JP7350791B2 - 燃料電池装置 - Google Patents

Description

本願は、燃料電池装置に関する。

一般的に、燃料電池装置は、断熱ボックスおよびその内部に燃料電池スタックを含む発電設備が設置されている。燃料電池スタックは、発電を行う複数の燃料電池セルの積層体で構成され、発電のために都市ガスを改質して得た水素、および酸化剤ガス（一般に空気）が供給される。その場合、水素と酸化剤ガスはマニホールドにより供給される。

上述の燃料電池装置では、燃料電池スタックが発電を行う際に発電部分が電気化学反応によって発生した熱によって温度が上昇する。その場合、燃料電池スタックは外周端部を通して熱が放出されるため、その中央部で温度が高く、また外周端部で温度が低くなり、温度勾配が形成される。この温度勾配は、燃料電池スタックの性能および耐久性を低下させる。

上記問題の解決方法として、従来、燃料電池スタックの中央部を冷却するために、燃料電池スタックの中央部の温度が高い場所に配管を複数設置し、酸化剤ガスを冷却媒体として流して、燃料電池スタックの温度を均一するようにした技術が開示されている（例えば、下記の特許文献１参照）。

特開２００６－５４１７５号公報

しかしながら、上記記載の従来技術では、複数の配管を燃料電池スタック間に設置する必要があるため、施工費用がかかり、また、酸化剤ガスを複数の配管に分けて流すので、全体的な圧力損失が増大する。

本願は、上記のような課題を解決するための技術を開示するものであり、従来よりも施工コストの増加を抑制し、かつ、圧力損失を増大させることなく、燃料電池スタックの温度勾配を低減して、発電性能および耐久性の向上を図った燃料電池装置を提供することを目的とする。

本願に開示される燃料電池装置は、断熱ボックス内には、燃料電池セルの複数個を積層して構成される燃料電池スタックを備えるとともに、前記燃料電池スタックに対して酸化剤ガスを供給するバッフルプレートが設けられ、前記バッフルプレートには、供給口から供給される前記酸化剤ガスを整流する複数の開口部が形成される一方、前記開口部を通過する前記酸化剤ガスの流れを前記燃料電池スタックの外周部よりも中央部に集中させるガス流調整機構を有する。

本願に開示される燃料電池装置によれば、従来よりも施工コストの増加を抑制し、かつ、圧力損失を増大させることなく、燃料電池スタックの温度勾配を低減して、発電性能および耐久性の向上を図ることができる。

実施の形態１における燃料電池装置の要部を示す斜視図である。 実施の形態２における燃料電池装置の要部を示す斜視図である。 実施の形態３における燃料電池装置の要部を示す斜視図である。 実施の形態３における燃料電池装置の要部の変形例を示す斜視図である。 実施の形態４における燃料電池装置の要部を示す斜視図である。 実施の形態５における燃料電池装置の要部を示す斜視図である。 実施の形態６における燃料電池装置の要部を示す斜視図である。 実施の形態７における燃料電池装置の要部を示す斜視図である。 実施の形態８における燃料電池装置の要部を示す斜視図である。 実施の形態８における燃料電池装置の要部の変形例を示す斜視図である。 実施の形態９における燃料電池装置の要部を示す斜視図である。 実施の形態９における燃料電池装置の要部の変形例を示す斜視図である。 実施の形態における燃料電池装置の要部における変形例を示す斜視図である。

実施の形態１．
図１は、本願の実施の形態１における燃料電池装置の要部を示す斜視図である。
この実施の形態１の燃料電池装置は、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ：Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）であって、断熱ボックス１内に、燃料電池セル２の複数個を順次積層した積層体である燃料電池スタック３、および燃料電池スタック３に対して酸化剤ガスを供給するほぼ箱型のガス供給室４が設けられている。そして、このガス供給室４の燃料電池スタック３との対向面側にはバッフルプレート５が設置されている。また、ガス供給室４の下部には、酸化剤ガスの供給口６が設けられ、また、断熱ボックス１の上部には酸化剤ガスの排出口７が設けられている。なお、図において、ガス供給室４は、内部が視認しやすいように、その壁が透明になるように描いている。本実施の形態以外の図面においても同様である。

バッフルプレート５は、その中央部が燃料電池スタック３の燃料電池セル２の積層方向の中央部とほぼ同じ対向位置になるように設定されるとともに、バッフルプレート５には、酸化剤ガスを燃料電池スタック３に向けて排出する複数の長方形の開口部８が形成されている。

