に接続される。

第１基板４６ａは、絶縁性を有する材料、より好ましくは、高熱伝導性を有する材料（高熱伝導性を有する絶縁基板）、例えば、窒化アルミニウムにより形成される。第１基板４６ａには、第１熱電変換素子４４ａが接続される面に導通パターン５２ａが形成される。下方の第１基板４６ａの長手方向一端（配線３６ａ、３６ｂ側）には、出力コネクタ５４ａが設けられ、前記出力コネクタ５４ａには、上下両方の導通パターン５２ａが接続される。図２に示すように、下方の第１基板４６ａは、複数本のねじ５６を介して下部内壁３８ｄの底部３８ｄｈに水平姿勢で固定される。上方の第１基板４６ａは、複数本のねじ５６を介して上部内壁３８ｕの天井部３８ｕｈに水平姿勢で固定される。

長方形状バスバー３４ａ、３４ｂの裏面には、燃料電池スタック１２が配置される。長方形状バスバー３４ａ、３４ｂの表面には、該表面に接触して第２基板４６ｂが配置され、前記第２基板４６ｂには、第２熱電変換素子４４ｂ及び第３基板４６ｃの順に積層される。

第２基板４６ｂは、導通パターンを有さない平板状を有する。第３基板４６ｃは、上記の第１基板４６ａと同様に構成されており、同一の構成要素には、同一の参照数字にｃを付して、その詳細な説明は省略する。第２基板４６ｂは、高熱伝導性を有する絶縁基板であり、第３基板４６ｃは、絶縁基板、より好ましくは、高熱伝導性を有する絶縁基板である。

第２基板４６ｂは、複数本のねじ５６を介して第２熱電変換素子４４ｂに固定されるとともに、第３基板４６ｃは、複数本のねじ５６を介して下部内壁３８ｄの垂直部３８ｄｖ及び上部内壁３８ｕの垂直部３８ｕｖに鉛直姿勢で固定される。第３基板４６ｃは、内側空間４２ａと外側空間４２ｂとを仕切るとともに、前記外側空間４２ｂに直接晒されている。

図４に示すように、カバー部３８の一方の短辺（側面）には、配線３６ａ、３６ｂを外部に導出させる開口部５８ａ、出力コネクタ５４ａを外部に導出させる開口部５８ｂ、及び出力コネクタ５４ｃを外部に導出させる開口部５８ｃが形成される。

図２及び図６に示すように、冷却機構４０は、カバー部３８の内部に配置され、冷却風を重力方向下方から上方に向けて流通させる冷風流路６０と、前記冷風流路６０に前記冷却風を送風させる冷却ファン６２（図７参照）とを備える。冷風流路６０は、外側空間４２ｂにより形成される。カバー部３８の下部には、空気取り入れ口６４ａが形成されるとともに、前記カバー部３８の上部には、空気取り出し口６４ｂが形成される。

冷却機構４０は、カバー部３８の内部に配置され、冷却水を重力方向上方から下方に向けて流通させる冷水配管（冷水流路）６６を備える。冷水配管６６は、外側空間４２ｂに配置され、水平方向に折り返す蛇行流路を構成する。冷水配管６６の入口６６ａは、カバー部３８の上部に、空気取り出し口６４ｂに近接して設けられる。冷水配管６６の出口６６ｂは、カバー部３８の下部に、空気取り入れ口６４ａに近接して設けられる。図６に示すように、冷水流路は、循環流路６８を形成する。

図７に示すように、燃料電池モジュール１０は、燃料電池システム７０に組み込まれる。燃料電池モジュール１０は、制御ユニット７２により運転制御されるとともに、前記制御ユニット７２には、パワコン（パワーコンディショナー）７４から電力が供給される。制御ユニット７２から循環ポンプ７６に電力が供給されることにより、循環流路６８に冷却水が循環される。循環流路６８には、循環ポンプ７６の下流に位置して、熱交換器７８及び貯湯タンク７９が配設される。パワコン７４には、系統電源８０から交流電力が供給可能である。

