JPWO2019013269A1 - 反応ガス導入部材、燃料電池モジュールおよび燃料電池装置 - Google Patents

Abstract

セルスタック、マニホールドおよび改質器を有するセルスタック装置と、セルスタック装置に酸素含有ガスを導入するための反応ガス導入部材と、セルスタック装置および反応ガス導入部材を収納する収納容器と、を備え、反応ガス導入部材は、一対の板状壁を有し、その少なくとも一方の板状壁は他方の板状壁に部分的に突出する複数のリブを有する。複数のリブには、板状壁の表面の上下方向に延びる中心線に沿って並ぶ、少なくとも２組の第１リブセットが含まれ、この２組の第１リブセットには、一方のリブと他方のリブとが中心線を挟んで対称な位置にある一対のリブが含まれ、上方に位置する第１組の第１リブセットの各リブの外形は、下方に位置する第２組の第１リブセットの各リブの外形より大きい。

Description

本開示は、反応ガス導入部材、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（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固体酸化物形の燃料電池セルを配列してなるセルスタックを備える燃料電池装置の開発が進められている。燃料電池装置として、燃料電池セルおよび上記水素含有ガスを生成するための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を作動させるための補機とを、外装ケースに格納したものがある。

また、外殻部材と内殻部材とによって反応ガス流路（酸素含有ガス流路）を形成するとともに、この反応ガス流路に垂下して設けた反応ガス導入部材によって、セルスタックを収納した収納室に酸素含有ガスを導入する構成の燃料電池モジュールが提案されている。

このような燃料電池モジュールでは、セルスタックにセルの配列方向に沿って中央部の温度が高く、端部側の温度が低いという温度分布が生じる場合がある。それゆえ、反応ガス導入部材を流れる酸素含有ガスの流れを制御し、温度分布を均一に近づけることを目的とした反応ガス導入部材が提案されている（例えば、特許文献１を参照。）。

一方で、一般に燃料電池装置の稼働時は収納室内が高温になり、上記反応ガス導入部材が熱変形を生じてしまう場合がある。そこで、この熱変形を抑制するために反応ガス導入部材にリブを形成して剛性を高めた燃料電池用筐体が提案されている（例えば、特許文献２を参照。）。

特開２０１０−１４６７８３号公報 特開２０１０−４４９９１号公報

本開示の反応ガス導入部材は、燃料電池セルに反応ガスを供給するための反応ガス導入部材であって、該反応ガス導入部材は、一対の板状壁を有し、前記一対の板状壁の少なくとも一方の板状壁は他方の板状壁に部分的に突出する複数のリブを有し、前記複数のリブには、前記複数のリブを有する板状壁の表面の上下方向に延びる中心線に沿って並ぶ、少なくとも２組の第１リブセットが含まれ、前記少なくとも２組の第１リブセットの内の上方に位置する第１組の第１リブセットの各リブの外形は、下方に位置する第２組の第１リブセットの各リブの外形より大きい。

また、本開示の燃料電池モジュールは、収納容器と、該収納容器内に配置され、燃料ガスと酸素含有ガスとで発電を行なう複数の燃料電池セルを備えるセルスタックと、上記に記載の反応ガス導入部材と、を有し、前記収納容器は、二重壁を有する構造であり、前記セルスタックを収納するための収納室を構成する内壁と、前記内壁と所定間隔を隔てて外側に配設される外壁とによって、反応ガス流路を構成し、前記反応ガス導入部材は、前記内壁から前記収納室内に垂下し、前記反応ガス流路に接続されている。

さらにまた、本開示の燃料電池装置は、上記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。

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。
実施形態に係る反応ガス導入部材を備える燃料電池モジュールの断面図である。 実施形態のセルスタック装置と反応ガス導入部材を示す斜視図である。 実施形態の反応ガス導入部材の正面図である。 実施形態の反応ガス導入部材の断面斜視図である。 実施形態の反応ガス導入部材における各リブの構成例を示す断面図である。 実施形態の反応ガス導入部材における各リブの他の構成例を示す断面図である。 実施形態の反応ガス導入部材における各リブの他の構成例を示す断面図である。 実施形態に係る燃料電池装置の構成を概略的に示す分解斜視図である。

