JPWO2019003945A1 - 燃料電池モジュールおよび燃料電池装置 - Google Patents

Abstract

本開示の燃料電池モジュールは、複数の燃料電池セルを備えるセルスタックと、各燃料電池セルに改質ガスを分配するマニホールドと、セルスタックの一端側に位置し原燃料ガスを改質して生成した改質ガスをマニホールドに供給する改質器と、セルスタックおよび前記マニホールドと改質器とを収容する収納容器とを備え、改質器は、収納容器の内側の側壁に臨む側面に突起部材を含み、収納容器は、突起部材に対向する位置に、該突起部材を係止して支持する支持部材を含む。

Description

本発明は、燃料電池モジュールおよび燃料電池装置に関する。

近年、水素含有ガス（燃料ガス）と酸素含有ガス（通常は空気）とを用いて電力を得ることができる燃料電池装置の開発が進められている。燃料電池装置は、燃料電池セルおよび水素含有ガスを生成する改質器を収納容器内に収納した燃料電池モジュールと、燃料電池モジュールから排出される排ガスと熱媒体との間で熱交換する熱交換器、および、熱交換器と蓄熱タンクとの間を循環する熱媒体を冷却する放熱器などの燃料電池モジュールを作動させるための補機とを、外装ケースに収納した構成をとる。

一般に、改質器は、燃料電池セルを複数配列したセルスタックの上方に配置される。この改質器は、金属製の容器に改質触媒が充填されて構成されており、重量が大きいため、改質器に接続される水供給管、原燃料供給管および改質ガス導出管などの、各種の供給管によって支持されている（例えば、特許文献１を参照。）。

特開２０１１−９６５７７号公報

本開示の燃料電池モジュールは、複数の燃料電池セルを備えるセルスタックと、各燃料電池セルに改質ガスを分配するマニホールドと、前記セルスタックの一端側に位置し、原燃料ガスを改質して生成した改質ガスを前記マニホールドに供給する改質器と、前記セルスタックおよび前記マニホールドと、前記改質器とを収容する収納容器と、を備える。
前記改質器は、前記収納容器の内側の側壁に臨む側面に突起部材を含み、前記収納容器は、前記突起部材に対向する位置に、該突起部材を係止して支持する支持部材を含む。

また、本開示の燃料電池装置は、上記の燃料電池モジュールと、前記燃料電池モジュールを作動させるための補機と、前記燃料電池モジュールおよび前記補機を収容する外装ケースと、を備える。

本開示の目的、特色、および利点は、下記の詳細な説明と図面とから、より明確になるであろう。
実施形態のセルスタック装置の構成を示す斜視図である。 実施形態の燃料電池モジュールの構成を示す断面図である。 図２の切断面線Ｂ−Ｂにおける燃料電池モジュールの断面図である。 実施形態の改質器をセルスタック上の支持部材に取り付けた状態を示す斜視図である。 実施形態の改質器を支持部材に取り付けた構成例を示す上面図である。 実施形態の改質器を支持部材に取り付けた他の構成例を示す上面図である。 実施形態の改質器の支持部材を側方から見た形状例を示す正面図である。 実施形態の改質器の他の支持部材を側方から見た形状例を示す正面図である。 切欠部を有する、実施形態の改質器の支持部材を側方から見た形状例を示す正面図である。 実施形態の燃料電池装置の構成を示す斜視図である。

図１は、実施形態に係るセルスタック装置の概略構成を示す斜視図である。
なお、以下で用いるセルスタック装置は、複数の燃料電池セルを備えるセルスタックと、セルスタックの下側（下端）から各燃料電池セルに改質ガスを供給および分配するマニホールドと、を備える。

セルスタック装置１０は、後述する改質器で改質された燃料ガス（以下、「改質ガス」と称する）を利用して発電を行う装置である。改質器において生成された改質ガスは、改質ガス導出管（図示せず）を介してマニホールド４に供給され、個々の燃料電池セル１に分配される。

