(57)【要約】      （修正有）【課題】発電時に燃料電池スタックを発電効率が良好である温度に維持するとともに、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１６に、排ガスを排出する排出口２０が設けられるとともに、断熱材１７の排出口２０を臨む位置に、排出口２０から排ガスが導入される排出空間２１が設けられ、当該排出空間２１に、外部から供給された水を上記排ガスの熱によって加熱して水蒸気を生成する水蒸気発生器２２が配置され、内缶体１６と断熱材１７との間に、排出空間２１に導入された排ガスを内缶体１６に沿うように流通させる排ガス流路１９が設けられ、外缶体１８に、排ガス流路１９の排ガスを缶体１外へと排出する排ガス排出口２３が設けられている燃料電池モジュール。【選択図】図１
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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により構成された箱形の缶体の内部に、発電反応により生成された高温の残余ガスを排ガスとして缶体内へと排出する燃料電池スタックを備えた燃料電池モジュールにおいて、
上記内缶体に、上記排ガスを排出する排出口が設けられるとともに、上記断熱材の上記排出口を臨む位置に、上記排出口から上記排ガスが導入される排出空間が設けられ、当該排出空間に、外部から供給された水を上記排ガスの熱によって加熱して水蒸気を生成する水蒸気発生器が配置され、上記内缶体と断熱材との間に、上記排出空間内に導入された排ガスを上記内缶体に沿うように流通させる排ガス流路が設けられ、上記外缶体に、上記排ガス流路の排ガスを缶体外へと排出する排ガス排出口が設けられていることを特徴とする燃料電池モジュール。
【請求項２】
上記排ガス流路は、少なくとも上記内缶体側面の一部の面に沿うように設けら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】
上記排出口が上記内缶体の下部側に設けられるとともに、上記排ガス流路の排ガス排出口が、上記外缶体の天板部側に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。
【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を交互に複数積層してなる燃料電池スタックを配して構成された燃料電池モジュールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の燃料電池モジュールとして、断熱材を設けた箱形の缶体の内部に、発電反応することにより生成された残余のガスを排ガスとして缶体内に排出する燃料電池スタックを収容するとともに、缶体に上記排ガスを缶体外へと排出する排出口を設け、その排出口に水蒸気発生器を配設したものが知られている。
【０００３】
ここで、燃料電池スタックは、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とを交互に複数積層したものであり、上記燃料極層と空気極層とに各々燃料ガスおよび空気を供給することにより発電反応を生じさせて、所定の電力を得るものである。
【０００４】
一方、水蒸気発生器は、燃料電池スタックの排熱および缶体内の熱を吸熱することにより、缶体外から供給された水を気化して、燃料ガスを生成するのに必要な水蒸気を生成するものである。
【０００５】
ところで、近年、燃料電池モジュールは、缶体内に単位体積辺りの出力密度を高めた高出力型の燃料電池スタックを配したものが採用されつつある。
【０００６】
この種の燃料電池モジュールは、出力密度を高めると、燃料電池スタックの単位面積あたりの発熱量が増加することにより、燃料電池スタックが熱過多になる傾向にあり、燃料電池スタックの発電効率が良好となる温度に維持するのが困難になるという問題点があった。
【０００７】
また、上記断熱材は、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モジュール外部へ放熱してしまう。そして、缶体内の熱量が増加するに伴い、モジュール外部への放熱量もともに増加するために、上記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、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。
【０００８】
そこで、上記問題点を解決すべく、本発明者等は、下記特許文献１において、燃料電池スタックに供給する空気の流量を大幅に増加させることにより、上記燃料電池スタック自体の温度を最適化することを可能にした酸化剤ガスの供給方法を提案した。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【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】
【００１０】
しかしながら、特許文献１に記載の発明にあっては、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、これら補機を含めた燃料電池システムの大型化に繋がるという問題点があった。
【００１１】
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、発電時に上記燃料電池スタックを発電効率が良好となる温度に維持するとともに、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】
【００１２】