冷却ファン６２は、出力コネクタ５４ｃに接続される一方、パワコン用冷却ファン８２は、出力コネクタ５４ａに接続される。配線３６ａ、３６ｂは、パワコン７４に接続される。冷却ファン６２は、電力線８４ａを介して第２熱電変換素子４４ｂからの電力により駆動される一方、パワコン用冷却ファン８２は、電力線８４ｂを介して第１熱電変換素子４４ａからの電力により駆動される。

このように構成される燃料電池モジュール１０の動作について、燃料電池システム７０との関連で、以下に説明する。

燃料電池モジュール１０の起動時には、図７に示すように、系統電源８０からパワコン７４に交流電力が供給され、制御ユニット７２及び循環ポンプ７６を含む各種機器（補機）に電力が分配される。このため、図１に示すように、酸化剤ガス流路２８には、酸化剤ガスである空気が供給される一方、燃料ガス流路３０には、例えば、都市ガス（ＣＨ₄、Ｃ₂Ｈ₆、Ｃ₃Ｈ₈、Ｃ₄Ｈ₁₀を含む）等の原燃料が改質された改質ガス（燃料ガス）が供給される。

従って、燃料電池スタック１２が昇温され、定格発電が開始されると、図８に示すように、系統電源８０からの電力供給が停止される。補機電力は、燃料電池スタック１２のみから分配供給される。その際、循環ポンプ７６の駆動作用下に循環流路６８の貯湯タンク７９に冷却水が循環されている。冷却水は、図２及び図６に示すように、冷水配管６６に沿って水平方向に蛇行しながら重力方向上方から下方に流通し、外側空間４２ｂを冷却する。これにより、第１基板４６ａ及び第３基板４６ｃは、低温側に維持されている。

一方、燃料電池スタック１２が昇温されることにより、前記燃料電池スタック１２の出力端子３２ａ、３２ｂに接続されている長方形状バスバー３４ａ、３４ｂが高温になっている。このため、第２熱電変換素子４４ｂでは、図５に示すように、相当に大きな温度差が発生し、ゼーベック効果により電気エネルギが得られている。また、第１熱電変換素子４４ａでは、同様に相当に大きな温度差により、電気エネルギが得られている。

従って、第２熱電変換素子４４ｂに電力線８４ａを介して電気的に接続されている冷却ファン６２と第１熱電変換素子４４ａに電力線８４ｂを介して電気的に接続されているパワコン用冷却ファン８２とには、電力が供給され、それぞれ駆動される。パワコン用冷却ファン８２の駆動により、パワコン７４が冷却されている。

一方、冷却ファン６２の駆動により、冷風流路６０に冷却風が強制的に流通する。これにより、外側空間４２ｂが冷却されて低温に維持され、第１熱電変換素子４４ａ及び第２熱電変換素子４４ｂに大きな電力が発生する。

また、燃料電池モジュール１０の停止時には、図９に示すように、電力の供給は、燃料電池スタック１２から系統電源８０に変更される。そして、燃料電池スタック１２が冷却されるまでの間、冷却ファン６２及びパワコン用冷却ファン８２は、第２熱電変換素子４４ｂ及び第１熱電変換素子４４ａから供給される電力により駆動される。

さらにまた、停電時には、系統電源８０から燃料電池モジュール１０への電力供給が停止される。このため、実質的には、図８に示す定格運転時と同様に、燃料電池スタック１２からの電力により運転制御される。

この場合、第１の実施形態では、燃料電池スタック１２の外部に突出する出力端子３２ａ、３２ｂに、長方形状バスバー３４ａ、３４ｂが電気的に接続されている。そして、長方形状バスバー３４ａ、３４ｂを覆ってカバー部３８が設けられている。従って、長方形状バスバー３４ａ、３４ｂから良好に放熱される一方、カバー部３８により前記長方形状バスバー３４ａ、３４ｂの落下を阻止することができる。

しかも、カバー部３８の内部には、燃料電池スタック１２から離間するカバー部表面３８ｆ側の内部最外方位置に、冷却機構４０が配置されている。これにより、長方形状バスバー３４ａ、３４ｂを良好に冷却することができ、前記長方形状バスバー３４ａ、３４ｂが不要に長尺化されることがなく、該長方形状バスバー３４ａ、３４ｂの小型化が容易に遂行可能になる。

