JP6489886B2 - 燃料電池モジュール - Google Patents
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Description
A−1.構成:
(燃料電池モジュール10の構成)
図1は、燃料電池モジュール10の構成を概略的に示す説明図である。なお、図1では、燃料電池モジュール10の構成をわかりやすくするために、一部の構成が透過して示されたり、一部の構成の図示が省略されたりしている。また、図1には、方向を特定するための互いに直交するXYZ軸が示されている。本明細書では、便宜的に、Z軸正方向(後述の改質部210から燃料電池スタック100に向かう方向)を上方向と呼び、Z軸負方向を下方向と呼ぶものとするが、燃料電池モジュール10は実際にはそのような向きとは異なる向きで設置されてもよい。図2以降についても同様である。
図2から図5は、発電モジュール20の構成を概略的に示す説明図である。図2には、発電モジュール20(燃料電池スタック100)の上側の平面構成が示されており、図3には、図2のIII−IIIの位置における発電モジュール20の断面構成が示されており、図4には、図2のIV−IVの位置における発電モジュール20の断面構成が示されており、図5には、図2のV−Vの位置における発電モジュール20の断面構成が示されている。図1に示すように、発電モジュール20は、燃料電池スタック100と、燃料電池スタック100の周囲に配置された補助部200と、第1の絶縁部材600と、第2の絶縁部材700とを備える。なお、図3から図5では、補助部200の一部が省略されている。
図3から図5に示すように、燃料電池スタック100は、複数の(本実施形態では6つの)発電単位102と、熱交換部103と、一対のエンドプレート104,106とを備える。6つの発電単位102は、所定の配列方向(本実施形態では上下方向)に並べて配置されている。ただし、6つの発電単位102の内、上側に位置する3つの発電単位102は互いに隣接するように配置され、下側に位置する3つの発電単位102も互いに隣接するように配置され、上側の3つの発電単位102と下側の3つの発電単位102との間に熱交換部103が配置されている。すなわち、熱交換部103は、6つの発電単位102と熱交換部103とから構成される集合体における上下方向の中央付近に配置されている。一対のエンドプレート104,106は、6つの発電単位102と熱交換部103とから構成される集合体を上下から挟むように配置されている。なお、発電単位102は構成単位の一例であり、上記配列方向(上下方向)は第1の方向に相当する。
一対のエンドプレート104,106は、方形の平板形状の導電性部材であり、例えばステンレスにより形成されている。一方のエンドプレート104は、最も上に位置する発電単位102の上側に配置され、他方のエンドプレート106は、最も下に位置する発電単位102の下側に配置されている。一対のエンドプレート104,106によって複数の発電単位102と熱交換部103とが押圧された状態で挟持されている。上側のエンドプレート104は、燃料電池スタック100のプラス側の出力端子として機能し、下側のエンドプレート106は、燃料電池スタック100のマイナス側の出力端子として機能する。
図6および図7は、発電単位102の詳細構成を示す説明図である。図6には、図4に示す断面と同一の位置における互いに隣接する2つの発電単位102の断面構成が示されており、図7には、図5に示す断面と同一の位置における互いに隣接する2つの発電単位102の断面構成が示されている。
図8は、熱交換部103の上側の平面構成を概略的に示す説明図である。図3から図5および図8に示すように、熱交換部103は、方形の平板形状部材であり、例えば、フェライト系ステンレスにより形成されている。上述したように、熱交換部103のZ方向回りの周縁部には、ボルト22が挿入される連通孔108を構成する8つの孔が形成されている。また、熱交換部103の中央付近には、上下方向に貫通する孔182が形成されている。さらに、熱交換部103には、中央の孔182と酸化剤ガス導入マニホールド161を形成する連通孔108とを連通する連通孔184と、中央の孔182と酸化剤ガス供給マニホールド163を形成する連通孔108とを連通する連通孔186とが形成されている。熱交換部103は、熱交換部103の上側に隣接する発電単位102に含まれる下側のインターコネクタ150と、熱交換部103の下側に隣接する発電単位102に含まれる上側のインターコネクタ150とに挟持されている。これらのインターコネクタ150間において、孔182と連通孔184と連通孔186とにより形成される空間は、後述する熱交換のために酸化剤ガスOGを流す熱交換流路188として機能する。