上記課題を解決するために、請求項１に記載の燃料電池モジュールは、内缶体と該内缶体を断熱材を介して覆う外缶体により構成された箱形の缶体の内部に、発電反応により生成された高温の残余ガスを排ガスとして缶体内へと排出する燃料電池スタックを備えた燃料電池モジュールにおいて、上記内缶体に、上記排ガスを排出する排出口が設けられ、上記断熱材の上記排出口に臨む位置に、上記排出口から上記排ガスが導入される排出空間が設けられ、当該排出空間に、外部から供給された水を上記排ガスの熱によって加熱して水蒸気を生成する水蒸気発生器が配置され、上記内缶体と断熱材との間に、上記排出空間内に導入された排ガスを上記内缶体に沿うように流通させる排ガス流路が設けられ、上記外缶体に、上記排ガス流路の排ガスを缶体外へと排出する排ガス排出口が設けられていることを特徴とするものである。
【００１３】
また、請求項２に記載の燃料電池モジュールは、請求項１に記載の燃料電池モジュールにおいて、上記排ガス流路が、少なくとも上記内缶体の側面の一部の面に沿うように配されていることを特徴とするものである。
【００１４】
さらに、請求項３に記載の燃料電池モジュールは、請求項１または請求項２に記載の燃料電池モジュールにおいて、上記排出口が上記内缶体の下部側に設けられるとともに、上記排ガス排出口が上記外缶体の天板部側に設けられていることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１５】
請求項１〜請求項３に記載の本発明によれば、断熱材の排出口に臨む位置に、上記排出口から排ガスが導入される排出空間を設け、当該排出空間に、水蒸気発生器を配置しているために、上記水蒸気発生器において、上記排出口から上記排出空間内に導入された高温の排ガスの熱を吸熱することにより、上記排ガスの温度が缶体内の温度以下まで低下する。そして、この温度が低下した排ガスが、内缶体と断熱材との間に設けられた排ガス流路を流通する際に、熱過多にある燃料電池モジュールの缶体内の熱を吸熱するために、缶体内の温度が熱過多になることを防止することが可能となり、燃料電池スタックを発電効率が良好となる温度に維持することが可能となる。
【００１６】
また、断熱材は、缶体内の熱を断熱するのではなく、缶体内より温度が低い排ガス流路内の排ガスの熱を断熱するものとなるため、断熱材を従来の断熱材の厚さより薄く形成しても、充分に排ガスの熱を断熱することが可能となる。この結果、缶体を小型化することが可能となり、燃料電池モジュールを小型化することが可能になる。
【００１７】
また、特に、請求項２に記載の本発明によれば、上記排ガス流路を、少なくとも上記内缶体の側面の一部の面に沿うように配しているために、上記缶体の側面の断熱材の厚さを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。
【００１８】
そして、請求項３に記載の本発明によれば、上記排出口を上記内缶体の下部側に設けるとともに、上記排ガス流路の排ガス排出口を上記外缶体の天板部側に設けているために、上記排出口から上記排ガス流路内へと流入した排ガスを、排気ファン等の排気手段を用いることなく、自然対流によって効率的に上記排ガス排出口へと移動させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【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縦断面図である。
【図２】図１の燃料電池スタックの発電セルを示す縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、図１〜図２に基づいて本発明の実施形態を説明する。
図１に示すように、本発明の燃料電池モジュールは、箱形の缶体１と、当該缶体１の内部に配された複数（図では２組）の燃料電池スタック２および改質器３とにより概略構成されている。
【００２１】
この燃料電池スタック２は、図２に示すように、固体電解質層４の一方の面に燃料極層５を、他方の面に空気極層６を配置してなる発電セル７の外側に、各々燃料極集電体８と空気極集電体９を配置し、これらの集電体８、９の外側にセパレータ１０を配置した単セル１１を複数積層したものである。
【００２２】
そして、燃料電池スタック２の発電セル７を挟持するセパレータ間は、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。
【００２３】
ここで、固体電解質層４は、高い酸素イオン伝導性を有するランタンガレート系（ＬａＧａＯ3系）材料等によって構成されている。また、燃料極層５は、Ｎｉ−ＹＳＺのサーメット等で構成され、空気極層６は、ＬａＭｎＯ3等で構成されている。
【００２４】
そして、燃料極集電体８は、Ｎｉ基合金等の多孔質焼結金属板によって構成され、空気極集電体９は、Ａｇ基合金等の多孔質焼結金属板によって構成されている。
【００２５】
また、セパレータ１０は、発電セル７間を電気的に接続すると共に、発電セル７に対して水素リッチな燃料ガス（Ｈ2、ＣＯ等）および酸化剤ガス（空気）を供給する機能を有する板状体で、ステンレスによって形成されている。そして、このセパレータ１０には、２系統の内部通路として、外周部から導入された燃料ガスを燃料極集電体８との対向面のほぼ中央部に位置する燃料ガス吐出孔１２から吐出させる燃料ガス流路１３と、別の外周部から導入された酸化剤ガス（空気）を空気極集電体９との対向面のほぼ中央部に位置する酸化剤ガス吐出孔１３から吐出させる酸化剤ガス流路１５とが形成されている。
【００２６】
