(57)【要約】【課題】  温度分布の発生を抑制することができる燃料電池モジュールを提供する。【解決手段】  本発明の燃料電池モジュール（１００）は、ケーシング（６０）内に、内部に第１の反応ガスを第２端側から第１端側に向けて流すための第１の反応ガス流路を備える燃料電池セル（１０）を複数積層してなる燃料電池スタック（２０）と、燃料電池スタックの側面側より第２の反応ガスを供給するための第２の反応ガス供給部材と、燃料電池スタックの側面側に供給された第２の反応ガスが、それぞれの燃料電池セルの外側において第１端側から第２端側に向けて流れるように構成された第２の反応ガス流路と、を備えることを特徴とする。【選択図】        図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ケーシング内に、
内部に第１の反応ガスを第２端側から第１端側に向けて流すための第１の反応ガス流路を備える燃料電池セルを複数積層してなる燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックの側面側より第２の反応ガスを供給するための第２の反応ガス供給部材と、
前記燃料電池スタックの側面側に供給された前記第２の反応ガスが、それぞれの前記燃料電池セルの外側において第１端側から第２端側に向けて流れるように構成された第２の反応ガス流路と、
を備えることを特徴とする燃料電池モジュール。
【請求項２】
前記燃料電池スタックの側面側に、前記第２の反応ガス流路を形成する板状の流路画定部材を備えることを特徴とする請求項１記載の燃料電池モジュール。
【請求項３】
前記第２の反応ガス流路は、前記第２の反応ガスが前記流路画定部材の外側を前記燃料電池セルにおける第２端側から第１端側に向かって流れた後、それぞれの前記燃料電池セルの外側において前記第１端側から前記第２端側に向けて流れるように構成されていることを特徴とする請求項２記載の燃料電池モジュール。
【請求項４】
前記第１の反応ガス流路は、前記燃料電池セルの前記第２端に接続されたマニホールドに接続されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池モジュール。
【請求項５】
前記燃料電池セルは、内側より燃料極、固体電解質、酸素極がこの順に積層されて構成されているとともに、前記第１の反応ガスが前記燃料極に供給される燃料ガスであって、前記第２の反応ガスが前記酸素極に供給される酸化剤ガスであることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池モジュール。
【請求項６】
前記燃料電池セルの前記第１端側に、繊維質の緩衝部材を備えることを特徴とする請求項１〜５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、燃料電池モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、水素および酸素を燃料として電気エネルギを得る装置である。燃料電池は、環境面において優れており、また高いエネルギ効率を実現できることから、今後のエネルギ供給システムとして広く開発が進められてきている。
【０００３】
一般的には、複数の燃料電池セルを積層して燃料電池スタックを構成し、大きな出力を得ている。特許文献１には、複数の燃料電池セルを積層して燃料電池スタックを構成し、各燃料電池セルの端部において燃料オフガスを燃焼させて改質器を加熱する構成の燃料電池モジュールが開示されている。特許文献１に記載の燃料電池モジュールにおいては、各燃料電池セルに対して燃料ガスと酸化剤ガスとが平行して流れるようにそれぞれのガス流路が構成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−０３４２０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１の技術のように燃料オフガスと酸化剤オフガスとが並行流を形成すると、燃料電池スタックに温度分布が発生するおそれがある。