この場合、バッフルプレート５に設けられた複数の開口部８の内、中央部に設けられた開口部８の方が上下の端部側に設けられた開口部８よりもその開口面積が大きくなるように形成されている。すなわち、長方形の開口部８は、燃料電池セル２の積層方向（図中符合Ｙで示す方向）では同じ幅であるが、燃料電池セルの積層方向と直交する方向（図中符合Ｘで示す方向）では、中央部の開口部８の長さが最も長く、上下の端部側に向かうほど開口部８の長さが短くなるように形成されている。これにより、開口部８を通過する酸化剤ガスの流れを燃料電池スタック３の外周部よりも中央部に集中させるガス流調整機構９が構成されている。

上記構成において、供給口６からガス供給室４内に供給された酸化剤ガスは、バッフルプレート５に形成された開口部８によって整流された後、燃料電池スタック３に向けて排出される。その際、開口部８の開口面積の大きさが中央部の方が上下の端部側よりも大きくなるように形成されているので、バッフルプレート５の開口部８から排出される酸化剤ガスの流れを燃料電池スタック３の中央部に集中させることができる。

これにより、酸化剤ガスにより燃料電池スタック３の中央部に発生する高温部を効率的に冷却して、燃料電池スタック３の温度勾配を小さくすることができる。その結果、発電性能および耐久性の向上を図ることができる。

実施の形態２．
図２は、実施の形態２における燃料電池装置の要部を示す斜視図であり、実施の形態１と対応する構成部分には同一の符合を付す。
この実施の形態２の燃料電池装置は、実施の形態１と同様、バッフルプレート５には、燃料電池スタック３との対向面側に酸化剤ガスを燃料電池スタック３に向けて排出する複数の長方形の開口部８が形成されている。

この実施の形態２において実施の形態１と異なる点は、長方形の開口部８の開口面積の大きさが、中央部で最も大きく、酸化剤ガスの供給口６および酸化剤ガスの排出口７に近いほどそれぞれ次第に小さくなるように形成されていることである。

すなわち、長方形の開口部８は、燃料電池セル２の積層方向と直交する方向（図中符合Ｘで示す方向）では、その長さが中央部および上下の端部側もいずれも同じ長さであるが、燃料電池セル２の積層方向Ｙでは、上下の幅が中央部で最も大きく、酸化剤ガスの供給口６および排出口７に近付くほど、上下端部側の幅が中央部の幅よりも小さくなるように形成されている。これにより、開口部８を通過する酸化剤ガスの流れを燃料電池スタック３の外周部よりも中央部に集中させるガス流調整機構９が構成されている。
その他の構成は、実施の形態１と同様であるので、詳しい説明は省略する。

この実施の形態２によれば、酸化剤ガスを燃料電池スタック３の中央に集中させることができるので、燃料電池スタック３の冷却効果を高めることができる。さらに、燃料電池スタック３の上端部と下端部で、酸化剤ガスの流速を同一にすることができるため、燃料電池スタック３の温度勾配を小さくすることができる。その結果、発電性能と耐久性の向上を図ることができる。

実施の形態３．
図３は、実施の形態３における燃料電池装置の要部を示す斜視図であり、実施の形態１と対応する構成部分には同一の符合を付す。
この実施の形態３の燃料電池装置は、バッフルプレート５に酸化剤ガスを燃料電池スタック３に向けて排出する複数の円形の開口部８ａ、８ｂが形成されている。

すなわち、この実施の形態３では、バッフルプレート５に設けられた複数の開口部８ａ、８ｂが全て円形をしており、これらの円形の開口部８ａ、８ｂの内、燃料電池スタック３の中央部と対向する位置にある開口部８ａは、その開口面積が最も大きく、この開口部８ａに対して同心円状の周上に形成された開口部８ｂは、中心の開口部８ａよりも小さな開口面積となるように形成されている。これにより、開口部８ａ、８ｂを通過する酸化剤ガスの流れを燃料電池スタック３の外周部よりも中央部に集中させるガス流調整機構９が構成されている。
その他の構成は、実施の形態１と同様であるので、詳しい説明は省略する。

この実施の形態３によれば、供給口６から供給される酸化剤ガスを燃料電池スタック３の中央部にスムーズに案内することができ、酸化剤ガスの流速を大きくして、冷却効果を高めることができる。これにより、燃料電池スタック３の温度勾配を小さくすることができ、その結果、発電性能と耐久性の向上を図ることができる。
なお、この実施の形態３では、開口部８ａ、８ｂの形状を全て円形としたが、これに限らず、図４に示すように、開口部８ａ、８ｂを、例えば燃料電池セル２の積層方向と直交する方向Ｘを長軸とした楕円形とすることも可能で、同様の効果が得られる。

