(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池スタックと、該燃料電池スタックに導入される燃料を予熱する燃料予熱器と、前記燃料電池スタックに導入される空気を予熱する空気予熱器とを備え、前記燃料電池スタックを脚部によって支持した燃料電池モジュールであって、
前記脚部には、該脚部に伝達された熱を前記燃料予熱器に導入される前の燃料及び前記空気予熱器に導入される前の空気のうちの少なくとも一方を用いて回収する熱回収部が備え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】
請求項１記載の燃料電池モジュールにおいて、
前記燃料電池スタックと、前記燃料予熱器と、前記空気予熱器と、前記熱回収部を設けた脚部とを断熱筐体内に収容したことを特徴とする燃料電池モジュール。
【請求項３】
請求項１又は２記載の燃料電池モジュールにおいて、
前記熱回収部は、前記脚部と一体に構成されていることを特徴とする燃料電池モジュール。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池モジュールにおいて、
前記脚部は複数設置されると共に、少なくとも２つの脚部には前記熱回収部が設けられており、
一方の脚部に設けられた熱回収部には、前記燃料を前記燃料電池スタックに供給する燃料供給ラインが接続され、
他方の脚部に設けられた熱回収部には、前記空気を前記燃料電池スタックに供給する空気供給ラインが接続されていることを特徴とする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、燃料電池スタックを脚部によって支持した燃料電池モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）や溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）のように６００℃〜１０００℃程度で反応を行う高温型の燃料電池モジュールでは、その発電性能を最大限に発揮させるために燃料電池スタックを適正な温度プロフィールに維持する必要がある。
【０００３】
例えば特許文献１には、断熱筐体内に燃料電池スタックを収容して電池保温を行うと共に、燃料電池スタックの側部及び上部に設置した熱交換器にスタック導入前の燃料や空気を流通させ、これら燃料や空気を燃料電池スタックからの輻射熱によって予熱し、これによりモジュール全体での熱効率を向上させ、発電効率を向上させる構造が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−１５７４８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記のような燃料電池モジュールでは燃料電池スタックを脚部によって支持する設置構造が一般であり、特許文献１の構成でも燃料電池スタックを載置した架台を脚部によって支持している。
【０００６】
ところで、通常、このような脚部は強度や耐熱性を考慮してステンレスやスチール等の金属で構成されるため、燃料電池スタックで発生した熱が熱伝導によって脚部に直接的に且つ円滑に伝達されてしまう。その結果、脚部から外部への放熱による熱ロスを生じてモジュール全体としての熱効率を低下させ、発電効率の向上のための障壁となる。
【０００７】
本発明は、上記従来の課題を考慮してなされたものであり、燃料電池スタックを支持する脚部から外部への放熱を低減させ、熱効率を向上させ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】
【０００８】
本発明に係る燃料電池モジュールは、燃料電池スタックと、該燃料電池スタックに導入される燃料を予熱する燃料予熱器と、前記燃料電池スタックに導入される空気を予熱する空気予熱器とを備え、前記燃料電池スタックを脚部によって支持した燃料電池モジュールであって、前記脚部には、該脚部に伝達された熱を前記燃料予熱器に導入される前の燃料及び前記空気予熱器に導入される前の空気のうちの少なくとも一方を用いて回収する熱回収部が備えられていることを特徴とする。