【０００６】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、温度分布の発生を抑制することができる燃料電池モジュール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】
【０００７】
本発明に係る燃料電池モジュールは、ケーシング内に、内部に第１の反応ガスを第２端側から第１端側に向けて流すための第１の反応ガス流路を備える燃料電池セルを複数積層してなる燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックの側面側より第２の反応ガスを供給するための第２の反応ガス供給部材と、前記燃料電池スタックの側面側に供給された前記第２の反応ガスが、それぞれの前記燃料電池セルの外側において第１端側から第２端側に向けて流れるように構成された第２の反応ガス流路と、を備えることを特徴とするものである。
【０００８】
本発明に係る燃料電池モジュールにおいては、燃料電池セルにおいて、第１の反応ガスと第２の反応ガスが対向流となる。この場合、並行流の場合と比較して、各燃料電池セルにおける発電分布および温度分布の発生を抑制することができる。また、第２の反応ガスが燃料電池スタック２０の側面を流動する際に加熱されることから、各燃料電池セルの第２の反応ガス供給口付近の温度低下が抑制される。それにより、燃料電池スタックにおいて温度分布の発生を抑制することができる。
【０００９】
燃料電池スタックの側面側に、第２の反応ガス流路を形成する板状の流路画定部材を備えていてもよい。第２の反応ガス流路は、第２の反応ガスが流路画定部材の外側を燃料電池セルにおける第２端側から第１端側に向かって流れた後、それぞれの燃料電池セルの外側において第１端側から第２端側に向けて流れるように構成されていてもよい。第１の反応ガス流路は、燃料電池セルの第２端に接続されたマニホールドに接続されていてもよい。燃料電池セルは、内側より燃料極、固体電解質、酸素極がこの順に積層されて構成されているとともに、第１の反応ガスが燃料極に供給される燃料ガスであって、第２の反応ガスが酸素極に供給される酸化剤ガスであってもよい。燃料電池セルの第２端側に、繊維質の緩衝部材を備えていてもよい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、燃料電池スタックにおける温度分布の発生を抑制することができる燃料電池モジュールを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】燃料電池セルの断面を含む部分斜視図である。
【図２】燃料電池スタックを説明するための斜視図である。
【図３】燃料電池スタック側面に設けられる流路画定部材について説明するための図であり、（ａ）は燃料電池スタック、流路画定部材およびマニホールドの斜視図であり、（ｂ）は（ａ）に示す燃料電池スタック、流路画定部材およびマニホールドの一部を抜粋して示す平面図である。
【図４】本発明に係る燃料電池モジュールの全体構成の一例を説明するための断面図である。
【図５】（ａ）は本発明に係る燃料電池モジュールの全体構成の他の例を説明するための断面図であり、（ｂ）は（ａ）に示す蛇行流路を抜粋して示す分解斜視図である。
【図６】（ａ）は本発明に係る燃料電池モジュールの全体構成のさらに他の例を説明するための断面図であり、（ｂ）は（ａ）に示す緩衝部材と燃料電池スタックの一部を抜粋して示す平面図である。
【図７】本発明に係る燃料電池モジュールの全体構成のさらに他の例を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。
【００１３】
