(57)【要約】【課題】  セルスタックの温度分布を均一に近づけることが可能な燃料電池モジュールおよびそれを具備する燃料電池装置を提供する。【解決手段】  柱状の燃料電池セル３を複数個並設してなるセルスタック５と、燃料電池セル３の配列方向ｘに沿ってセルスタック５の側面側に並設され、セルスタック５の側面の外形と同等またはそれ以上の大きさを有する断熱部材１６とを収納容器２に収納してなり、断熱部材１６は、断熱部材本体１６ａと、燃料電池セル３の配列方向ｘにおける断熱部材本体１６ａの両端部の内部に、かつ、燃料電池セル３の長さ方向ｙに配置された断熱部材本体１６ａよりも断熱性能が高い柱状断熱体１６ｂとを具備してなることを特徴とする。【選択図】  図３
2014026924.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
柱状の燃料電池セルを複数個並設してなるセルスタックと、前記燃料電池セルの配列方向に沿って前記セルスタックの側面側に並設され、前記セルスタックの側面の外形と同等またはそれ以上の大きさを有する断熱部材とを収納容器に収納してなり、前記断熱部材は、断熱部材本体と、前記燃料電池セルの配列方向における前記断熱部材本体の両端部の内部に、かつ、前記燃料電池セルの長さ方向に配置された前記断熱部材本体よりも断熱性能が高い柱状断熱体とを具備してなることを特徴とする燃料電池モジュール。
【請求項２】
前記断熱部材は、前記燃料電池セルの配列方向における前記断熱部材本体の両端部の内部に、前記燃料電池セルの長さ方向に延びる孔が形成されており、該孔に前記柱状断熱体の粉末が充填されて構成され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】
前記柱状断熱体は、前記断熱部材本体の前記燃料電池セルの長さ方向の一方側にのみ形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池モジュール。
【請求項４】
前記柱状断熱体は、前記断熱部材本体の前記燃料電池セルの長さ方向の一方側と他方側の断面積が異なることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池モジュール。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のうちいずれかに記載の燃料電池モジュールを外装ケース内に収納してなることを特徴とする燃料電池装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、収納容器内に複数個の柱状の燃料電池セルを収納してなる燃料電池モジュールおよびそれを具備する燃料電池装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、次世代エネルギーとして、水素含有ガスと空気（酸素含有ガス）とを用いて電力を得ることができる燃料電池セルをマニホールドに固定し、それを収納容器内に収納してなる燃料電池モジュールが種々提案されている。
【０００３】
そのような燃料電池モジュールとしては、例えば、直方体状の収納容器内に設けられた発電室内に、燃料電池セルを複数個並設し電気的に直列に接続してマニホールドに固定してなるセルスタックを収納してなる燃料電池モジュールが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
ところで、燃料電池モジュール（燃料電池装置）の発電に伴いセルスタックに熱が生じるが、その発電により生じた熱は、隣接する燃料電池セル間等から放熱されるため、その放熱を抑制すべく、セルスタックを挟むように断熱部材が配置されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−５９３７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特に燃料電池セルを複数個並設し電気的に直列に接続してなるセルスタックにおいては、セルスタックを構成する燃料電池セルの配列方向の両端部に位置する燃料電池セルは放熱しやすいが、セルスタックを構成する燃料電池セルの配列方向の中央部側に位置する燃料電池セルは放熱しにくいため、セルスタック全体として、中央部の温度が高く、両端部の温度が低いという不均一な温度分布を生じることとなる。
【０００７】