【０００９】
このような構成によれば、燃料電池スタックを支持する脚部に、該脚部に伝達された熱を燃料予熱器に導入される前の燃料及び空気予熱器に導入される前の空気のうちの少なくとも一方を用いて回収する熱回収部を備えている。これにより、燃料電池スタックから脚部に伝達された熱を熱回収部で燃料及び空気で回収し、これら燃料及び空気の予熱に有効に利用することができる。その結果、燃料電池スタックで発生した熱が脚部から外部へと放熱されることによる熱ロスを低減し、モジュール全体としての熱効率を向上させ、発電効率を向上させることができる。
【００１０】
前記燃料電池スタックと、前記燃料予熱器と、前記空気予熱器と、前記熱回収部を設けた脚部とを断熱筐体内に収容した構成としてもよい。そうすると、燃料電池モジュール内の温度を維持して熱効率を一層高めることができると共に、脚部から断熱筐体外への熱ロスを熱回収部によって低減することができる。
【００１１】
前記熱回収部は、前記脚部と一体に構成されていると、燃料電池スタックへの取り付けが容易であると共に、脚部に伝達された熱を高効率に回収することができる。
【００１２】
前記脚部は複数設置されると共に、少なくとも２つの脚部には前記熱回収部が設けられており、一方の脚部に設けられた熱回収部には、前記燃料を前記燃料電池スタックに供給する燃料供給ラインが接続され、他方の脚部に設けられた熱回収部には、前記空気を前記燃料電池スタックに供給する空気供給ラインが接続された構成であってもよい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、燃料電池スタックから脚部に伝達された熱を熱回収部で燃料及び空気で回収し、これら燃料及び空気の予熱に有効に利用することができる。その結果、燃料電池スタックで発生した熱が脚部から外部へと放熱されることによる熱ロスを低減し、モジュール全体としての熱効率を向上させ、発電効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、本発明の一実施形態に係る燃料電池モジュールの構成を模式的に示した正面図である。
【図２】図２は、脚部及びこれに設けられる熱回収部の構成図であり、図２（Ａ）は、一部断面正面図であり、図２（Ｂ）は、図２（Ａ）中のＩＩＢ−ＩＩＢ線に沿う断面図である。
【図３】図３は、変形例に係る脚部及びこれに設けられる熱回収部の構成図であり、図３（Ａ）は、正面断面図であり、図３（Ｂ）は、図３（Ａ）中のＩＩＩＢ−ＩＩＩＢ線に沿う断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明に係る燃料電池モジュールについて好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１６】
図１は、本発明の一実施形態に係る燃料電池モジュール１０の構成を模式的に示した正面図である。
【００１７】
図１に示すように、燃料電池モジュール１０は、燃料電池スタック１２と、燃料予熱器１４と、空気予熱器１６とを備え、これらを断熱筐体１８の内部（高温室）に設置したものである。燃料電池スタック１２は、断熱筐体１８の床面から立脚した複数本の脚部２０，２１によって支持されている。脚部２０，２１は燃料電池スタック１２が載置される図示しないテーブル板を有する架台の脚部として構成されてもよい。
【００１８】
燃料電池スタック１２は、燃料供給ラインＬＦ１から導入される燃料（燃料ガス）と、空気供給ラインＬＡ１から導入される空気とを反応させて発電する発電セルを複数組設けたセルスタックである。燃料電池スタック１２から排出される燃料排ガス（アノードオフガス）及び空気排ガス（カソードオフガス）は、それぞれ燃料排出ラインＬＦ２及び空気排出ラインＬＡ２から外部に排出される。