図１は、燃料電池セル１０の断面を含む部分斜視図である。燃料電池セル１０は、その全体形状が円筒平板型である。なお、燃料電池セル１０の形状は円筒平板型に限られるものではなく、例えば円筒型であってもよい。なお、以下の説明において、第１の反応ガスとして燃料ガスを、第２の反応ガスとして酸化剤ガスを用いる構成の燃料電池セル１０を用いて説明する。燃料電池セル１０は、ガス透過性を有する導電性支持体１１の内部に、軸方向に沿って貫通する複数の燃料ガス通路１２（第１の反応ガス流路）が形成されている。導電性支持体１１の外周面における一方の平面上に、燃料極１３、固体電解質１４、および酸素極１５がこの順に積層されている。導電性支持体１１の外周面における他方の平面上には、接合層１６を介してインターコネクタ１７が設けられ、その上に接触抵抗低減用のＰ型半導体層１８が設けられている。
【００１４】
燃料ガス通路１２に水素を含む燃料ガスが供給されることによって、燃料極１３に水素が供給される。一方、燃料電池セル１０の周囲に酸素を含む酸化剤ガスが供給されることによって、酸素極１５に酸素が供給される。それにより、酸素極１５及び燃料極１３において下記の電極反応が生じることによって発電が行われる。発電反応は、例えば、６００℃〜１０００℃で行われる。
酸素極：１／２Ｏ２＋２ｅ−→Ｏ２−（固体電解質）
燃料極：Ｏ２−（固体電解質）＋Ｈ２→Ｈ２Ｏ＋２ｅ−
【００１５】
酸素極１５の材料は、耐酸化性を有し、気体の酸素が固体電解質１４との界面に到達できるように多孔質である。固体電解質１４は、酸素極１５から燃料極１３へ酸素イオンＯ２−を移動させる機能を有する。固体電解質１４は、酸素イオン導電性酸化物によって構成される。また、固体電解質１４は、燃料ガスと酸化剤ガスとを物理的に隔離するため、酸化／還元雰囲気中において安定でありかつ緻密質である。燃料極１３は、還元雰囲気中で安定でありかつ水素との親和性を有するとともに、多孔質の材料によって構成される。インターコネクタ１７は、燃料電池セル１０同士を直列接続するために設けられており、燃料ガスと酸素含有ガスとを物理的に隔離するために緻密質である。
【００１６】
例えば、酸素極１５は、電子およびイオンの双方の導電性が高いランタンコバルタイト系のペロブスカイト型複合酸化物等から形成される。固体電解質１４は、イオン導電性の高いＹ２Ｏ３を含有するＺｒＯ２（ＹＳＺ）等によって形成される。燃料極１３は、電子導電性の高いＮｉとＹ２Ｏ３を含有するＺｒＯ２（ＹＳＺ）との混合物等によって形成される。インターコネクタ１７は、電子導電性の高い、アルカリ土類酸化物を固溶したＬａＣｒＯ３等によって形成される。これらの材料は、熱膨張率が互いに近いものが好適である。
【００１７】
図２は、燃料電池スタック２０を説明するための斜視図である。図２に示すように、燃料電池スタック２０においては、複数の燃料電池セル１０が互いに集電部材（図示せず）を介して積層されている。各燃料電池セル１０は、酸素極１５側とインターコネクタ１７側とが対向するように積層される。なお、図２において、矢印は燃料ガスの流れを示し、太線矢印は酸化剤ガスの流れを示す。
【００１８】
図３は、燃料電池スタック２０側面に設けられる流路画定部材２１について説明するための図である。図３（ａ）は、燃料電池スタック２０、流路画定部材２１およびマニホールド４０の斜視図である。図３（ｂ）は、（ａ）に示す燃料電池スタック２０、流路画定部材２１およびマニホールド４０の一部を抜粋して示す平面図である。
【００１９】
図３（ａ）に示すように、マニホールド４０上に２組の燃料電池スタック２０が並列配置されて固定されている。マニホールド４０内に形成された空間と図１で説明した燃料ガス通路１２とは連通している。それにより、各燃料電池セル１０においては、マニホールド４０側からマニホールド４０と反対側にかけて燃料ガス通路１２内を流動する。
【００２０】
また、図３（ａ）および図３（ｂ）においては、各燃料電池スタック２０の対向する側面側（燃料電池セル１０の積層方向に沿った側面のうち対向する側面側）に、流路画定部材２１が設けられている。流路画定部材２１は、板状部材であって、各燃料電池スタック２０の対向する側面全体を覆っていることが好ましい。流路画定部材２１は、燃料電池セル１０と接触する場合には、各燃料電池セル１０の短絡防止のため、セラミックス等の絶縁体または表面に絶縁処理が施された金属からなることが好ましい。