図1に示すように、補助部200は、改質部210と、燃料熱交換部300と、酸化剤熱交換部400とを備える。
図1および図3から図5に示すように、改質部210は、燃料電池スタック100の下側に配置されており、箱形状の本体部220と、本体部220の側面に形成された4つの固定部230とを備えている。改質部210は、例えばステンレス等の金属材料により形成されている。
図9は、燃料電池モジュール10をY軸正方向側から見た背面図である。図1および図9に示すように、燃料熱交換部300は、改質水RWおよび原燃料ガスRFGから混合ガスMGを生成する混合ガス生成部310と、混合ガス生成部310によって生成された混合ガスMGを予熱する混合ガス予熱部320とを備える。混合ガス予熱部320は、燃料電池スタック100の一側面(X軸正方向側の側面 以下、第1の側面191という)側に配置されており、混合ガス生成部310は、混合ガス予熱部320の下側に配置されている。
図1および図9に示すように、酸化剤熱交換部400は、酸化剤ガスOGを予熱する第1酸化剤予熱部410と、第1酸化剤予熱部410の次に酸化剤ガスOGをさらに予熱する第2酸化剤予熱部420とを備える。第2酸化剤予熱部420は、燃料電池スタック100の内、第1の側面191とは反対側の側面(X軸負方向側の側面 以下、第2の側面192という)側に配置されており、第1酸化剤予熱部410は、第2酸化剤予熱部420の下側に配置されている。
図11は、第1の絶縁部材600の構成を概略的に示す説明図である。図11には、燃料電池スタック100と第1の絶縁部材600との対向方向から見た第1の絶縁部材600の構成が示されている。図12は、燃料電池スタック100と、第1の絶縁部材600と、混合ガス予熱部320との構成を模式的に示した図であり、第1の絶縁部材600については、図11の×II−×IIの位置における断面構成が示されている。
図1および図10に示すように、改質水RWは、改質水導入配管512から改質水導入室313に流入し、排ガス導入室314を流れる排ガスOOG,FOGの熱によって加熱されることにより気化されて水蒸気になる。水蒸気は、連通孔317を介して、原燃料ガス導入室315に流入する。一方、原燃料ガスRFG(都市ガス)は、原燃料ガス導入配管510から原燃料ガス導入室315に流入する。原燃料ガス導入室315に流入した水蒸気と原燃料ガスRFGとは互いに混ざり合い、その結果、混合ガスMGが生成される。
燃料電池スタック100の温度分布は、上下方向(発電単位102の配列方向)においてばらつくことがある。詳細には、燃料電池スタック100のエンドプレート104の上面とエンドプレート106の下面とは、燃料電池スタック100の外部に露出しているため、エンドプレート104,106と外気との間で熱交換される。即ち、発電反応によって燃料電池スタック100に発生した熱は、エンドプレート104,106から放熱され易い。従って、各エンドプレート104,106に近い発電単位102ほど、定格運転状態時の温度が低くなる。
B−1.構成:
(燃料電池モジュール10Aの構成)
図14は、第2実施形態の燃料電池モジュール10Aの構成を概略的に示す説明図であり、図15は、Y軸方向から見た燃料電池モジュール10Aの断面図であり、図16は、X軸方向から見た燃料電池モジュール10Aの断面図である。図14から図16に示す第2実施形態の燃料電池モジュール10Aの構成の内、上述した第1実施形態の燃料電池モジュール10の構成と同一構成については、同一の符号を付すことによって、その説明を省略する。
図14に示すように、発電モジュール20Aは、燃料電池スタック100Aと、燃料電池スタック100Aの周囲に配置された補助部200Aと、第1の絶縁部材600Aと、第2の絶縁部材700Aとを備える。なお、図15および図16では、補助部200の一部が省略されている。
燃料電池スタック100Aは、複数の(本実施形態では7つの)発電単位102と、一対のエンドプレート104,106とを備える。上記実施形態1の燃料電池スタック100とは異なり、燃料電池スタック100Aでは、上述した熱交換部103を備えておらず、7つの発電単位102は、所定の配列方向(本実施形態では上下方向)において互いに隣接した状態で並べて配置されている。
図14に示すように、補助部200Aは、燃料熱交換部300および酸化剤熱交換部400を備えるとともに、実施形態1の改質部210の代わりに、燃焼改質部210Aを備える。