セルスタック装置１０は、複数の燃料電池セル１が配列され立設されたセルスタック２と、これら複数の燃料電池セル１それぞれの下端を固定して各燃料電池セル１に改質ガスを分配するマニホールド４を有する。なお、図１におけるｘ方向は燃料電池セル１の配列方向であり、ｙ方向は燃料電池セル１の立設方向である。

図１に示すセルスタック装置１０では、２個のマニホールド４が配設され、各マニホールド４に２個のセルスタック２が固定される。４個のセルスタック２は、端部の引出部２ａ同士が連結部材２ｂで連結され、電気的に直列に接続される。

図２は、実施形態の燃料電池モジュールの構成を示す断面図である。図２は、上記図１の切断面線Ａ−Ａと同じ位置で燃料電池モジュール５０を切断した場合の模式的な断面を示している。図２に示すように、燃料電池モジュール５０の収納容器２０は、外壁と内壁とを有する、少なくとも二重壁構造である。外壁２１によって収納容器２０の外枠が構成されるとともに、内壁２２と排ガス壁２５によって、排ガス回収部２８Ａと排ガス流路２８が形成されている。また、排ガス壁２５の内部に、セルスタック装置１０を収納する収納室２３を有する。

排ガス回収部２８Ａは、各燃料電池セル１により排出される排ガスを一旦回収する領域である。上記のとおり、セルスタック装置１０は、複数の燃料電池セル１を配列させたセルスタック２、改質器３およびマニホールド４を有する。

なお、図２においては、４個のセルスタック２を配設した燃料電池モジュール５０の例が示されているが、これを１組として複数組み収納してもよい。内壁２２および排ガス壁２５と天板２５Ａとは、本開示における内壁の一例である。

図２に示す改質器３は、例えばＷ字状（ミアンダ形状）の改質器（図４を参照）であり、４個のセルスタック２の一端側に配設される。言い換えれば、改質器３は、セルスタック２の上方に配設される。そして、改質器３で生成された改質ガスは、改質ガス導出管（図示せず）によって２個のマニホールド４に供給され、マニホールド４を介して各燃料電池セル１に供給される。なお、セルスタック２の個数は、４個に限定するものではなく、２個または８個などであってもよい。

改質器３は、後述する原燃料供給管を介して供給される天然ガスまたは灯油等の原燃料を改質して改質ガスを生成する。なお、改質器３は、改質効率のよい改質反応である水蒸気改質を行うことができる構造とすることができる。水を気化させるための気化部（図示せず）、および原燃料を改質ガスに改質するための改質触媒が配置された改質部（図示せず）を備える。

なお、改質器３の断面は矩形状であり、その側面には突起部材５Ａが設けられる。実施形態では、突起部材５Ａは、改質器３の側面の中央に設けられている（図４を参照）。そして、改質器３は、突起部材５Ａに対向する位置に配設された、該突起部材５Ａに嵌合する孔部６ａを有する支持部材６によって、支持される。なお、実施形態における「嵌合」とは、これら突起部材等が、孔（穴）形状部または切り欠き形状部を有する支持部材に対して、挿通、係合、係止等の掛かり止めにより固定される状態を全て包含する。

ここで、図２および図４に示すように、上記孔部６ａも、支持部材６の中央に設けられる。これによって、改質器３は、支持部材６によって係止され、より安定的な支持が可能となる。

また、支持部材６は、板状の部材であり、例えばステンレス鋼を用いてプレス加工によって形成される。この支持部材６は、排ガス壁２５の天板２５Ａに保持される固定部材７によって固定される。なお、支持部材６の材質は、上記のステンレス鋼に限定するものではなく、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）などの他の材質を用い、他の製法によって設けられたものであってもよい。また、固定部材７は、前述の支持部材６を突起部材５Ａに対向する位置に配設可能な場所（領域）に、設けられている。