【００１９】
燃料電池スタック１２は、例えば円筒形の発電セルを複数本束ねた構成や矩形平板の発電セルを複数積層した構成等、公知の構成を用いることができる。本実施形態の燃料電池スタック１２には、燃料極（アノード）と空気極（カソード）との間に電解質としてイオン伝導性セラミックスを介在させた固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）を用いている。
【００２０】
燃料電池スタック１２の上部と下部には、それぞれガス経路２２，２３が設けられている。ガス経路２２，２３は、燃料供給ラインＬＦ１及び空気供給ラインＬＡ１から燃料電池スタック１２に導入される燃料及び空気と、燃料電池スタック１２から燃料排出ラインＬＦ２及び空気排出ラインＬＡ２に排出される燃料及び空気を分散させ或いは集めて流通させるマニホールドとなる部分である。ガス経路２２，２３は、例えばステンレスやスチール等の高い強度及び耐熱性を有する金属板で箱状に形成されたジャケット構造である。
【００２１】
燃料電池スタック１２を支持する脚部２０，２１は、燃料電池スタック１２下部のガス経路２３のジャケットの下面にボルト止めや溶接によって固定される。本実施形態の場合、一方の脚部２０には燃料予熱器１４に導入される前の燃料が流通する熱回収部２４が設けられ、他方の脚部２１には空気予熱器１６に導入される前の空気が流通する熱回収部２５が設けられているが、詳細は後述する。なお、図１では正面側の２本の脚部２０，２１のみを図示しているが、脚部２０，２１は燃料電池スタック１２の外形形状に応じて例えば４〜８本程度設けられる。従って、熱回収部２４，２５は、それぞれ１本の脚部２０，２１に設置されてもよいし、それぞれ２本以上の脚部２０，２１に設置されてもよい。
【００２２】
燃料予熱器１４には、熱回収部２４と燃料電池スタック１２の間の燃料供給ラインＬＦ１と、燃料電池スタック１２からの燃料排出ラインＬＦ２とが接続される。燃料予熱器１４は、燃料電池スタック１２に導入される燃料を燃料電池スタック１２から排出される燃料排ガス及び燃料電池スタック１２からの輻射熱を利用して予熱する熱交換器である。
【００２３】
空気予熱器１６には、熱回収部２５と燃料電池スタック１２の間の空気供給ラインＬＡ１と、燃料電池スタック１２からの空気排出ラインＬＡ２とが接続される。空気予熱器１６は、燃料電池スタック１２に導入される空気を燃料電池スタック１２から排出される空気排ガス及び燃料電池スタック１２からの輻射熱を利用して予熱する熱交換器である。
【００２４】
断熱筐体１８は、例えばグラスウール等の一般的な断熱材を外壁面に充填した箱体であり、断熱性及び気密性を有して内部に燃料電池スタック１２等を収容することができる。断熱材は、断熱筐体１８の外壁面だけでなく、その内部全体に充填されてもよい。
【００２５】
図２は、脚部２０（２１）及びこれに設けられる熱回収部２４（２５）の構成図であり、図２（Ａ）は、一部断面正面図であり、図２（Ｂ）は、図２（Ａ）中のＩＩＢ−ＩＩＢ線に沿う断面図である。
【００２６】
図２（Ａ）及び図２（Ｂ）に示すように、脚部２０は、燃料電池スタック１２を支持する強度部材となる脚本体３０と、脚本体３０の凹部３０ａに収容配置され、脚本体３０の壁面と密着固定された熱回収部２４とを備える。
【００２７】
脚本体３０は、９００℃程度の高温となる燃料電池スタック１２及びその下部で５００℃程度になるガス経路２３を安定して支持することのできる強度及び耐熱性が必要であり、例えばステンレスやスチール等のＨ型鋼やＣ型鋼によって形成される。脚本体３０は、燃料電池スタック１２下部のガス経路２３のジャケットの下面にボルト止めや溶接によって固定されるため、燃料電池スタック１２及びガス経路２３からの熱が金属部材内の熱伝導及び金属部材間の熱伝達によって伝達され、最も高温な部分では例えば５００℃程度になる。
【００２８】