そして、セルスタックの温度が不均一な温度分布となる場合においては、セルスタックを構成する各燃料電池セルに供給される燃料ガスの流れにばらつきが生じ、セルスタックの発電量が低下するおそれがあった。
【０００８】
本発明は、セルスタックの温度分布を均一に近づけることが可能な燃料電池モジュールおよびそれを具備する燃料電池装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の燃料電池モジュールは、柱状の燃料電池セルを複数個並設してなるセルスタックと、前記燃料電池セルの配列方向に沿って前記セルスタックの側面側に並設され、前記セルスタックの側面の外形と同等またはそれ以上の大きさを有する断熱部材とを収納容器に収納してなり、前記断熱部材は、断熱部材本体と、前記燃料電池セルの配列方向における前記断熱部材本体の両端部の内部に、かつ、前記燃料電池セルの長さ方向に配置された前記断熱部材本体よりも断熱性能が高い柱状断熱体とを具備してなることを特徴とする。
【００１０】
本発明の燃料電池装置は、上記した燃料電池モジュールを外装ケース内に収納してなることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の燃料電池モジュールは、断熱部材は、断熱部材本体と、燃料電池セルの配列方向における断熱部材本体の両端部の内部に、かつ、燃料電池セルの長さ方向に配置された断熱部材本体よりも断熱性能が高い柱状断熱体とを具備するため、セルスタックの燃料電池セルの配列方向における両端部からの放熱が柱状断熱体で妨げられ、セルスタックの燃料電池セルの配列方向における両端部の温度を、中央部における温度に近づけることができ、セルスタック全体としての温度分布を均一に近づけることができる。それにより、セルスタックの発電量の低下を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】燃料電池モジュールの一形態を示す外観斜視図である。
【図２】図１の燃料電池モジュールを示す断面図である。
【図３】（ａ）はセルスタック装置の縦断面図、（ｂ）は断熱部材の縦断面図、（ｃ）はセルスタックの側方に断熱部材を配置した状態を示す縦断面図である。
【図４】図３（ｂ）の断熱部材を示す斜視図である。
【図５】（ａ）は柱状断熱体が、断熱部材の中央部にいくほど断面積が小さくなっている状態を示す縦断面図、（ｂ）は下側柱状断熱体の断面積が上側柱状断熱体よりも大きい断熱部材を示す縦断面図である。
【図６】柱状断熱体が、断熱部材の下端部だけ形成されている状態を示す縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下図面を参考にして本発明の好適な実施形態を詳細に説明する。
【００１４】
図１は、本発明の燃料電池モジュール（以下モジュールという場合がある）の一形態を示す外観斜視図である。なお、異なる図中の同一の構成要素については、同一の符号を付与するものとする。
【００１５】
モジュール１は、直方体状の収納容器２の内部に、内部をガスが流通するガス流路を有する燃料電池セル３を立設させた状態で配列し、隣接する燃料電池セル３間に集電部材（図示せず）を介して電気的に直列に接続するとともに、燃料電池セル３の下端部をガラスシール材等の絶縁性接合材（図示せず）でマニホールド４に固定してなるセルスタック５を収納して構成されている。また、図１においては、燃料電池セル３として、燃料電池セル３の内部に長手方向に設けられたガス流路を燃料ガスが流れる中空平板型で、支持基板の表面に、燃料側電極、固体電解質及び酸素側電極を順に設けてなる固体酸化物形燃料電池セル３を例示している。
【００１６】
また、燃料電池セル３にて使用する水素含有ガスを得るために、天然ガスや灯油等の燃料を改質して燃料ガス（水素含有ガス）を生成するための改質器６をセルスタック５の上方に配置している。そして、改質器６で生成された燃料ガスは、ガス流通管７によりマニホールド４に供給され、マニホールド４を介して燃料電池セル３の内部に設けられたガス流路に供給される。そして上記の構成により、セルスタック装置８が構成される。燃料電池セル３のガス流路に供給され、発電に使用されなかった余剰の燃料ガスは、燃料電池セル３の上方に放出される。
【００１７】
なお、図１においては、収納容器２の一部（前後面）を取り外し、内部に収納されているセルスタック装置８を後方に取り出した状態を示している。ここで、図１に示したモジュール１においては、セルスタック装置８を、収納容器２内にスライドして収納することが可能である。