図17は、第1の絶縁部材600Aの構成を概略的に示す説明図である。図17には、燃料電池スタック100Aと第1の絶縁部材600Aとの対向方向から見た第1の絶縁部材600Aの構成が示されている。図18は、燃料電池スタック100Aと第1の絶縁部材600Aと混合ガス予熱部320との構成を模式的に示した図であり、第1の絶縁部材600Aについては断面構成が示されている。
断熱容器30は、例えばステンレスにより形成された筐体の内側面に断熱材が配置された構成を有する。発電モジュール20が断熱容器30内に収容されることにより、発電を行う際に発電モジュール20Aが高温に維持される。
燃料電池スタック100Aの温度分布は、上下方向においてばらつくことがある。詳細には、燃料電池スタック100のエンドプレート104の上面は、燃料電池スタック100Aの外部に露出しているため、エンドプレート104と外気との間で熱交換される。即ち、発電反応によって燃料電池スタック100Aに発生した熱は、エンドプレート104から放熱され易い。従って、エンドプレート104に近い発電単位102ほど、定格運転状態時の温度が低くなる。
C−1.構成:
(燃料電池モジュール10Bの構成)
第3実施形態の燃料電池モジュールは、図示しないが、燃料電池スタック100Bが第2実施形態の燃料電池スタック100Aと同一構成であり、熱交換部を備えない点で第1実施形態の燃料電池モジュール10と異なる。また、第3実施形態の燃料電池モジュールは、第1の絶縁部材600の代わりに、第1の絶縁部材600Bが配置されている点で第1実施形態の燃料電池モジュール10と異なる。第3実施形態の燃料電池モジュールの構成の内、上述した第1実施形態の燃料電池モジュール10の構成と同一構成については、同一の符号を付すことによって、その説明を省略する。
図20は、第1の絶縁部材600Bの構成を概略的に示す説明図である。図20には、燃料電池スタック100Bと第1の絶縁部材600Bとの対向方向から見た第1の絶縁部材600Bの構成が示されている。図21は、燃料電池スタック100Bと、第1の絶縁部材600B、混合ガス予熱部320との構成を模式的に示した図であり、第1の絶縁部材600Bについては断面構成が示されている。
燃料電池スタック100Bの温度分布は、上下方向においてばらつくことがある。詳細には、燃料電池スタック100のエンドプレート104の上面およびエンドプレート106の下面は、燃料電池スタック100Bの外部に露出している。このため、エンドプレート104,106に近い発電単位102ほど、定格運転状態時の温度が低くなる。
図23に示すように、第4実施形態の燃料電池モジュールは、いわゆる筒状平板形の複数の発電単位102Cを有する燃料電池スタック100Cを備える。燃料電池スタック100Cは、互いに所定間隔をあけて並んで配置された複数の発電単位102Cを有する。複数の発電単位102Cは、隣り合う発電単位102C同士の間に配置された集電部870を介して電気的に直列に接続されている。各発電単位102Cは、扁平柱形状の外観を有し、電極支持体830と、燃料極840と、固体電解質層850と、空気極860と、インターコネクタ810とを備える。
図24に示すように、第5実施形態の燃料電池モジュールは、いわゆる円筒状の複数の発電単位102Dを有する燃料電池スタック100Dを備える。燃料電池スタック100Dは、互いに所定間隔をあけて格子状に並んで配置された複数の発電単位102Dを有する。各発電単位102Dは、その周囲に配置された導電性集積用材料層950によって電気的に接続されるとともに、絶縁性多孔体940に挟まれて一体化されている。各発電単位102Dは、筒状(チューブ形状)の部材であり、その軸中心には燃料ガスFGが流される貫通孔930が形成されている。発電単位102Dは、中心に支持体となる筒状の燃料極(内側電極)910を備えており、燃料極910の外側には薄肉の固体電解質層920が形成され、固体電解質層920の外側の一端側には、薄肉の空気極(外側電極)960が形成されている。なお、発電単位102Dおよび導電性集積用材料層950の組、発電単位102D、導電性集積用材料層950および絶縁性多孔体940の組が、構成単位の一例である。
本明細書で開示される技術は、上述の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の形態に変形することができ、例えば次のような変形も可能である。
Claims (6)