【００２１】
図４は、本例に係る燃料電池モジュール１００の全体構成を説明するための断面図である。図４に示すように、燃料電池モジュール１００は、酸化剤ガスが流動するための流路を形成する２重壁からなるケーシング６０によって、燃料電池スタック２０、改質器３０、マニホールド４０、および燃焼部７０が囲まれた構造を有する。なお、本例においては、燃料電池モジュール１００において、燃料電池スタック２０のマニホールド４０側を下方とし、マニホールド４０と反対側を上方とする。また、各燃料電池セル１０の上方端を第１端とし、下方端を第２端とする。
【００２２】
各燃料電池スタック２０の上端部には、上部断熱部材６１が配置されている。本例においては、各燃料電池セル１０の上端部が上部断熱部材６１を貫通している。また、各燃料電池スタック２０の外側の側面には、側部断熱部材６２が配置されている。この構成により、各燃料電池スタック２０からの放熱が抑制される。
【００２３】
改質器３０は、マニホールド４０下に配置されている。改質器３０は、気化部、加熱部、および改質部を含む。気化部は、後述する燃料オフガスの燃焼熱を利用して改質水を蒸発させる空間部である。加熱部は、燃料オフガスの燃焼熱によって改質水および炭化水素系燃料を加熱する空間部である。改質部は、改質水と炭化水素系燃料との水蒸気改質反応を生じさせるための空間部である。改質部には、改質触媒が配置されている。改質器３０において生成された改質ガス（燃料ガス）は、マニホールド４０を介して各燃料電池セル１０の燃料ガス通路１２に供給される。
【００２４】
燃焼部７０は、改質器３０下に配置されている。燃焼部７０は、燃料電池セル１０の発電に供された後の燃料ガス（燃料オフガス）と発電に供された後の酸化剤ガス（酸化剤オフガス）とが合流する空間部である。燃料オフガスには未燃の水素等の可燃物が含まれていることから、燃料オフガスは、酸化剤オフガスに含まれる酸素を利用して燃焼する。燃焼部７０の燃焼熱は、改質器３０に供給される。それにより、改質器３０における改質反応が促進される。燃焼部７０の燃焼オフガスは、ケーシング６０の底面から外部に排出される。
【００２５】
ケーシング６０への酸化剤ガスの入口は、ケーシング６０の底面に設けられている。この場合、燃焼部７０の燃焼オフガスと酸化剤ガスとの熱交換を一箇所に集中させることができる。それにより、燃焼オフガスと酸化剤ガスとが燃料電池モジュール１００全体を包む構造に対して、熱交換部の外表面積を低減させることができる。その結果、燃料電池モジュール１００からの放熱が抑制され、燃料電池スタック２０の発電効率が向上する。
【００２６】
酸化剤ガスは、ケーシング６０の側部の流路を通って、各燃料電池スタック２０の上方に流動する。この場合、燃焼オフガスと酸化剤ガスとが燃料電池モジュール１００全体を包む構造に対して、燃料電池モジュール１００の外表面温度が低下する。それにより、燃料電池モジュール１００からの放熱が抑制され、燃料電池スタック２０の発電効率が向上する。
【００２７】
その後、酸化剤ガスは、一方の燃料電池スタック２０と他方の燃料電池スタック２０との間に設けられた酸化剤ガス導入部材６３を通って下方に流れて、燃料電池スタック２０の側面側より供給される。なお、本例においては酸化剤ガス導入部材６３が第２の反応ガスを燃料電池スタック２０の側面側より供給するための第２の反応ガス供給部材に相当し、燃料電池スタック２０の側面側に沿った板状の部材から構成されている。その後、酸化剤ガスは、酸化剤ガス導入部材６３と各流路画定部材２１との間の空間を通って上方に流動し、各燃料電池スタック２０に上端部側から供給される。側部断熱部材６２が配置されていることから、酸化剤ガスは、各燃料電池セル１０の第１端側から第２端側に向かって流れる。一方、燃料ガスは、燃料ガス通路１２内を、第２端側から第１端側に向かって流れる。
【００２８】