【００１８】
図２は、図１で示すモジュール１の断面図である。モジュール１を構成する収納容器２は、内壁９と外壁１０を有する二重構造で、外壁１０により収納容器２の外枠が形成されるとともに、内壁９によりセルスタック５（セルスタック装置８）を収納する発電室１１が形成されている。
【００１９】
さらにモジュール１においては、内壁９と外壁１０との間を、燃料電池セル３に導入する反応ガスの流路としており、例えば、燃料電池セル３に導入する酸素含有ガス等の反応ガスが流れる。
【００２０】
ここで内壁９には、内壁９の上面からセルスタック５の側面の側方にまで延び、セルスタック５を構成する燃料電池セル３の配列方向ｘにおける長さに対応し、内壁９と外壁１０とで形成される流路につながって、セルスタック５に反応ガスを導入するための反応ガス導入部材１２が備えられている。また、反応ガス導入部材１２の下端部側（燃料電池セル３の下端部側）には、燃料電池セル３に反応ガスを導入するための吹出口１３が設けられている。
【００２１】
なお図２において、反応ガス導入部材１２は、互いに所定間隔を空けて並設された一対の板部材により反応ガス導入流路を形成し、下端部に底部材を接合して形成されている。また、図２においては、反応ガス導入部材１２は、収納容器２の内部に並置された２つのセルスタック５（セルスタック装置８）間に位置するように配置されている。なお、反応ガス導入部材１２は、収納されるセルスタック５の数により、例えばセルスタック５を２つの反応ガス導入部材１２で挟み込むように配置してもよい。
【００２２】
そして、反応ガス導入部材１２の内部に、温度センサ１４の測温部１５が位置するよう、温度センサ１４が収納容器２の上面側より挿入されている。なお、温度センサ１４としては、例えば熱電対を用いることができる。
【００２３】
ここで、燃料電池セル３は所定の温度範囲で運転されるため、発電室１１内（好ましくはセルスタック５もしくはその近傍）の温度を測定するとともに、その温度管理を行なうことが必要となる。特に燃料電池セル３が、固体酸化物形燃料電池セル３の場合においては、その運転温度が非常に高く、燃料電池セル３（セルスタック５）の温度が過度に上昇すると、発電量が低下し、さらには劣化や熱応力により燃料電池セル３（セルスタック５）に破損等を生じるおそれがあるため、セルスタック５近傍の温度を効果的に測定するとともに、その温度管理を行なうことが特に必要となる。それゆえ、温度センサ１２は、測温部１５がセルスタック５の最も高い温度となる中央部側（セルスタック５を構成する燃料電池セル３の配列方向ｘの中央部で、かつ燃料電池セル３の長さ方向ｙにおける中央部に位置する部位）を測定できるように配置することが好ましい。
【００２４】
また発電室１１内には、モジュール１内の熱が極端に放熱され、燃料電池セル３（セルスタック５）の温度が低下して発電量が低減しないようにするために、モジュール１内の温度を高温に維持するための断熱部材１６が適宜設けられている。なお、断熱部材１６としては、絶縁性であり、かつ断熱効果を有しているものを使用することができる。
【００２５】
ここで、燃料電池セル３（セルスタック５）の温度を高温で維持すべく、断熱部材１６をセルスタック５の近傍に配置することが好ましく、特には、燃料電池セル３の配列方向に沿ってセルスタック５の側面側に並設するとともに、セルスタック５の側面の外形と同等またはそれ以上の大きさを有する断熱部材１６を並設することが好ましい。なお、セルスタック５の両側面側に断熱部材１６を並設することが好ましい。それにより、セルスタック５の温度が低下することを効果的に抑制できる。なお、セルスタック５の側面の外形
と同等とは、セルスタック５を構成する燃料電池セル３の配列方向ｘにおける長さの９０％以上で、かつ燃料電池セル３の長さ方向ｙにおける長さの９０％以上の長さとすることが好ましい。以降の説明においても同様である。
【００２６】
また、セルスタック５の側面側に、セルスタック５の側面の外形と同等またはそれ以上の大きさを有する断熱部材１６を設けることにより、反応ガス導入部材１２より供給されるガスが、セルスタック５の側面側より排出されることを抑制でき、セルスタック５を構成する燃料電池セル３の外周の反応ガスの流れを促進することができる。
【００２７】
なお、反応ガス導入部材１２側に配置する断熱部材１６の下端部は、反応ガスを燃料電池セル３に導入するための切り欠き部を有していることが好ましい。