実施の形態４．
図５は、実施の形態４における燃料電池装置の要部を示す斜視図であり、実施の形態１と対応する構成部分には同一の符合を付す。
この実施の形態４の燃料電池装置は、バッフルプレート５に複数の長方形の開口部８が形成されており、各々の開口部８は、ほぼ同じ形状をしている。

また、この実施の形態４の特徴として、ガス供給室４の下部に、３つの供給口６ａ、６ｂ、６ｃが燃料電池セル２の積層方向と直交する方向Ｘに沿って設けられている。そして、バッフルプレート５、および３つの供給口６ａ、６ｂ、６ｃにより、開口部８を通過する酸化剤ガスの流れを燃料電池スタック３の外周部よりも中央部に集中させるガス流調整機構９が構成されている。
その他の構成は、実施の形態１と同様であるので、詳しい説明は省略する。

この実施の形態４によれば、酸化剤ガスを３つの供給口６ａ、６ｂ、６ｃから供給することで、ガス供給室４内の酸化剤ガスの流れを均一にすることができる。これにより、ガス流調整機構９が、冷却倍体である酸化剤ガスをスムーズに燃料電池スタック３の中央部に向けて供給する効果が大きくなり、燃料電池スタック３の温度分布を均一にすることができる。

実施の形態５．
図６は、実施の形態５における燃料電池装置の要部を示す斜視図であり、実施の形態４と対応する構成部分には同一の符合を付す。
この実施の形態５の燃料電池装置は、実施の形態４と同様、バッフルプレート５に複数の長方形の開口部８が形成され、各々の開口部８は、ほぼ同じ形状をしている。またこの実施の形態５の特徴として、ガス供給室４の下部に設けられる酸化剤ガスの供給口６は１つだけであるが、その供給口６が鉛直方向から燃料電池セル２の積層方向Ｙに沿って傾斜して設けられている。そして、バッフルプレート５、および傾斜して設けられた供給口６により、開口部８を通過する酸化剤ガスの流れを燃料電池スタック３の外周部よりも中央部に集中させるガス流調整機構９が構成されている。

なお、供給口６の鉛直方向からの傾斜角度は、燃料電池スタック３の中央部から端部までの温度勾配を考慮して設定される。
その他の構成は、実施の形態４と同様であるので、詳しい説明は省略する。

この実施の形態５によれば、供給口６から供給された酸化剤ガスの流れがガス供給室４の内壁面により妨げられ、その後、バッフルプレート５へ向けて流れる２次流れを生成することができる。この２次流れにより、開口部８を通過した酸化剤ガスを燃料電池スタック３の中央部の高温箇所に集中させて、流速を大きくすることができる。これにより、燃料電池スタック３の温度勾配を小さくすることができ、その結果、発電性能と耐久性の向上を図ることができる。

実施の形態６．
図７は、実施の形態６における燃料電池装置の要部を示す斜視図であり、実施の形態１と対応する構成部分には同一の符合を付す。
この実施の形態６の燃料電池装置は、バッフルプレート５に形成された複数の長方形の各々の開口部８はほぼ同じ形状をしている。また。この実施の形態６の特徴として、ガス供給室４内において、バッフルプレート５と供給口６との間にあって、供給口６に近接した位置に第２のバッフルプレート１０が設置されている。

この場合、第２のバッフルプレート１０は、燃料電池セル２の積層方向と直交する方向Ｘについては、バッフルプレート５と同じ長さであるが、燃料電池セル２の積層方向Ｙについては、バッフルプレート５よりも短幅である。したがって、供給口６から供給された上流側の酸化剤ガスが直接にバッフルプレート５の開口部８に流れるのを遮る役目を果たす。そして、バッフルプレート５、および第２のバッフルプレート１０により、開口部８を通過する酸化剤ガスの流れを燃料電池スタック３の外周部よりも中央部に集中させるガス流調整機構９が構成されている。
その他の構成は、実施の形態１と同様であるので、詳しい説明は省略する。

この実施の形態６によれば、酸化剤ガスは開口部８の上流側に設置された第２のバッフルプレート１０により流れを遮られることで、ガス供給室４内において酸化剤ガスが均一化される。そして、酸化剤ガスが均一化されることで、開口部８に沿った酸化剤ガスの流れが容易になり、燃料電池スタック３の外周部よりも中央部に酸化剤ガスが集中し易くなり、燃料電池スタック３の中央部を効果的に冷却することができる。これにより、燃料電池スタック３の温度勾配を小さくすることができ、その結果、発電性能と耐久性の向上を図ることができる。