上記のように、燃料電池モジュール５０は、収納容器２０内に、複数の燃料電池セル１が配列されたセルスタック２と、複数の燃料電池セル１それぞれの下端を固定し、各燃料電池セル１に改質ガスを分配するマニホールド４とを備えるセルスタック装置１０と、原燃料ガスを改質反応させて改質ガスを生成する改質器３と、が収納される。そして、改質器３は、収納容器２０の内側の側壁に臨む側面に突起部材５Ａを含み、この突起部材を係止して支持する支持部材６によって固定される。

つぎに、燃料電池モジュール５０における各種のガスの流れについて説明する。
収納容器２０内には、外壁２１と内壁２２とによって、酸素含有ガスを流過させる反応ガス流路２７が設けられ、吸気口２７ａおよび反応ガス流路２７を介して、外部から取り入れた酸素含有ガスが収納室２３に導入される。

さらに、収納容器２０の内部には、各燃料電池セル１に酸素含有ガスを導入するための反応ガス導入部材２４が配設される。反応ガス導入部材２４は、マニホールド４上に並置されたセルスタック２の間に配置され、供給された酸素含有ガスが、燃料電池セル１間を下端部から上端部に向けて流過する。

反応ガス導入部材２４は、上端側に酸素含有ガスを流入させるための酸素含有ガス流入口（図示せず）とフランジ部３１とを備える。反応ガス導入部材２４の下端部には、燃料電池セル１の下端部に酸素含有ガスを導入するための酸素含有ガス流出口３３が設けられる。なお、フランジ部３１と内壁２２との間には、断熱部材３２が配置される。

収納室２３内には、燃料電池モジュール５０内の熱が極端に放散され、燃料電池セル１（セルスタック２）の温度が低下して発電量が減少しないように、燃料電池モジュール５０の温度を高温に維持するための断熱部材１９が、複数個配設される。

ここで、収納室２３内の排ガスは、排ガス壁２５の天板２５Ａに設けられた孔部を経て排ガス回収部２８Ａに回収され、排ガス回収部２８Ａから排ガス流路２８に沿って上方から下方に向けて流過し、収納容器２０の底部に設けられた排気孔２９を経て外部に排気される。

さらに、反応ガス導入部材２４の内側には熱電対３０が挿入され、測温部３０ａにおいて、セルスタック２の近傍の温度が測定される。

図３は、図２に示す燃料電池モジュールを切断面線Ｂ−Ｂで切断した場合の断面図である。図３に示すように、改質器３は、例えば、その断面が矩形状であり、収納容器２０の内側の側壁である排ガス壁２５（以下、「第１側壁」とも称する）に臨む側面３Ａ（以下、「第１側面」とも称する）に突起部材５Ａ（以下、「第１突起部材」とも称する）を有する改質器である。そして、改質器３は、支持部材６および固定部材７を介して、収納容器２０内の排ガス壁２５の天板２５Ａに固定される。

より詳細には、改質器３の突起部材５Ａが支持部材６の孔部６ａと係合し、支持部材６が排ガス壁２５の天板２５Ａに保持される固定部材７によって固定される。なお、支持部材６は、ボルト６１，６２によって固定部材７に固定され、固定部材７は、ボルト７１等の締結部材を用いて天板２５Ａに固定される。なお、支持部材６および固定部材７を固定する方法は、上記の締結部材を用いた固定方法に限定するものではなく、他の方法によってそれぞれ固定してもよい。

図４は、実施形態の支持部材をセルスタック上に取り付けた状態を示す斜視図である。なお、図４においてはマニホールド４を省略して示している。図４に示すように、改質器３の側面には突起部材５Ａを備えており、上述のように、固定部材７を介して排ガス壁２５の天板２５Ａに固定された支持部材６の孔部６ａと突起部材５Ａとが嵌合および係止することによって、改質器３を支持する。