【００２８】
また、内壁９により形成される底面（内部底面）および燃料電池セル３の配列方向ｘに沿って形成された側面（内部側面）に対して所定間隔を空けて併設された排ガス用内壁１７により排ガス流路が形成され、さらに収納容器２の底部に設けられた排気孔１８と排ガス流路が通じている。
【００２９】
それにより、モジュール１の稼動（起動処理時、発電時、停止処理時）に伴って生じる排ガスは、排ガス流路を流れた後、排気孔１８より排気される構成となっている。
【００３０】
なお、排気孔１８は収納容器２の底（底面）の一部を切り欠くようにして形成してもよく、また管状の部材を設けることにより形成してもよい。また、符号２５は、収納容器２側に形成された容器側断熱材である。
【００３１】
ここで、セルスタック５において、セルスタック５を構成する燃料電池セル３の配列方向ｘの両端部に配置される燃料電池セル３は放熱しやすく、セルスタック５を構成する燃料電池セル３の配列方向ｘの中央部に配置される燃料電池セル３は放熱しにくい。それゆえ、セルスタック５全体として中央部の温度が高く、両端部の温度が低いという不均一な温度分布を生じる場合がある。
【００３２】
そして、セルスタック５に不均一な温度分布が生じると、燃料電池セル３に供給されるガス（燃料ガス等）の流れにばらつきが生じ、セルスタック５の発電量が低下するおそれがあった。
【００３３】
それゆえ、本発明者は鋭意研究した結果、セルスタック５の近傍に配置する断熱部材１６の内部で、セルスタック５の放熱し易い部分に対応する位置に、高い断熱性能を有する柱状断熱体を配置することにより、セルスタック５の燃料電池セル３の配列方向ｘにおける温度分布を均一に近づけることができることを見出した。
【００３４】
図３（ａ）は、図２に示したセルスタック装置８を示す縦断面図、図３（ｂ）は、断熱部材を示す縦断面図、図３（ｃ）は、（ａ）のセルスタック装置８の側方に（ｂ）の断熱部材１６を配置した状態を示す縦断面図である。
【００３５】
図３（ｂ）、図４において、燃料電池セル３の配列方向ｘに沿ってセルスタック５の側面側に並設した断熱部材１６は、一枚の板材からなる断熱部材本体１６ａの一部に、燃料電池セル３の配列方向ｘにおけるセルスタック５の両端部と対向する位置に、燃料電池セル３の長さ方向ｙに柱状断熱体１６ｂが設けられて構成されている。
【００３６】
断熱部材本体１６ａは一般的に使用される断熱材料からなるもので、例えば、アルミナ系、シリカ系、アルミナシリカ系材料からなり、柱状断熱体１６ｂは、例えば、ヒューム
ドシリカ（登録商標）等の超微粒粉末からなる断熱材料を用いることができ、断熱部材本体１６ａよりも柱状断熱体１６ｂがより断熱性に優れた性能を有するものであれば良い。断熱性に優れるかどうかは、柱状断熱体１６ｂが粉体の集合体からなる場合には粉体の粒径、材料を、固体の場合には、材料等を確認することにより、断熱部材本体１６ａよりも柱状断熱体１６ｂがより断熱性に優れた性能を有するものかどうかを確認できる。
【００３７】
断熱部材本体１６ａは、例えば、一般的に使用されるアルミナシリカ系材料の断熱材料からなり、柱状断熱体１６ｂは、断熱部材本体１６ａを構成する粉末と同じアルミナシリカ系材料であって、断熱部材本体１６ａを構成する粉末よりも微粒のものであっても良い。
【００３８】
断熱部材１６は、燃料電池セル３の配列方向ｘにおける断熱部材本体１６ａの両端部の内部に、かつ、燃料電池セル３の長さ方向ｙに延びる貫通孔が形成されており、この貫通孔内に柱状断熱体の粉末が充填されて構成されていることが望ましい。なお、柱状断熱体の粉末を円柱状に成形して貫通孔内に挿入して構成しても良い。
【００３９】
以上のように構成された燃料電池モジュールでは、断熱部材１６は、断熱部材本体１６ａと、燃料電池セル３の配列方向ｘにおける断熱部材本体１６ａの両端部の内部に、かつ、燃料電池セル３の長さ方向ｙに配置された、断熱部材本体１６ａよりも断熱性能が高い柱状断熱体１６ｂとからなるため、セルスタック５の燃料電池セル３の配列方向ｘにおける両端部からの放熱が柱状断熱体１６ｂで妨げられ、セルスタック５の燃料電池セル３の配列方向ｘにおける両端部の温度を高くして、中央部における温度に近づけることができ、セルスタック５全体としての温度分布を均一に近づけることができる。それにより、セルスタック５の発電量の低下を抑制することができる。
【００４０】