以下、図面を参考にして、実施形態を詳細に説明する。
図１は、実施形態に係る反応ガス導入部材を備える燃料電池モジュールの概略構成を示す断面図、図２は図１に示す燃料電池モジュールのうち、セルスタック装置と反応ガス導入部材とを抜粋して示す斜視図である。

図１に示すように、燃料電池モジュール５０は、収納容器２０を有している。収納容器２０は、外壁２１と内壁２２とを有する、少なくとも二重壁構造（例では、三重壁構造）であり、外壁２１によって収納容器２０の外枠が形成されるとともに、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、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が形成されている。

ここで、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。また、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を有する装置である。図２のセルスタック装置１０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。なお、内壁２２および排ガス壁２５は、内壁の一例である。

収納室２３には、主に改質器３、４個のセルスタック２、２個のマニホールド４、および２個の反応ガス導入部材７が収納されている。なお、図１に示すように、燃料電池モジュール５０は、中心線を挟んで左右対称の構成であるので、以下では、主に左側の構成について説明し、右側の構成については説明を省略する。

改質器３は、原燃料供給管（図示せず）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。さらに、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、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）を備えている。

また、改質器３は、例えばＷ字状（ミアンダ形状）の改質器であり、その断面は矩形状である。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、これらのマニホールド４を介して各燃料電池セル１に分配される。

さらに、４個のセルスタック２は、端部の引出部５ａ同士が連結部材５ｂで連結され、電気的に直列に接続されている。なお、図２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。また、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。

セルスタック２は、改質ガスを生成する改質器３と、改質ガスと酸素含有ガス（通常は空気）とを利用して発電を行う燃料電池セル１を複数配列して構成される。セルスタック２は、改質ガス導出管（図示せず）を介して改質器から供給された改質ガスを個々の燃料電池セル１に分配するマニホールド４に下端部が固定されて、セルスタック装置とされている。

反応ガス導入部材７は、内壁２２から収納室２３内に垂下し、反応ガス流路２７に接続されている。反応ガス導入部材７は、収納容器２０の構造を利用して、反応ガスを各燃料電池セル１に供給するための部材である。この反応ガス導入部材７は、一対の板状壁から成り、各燃料電池セル１の配列方向に沿って設けられた複数の反応ガス流出口３３から反応ガスを流出させる。図２に示されるように、燃料電池モジュール５０においては、２個の反応ガス導入部材７が配設されており、各反応ガス導入部材７は、それぞれの両側に配設されているセルスタック２に反応ガスを供給する。

反応ガス導入部材７は、図３に示すように、複数の燃料電池セル１に反応ガスを供給するための反応ガス流出口３３を有する一対の板状壁から構成される部材であって、複数のリブが形成されている。それぞれのリブでは、少なくとも一方の板状壁が他方の板状壁に部分的に突出している。そして、これら複数のリブは、複数組のリブセットを構成する。

ここで、リブセットとは、上記リブが形成される板状壁の表面の上下方向に延びる中心線に沿って並ぶリブのグループをいう。そして、各リブセットは、中心線を挟んで対称に並ぶ、少なくとも２個の同一形状のリブを含んでいる。

反応ガス導入部材７は、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。また、反応ガス導入部材７の下位に設けられている反応ガス流出口３３は、例えば、レーザ加工により形成される。なお、反応ガス導入部材７の材質は、上記のステンレス鋼に限定するものではなく、他の材質や、別途小板金部品を製作、溶接などを用い、他の製法によって形成してもよい。

さらに、反応ガス導入部材７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の中心付近の温度が測定される。

上記のように、燃料電池モジュール５０は、少なくとも二重壁構造の収納容器２０と、収納容器内に配置され、燃料ガスと酸素含有ガスとで発電を行なう複数の燃料電池セルを備えるセルスタックと、上記の反応ガス導入部材と、を有している。

次に、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。図１に示すように、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が形成され、吸気口２６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７が配設されている。反応ガス導入部材７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、吸気口２６および反応ガス流路２７を介して導入した反応ガスを上端部から下端部に流過させ、下端部に設けた反応ガス流出口３３から収納室２３に流出させて、各燃料電池セル１に反応ガスを供給する。