ところで、改質器３は、改質反応に伴う熱膨張または改質器の自重によって傾斜するなど、その位置が変動してしまう場合があった。この場合、例えば改質器３と、燃料電池セルおよびセルスタック２の上端との距離を一定に保つことができなるため、改質器３の温度制御に影響が生じ、改質触媒の劣化、発電効率の低下などの問題を引き起こすことがあった。

さらに、改質器３内の気化部における気化の状態や位置が変わるため、水の蒸発箇所が局所的になり、ガスラインの圧力変動が大きくなったり、燃焼部から失火したりするなどの問題が発生する場合もあった。

これに対して、実施形態の燃料電池モジュール５０およびセルスタック装置１０は、支持部材６による突起部材５Ａの係止により、改質器３が、安定して、所定の位置に支持または保持される。これにより、改質器３の位置の変動または変化が抑制される。したがって、実施形態の燃料電池モジュール５０は、前述のような問題の発生を抑制することができ、その結果、安定した発電運転を継続することができる。

ここで、孔部６ａは、突起部材５Ａを容易に嵌合および係止させることが可能な矩形状（例えば、突起部材５Ａの外周より数ミリ大きい程度）を有する。なお、上記の孔部６ａに替えて、図９に示すように、支持部材２６の中央に、突起部材５Ａを係止可能な、上側から切り欠いた切欠部２６ａ等を設け、これによって上記の突起部材５Ａを係止してもよい。

また、上記の突起部材５Ａと支持部材６の孔部６ａとの嵌合および係止状態については、改質器３を支持できればよいため、少なくとも支持部材６の孔部６ａによって突起部材を係止可能な構成であればよい。図４における切断面線Ｃ−Ｃの位置は、上記図１における切断面線Ａ−Ａの位置に一致するものであり、図４は、図１の視点とは反対側の位置（裏側）から見た斜視図に相当する。

さらに、図４に示すように、改質器３に、突起部材５Ａを設けた第１側面に対向する側面（以下、「第２側面」とも称する）に補強部材３ｃを設けて、第２側面側の部材の位置ずれを抑制し、改質器３の安定性をより高めるように構成してもよい。

そして、図４に示すように、改質器３は、水供給管と原燃料供給管とを兼ねる二重配管８によって、内管内に流過する原燃料と、外管内に流過する水の供給を受ける。二重配管８の外管によって供給された水は気化部で加熱されて水蒸気になる。

一方、二重配管８の内管によって供給された原燃料は、気化部で生成された水蒸気と混合しながら改質され、改質ガスとして改質ガス導出管９から導出される。この改質ガス導出管９を流過する改質ガスは、下方にあるそれぞれのマニホールド４に分配される。

なお、実施形態では、水供給管と原燃料供給管とを兼ねる二重配管を用いて水および原燃料を供給する実施例を示したが、二重配管に限定するものではなく、水供給管および原燃料供給管をそれぞれ個別に配設してもよい。

図５および図６は、実施形態の支持部材を改質器に取り付ける際の具体例を模式的に示す上面図である。図５は、改質器の片側に突起部材５Ａを設け、これに嵌合する１個の支持部材で改質器を係止および支持する場合を模式的に示す上面図である。また、図６は、改質器の両側に突起部材５Ａと５Ｂ，５Ｃとを設け、これらに嵌合する２個の支持部材で改質器を係止および支持する場合を模式的に示す上面図である。

図５は、先に説明したように、突起部材５Ａに嵌合する孔部６を有する支持部材６によって、改質器３の片側を係止および支持する場合を示している（図２〜図４を参照）。

一方、図６は、支持部材６および支持部材１６によって、改質器１３の両側で支持を行う場合を示している。すなわち、図６においては、収納容器２０内の排ガス壁２５の上記第１側壁に対向する第２側壁（図示せず）に臨む改質器１３の第２側面３Ｂに突起部材５Ｂ，５Ｃ（以下、「第２突起部材」とも称する）を改質器１３に設け、これらの突起部材５Ｂ，５Ｃに嵌合して係止する孔部１６ａ，１６ｂを設けた支持部材１６と、上記の支持部材６とによって、改質器１３を係止および支持する。