実施の形態７．
図８は、実施の形態７における燃料電池装置の要部を示す斜視図であり、実施の形態１と対応する構成部分には同一の符合を付す。
この実施の形態７の燃料電池装置は、バッフルプレート５に形成された複数の長方形の各々の開口部８はほぼ同じ形状をしている。また。この実施の形態７の特徴として、バッフルプレート５から燃料電池スタック３に至る下流側の空間部を囲うダクト１１が設けられている。そして、バッフルプレート５、およびダクト１１により、開口部８を通過する酸化剤ガスの流れを燃料電池スタック３の外周部よりも中央部に集中させるガス流調整機構９が構成されている。
その他の構成は、実施の形態１と同様であるので、詳しい説明は省略する。

この実施の形態７によれば、バッフルプレート５の開口部８を通過した酸化剤ガスが、ダクト１１の壁面に沿って燃料電池スタック３に流れるため、冷却媒体である酸化剤ガスの流れを燃料電池スタック３の外周部よりも中央部に集中させることができ、燃料電池スタック３を効率的に冷却することができる。

実施の形態８．
図９は、実施の形態８における燃料電池装置の要部を示す斜視図であり、実施の形態７と対応する構成部分には同一の符合を付す。
この実施の形態８の燃料電池装置は、実施の形態７と同様、バッフルプレート５から燃料電池スタック３に至る下流側の空間部を囲うダクト１１が設けられており、さらに、この実施の形態８の特徴として、ダクト１１で囲まれた空間部には、バッフルプレート５の開口部８から燃料電池スタック３に向かう酸化剤ガスの流れを整流する複数の整流板１２が設けられている
その他の構成は、実施の形態７と同様であるので、詳しい説明は省略する。

この実施の形態８によれば、バッフルプレート５の開口部８を通過した酸化剤ガスが、ダクト１１の壁面に沿って流れるため、燃料電池スタック３に向けて冷却媒体である酸化剤ガスを確実に供給することができる。さらに、整流板１２により酸化剤ガスを燃料電池スタック３の高温部にスムーズに案内できるため、燃料電池スタック３の温度分布を均一にすることができる。

なお、図９に示した実施の形態９では、整流板１２は固定されている形態を示したが、図１０に示すように、整流板１２がバイメタル（熱膨張率が異なる２種類の金属を張り付けたもの）で構成されている形態であっても実施可能である。

図１０の構造によれば、断熱ボックス１内の温度変化に合わせて、整流板１２の角度が変化し、これに伴い、燃料電池スタック３に対する酸化剤ガスの流れる方向が変化するので、燃料電池スタック３の高温部を効率的に冷却して、燃料電池スタック３の温度勾配を小さくして耐久性を向上させることができる。

実施の形態９．
図１１は、実施の形態９における燃料電池装置の要部を示す斜視図であり、実施の形態１と対応する構成部分には同一の符合を付す。
この実施の形態９の燃料電池装置は、バッフルプレート５に形成された複数の長方形の各々の開口部８はほぼ同じ形状をしている。また。この実施の形態９の特徴として、ガス供給室４内のバッフルプレート５と供給口６の間にあって、供給口６の上部に位置する箇所に、供給口６から供給される酸化剤ガスの流れを撹乱する邪魔板１３が設けられている、そして、バッフルプレート５、および邪魔板１３により、バッフルプレート５の開口部８を通過する酸化剤ガスの流れを燃料電池スタック３の外周部よりも中央部に集中させるガス流調整機構９が構成されている。
その他の構成は、実施の形態１と同様であるので、詳しい説明は省略する。

この実施の形態９によれば、供給口６から供給された酸化剤ガスの流れが邪魔板１３に妨げられてその流れが撹乱され２次流れを生成することができる。この２次流れがバッフルプレート５の開口部８を通過する際に整流されることで、冷却媒体である酸化剤ガスを燃料電池スタック３の高温部へ集中させて、燃料電池スタック３の温度分布を均一にすることができる。

なお、この実施の形態９では、邪魔板１３は固定されている形態を示したが、図１２に示すように、邪魔板１３がバイメタルで構成されている形態であっても実施可能である。

図１２の構造によれば、断熱ボックス１内の温度変化に合わせて、邪魔板１３の角度が変化し、これに伴い、燃料電池スタック３に対する酸化剤ガスの流れる方向が変化するので、燃料電池スタック３の高温部を効率的に冷却して、燃料電池スタック３の温度勾配を小さくして耐久性を向上させることができる。