さらにまた、反応ガス導入部材７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とを備えており、フランジ部３１と内壁２２との間には、断熱部材３２が配置されている。

一方、収納室２３内の排ガスは、排ガス壁２５の天板に設けられた孔部２５ａ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。

なお、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、適宜配設されている。

図３は、実施形態に係る反応ガス導入部材の正面図である。図３に示される反応ガス導入部材７は、複数の燃料電池セル１に反応ガスを供給するための部材である。

反応ガス導入部材７は、一対の板状壁を有し、この一対の板状壁の少なくとも一方の板状壁（以下、「第１壁」とも称する）は、他方の板状壁（以下、「第２壁」とも称する）に部分的に突出する複数のリブを有している。さらに、複数のリブには、板状壁の表面の上下方向に延びる中心線に沿って並ぶ、少なくとも２組の第１リブセットが含まれ、これら２組の第１リブセットの内の上方に位置する第１組の第１リブセットの各リブの外形は、下方に位置する第２組の第１リブセットの各リブの外形より大きい。

反応ガス導入部材７は、上述のような各種のリブを適切な位置に配置することで、熱変形を抑制するほか、反応ガス導入部材７の内部の上位から下位に向けて流過する反応ガスの流れ方を制御する機能を有している。

具体的には、図３の矢印（⇒）で示すように、反応ガス導入部材７の上端部から導入した反応ガスを、反応ガス導入部材７の端部側より中央側により多く流過させるように各種のリブを配置する。これは、発電時において、セルスタック２の中央付近は、端部に比べて冷却されにくく高温になるため、中央付近により多くの反応ガスを流過させて中央付近の熱交換を多く行うことによって、温度の均一化を図るものである。

ここで、反応ガス導入部材７に含まれる２組の第１リブセットにおいて、一方の板状壁は、他方の板状壁と、第１組の第１リブセットおよび第２組の第１リブセットのそれぞれのリブで接触していてもよく、双方の板状壁が接触しないように空間をあけて構成してもよい。この場合、双方の板状壁がそれぞれ内側に突出していてもよいし、一方の板状壁のみが内側に突出していてもよい。これら他の例については、後記の図５Ａ〜図５Ｃで説明する。

反応ガス導入部材７は、主たる第１リブセット（２個のリブ７３から構成される第１組の第１リブセット、および２個のリブ７４から構成される第２組の第１リブセット）を、少なくとも２組有している。ここで、リブ７３の外形（例えば、楕円形）は、リブ７４の外形（例えば、円形）に比べて大きい。これらの主たる２組の第１リブセットを設けることによって、反応ガス導入部材７の内部を流過する反応ガスの中央側への大きな流れを制御することが可能となる。

また、第１組の第１リブセットにおけるリブ７３とリブ７３との間の距離は、第２組の第１リブセットにおけるリブ７４とリブ７４との間の距離よりも大きくすることができる。これにより、幅の広いリブ７３とリブ７３との間を流れた空気が、幅の狭いリブ７４とリブ７４との間を流れることで、より反応ガス導入部材７の中央側に流れることとなる。それにより、セルスタック２の中央部の熱交換が促進され、セルスタック２の温度の均一化を図ることができる。

さらに、反応ガス導入部材７は、上記第２組の第１リブセットの各リブより小さいサイズの第２リブセット（第３組の第２リブセットおよび第４組の第２リブセット）を、少なくとも２組有している。ここで、第３組の第２リブセットにおけるリブ７５の外形は、例えば円形であり、第４組の第２リブセットにおけるリブ７６の外形と等しい。このように、さらに第２リブセットを設けることによって、さらに熱変形を抑制することができるほか、反応ガス導入部材７の内部を流過する反応ガスの中央側へのより細かな流れを制御することが可能となる。

ここで、上記２組の第２リブセットの上方に位置する第３組の第２リブセットにおけるリブ７５とリブ７５との間の距離は、第１組の第１リブセットにおけるリブ７３とリブ７３との間の距離よりも小さくすることができる。さらには、上記２組の第２リブセットの下方に位置する第４組の第２リブセットにおけるリブ７６とリブ７６との間の距離は、第２組の第１リブセットにおけるリブ７４とリブ７４との間の距離よりも小さくすることができる。