- 電解質層と、前記電解質層を挟んで互いに対向する空気極および燃料極とを含む構成単位を複数有し、複数の前記構成単位が第1の方向に並べて配置された燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックに対して、前記第1の方向に直交する方向に配置され、酸化剤ガス、燃料ガスおよび原燃料の少なくとも一つを加熱する加熱部と、
前記燃料電池スタックと前記加熱部との間に配置される絶縁部と、を備える燃料電池モジュールにおいて、
前記絶縁部は、
前記複数の構成単位の内、一部の構成単位に対向する第1の部分と、
前記複数の構成単位の内、前記第1の方向において前記一部の構成単位とは異なる位置に配置され、かつ、前記一部の構成単位よりも定格運転状態時の温度が高い他の構成単位に対向する第2の部分と、を有し、
前記第2の部分は、前記第1の部分よりも単位面積当たりの熱伝達量が大きく、
前記第1の部分と前記第2の部分とには1または複数の開口部がそれぞれ形成されており、
前記第2の部分の単位面積当たりの開口面積は、前記第1の部分の単位面積当たりの開口面積よりも大きいことを特徴とする、燃料電池モジュール。 - 請求項1に記載の燃料電池モジュールにおいて、
前記他の構成単位は、前記複数の構成単位の内、最も高い温度の前記構成単位を含み、
前記第1の部分は、前記第2の部分に隣接する位置から、前記複数の構成単位の内、前記第1の方向における末端の前記構成単位に対向する位置まで延びる部分であることを特徴とする、燃料電池モジュール。 - 請求項1に記載の燃料電池モジュールにおいて、さらに、
前記燃料電池スタックに対して、前記第1の方向に配置される発熱源と、
前記燃料電池スタックと前記絶縁部と前記加熱部と前記発熱源とを収容する断熱容器と、を備え、
前記第2の部分は、前記絶縁部の中央部分よりも前記発熱源に近い部分であることを特徴とする、燃料電池モジュール。 - 電解質層と、前記電解質層を挟んで互いに対向する空気極および燃料極とを含む構成単位を複数有し、複数の前記構成単位が第1の方向に連続して並べて配置された燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックに対して、前記第1の方向に直交する方向に配置され、酸化剤ガス、燃料ガスおよび原燃料の少なくとも一つを加熱する加熱部と、
前記燃料電池スタックと前記加熱部との間に配置される絶縁部と、を備える燃料電池モジュールにおいて、
前記絶縁部は、
前記複数の構成単位の内、前記第1の方向において端寄りに位置する一部の構成単位に対向する第1の部分と、
前記複数の構成単位の内、前記第1の方向において前記一部の構成単位よりも中央寄りに位置する他の構成単位に対向する第2の部分と、を有し、
前記第2の部分は、前記第1の部分よりも単位面積当たりの熱伝達量が大きく、
前記第1の部分と前記第2の部分とには1または複数の開口部がそれぞれ形成されており、
前記第2の部分の単位面積当たりの開口面積は、前記第1の部分の単位面積当たりの開口面積よりも大きいことを特徴とする、燃料電池モジュール。 - 電解質層と、前記電解質層を挟んで互いに対向する空気極および燃料極とを含む構成単位を複数有し、複数の前記構成単位が第1の方向に並べて配置された燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックに対して、前記第1の方向に直交する方向に配置され、酸化剤ガス、燃料ガスおよび原燃料の少なくとも一つを加熱する加熱部と、
前記燃料電池スタックと前記加熱部との間に配置される絶縁部と、
前記燃料電池スタックに対して、前記第1の方向に配置される発熱源と、
前記燃料電池スタックと前記絶縁部と前記加熱部と前記発熱源とを収容する断熱容器と、を備える燃料電池モジュールにおいて、
前記絶縁部は、
前記複数の構成単位の内、一部の構成単位に対向する第1の部分と、
前記複数の構成単位の内、前記一部の構成単位よりも前記発熱源に近い他の構成単位に対向する第2の部分と、を有し、
前記第2の部分は、前記第1の部分よりも単位面積当たりの熱伝達量が大きく、
前記第1の部分と前記第2の部分とには1または複数の開口部がそれぞれ形成されており、
前記第2の部分の単位面積当たりの開口面積は、前記第1の部分の単位面積当たりの開口面積よりも大きいことを特徴とする、燃料電池モジュール。 - 請求項1から請求項5までのいずれか一項に記載の燃料電池モジュールにおいて、
各前記構成単位は、固体酸化物形または溶融炭酸塩形の構成単位であることを特徴とする、燃料電池モジュール。
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