なお、上記の実施の形態３を除く実施の形態１、２、４～９では、バッフルプレート５に形成された長方形の開口部８は、全て燃料電池セル２の積層方向と直交する方向Ｘが長辺となる状態に形成されているが、これに限らず、例えば、図１３に示すように、長方形の開口部８は、全て燃料電池セル２の積層方向Ｙが長辺となる状態に形成した場合でも実施可能である。

また、いずれの実施の形態１～９においても、バッフルプレート５と対面する燃料電池スタック３の４隅および中央部の温度差を温度センサなどでセンシングして、４隅と中央部の温度差が均一に保たれているか確認できる構成としておくことが望ましい。そして、燃料電池スタック３の４隅と中央部の温度差が経年劣化などに起因して大きくなった場合には、バッフルプレート５および第２のバッフルプレート１０を交換できる構成としておくことが望ましい。

また、本願は、様々な例示的な実施の形態が記載されているが、１つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、および機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。
したがって、例示されていない無数の変形例が、本願に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。

１ 断熱ボックス、２ 燃料電池セル、３ 燃料電池スタック、４ ガス供給室、
５ バッフルプレート、６，６ａ，６ｂ，６ｃ 供給口、８，８ａ，８ｂ 開口部、
９ ガス流調整機構、１０ 第２のバッフルプレート、１１ ダクト、１２ 整流板、
１３ 邪魔板。

Claims (13)

1. 断熱ボックス内には、燃料電池セルの複数個を積層して構成される燃料電池スタックを備えるとともに、前記燃料電池スタックに対して酸化剤ガスを供給するバッフルプレートが設けられ、前記バッフルプレートには、供給口から供給される前記酸化剤ガスを整流する複数の開口部が形成される一方、前記開口部を通過する前記酸化剤ガスの流れを前記燃料電池スタックの外周部よりも中央部に集中させるガス流調整機構を有する、燃料電池装置。
2. 前記ガス流調整機構は、前記開口部の開口面積の大きさが前記バッフルプレートの中央部で最も大きく、前記中央部から離れるほど小さく形成されて構成されている、請求項１に記載の燃料電池装置。
3. 前記ガス流調整機構は、前記開口部の開口面積の大きさが前記バッフルプレートの中央部で最も大きく、前記酸化剤ガスの供給口および排出口に近いほど小さく形成されて構成されている、請求項１に記載の燃料電池装置。
4. 前記ガス流調整機構は、前記バッフルプレート、および前記バッフルプレートに流入する前記酸化剤ガスの供給口を３分割することにより構成されている、請求項１に記載の燃料電池装置。
5. 前記ガス流調整機構は、前記バッフルプレート、および前記バッフルプレートに前記酸化剤ガスを供給する供給口の方向が前記燃料電池セルの積層方向に沿って傾斜することにより構成されている、請求項１に記載の燃料電池装置。
6. 前記ガス流調整機構は、前記バッフルプレート、および前記バッフルプレートと前記供給口の間に前記供給口から供給される前記酸化剤ガスの流れを部分的に遮る第２のバッフルプレートを設けることにより構成されている、請求項１に記載の燃料電池装置。
7. 前記ガス流調整機構は、前記バッフルプレート、および前記バッフルプレートから前記燃料電池スタックに至る下流側の空間部を囲うダクトを設けることにより構成されている、請求項１に記載の燃料電池装置。
8. 前記ダクトで囲まれた前記空間部には、前記バッフルプレートの前記開口部から前記燃料電池スタックに向かう前記酸化剤ガスの流れを整流する整流板が設けられている、請求項７に記載の燃料電池装置。
9. 前記ガス流調整機構は、前記バッフルプレート、および前記バッフルプレートと前記供給口の間にあって、前記供給口の上部には、前記供給口から供給される前記酸化剤ガスの流れを撹乱する邪魔板を設けることにより構成されている、請求項１に記載の燃料電池装置。
10. 前記開口部は、前記燃料電池セルの積層方向に沿って、もしくは前記燃料電池セルの積層方向と直交する方向に沿って順次形成されている、請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の燃料電池装置。
11. 前記開口部は、その形状が円形または楕円形である、請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の燃料電池装置。
12. 前記整流板は、前記断熱ボックス内の温度変化に応じて、その傾きが変化するバイメタルで構成されている、請求項８に記載の燃料電池装置。
13. 前記邪魔板は、前記断熱ボックス内の温度変化に応じて、その傾きが変化するバイメタルで構成されている、請求項９に記載の燃料電池装置。