言い換えれば、２組の第２リブセットは、２組の第１リブセットの内側にあるということができる。それにより、上記第２リブセットを設けることで、上記第１リブセットによる効果を補助し、反応ガス導入部材７の内部を流過する反応ガスの中央側へのより細かな流れを制御することができる。

また、この第２リブセットにおいても、第１リブセットと同様に、上方に位置する第３組の第２リブセットにおけるリブ７５とリブ７５との間の距離を、下方に位置する第４組の第２リブセットにおけるリブ７６とリブ７６との間の距離よりも大きくすることができる。これにより、幅の広いリブ７５間を流れた空気が、幅の狭いリブ７６間の間を流れることで、より反応ガス導入部材の中央側に流れることとなる。それにより、セルスタック２の温度の均一化を図ることができる。

さらにまた、反応ガス導入部材７は、上記熱電対３０を挿入する際のガイド用のリブとして、中心線に対称な、極小サイズの２組のリブセット（例えば、８個の極小リブ７７）を有している。この場合においても、さらに熱変形を抑制することができる。

また、極小リブ７７によりできた空間に、上述の熱電対３０を挿入することができる。この場合、極小リブ７７は、上方から下方に向けて極小リブ間の距離が徐々に小さくなるように設けることができる。それにより、熱電対３０を上方から挿入する際に、その挿入口となる最も上に配置された極小リブ７７間の幅が大きいことから、熱電対３０を挿入しやすくなる。

一方で、最も下に配置された極小リブ７７間の幅が狭ことから、熱電対３０の先端部の位置決めを容易とすることができる。なお、反応ガス導入部材７に設けられるリブは、上記のリブに限定するものではなく、他のリブを含んでいてもよい。

図４は、実施形態に係る反応ガス導入部材の断面斜視図である。図４に示す反応ガス導入部材７は、第１壁７１と第２壁７２の両方を、それぞれ内側に突出させ、互いに接するように構成した場合の具体例を示している。なお、上記のように、第１壁７１と第２壁７２のいずれか一方を内側に突出させることとしてもよい。

反応ガス導入部材７は、例えば、何れも厚さ１．２ｍｍ（Ｔ１＝Ｔ２）のステンレス鋼の第１壁７１と第２壁７２とから構成され、第１壁７１と第２壁７２の距離（Ｔ０）は、例えば、０．０１〜０．１ｍｍであるが、厚さも空間のサイズもこの限りではない。反応ガス導入部材７は、例えば、２枚の鋼板をプレス加工によって第１壁７１と第２壁７２とを形成し、接合することによって製造する。

図５Ａ〜図５Ｃは、実施形態に係る反応ガス導入部材における各リブの具体例を示す断面図である。図５Ａは、両側の壁から他方の壁に突出させ、かつ、両壁が接触するようにリブを形成した場合を模式的に示した図である。この場合、反応ガスは、リブ７３Ａを回避して流過するため、効果的に反応ガスの流れを制御することができる。

図５Ｂは、片側の壁から他方の壁に突出させ、かつ、両壁が接触するようにリブを形成した場合を模式的に示した図である。この場合も図５Ａの場合と同様、リブ７３Ｂによって効果的に反応ガスの流れを制御することができる。なお、図５Ｂのように、第２壁７２にリブを設けない場合は、コスト削減が可能となる。

図５Ｃは、片側の壁から他方の壁に突出させるが、両壁は接触しないようにリブを形成した場合を模式的に示した図である。この場合、一定量の反応ガスがリブ７３Ｃの下を流過するものの、リブを設けない場合と比較して、反応ガスの流れは、リブ７３Ｃの箇所で制限される。

以上、詳述したように、本実施形態の燃料電池モジュール５０によれば、反応ガス導入部材７の熱変形が抑制されるとともに、セルスタック２の温度分布を改善することができる。

次に、図６は、実施形態の燃料電池装置構成を概略的に示す分解斜視図である。図６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の一例を示している。なお、図６においては一部構成を省略して示している。

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として構成されている。なお、補機収納室５８に収納する補機類は省略して示している。

