(57)【要約】【課題】燃料電池スタックの温度を最適化するとともに、燃料電池モジュールを小型化することが可能な燃料電池モジュールを提供する。【解決手段】内缶体１と、該内缶体１を、断熱材２を介して覆う外缶体３とにより構成する箱形の缶体４の内部に、発電セル１２とセパレータ１５を交互に積層して構成するとともに、発電セル１２に反応ガスを供給することにより発電反応が生じる燃料電池スタック６を配し、且つ水を導入して水蒸気を生成する水蒸気発生器８を備えた燃料電池モジュールにおいて、内缶体１と外缶体３との間であって、断熱材２の内部に、缶体４の面に沿うようにして、水を水蒸気発生器８へと供給するとともに、断熱材２の熱を吸熱する水配管５を配していることを特徴とする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内缶体と、該内缶体を、断熱材を介して覆う外缶体とにより構成する箱形の缶体の内部に、発電セルとセパレータを交互に積層して構成するとともに、上記発電セルに反応ガスを供給することにより発電反応が生じる燃料電池スタックを配し、且つ水を導入して水蒸気を生成する水蒸気発生器を備えた燃料電池モジュールにおいて、
上記内缶体と外缶体との間であって、上記断熱材の内部に、上記缶体の面に沿うようにして、上記水を上記水蒸気発生器へと供給するとともに上記断熱材の熱を吸熱する水配管を配していることを特徴とする燃料電池モジュール。
【請求項２】
上記断熱材の内部において、上記水配管を、少なくとも上記缶体側面の全面に沿うようにして配していることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池モジュール。
【請求項３】
缶体に上記発電反応により生じる排ガスを排気する排気管が配されており、該排気管に上記水蒸気発生器が設けられていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池モジュール。
【請求項４】
上記燃料電池モジュールは、外缶体の容積あたりの出力が５０００Ｗ／ｃｍ3以上ないし、外缶体の表面積あたりの出力が１０００Ｗ／ｃｍ2以上であることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の燃料電池モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、缶体内に、発電セルとセパレータからなる単セルを複数積層した燃料電池スタックを配置してなる燃料電池モジュールに関し、特に、燃料電池モジュールサイズを大型化することなく、燃料電池スタックの作動温度を最適に保つことが可能な燃料電池モジュールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
この燃料電池モジュールは、断熱材を設けた箱形の缶体の内部に、固体電解質層の両面に燃料極層と空気極層を配置してなる発電セルとセパレータを交互に複数積層して構成された燃料電池スタックと、改質反応により燃料ガスを生成する改質器と、水蒸気を生成する水蒸気発生器等とを配したものである。
【０００３】
以上の構成からなる燃料電池モジュールは、稼働時において、まず、上記水蒸気発生器に上記缶体の外部から水が供給される。すると、上記水蒸気発生器が上記燃料電池スタックの排熱を吸熱して水蒸気が生成される。そして、該水蒸気が上記改質器へと導入される。
【０００４】
次に、上記改質器に上記缶体の外部から炭化水素ガスが導入されるとともに、上記水蒸気発生器から水蒸気が導入されると、上記改質器が上記燃料電池スタックの排熱を加熱源として、炭化水素用改質触媒により改質反応が生じて、燃料ガスである水素が生成される。そして、該水素が上記燃料電池スタックの燃料極層へと導入される。
【０００５】
一方、上記缶体の外部から、酸化剤ガスである空気が上記燃料電池スタックの空気極層へと導入される。
【０００６】
このように、上記燃料極層および空気極層に水素および空気がそれぞれ導入されることにより、上記燃料電池スタックにて発電反応が生じる。
【０００７】
この際、上記缶体に断熱材を設けていることから、上記断熱材が缶体内の熱と燃料電池モジュール外との熱伝導を抑制する。これにより、上記燃料電池スタックが発電可能な温度である６００℃〜８００℃、および上記缶体内の温度が５００℃〜６００℃の高温雰囲気に維持されている。