また、冷却機構４０は、カバー部３８の内部（外側空間４２ｂ）に配置され、冷却風を重力方向下方から上方に向けて流通させる冷風流路６０と、前記冷風流路６０に前記冷却風を送風させる冷却ファン６２とを備えている。このため、冷却風により長方形状バスバー３４ａ、３４ｂを良好に冷却することができ、前記長方形状バスバー３４ａ、３４ｂの小型化が容易に遂行可能になる。

さらに、冷却機構４０は、カバー部３８の内部に配置され、冷却水を重力方向上方から下方に向けて流通させる冷水配管６６を備えるとともに、前記冷水配管６６は、循環流路６８を形成している。従って、冷却水により長方形状バスバー３４ａ、３４ｂを良好に冷却することができ、前記長方形状バスバー３４ａ、３４ｂの小型化が容易に遂行可能になる。

さらにまた、冷却機構４０は、カバー部３８の内部に配置される冷風流路６０及び冷水配管６６を備えている。これにより、冷却風及び冷却水を介して長方形状バスバー３４ａ、３４ｂを一層良好に冷却することができ、前記長方形状バスバー３４ａ、３４ｂの小型化が容易に遂行可能になる。

また、第１の実施形態では、カバー部３８と長方形状バスバー３４ａ、３４ｂとの間には、該カバー部３８側と該長方形状バスバー３４ａ、３４ｂ側との温度差により発電する第１熱電変換素子４４ａ及び第２熱電変換素子４４ｂが配置されている。このため、第１熱電変換素子４４ａ及び第２熱電変換素子４４ｂによる長方形状バスバー３４ａ、３４ｂからの遮熱効果が得られるとともに、前記長方形状バスバー３４ａ、３４ｂを冷却することができる。

従って、長方形状バスバー３４ａ、３４ｂは、不要に長尺化されることがなく、前記長方形状バスバー３４ａ、３４ｂの小型化が容易に遂行される。なお、長方形状バスバー３４ａ、３４ｂに代えて短尺な矩形状バスバー等を用いてもよい。

しかも、熱の有効利用が図られるため、燃料電池モジュール１０としての発電効率の向上が可能になる。一方、冷却機構４０による温度差の拡大がなされるため、第１熱電変換素子４４ａ及び第２熱電変換素子４４ｂの発電効率の向上が図られる。

さらに、第１の実施形態では、長方形状バスバー３４ａ、３４ｂの長辺側の側面に対向し且つ該長方形状バスバー３４ａ、３４ｂから離間して、第１熱電変換素子４４ａ及び第１基板４６ａの順に配置されている。これにより、長方形状バスバー３４ａ、３４ｂの側面からの熱を効率的に熱電変換することが可能になるとともに、外部への通電を防止することができる。

しかも、長方形状バスバー３４ａ、３４ｂの表面には、該表面に接触して第２基板４６ｂが配置され、前記第２基板４６ｂには、第２熱電変換素子４４ｂ及び第３基板４６ｃの順に積層されている。このため、長方形状バスバー３４ａ、３４ｂの表面からの熱を効率的に熱電変換することが可能になるとともに、コンパクトな構成で、外部への通電を確実に防止することができる。

さらにまた、第１熱電変換素子４４ａ及び第２熱電変換素子４４ｂから発生した電力を、パワコン用冷却ファン８２及び冷却ファン６２を運転させる電力として使用させる制御ユニット７２を備えている。従って、燃料電池モジュール１０の運転が停止されている時にも、第１熱電変換素子４４ａ及び第２熱電変換素子４４ｂから供給される電力によりパワコン用冷却ファン８２及び冷却ファン６２を運転させることができる。これにより、電力の消費が良好に削減されるとともに、スイッチ等の削除によるコストダウンが図られる。

また、図２及び図３に示すように、第２熱電変換素子４４ｂと長方形状バスバー３４ａ、３４ｂとの間には、高熱伝導性及び絶縁性を有する第２基板４６ｂが配設されている。このため、第２熱電変換素子４４ｂと長方形状バスバー３４ａ、３４ｂとが通電することを阻止するとともに、前記第２熱電変換素子４４ｂと前記長方形状バスバー３４ａ、３４ｂとを接触配置させることが可能になり、小型化が図られる。しかも、第２基板４６ｂは、高熱伝導性を有するため、第２熱電変換素子４４ｂの発電効率が有効に向上する。