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が設けられている。

上記実施形態の燃料電池装置１００によれば、モジュールの反応ガス導入部材７の熱変形が抑制されるとともに、モジュールのセルスタック２の温度分布を改善することがとなる。

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、図３に示すように、主たる第１組の第１リブセットとして、楕円形状のリブを設ける実施例を示したが、楕円形状をそれぞれ内側に傾斜させたリブ７３Ｄを設けて、より容易に反応ガスの中央付近への流過を促すように構成してもよい。また、燃料電池モジュールにおけるセルスタック２が１個の場合は、反応ガス導入部材７における反応ガス流出口３３は片側にのみ設けられていてもよい。

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 改質器
４ マニホールド
７ 反応ガス導入部材
１０ セルスタック装置
２０ 収納容器
２１ 外壁
２２ 内壁
２３ 収納室
２７ 反応ガス流路
５０ 燃料電池モジュール
７１ 第１壁
７２ 第２壁
７３，７３Ａ，７３Ｂ，７３Ｃ，７３Ｄ リブ
７４，７５，７６，７７ リブ
１００ 燃料電池装置

Claims (8)

1. 燃料電池セルに反応ガスを供給するための反応ガス導入部材であって、
   該反応ガス導入部材は、一対の板状壁を有し、前記一対の板状壁の少なくとも一方の板状壁は他方の板状壁に部分的に突出する複数のリブを有し、
   前記複数のリブには、前記複数のリブを有する板状壁の表面の上下方向に延びる中心線に沿って並ぶ、少なくとも２組の第１リブセットが含まれ、
   前記少なくとも２組の第１リブセットの内の上方に位置する第１組の第１リブセットの各リブの外形は、下方に位置する第２組の第１リブセットの各リブの外形より大きい、反応ガス導入部材。
2. 前記第１リブセットは、前記中心線を挟んで対称な位置に設けられており、
   前記第１組の第１リブセットにおけるリブ間距離は、前記第２組の第１リブセットにおけるリブ間距離より大きい、請求項１に記載の反応ガス導入部材。
3. 前記一方の板状壁は、前記他方の板状壁と、前記第１組の第１リブセットおよび前記第２組の第１リブセットのそれぞれのリブで接触している、請求項１または２に記載の反応ガス導入部材。
4. 前記第１組の第１リブセットの各リブの形状は楕円形であり、前記第２組の第１リブセットの各リブの形状は円形である、請求項１〜３のうちいずれか１つに記載の反応ガス導入部材。
5. 前記複数のリブは、前記中心線に沿って並ぶ、少なくとも２組の第２リブセットをさらに含み、
   前記少なくとも２組の第２リブセットには、前記第２組の第１リブセットの円形のリブより小さい直径を有する円形の一対の小リブが含まれ、
   前記第２リブセットの内の上方に位置する第３組の第２リブセットにおけるリブ間距離は、前記第１組の第１リブセットにおけるリブ間距離より小さく、かつ、前記第２リブセットの内の下方に位置する第４組の第２リブセットにおけるリブ間距離より大きい、請求項１〜４のうちいずれか１つに記載の反応ガス導入部材。
6. 前記第２リブセットの内側に配置され、前記中心線に沿って並ぶ前記小リブより小さい直径の円形の複数ペアの極小リブを有し、該複数ペアの極小リブは、上方から下方に向けて、前記極小リブのリブ間距離が徐々に小さくなるように配設されている、請求項１〜５のいずれか１つに記載の反応ガス導入部材。
7. 収納容器と、
   該収納容器内に配置され、燃料ガスと酸素含有ガスとで発電を行なう複数の燃料電池セルを備えるセルスタックと、
   請求項１〜６のいずれか１つに記載の反応ガス導入部材と、
   を有し、
   前記収納容器は、少なくとも二重壁を有する構造であり、前記セルスタックを収納するための収納室を構成する内壁と、前記内壁と所定間隔を隔てて外側に配設される外壁とによって、反応ガス流路を構成し、
   前記反応ガス導入部材は、前記内壁から前記収納室内に垂下し、前記反応ガス流路に接続されている、燃料電池モジュール。
8. 請求項７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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