【０００８】
そして、この断熱材は、熱伝導性の低い素材が用いられているとはいえ、完全に熱伝導を遮ることができず、僅かながら缶体内の熱を吸熱してしまうために、温度が５０℃〜６００℃程度となっている。
【０００９】
ところで、現在、燃料電池モジュールは、上記缶体内に複数の燃料電池スタックを配する高出力型のものが多く開発されている。
【００１０】
この高出力型の燃料電池モジュールは、燃料電池スタックの配置数が増加するに伴い、熱の排熱量も増加し、上記缶体内の熱量が増加するために、断熱材の吸熱量が増加し、結果、断熱材が缶体内の熱と燃料電池モジュール外とを充分に断熱することができなくなる。このため、上記断熱材の厚さを増加させる必要があり、この結果、燃料電池モジュールが大型化してしまうという問題点があった。
【００１１】
そこで、上記問題点を解決すべく、下記特許文献１においては、燃料電池スタックに供給する空気の流量を大幅に増加することにより、上記燃料電池スタック自体の温度を最適化するとともに、燃料電池モジュールの温度を最適化するものが知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２００８−２２６７０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、特許文献１の発明にあっては、空気の流量を増加させるために、ブロアやモータなどの補機のサイズを大型化する必要があり、燃料電池モジュールの大型化に繋がるという問題点があった。
【００１４】
本発明は、従来技術の問題点を解決すべくなされたもので、上記燃料電池スタックの温度を最適化するとともに、燃料電池モジュールを小型化することが可能な燃料電池モジュールを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記課題を解決するために、請求項１に記載の本発明は、内缶体と、該内缶体を、断熱材を介して覆う外缶体とにより構成する箱形の缶体の内部に、発電セルとセパレータを交互に積層して構成するとともに、上記発電セルに反応ガスを供給することにより発電反応が生じる燃料電池スタックとを配し、且つ水を導入して水蒸気を生成する水蒸気発生器を備えた燃料電池モジュールにおいて、上記内缶体と外缶体との間であって、上記断熱材の内部に、上記缶体の面に沿うようにして、上記水を上記水蒸気発生器へと供給するとともに上記断熱材の熱を吸収する水配管を配していることを特徴とするものである。
【００１６】
また、請求項２に記載の本発明は、上記断熱材の内部において、上記水配管を、少なくとも上記缶体側面の全面に沿うようにして配していることを特徴とするものである。
【００１７】
そして、請求項３に記載の本発明は、缶体に上記発電反応により生じる排ガスを排気する排気管が配されており、該排気管に上記水蒸気発生器が設けられていることを特徴とするものである。
【００１８】
さらに、請求項４に記載の本発明は、上記燃料電池モジュールは、外缶体の容積あたりの出力が５０００Ｗ／ｃｍ3以上ないし、外缶体の表面積あたりの出力が１０００Ｗ／ｃｍ2以上であることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１９】
請求項１〜４に記載の本発明によれば、上記内缶体と外缶体との間であって、上記断熱材の内部に、上記缶体の面に沿うようにして、上記水を上記水蒸気発生器へと供給するとともに上記断熱材の熱を吸収する水配管を配しているために、上記水配管が断熱材の熱を吸収して、断熱材の温度を低減させることが可能となる。これにより、上記断熱材の厚さを従来の断熱材の厚さより薄く形成しても、充分に缶体内の熱を断熱することが可能となるため、缶体を小型化することが可能となり、結果、燃料電池モジュールを小型化することが可能となる。
【００２０】
さらに、熱過多の傾向にある高出力型の燃料電池モジュールにおいても、上記缶体内の熱を、温度が低下した断熱材が吸熱するために、缶体内の温度を低減させて所定の温度雰囲気に保持することが可能となる。
【００２１】
また、上記水配管は、断熱材に囲まれているために、缶体内の熱を直接吸収することがなく、水配管の周囲に配された断熱材の熱のみを吸熱する。そして、水配管に供給された水は、所定の水圧、流量で常時流動しているために、断熱材の温度が水が気化する温度より高温（５０℃〜６００度程度）であっても、全てが気化することがなく、一部が気化して、残りの部分が液体状態を維持する気液状態となる。この結果、水蒸気発生器が、全ての水を気化させる必要がなく、該気液状態の水の液状態の部分のみを気化させれば良くなるために、速やか水蒸気を生成することが可能となる。