さらに、第２基板４６ｂは、窒化アルミニウムにより形成されている。従って、第２基板４６ｂの材料として、所望の高熱伝導性及び絶縁性を確実に有することができる。なお、第１基板４６ａ及び第３基板４６ｃは、上記の第２基板４６ｂと同様の効果が得られる。

図１０は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池モジュール９０の要部斜視説明図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池モジュール１０と同一の構成要素には、同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。また、以下に説明する第３の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。

燃料電池モジュール９０では、燃料電池スタック１２には、長方形状バスバー３４ａ、３４ｂを覆ってカバー部９２が設けられる。カバー部９２の内部には、冷却機構９４が配置される。冷却機構９４は、冷却水を重力方向上方から下方に向けて流通させる冷水配管６６を備える一方、冷風流路を設けておらず、水冷のみの冷却機能を有する。

図１１は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池モジュール１００の要部斜視説明図である。

燃料電池モジュール１００では、燃料電池スタック１２には、長方形状バスバー３４ａ、３４ｂを覆ってカバー部１０２が設けられる。カバー部１０２の内部には、冷却機構１０４が配置される。冷却機構１０４は、冷却風を重力方向下方から上方に向けて流通させる冷風流路６０と、前記冷風流路６０に前記冷却風を送風させる冷却ファン（図示せず）とを備える。冷却機構１０４は、冷却水を重力方向上方から下方に向けて流通させる冷水配管を設けておらず、空冷のみの冷却機能を有する。

このように構成される第２及び第３の実施形態では、水冷のみの冷却機構９４及び空冷のみの冷却機構１０４を備えている他、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。

１０、９０、１００…燃料電池モジュール
１２…燃料電池スタック １４…固体酸化物形燃料電池
１６…電解質 １８…カソード電極
２０…アノード電極 ２２…電解質・電極接合体
２４…カソードセパレータ ２６…アノードセパレータ
２８…酸化剤ガス流路 ３０…燃料ガス流路
３２ａ、３２ｂ…出力端子 ３４ａ、３４ｂ…長方形状バスバー
３６ａ、３６ｂ…配線 ３８、９２、１０２…カバー部
４０、９４、１０４…冷却機構 ４２ａ…内側空間
４２ｂ…外側空間 ４４ａ、４４ｂ…熱電変換素子
４６ａ〜４６ｃ…基板 ６０…冷風流路
６２…冷却ファン ６４ａ…空気取り入れ口
６４ｂ…空気取り出し口 ６６…冷水配管
６８…循環流路 ７０…燃料電池システム
７２…制御ユニット ７４…パワコン
８０…系統電源 ８２…パワコン用冷却ファン

Claims (13)