また、断熱部材本体１６ａの孔の内部に、断熱性の高い超微粉末を充填して柱状断熱体１６ｂを形成する場合には、超微粉末からなる柱状断熱体１６ｂの結露による劣化を抑制できるとともに、超微粉末を充填した断熱部材１６の取扱いが容易となる。
【００４１】
また、図５（ａ）に示すように、燃料電池セル３の配列方向ｘにおける断熱部材本体１６ａの両端部にそれぞれ３本の柱状断熱体１６ｂを形成するとともに、柱状断熱体１６ｂの断面積を、断熱部材本体１６ａの中央に向かうにつれて小さくすることができる。この場合には、燃料電池セル３の配列方向ｘにおけるセルスタック５の温度勾配を小さくすることができる。
【００４２】
さらに、図５（ｂ）に示すように、燃料電池セル３の配列方向ｘにおける断熱部材本体１６ａの両端部にそれぞれ３本の柱状断熱体１６ｂを形成するとともに、柱状断熱体１６ｂの断面積を、下側柱状断熱体１６ｂ１を上側柱状断熱体１６ｂ２よりも大きくすることができる。これにより、セルスタック５の下端部の放熱量を小さくでき、セルスタック５の下端部の温度をセルスタック５の上端部の温度に近づけることができる。このような断熱部材１６は、断熱部材本体１６ａに、上下から異なる径の孔を形成し、粉体の場合には、一方側から充填することにより、柱状の場合には、上下両側から挿入することにより得られる。
【００４３】
なお、図５（ｂ）では、セルスタック５の下端部の放熱量が多く、上端部よりも温度が低い場合について説明したが、セルスタック５の上端部の放熱量が多く、下端部よりも温度が低い場合には、図５（ｂ）と逆の構成とすることができる。
【００４４】
燃料電池セル３の長さ方向ｙにおける温度勾配は、特に、燃料電池セル３のガス流路に供給され、発電に使用されなかった余剰の燃料ガスが、燃料電池セル３の上方に放出され
、燃料電池セル３に供給された酸素含有ガスと反応し、セルスタック５と改質器６との間で燃焼する場合に大きくなるため、この場合に好適に用いることができる。
【００４５】
さらに、図６に示すように、柱状断熱体１６ｂを、断熱部材本体１６ａの燃料電池セル３の長さ方向ｙの一方側にのみ、すなわち、下端部のみ形成することができる。この場合であっても、セルスタック５の下端部の放熱量を小さくでき、セルスタック５の下端部の温度をセルスタック５の上端部の温度に近づけることができる。
【００４６】
なお、図３〜図６では、燃料電池セルの配列方向ｘにおける断熱部材本体１６ａの両他部の内部にそれぞれ３本ずつ柱状断熱体１６ｂを形成したが、両端部の内部にそれぞれ１本ずつでも良く、２本ずつでもよく、さらには４本以上でも良い。また、断面が円形状の柱状断熱体１６ｂである必要はなく、断面が楕円形、四角形等であっても良いことは勿論である。
【００４７】
また、燃料電池セル３の形状としては、平板型、円筒型、中空平板型等が知られているが、燃料電池セル３（セルスタック５）の発電を効率よく行なう上で、中空平板型の燃料電池セルとすることが好ましい。
【００４８】
そして、上述したようなモジュールを外装ケース内に収納することにより、燃料電池セル３の配列方向ｘにおける温度分布を均一に近づけることができ、発電効率を向上した燃料電池装置とすることができる。
【００４９】
なお、燃料電池セル３を固体酸化物形燃料電池セルとすることにより、モジュールのほか、燃料電池セルの動作に必要な補機類を小型化することができ、燃料電池装置を小型化することができる。また、家庭用燃料電池で求められる変動する負荷に追従する負荷追従運転を行なうことができる。
【００５０】
以上、本発明について詳細に説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更、改良等が可能である
例えば、燃料電池セルを、支持基板の表面に酸素側電極、固体電解質及び燃料側電極を順に設けた場合には、燃料電池セルの内部に設けられたガス流路に酸素含有ガスを流通させ、反応ガス導入部材より燃料ガスを導入することもできる。
【符号の説明】
【００５１】
１：燃料電池モジュール
２：収納容器
３：燃料電池セル
５：セルスタック
１６：断熱部材
１６ａ：断熱部材本体
１６ｂ：柱状断熱体
【図１】
2014026924.tif 000003
【図２】
2014026924.tif 000004
【図３】
2014026924.tif 000005
【図４】
2014026924.tif 000006
【図５】
2014026924.tif 000007
【図６】
2014026924.tif 000008