なお、突起部材５Ｂ，５Ｃの位置については、３点支持によって改質器１３をより安定的に支持できるように、図６に示すように、第２側面３Ｂの対照的な位置に、突起部材５Ｂ，５Ｃを設けることができる。

図７，図８，図９は、実施形態の支持部材の具体例を模式的に示す正面図である。図７は、改質器の片側を支持する場合の孔部を有する支持部材の正面図であり、図８は、改質器の両側で支持する場合の反対側の支持部材の正面図であり、図９は、孔部に替えて切欠部を有する支持部材の正面図である。

図７に示す支持部材６は、改質器３の突起部材５Ａと嵌合および係止する孔部６ａが設けられており、この支持部材６のみで改質器３を片側で支持し、または、上記の支持部材１６と組み合わせることによって改質器１３を両側で支持する。この支持部材６および後記の支持部材１６，２６には、ボルト用の挿通孔として、孔部６ｂ〜６ｅを設けている。上記の孔部６ａを有する支持部材６を用いることにより、簡素な構成で改質器をより安定的に支持することが可能となる。

図８に示す支持部材１６は、改質器１３における２個の突起部材５Ｂ，５Ｃに嵌合および係止する孔部１６ａ，１６ｂを設けた支持部材である。これらの孔部１６ａ，１６ｂを有する支持部材１６と上記の支持部材６とを組み合わせて用いることにより、改質器を、より安定的に支持することが可能となる。

図９に示す支持部材２６は、上記図７の孔部６ａに替えて、切欠部２６ａを設けた支持部材である。この切欠部２６ａは、改質器３の突起部材５Ａの形状に合わせて、支持部材２６の中央付近の上方から一部を切り欠いたものであるため、上記の孔部６ａのように突起部材５Ａとの嵌合作業が不要となる。言い換えれば、単に支持部材２６の上から改質器３を載置させるので、設置作業がより容易になる。

この切欠部２６ａを有する支持部材２６を用いることにより、より簡素な作業で、改質器３を安定的に支持することが可能となる。そして、支持部材１６，２６においても、上記支持部材６と同様に、ボルト用の孔部が設けられている。

なお、支持部材６または支持部材１６を用いて、管状の部材（例えば、二重配管８、改質ガス導出管９等）を固定することもできる。この場合、支持部材６または支持部材１６に、これら水供給管，原燃料供給管，改質ガス導出管の少なくとも１つを挿通可能もしくは係止可能な、孔部もしくは切欠部を設けて固定することができる。切欠部を設ける場合には、例えばＬ字状として、各管状の部材をひっかけるようにして固定することもできる。そのため、Ｌ字状とする場合には、支持部材６または支持部材１６を、上から切り欠くほか、下から切り欠くようにしてもよい。

図１０は、実施形態に係る燃料電池装置の構成例を概略的に示す斜視図である。図１０では、外装ケース６０内に燃料電池モジュール５０と、燃料電池モジュール５０を動作させるための補機類とを収納する燃料電池装置１００を示している。なお、図１０においては一部構成を省略している。

燃料電池装置１００は、支柱５４と外装板５５とから構成される外装ケース内を仕切板５６により上下に区画し、その上方側を上述した各モジュールを収納するモジュール収納室５７とし、下方側を、各モジュールを動作させるための補機類を収納する補機収納室５８として構成される。なお、補機収納室５８に収納する補機類は省略している。

また、仕切板５６には、補機収納室５８の空気をモジュール収納室５７側に流すための空気流通口５９が設けられており、モジュール収納室５７を構成する外装板５５の一部に、モジュール収納室５７内の空気を排気するための排気口５３が設けられる。