1. 燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する平板状の固体酸化物形燃料電池を備え、複数の前記固体酸化物形燃料電池が積層された平板積層型の燃料電池スタックを備える燃料電池モジュールであって、
   前記燃料電池スタックにより発電された電力を外部に出力するとともに、前記燃料電池スタックの外部に突出する出力端子と、
   前記出力端子に電気的に接続され、前記燃料電池スタックの外部に延在する放熱機能を有する長方形状バスバーと、
   前記長方形状バスバーを覆って前記燃料電池スタックに設けられるカバー部と、
   を備え、
   前記長方形状バスバーは、長手方向一端が前記出力端子に電気的に接続される一方、長手方向他端から外部に前記電力を送電するとともに、
   前記カバー部の内部には、前記燃料電池スタックから離間するカバー部表面側の内部最外方位置に、冷却機構が配置されることを特徴とする燃料電池モジュール。
2. 請求項１記載の燃料電池モジュールにおいて、前記冷却機構は、前記カバー部の内部に配置され、冷却風を重力方向下方から上方に向けて流通させる冷風流路と、
   前記冷風流路に前記冷却風を送風させる冷却ファンと、
   を備え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２記載の燃料電池モジュールにおいて、前記冷却機構は、前記カバー部の内部に配置され、冷却水を重力方向上方から下方に向けて流通させる冷水流路を備えるとともに、
   前記冷水流路は、循環流路を形成することを特徴とする燃料電池モジュール。
4. 請求項１記載の燃料電池モジュールにおいて、前記冷却機構は、前記カバー部の内部に配置され、冷却風を重力方向下方から上方に向けて流通させる冷風流路と、
   前記カバー部の内部に配置され、冷却水を重力方向上方から下方に向けて流通させる冷水流路と、
   を備えることを特徴とする燃料電池モジュール。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池モジュールにおいて、前記冷却機構と前記長方形状バスバーとの間には、該冷却機構側と該長方形状バスバー側との温度差により発電する熱電変換素子が配設されることを特徴とする燃料電池モジュール。
6. 燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する平板状の固体酸化物形燃料電池を備え、複数の前記固体酸化物形燃料電池が積層された平板積層型の燃料電池スタックを備える燃料電池モジュールであって、
   前記燃料電池スタックにより発電された電力を外部に出力するとともに、前記燃料電池スタックの外部に突出する出力端子と、
   一端が前記出力端子に電気的に接続される一方、他端から外部に前記電力を送電するバスバーと、
   前記バスバーを覆って前記燃料電池スタックに設けられるカバー部と、
   前記カバー部と前記バスバーとの間に配置され、該カバー部側と該バスバー側との温度差により発電する熱電変換素子と、
   を備えることを特徴とする燃料電池モジュール。
7. 請求項６記載の燃料電池モジュールにおいて、前記カバー部の内部には、前記燃料電池モジュールから離間するカバー部表面側の内部最外方位置に、冷却機構が配置されるとともに、
   前記冷却機構は、前記カバー部の内部に配置され、冷却風を重力方向下方から上方に向けて流通させる冷風流路と、
   前記冷風流路に前記冷却風を送風させる冷却ファンと、
   を備えることを特徴とする燃料電池モジュール。
8. 請求項７記載の燃料電池モジュールにおいて、前記熱電変換素子から発生した電力を、前記冷却ファンを運転させる電力として使用させる電力線を備えることを特徴とする燃料電池モジュール。
9. 請求項６〜８のいずれか１項に記載の燃料電池モジュールにおいて、前記熱電変換素子と前記バスバーとの間には、高熱伝導性及び絶縁性を有する基板が配設されることを特徴とする燃料電池モジュール。
10. 請求項９記載の燃料電池モジュールにおいて、前記基板は、窒化アルミニウムにより形成されることを特徴とする燃料電池モジュール。
11. 請求項７記載の燃料電池モジュールにおいて、前記冷却機構は、前記カバー部の内部に配置され、冷却水を重力方向上方から下方に向けて流通させる冷水流路を備えることを特徴とする燃料電池モジュール。
12. 燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する平板状の固体酸化物形燃料電池を備え、複数の前記固体酸化物形燃料電池が積層された平板積層型の燃料電池スタックを備える燃料電池モジュールであって、
    前記燃料電池スタックにより発電された電力を外部に出力するとともに、前記燃料電池スタックの外部に突出する出力端子と、
    一端が前記出力端子に電気的に接続される一方、他端から外部に前記電力を送電するとともに、前記燃料電池スタックの外部に延在する放熱機能を有する長方形状バスバーと、
    前記長方形状バスバーを覆って前記燃料電池スタックに設けられるとともに、内部に冷却機構が配置されるカバー部と、
    を備え、
    前記長方形状バスバーの長辺側の側面に対向し且つ該長方形状バスバーから離間して、第１熱電変換素子及び第１基板の順に配置されるとともに、
    前記長方形状バスバーの裏面には、前記燃料電池スタックが配置される一方、
    前記長方形状バスバーの表面には、該表面に接触して第２基板が配置され、前記第２基板には、第２熱電変換素子及び第３基板の順に積層され、
    且つ前記第１基板、前記第２基板及び前記第３基板が絶縁基板であることを特徴とする燃料電池モジュール。
13. 請求項１２記載の燃料電池モジュールにおいて、前記カバー部の内部には、前記カバー部のカバー部表面側の内部最外方位置と前記第１基板及び前記第３基板との間に位置して冷却機構が配設されることを特徴とする燃料電池モジュール。

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