したがって、各燃料電池セル１０においては、酸化剤ガスが第１端側から第２端側に流れ、燃料ガスが第２端側から第１端側に流れる。すなわち、燃料ガスの流れ酸化剤ガスの流れとが対向流となる。この場合、並行流の場合と比較して、各燃料電池セル１０における発電分布および温度分布の発生を抑制することができる。それにより、各燃料電池セル１０における発電効率および耐久性が向上するとともに、燃料電池スタック２０において温度分布の発生を抑制することができる。
【００２９】
また、酸化剤ガスは、燃料電池スタック２０の側面側に配置された流路画定部材２１によって画定された第２の反応ガス流路を、燃料電池セル１０における第２端側から第１端側に向かって流れる。したがって、燃料電池スタック２０と熱交換された酸化剤ガスが各燃料電池セル１０の第１端側に供給される。この場合、各燃料電池セル１０に供給される酸化剤ガスは加熱されている。それにより、各燃料電池セル１０の酸化剤ガス供給口付近の温度低下が抑制される。また、流路画定部材２１の外側を流れる酸化剤ガスと燃料電池スタック２０との熱交換によって、燃料電池スタック２０の中央部付近の高温化が抑制される。その結果、各燃料電池セル１０における温度分布の発生をより抑制することができ、燃料電池スタック２０における温度分布の発生をより抑制することができる。
【００３０】
特に、本例においては酸化剤ガス導入部材６３が各燃料電池スタック２０の間に設けられていることから、酸化剤ガスは、酸化剤ガス導入部材６３を流れる過程においても燃料電池スタック２０と熱交換する。それにより、各燃料電池セル１０における温度分布の発生をより抑制することができ、燃料電池スタック２０における温度分布の発生をより抑制することができる。
【００３１】
発電に供された後の酸化剤オフガスは、燃焼部７０に流入する。燃料オフガスは、側部断熱部材６２とケーシング６０との間を下方に流れ、燃焼部７０に流入する。この場合、ケーシング６０内を流れる酸化剤ガスは、燃料オフガスによって加熱される。それにより、各燃料電池セル１０における温度分布の発生をより抑制することができ、燃料電池スタック２０における温度分布の発生をより抑制することができる。
【００３２】
なお、本例においては、酸化剤ガス導入部材６３と流路画定部材２１との間の空間と、側部断熱部材６２と流路画定部材２１との間の空間とが、第２の反応ガス流路（酸化剤ガス流路）として機能する。また、燃料ガス通路１２が、第１の反応ガス流路（燃料ガス流路）に相当する。
【００３３】
図５（ａ）は、例２に係る燃料電池モジュール１００ａの全体構成を説明するための断面図である。図５（ａ）に示すように、燃料電池モジュール１００ａが図４の燃料電池モジュール１００と異なる点は、蛇行流路８０が設けられている点である。
【００３４】
図５（ｂ）は、（ａ）に示す蛇行流路８０を説明するための分解斜視図である。図５（ｂ）に示すように、蛇行流路８０は、酸化剤ガスが、各燃料電池スタック２０の間の中央部を複数回折り返して流れるように構成される。さらに、蛇行流路８０は、酸化剤ガスが下方に向けて複数回折り返して流れた後、流路画定部材２１に沿って、下方から上方に複数回折り返して流れるように構成される。この場合、酸化剤ガスと燃料電池セル１０との熱交換が改善される。その結果、各燃料電池セル１０における温度分布の発生をより抑制することができ、燃料電池スタック２０における温度分布の発生をより抑制することができる。なお、本例においては蛇行流路８０が第２の反応ガスを燃料電池スタック２０の側面側より供給するための第２の反応ガス供給部材に相当する。
【００３５】
図６（ａ）は、例３に係る燃料電池モジュール１００ｂの全体構成を説明するための断面図である。図６（ａ）に示すように、燃料電池モジュール１００ｂが図４の燃料電池モジュール１００と異なる点は、上部断熱部材６１の代わりに緩衝部材６１ｂが設けられている点である。緩衝部材６１ｂは、絶縁性および弾力性を有する材料からなる。緩衝部材６１ｂは、例えば、セラミックス繊維またはセラミックス成型材（気孔率１０％程度）である。この場合のセラミックスとしては、セラミックスを構成する各組成の合計量１００％に対して、ＳｉＯ２を６０％、Ａｌ２Ｏ３を３０〜４０％、ＺｒＯ２を０〜１０％含むものを用いることができる。緩衝部材６１ｂは、ガス不透過性を有することが好ましいが、ガス透過に伴うＨ２燃焼が、効率低下等に実質的に問題とならない程度のガスリークを許容してもよい。