一方、改質器３は、炭化水素ガスおよび水蒸気との混合ガスが導入されて、改質反応が行われることにより、燃料電池スタックの燃料極層に供給する燃料ガスである水素を生成するものであり、内部に炭化水素用の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ている。そして、この改質器３には、燃料ガスを、燃料ガス流路１３を介して燃料極層５に供給する燃料ガス供給配管（図示せず）が接続されている。
【００２７】
他方、缶体１は、内缶体１６と、内缶体１６を断熱材１７を介して覆う外缶体１８と、内缶体１６と断熱材１７との間に設けられた排ガス流路１９によって構成されている。
【００２８】
この内缶体１６は、耐熱性を有する金属（例えば、ステンレス）によって構成され、下部側に、燃料スタック２の発電セル７から排出された高温の排ガスを排出する排気口２０が穿設されている。
【００２９】
そして、断熱材１７は、熱伝導性の低い素材（例えば、シリカ（ＳｉＯ2））によって構成され、排出口２０に臨む位置に、排出口２０から上記排ガスが導入される排出空間２１が設けられ、この排出空間２１に、水蒸気発生器２２が配置されている。
【００３０】
この水蒸気発生器２２は、外部から供給された水を上記排ガスの熱によって加熱して、上記改質器３に供給する水蒸気を生成するものであり、水を効率良く気化させるための熱伝導性の良好なビーズが充填されている。そして、水蒸気発生器２２には、改質器３に水蒸気を供給する水蒸気供給管（図示せず）が接続されている。
【００３１】
また、排ガス流路１９は、排出空間２１に導入された排ガスを内缶体１６の４側面および天板部に沿うように流通させるものであり、内缶体１６に、内缶体１６の天板部および４側面を間隔をおいて覆う外箱２６を設けることにより両者１６、２６間に設けられた天板部と４側面とが連通するボイドスペースによって構成されている。そして、排ガス流路１９の上流部側、即ち外箱の４側面の底部側には、排出空間２１の排ガスが供給される排ガス配管２４が複数本接続されている。
【００３２】
そして、外缶体１８は、金属（例えば、アルミニウム、ステンレス）によって構成され、天板部側に、排ガス流路１９の排ガスを缶体１外へと排出する排ガス排出口２３が穿設されている。
【００３３】
以上の構成からなる燃料電池モジュールにおいては、発電時、水蒸気発生器２２に水を供給して水蒸気を生成させ、その水蒸気と炭化水素ガスとの混合ガスを改質器３に供給して、燃料ガスを生成させる。
【００３４】
そして、その燃料ガス（水素）をセパレータ１０の燃料ガス流路１３に供給すると共に、空気をセパレータ１０の酸化剤ガス流路１５に供給する。
【００３５】
すると、水素および空気は、セパレータ１０の略中心部にある燃料ガス吐出孔１２および酸化剤ガス吐出孔１４から発電セル７に向けて吐出され、各集電体８、９を介すことにより、発電セル７の外周方向に拡散されながら燃料極層５および空気極層６の全面に良好な分布で行き渡る。
【００３６】
そして、複数（図では２組）の燃料電池スタック２の発電セル７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。
【００３７】
この際、燃料電池モジュールは、２組の燃料電池スタック２が発電反応の際に発熱して、各々燃料電池スタック２が高温の熱を排熱するために、熱の排気量に対して、缶体１内の熱量が増加する熱過多になる傾向にある。
【００３８】
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、断熱材１７の排出口２０に臨む位置に、排出空間２１を設け、当該排出空間２１に、水蒸気発生器２２を配置しているために、水蒸気発生器２２において、排出口２０から排出空間２１に導入された高温の排ガスの熱を吸熱することにより、上記排ガスの温度が缶体１内の温度以下まで低下する。そして、この温度が低下した排ガスが、排ガス通路２４を介して排ガス流路１９を流通する際に、熱過多にある燃料電池モジュールの缶体１内の熱を吸熱するために、缶体１内の温度が熱過多になることを防止することが可能となり、燃料電池スタック２を発電効率が良好となる温度に維持することが可能となる。
【００３９】
さらに、断熱材１８は、缶体１内の熱を断熱するのではなく、缶体１内より温度が低い排ガス流路１７内の排ガスの熱を断熱するものとなるため、断熱材１８を従来の断熱材の厚さより薄く形成しても、充分に排ガスの熱を断熱することが可能となる。この結果、缶体１を小型化することが可能となり、燃料電池モジュールを小型化することが可能になる。
【００４０】
また、排ガス流路１９を、内缶体１６の側面および天板部の全面に沿うように配しているために、缶体１の側面および天板部の断熱材１７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。
【００４１】
そして、排出口２０を内缶体１６の下部側に設けるとともに、排ガス排出口２３を外缶体１８の天板部側に設けているために、排出口２０から排ガス流路１９へと流入した排ガスを、排気ファン等の排気手段を用いることなく、自然対流により効率的に排ガス排出口２３へと流通させることが可能である。
【００４２】
なお、本実施形態においては、排ガスを内缶体の側面に流通させる排ガス流路を、内缶体１６に、内缶体１６の天板部および４側面を間隔をおいて覆う外箱２６を設けることにより両者１６、２６間に天板部と４側面が連通するボイドスペースを設けて構成したが、少なくとも内缶体１５の４側面の一部の面に沿うように複数の排ガス配管を配設したものであっても、対応可能である。
【符号の説明】
【００４３】
１  缶体
２  燃料電池スタック
１６  内缶体
１７  断熱材
１８  外缶体
１９  排ガス流路
２０  排出口
２１  排出空間
２２  水蒸気発生器
２３  排ガス排出口
【図１】
2011210570.tif 000003
【図２】
2011210570.tif 000004