【００２２】
また、特に、請求項２に記載の本発明によれば、上記断熱材の内部において、上記水配管を少なくとも上記缶体側面の全面に沿うようにして配しているために、上記缶体側面に配された上記断熱材全体の熱を均一に吸熱することが可能である。結果、上記缶体側面の断熱材の厚さを全面にわたって低減することが可能となり、燃料電池モジュールを小型化して、設置面積を小さくすることが可能となる。
【００２３】
一方、請求項３に記載の本発明によれば、上記缶体に発電反応により生じる排ガスを排気する排気管が配されており、該排気管に上記水蒸気発生器が設けられているために、この排ガスの熱を上記水蒸気発生器が受熱し易い状態にある。この結果、水蒸気発生器の容量を小さくしても、充分に水蒸気を生成することが可能になるため、水蒸気発生器を一層小型化することができる。
【００２４】
また、請求項４に記載の本発明によれば、上記燃料電池モジュールは、外缶体の容積あたりの出力が５０００Ｗ／ｃｍ3以上ないし、外缶体の表面積あたりの出力が１０００Ｗ／ｃｍ2以上であるために、この燃料電池モジュールの出力が高出力であり、燃料電池スタックの排熱量が多い状態にある。このため、水配管の吸熱により温度が低下した断熱材が該熱を吸熱して缶体内の温度を低減させることにより、燃料電池モジュールを熱自立した状態に維持することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明に係る燃料電池モジュールの一実施形態を示す平面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ´線視断面図である。
【図３】図２のＢ−Ｂ´線視断面図である。
【図４】図２のＣ部の拡大断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、図１〜図４に基づいて本発明の実施形態を説明する。
まず、図２に示すように、本発明の燃料電池モジュールは、内缶体１と、この内缶体１を断熱材２を介して覆う外缶体３とで構成された箱形の缶体４と、断熱材２の内部に配された水配管５と、缶体４の内部に配された複数（図では４機）の燃料電池スタック６および改質器２４と、缶体４の底部に配された排気管７と、該排気管７に配された水蒸気発生器８とにより概略構成されている。
【００２７】
この燃料電池スタック６は、図４に示すように、固体電解質層９の両面に燃料極層（アノード）１０と空気極層（カソード）１１を配置してなる発電セル１２の外側に、各々燃料極集電体１３と空気極集電体１４を配置し、これらの集電体１３、１４の外側にセパレータ１５を配置した単セル１６を縦方向に複数積層したものである。
【００２８】
そして、燃料電池スタック６の発電セル１２は、外周部にガス漏れ防止シールを設けないシールレス構造に形成されている。
【００２９】
ここで、固体電解質層９は、酸化物イオンの移動媒体であると同時に、燃料ガスと空気を直接接触させないための隔壁としても機能するので、ガス不透過性の緻密な構造となっている。この固体電解質層９は、酸化物イオン伝導性が高く、空気極層１１側の酸化性雰囲気から燃料極層１０側の還元性雰囲気までの条件下において化学的に安定で、熱衝撃に強い材料から構成する必要があり、かかる要件を満たす材料として、イットリアを添加した安定化ジルコニア（ＹＳＺ）で構成されている。
【００３０】
また、電極である燃料極層１０と空気極層１１は、いずれも電子伝導性の高い材料から構成する必要がある。このため、この燃料極層１０の材料は、Ｎｉ、Ｃｏなどの金属、或いはＮｉ−ＹＳＺ、Ｃｏ−ＹＳＺなどのサーメット等で構成され、また、空気極層１１の材料は、７００℃前後の高温の酸化性雰囲気中で化学的に安定でなければならないため、金属は不適当であり、電子伝導性を持つＬａＭｎＯ3もしくはＬａＣｏＯ3、または、これらのＬａの一部をＳｒ、Ｃａ等に置換した固溶体（ＬＳＭ、ＬＳＣ，ＳＳＣ等）で構成されている。
【００３１】