実施形態の燃料電池装置１００によれば、前述の構成の燃料電池モジュール５０およびセルスタック装置１０が用いられているため、改質器の位置の変化に伴う種々の問題の発生が回避される。これにより、発電効率を落とすことなく、安定して発電運転を継続することができる。

以上、本開示について詳細に説明したが、本開示は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変更、改良または組合せ等が可能である。

例えば、実施形態においては、支持部材を、固定部材を介して天板に固定する実施例について説明したが、支持部材を、固定部材を介して内壁の側板に固定してもよい。さらに、実施形態においては、ミアンダ形状の改質器に突起部材を設けた実施例について説明したが、Ｕ字状の改質器に突起部材を設けて支持部材によって支持してもよい。

さらに、本開示は、その精神または主要な特徴から逸脱することなく、他のいろいろな形態で実施できる。したがって、前述の実施形態はあらゆる点で単なる例示に過ぎず、本開示の範囲は請求の範囲に示すものであって、明細書本文には何ら拘束されない。さらに、請求の範囲に属する変形や変更は全て本開示の範囲内のものである。

１ 燃料電池セル
２ セルスタック
３，１３ 改質器
３Ａ 第１側面
３Ｂ 第２側面
４ マニホールド
５Ａ，５Ｂ，５Ｃ 突起部材
６，１６，２６ 支持部材
７ 固定部材
１０ セルスタック装置
２０ 収納容器
２２ 内壁
２５ 排ガス壁
２５Ａ 天板
５０ 燃料電池モジュール
１００ 燃料電池装置

Claims (6)

1. 複数の燃料電池セルを備えるセルスタックと、
   各燃料電池セルに改質ガスを分配するマニホールドと、
   前記セルスタックの一端側に位置し、原燃料ガスを改質して生成した改質ガスを前記マニホールドに供給する改質器と、
   前記セルスタックおよび前記マニホールドと、前記改質器とを収容する収納容器と、
   を備え、
   前記改質器は、前記収納容器の内側の側壁に臨む側面に突起部材を含み、
   前記収納容器は、前記突起部材に対向する位置に、該突起部材を係止して支持する支持部材を含む、燃料電池モジュール。
2. 前記支持部材は、前記突起部材を係止可能な、孔部または切欠部を含む、請求項１に記載の燃料電池モジュール。
3. 前記改質器に水を供給する水供給管と、
   前記改質器に原燃料ガスを供給する原燃料供給管と、
   前記改質器で生成された改質ガスを前記マニホールドに供給する改質ガス導出管と、をさらに備え、
   前記支持部材は、前記水供給管と前記原燃料供給管および前記改質ガス導出管のうち少なくとも１つの管を挿通可能もしくは係止可能な、孔部または切欠部を含む、請求項１または２に記載の燃料電池モジュール。
4. 前記改質器は、前記収納容器の内側の第１側壁に臨む第１側面に第１突起部材を含むとともに、前記収納容器の前記第１側壁に対向する第２側壁に臨む第２側面に第２突起部材を含み、
   前記収納容器は、前記改質器の前記第１突起部材を係止可能な第１支持部材と、前記改質器の前記第２突起部材を係止可能な第２支持部材とを備える、請求項１〜３のいずれか１つに記載の燃料電池モジュール。
5. 前記収納容器は、少なくとも外壁と内壁とを含む二重壁構造と、前記内壁の上部に位置する天板とを有しており、
   前記天板に、前記支持部材を固定可能な固定部材を備える、請求項１〜４のいずれか１つに記載の燃料電池モジュール。
6. 請求項１〜５のいずれか１つに記載の燃料電池モジュールと、
   前記燃料電池モジュールを作動させるための補機と、
   前記燃料電池モジュールおよび前記補機を収容する外装ケースと、を備える燃料電池装置。

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