【００３６】
図６（ｂ）は、いずれか一方の緩衝部材６１ｂと燃料電池スタック２０との一部を抜粋して示す平面図である。図６（ｂ）に示すように、各燃料電池セル１０の上端は、緩衝部材６１ｂを貫通している。この構成によれば、各燃料電池セル１０の熱膨張に起因する伸縮を吸収することができる。したがって、各燃料電池セル１０の上端および下端における各反応ガスの隔離を維持しつつ、各燃料電池セル１０の破壊を抑制することができる。燃料ガスと酸化剤ガスとが隔離されるため、各反応ガスの配管レイアウトの選択幅が増え、燃焼部７０の配置自由度が向上する。
【００３７】
図７は、例４に係る燃料電池モジュール１００ｃの全体構成を説明するための断面図である。図７に示すように、燃料電池モジュール１００ｃが図４の燃料電池モジュール１００と異なる点は、燃料電池スタック２０が１つ配置されている点である。このように、燃料電池スタック２０の個数は特に限定されるものではない。
【００３８】
本例においては、流路画定部材２１は、燃料電池スタック２０の両側面に配置されている。また、各流路画定部材２１の外側に、ケーシング６０の上部から下方に伸びる酸化剤ガス導入部材６３ｃが設けられている。酸化剤ガスは、酸化剤ガス導入部材６３ｃを通って下方に流れた後、酸化剤ガス導入部材６３ｃと流路画定部材２１との間の空間を通って上方に流れ、各燃料電池セル１０の第１端側に供給される。
【００３９】
この構成においても、各燃料電池セル１０において酸化剤ガスの流れと燃料ガスの流れとが対向流となることによって、各燃料電池セル１０における発電分布および温度分布の発生を抑制することができ、燃料電池スタック２０における温度分布の発生をより抑制することができる。それにより燃料電池スタック２０における発電効率および耐久性が向上する。また、酸化剤ガスは、燃料電池スタック２０の側部外側において流路画定部材２１によって画定された流路を第２端側から第１端側に向かって流れる。したがって、燃料電池スタック２０と熱交換された酸化剤ガスが各燃料電池セル１０の第１端側に供給される。この場合、各燃料電池セル１０の酸化剤ガス供給口付近の温度低下が抑制される。また、流路画定部材２１の外側を流れる酸化剤ガスと燃料電池スタック２０との熱交換によって、燃料電池スタック２０の中央部付近の高温化が抑制される。その結果、各燃料電池セル１０における温度分布の発生をより抑制することができ、燃料電池スタック２０における温度分布の発生をより抑制することができる。
【００４０】
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の例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、上述の例においては、第１の反応ガスとして燃料ガスを、第２の反応ガスとして酸化剤ガスを用いる場合の燃料電池モジュールの例を示したが、第１の反応ガスとして酸化剤ガスを、第２の反応ガスとして燃料ガスを用いることもできる。この場合においては、内側より酸素極、固体電解質、燃料極がこの順に積層された燃料電池セルを用いることがよい。
【符号の説明】
【００４１】
１０  燃料電池セル
２０  燃料電池スタック
３０  改質器
４０  マニホールド
６０  ケーシング
６１  上部断熱部材
６２  側部断熱部材
７０  燃焼部
１００  燃料電池モジュール
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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