さらに、燃料極集電体１３は、ニッケル基合金等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成され、空気極集電体１４は、銀基合金等の同じくスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成されている。スポンジ状多孔質焼結金属板は、集電機能、ガス透過機能、均一ガス拡散機能、クッション機能、熱膨脹差吸収機能等を兼ね備えるので、多機能の集電体材料として適している。
【００３２】
一方、セパレータ１５は、ステンレス等の金属材料により構成されている。なお、７００℃以上の低温、中温作動において、殆ど電気抵抗が増加せず、良好な伝導性を維持する銀めっきを成膜したセパレータ１５を使用することが好ましい。
【００３３】
また、セパレータ１５は、発電セル１２間を電気接続すると共に、この発電セル１２に対してガスを供給する機能を有するもので、燃料ガスである水素をセパレータ１５の外周部から導入して燃料ガス通路１７を介してセパレータ１５の燃料極層１０に対向する面から吐出させる燃料ガス吐出孔１８と、酸化剤ガスである空気をセパレータ１５の外周部から導入して酸化剤ガス通路１９を介してセパレータ１５の空気極層１１に対向する面から吐出させる酸化剤ガス吐出孔２０とが形成されている。
【００３４】
そして、発電セル１２とセパレータ１５からなる単セル１６が複数積層され、積層方向の最上部側および最下部側にフランジを配して、ボルトで締め付けられることにより燃料電池スタック６が構成されている。
【００３５】
一方、水配管５は、断熱材２の熱を吸熱する熱交換機としても機能するものであり、図１および図３に示すように、缶体４の下方にて導入されて各々分岐され、缶体４の底部の四隅から缶体４側面の断熱材２の内部へと挿入されて、缶体４の天板部へと向かい、缶体４の天板部全面を沿うように蛇行して配された後に、缶体４の側面へと向かい、缶体４の側面全面を沿うように蛇行して配されて、再び底部側へと向かい、底部側にて排気管７に配された水蒸気発生器８の入口側に連結されている。
【００３６】
この水蒸気発生器８は、改質器４の改質反応に必要な水蒸気を得るための熱交換機であり、水蒸気発生器８の出口側が水蒸気供給管２２の一端部と連結されている。
【００３７】
そして、水蒸気供給管２２の他端部が、缶体４の外部から炭化水素ガスが導入される炭化水素ガス供給管２３に連結されている。
【００３８】
また、炭化水素ガス供給管２３は、燃料電池スタック近傍に配された改質器２４の入口側に連結されている。
【００３９】
この改質器２４内には、炭化水素用のＮｉ（ニッケル）系、或いはＲｕ（ルテニウム）系の改質触媒が充填されおり、改質器２４の出口側が燃料ガス供給管２１を介してセパレータ１５の燃料ガス通路１７の入り口側に連結されている。
【００４０】
また、缶体４内には、缶体４の外部から燃料電池スタック２の空気極層１１へと空気を供給する酸化剤ガス供給管（図示せず）が設けられており、この酸化剤ガス供給管の一端部は、セパレータ１５の酸化剤ガス通路１９の入口側に連結されている。
【００４１】
以上の構成からなる燃料電池モジュールにおいては、稼働時に、炭化水素ガス供給管２３に炭化水素ガス（例えば、都市ガス）を、水配管５に水を、酸化剤ガス供給管（図示せず）に空気をそれぞれ供給する。
【００４２】
すると、水配管５が断熱材２の熱を吸熱して、供給された水が約１００℃まで加熱されることにより、その一部が気化した気液状態となって、水蒸気発生器８へと供給される。
【００４３】
そして、水蒸気発生器８が排気管７に排気される排ガスの熱を吸熱して、供給された気液状態の水の液状部分が速やか加熱されることにより、全ての水が水蒸気となって水蒸気供給管２２へと供給される。
【００４４】
次に、炭化水素ガス供給管２３と水蒸気供給管２２とが連結している部分において、上記水蒸気と炭化水素ガスとが合流・混合され、改質器２４へと供給される。
【００４５】
そして、改質器４２が燃料電池スタックの排熱および排ガスの熱を吸熱して、改質反応が行なわれることにより、供給された混合ガスが水素、二酸化炭素、水蒸気からなる水素リッチな燃料ガスとなって、燃料ガス供給管２１を介して燃料ガス通路１７へと供給される。
【００４６】
一方、起動時に酸化剤ガス供給管（図示せず）から供給された空気は、各単セル１６のセパレータ１５の酸化剤ガス通路１９へと供給される。
【００４７】
この各々ガス通路１７、１９へとそれぞれ供給された水素および空気は、セパレータ１５の略中心部にある燃料ガス吐出孔１８および酸化剤ガス吐出孔２０から発電セル１２に向けて吐出され、各集電体１３、１４を介すことにより、発電セル１２の外周方向に拡散されながら燃料極層１０および空気極層１１の全面に良好な分布で行き渡る。
【００４８】
そして、複数（図では４組）の燃料電池スタック６の発電セル１２において、発電反応が生じることにより、所定の電力が得られる。
【００４９】
この際、この複数（図では４組）の燃料電池スタック６を配した高出力型の燃料電池モジュールは、外缶体３の容積あたりの出力が５０００Ｗ／ｃｍ3以上ないし、外缶体３の表面積あたりの出力が１０００Ｗ／ｃｍ2以上となる。
【００５０】
また、４組の燃料電池スタック６が発電反応の際に発熱して、各々燃料電池スタック６が高温の熱を排熱するために、熱の排気量に対して、缶体４内の熱量が増加する熱過多になる傾向にある。
【００５１】
これに対して、以上の構成からなる本実施形態の燃料電池モジュールは、内缶体１と外缶体３との間であって、断熱材２の内部に、缶体４の側面および天板の面全体に沿うようにして、水配管５を配しているために、水配管５が断熱材２全体の熱を均一に吸熱して、断熱材２全体の温度を低減させる。これにより、熱過多にある高出力型の燃料電池モジュールにおいても、缶体４内の熱を、温度が低下した断熱材２全体で吸熱することにより、缶体４内の温度を低減して、所定温度の５００℃〜６００℃とすることが可能となる。
【００５２】
また、水配管５が上記缶体内の熱を吸熱した断熱材２の熱を吸熱するために、断熱材２の厚さを従来の燃料電池モジュールより薄く形成しても充分に缶体４内の熱を断熱することが可能となる。これにより、缶体４を小型化することが可能となるため、缶体を小型化することが可能となり、結果、燃料電池モジュールを小型化することが可能となる。
【００５３】
一方、水配管５は、断熱材２に囲まれているために、缶体４内の熱を直接吸収することがなく、水配管５の周囲に配された断熱材２の熱のみを吸熱する。そして、水配管５に供給された水は、所定の水圧、流量で常時流動しているために、断熱材２の温度が水が気化する温度(１５０℃〜２００℃程度)であっても、全てが気化することがなく、一部が気化して、残りの部分が液体状態を維持する気液状態となる。この結果、水蒸気発生器８が、全ての水を気化させる必要がなくなり、該気液状態の水の液状態の部分のみを気化させれば良くなるために、速やか水蒸気を生成することが可能となる。
【００５４】
さらに、断熱材２の内部において、水配管５を缶体４の側面および天板部の全面に沿うようにして配しているために、缶体４の側面および天板部に配された断熱材全体の熱を均一に吸熱することが可能である。この結果、断熱材２の厚さを全面にわたって低減することが可能となり、燃料電池モジュールを小型化して、設置面積を小さくすることが可能となる。
【００５５】
他方、上記発電反応により生じる高温の排ガスを排気する排気管７に水蒸気発生器８を設けているために、該排ガスの熱を水蒸気発生器８が受熱し易い状態にある。このため、水蒸気発生器８の容量を小さくしても、充分に水蒸気を生成することが可能となり、水蒸気発生器８の小型化に繋がり、結果、燃料電池モジュールを小型化することが可能となる。
【００５６】
また、この燃料電池モジュールは、外缶体３の容積あたりの出力が５０００Ｗ／ｃｍ3以上ないし、外缶体３の表面積あたりの出力が１０００Ｗ／ｃｍ2以上の高出力型のものであり、複数（図では４組）の燃料電池スタック６が排熱して、排熱量が多い状態にある。このため、水配管５の吸熱により温度が低下した断熱材２が該熱を吸熱して缶体４内の温度を低減させることにより、燃料電池モジュールを熱自立した状態に維持することが可能となる。
【００５７】
なお、水配管５の取り回しに関しては、本実施形態に限るものでなく、燃料電池モジュールの出力、燃料電池モジュールの設置箇所や設置面積に応じて、水配管５を配する面を適宜選択することができる。
【符号の説明】
【００５８】
１  内缶体
２  断熱材
３  外缶体
４  缶体
５  水配管
６  燃料電池スタック
７  排気管
８  水蒸気発生器
１２  発電セル
１５  セパレータ
【図１】
2010238440.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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