熱回収部２４は、燃料電池スタック１２及びガス経路２３から脚本体３０に伝達された熱を燃料電池スタック１２に導入する前の燃料によって回収する熱交換器である。熱回収部２４は、内部を燃料が流通する容器３２と、容器３２内に燃料を導入する入口ポート３４と、容器３２外へと燃料を排出する出口ポート３６とを備える。
【００２９】
入口ポート３４は、容器３２の下部側面に設けられ、断熱筐体１８の外部の供給源からの燃料供給ラインＬＦ１と連結される（図１参照）。出口ポート３６は、容器３２の上部側面に設けられ、燃料予熱器１４の入口側に向かう燃料供給ラインＬＦ１と連結される（図１参照）。
【００３０】
容器３２は、例えばステンレスやスチール等の高い強度及び耐熱性を有する金属板で箱状に形成されている。容器３２の壁面は脚本体３０の凹部３０ａの内壁面に密着固定され、さらに一壁面が脚本体３０の側壁面３０ｂで兼用されることで、内部を流通する燃料と脚本体３０との間で高い熱交換性能が確保されている。容器３２の内部には、燃料との接触面積を拡大するための複数枚の伝熱フィン３８が、下部の入口ポート３４側から上部の出口ポート３６側に向かって上下方向に所定間隔を持って積層されている。各伝熱フィン３８には、その板厚を貫通する貫通孔３８ａが多数形成されている（図２（Ｂ）参照）。伝熱フィン３８には、例えば金属薄板に多数の貫通孔が打ち抜き成形されたパンチングメタルが用いられる。
【００３１】
熱回収部２４において入口ポート３４から容器３２内に導入された燃料は、容器３２内の下部に形成されたバッファ空間であるガス分配部３２ａに流入し、そこから積層された各伝熱フィン３８の貫通孔３８ａを通過しながら脚本体３０と熱交換する。これにより脚本体３０の熱を回収して加熱された燃料は、容器３２の上部に形成されたバッファ空間であるガス集合部３２ｂから出口ポート３６へと排出され、続いて燃料予熱器１４に導入される。ガス分配部３２ａは、容器３２内に導入された燃料の流速を低下させて各伝熱フィン３８の面方向に均等に燃料を分散させるための部分であり、アルミナボール等を充填して燃料の流速低下を促進してもよい。
【００３２】
なお、他方の脚部２１及びこれに設けられる熱回収部２５は、図２（Ａ）及び図２（Ｂ）に示した脚部２０及び熱回収部２４と左右対称構造である以外は同一の構造でよい。すなわち、脚部２１では、脚本体３０の凹部３０ａに熱回収部２５を備える。この熱回収部２５には、内部を空気が流通する容器３２と、容器３２に空気を導入する入口ポート３４と、容器３２から空気を排出する出口ポート３６とが設けられ、容器３２内には伝熱フィン３８が積層されている。
【００３３】
従って、以上のように構成された燃料電池モジュール１０では、外部の供給源から燃料供給ラインＬＦ１に流通した原燃料ガス（例えば、天然ガス、ＬＰＧ又は都市ガス等の炭化水素系の燃料）は脚部２０の熱回収部２４に流入し、燃料電池スタック１２から脚部２０の脚本体３０に伝達された熱を回収して予熱された後、燃料予熱器１４に流入する。燃料予熱器１４に導入された燃料は、燃料電池スタック１２の燃料極からガス経路２３を介して燃料排出ラインＬＦ２に排出された燃料排ガスと熱交換してさらに予熱された後、ガス経路２２を介して燃料電池スタック１２の燃料極に導入される。
【００３４】
一方、外部の供給源から空気供給ラインＬＡ１に流通した空気（酸化剤ガス）は脚部２１の熱回収部２５に流入し、燃料電池スタック１２から脚部２１の脚本体３０に伝達された熱を回収して予熱された後、空気予熱器１６に流入する。空気予熱器１６に導入された空気は、燃料電池スタック１２の空気極からガス経路２２を介して空気排出ラインＬＡ２に排出された空気排ガスと熱交換してさらに予熱された後、ガス経路２３を介して燃料電池スタック１２の空気極に導入される。
【００３５】
その結果、燃料電池モジュール１０では、このようにして燃料電池スタック１２の燃料極及び空気極にそれぞれ導入される予熱後の燃料及び空気により発電反応が継続され、例えば９００℃程度の高温を維持した発電運転が継続される。なお、図１に示す燃料電池モジュール１０は、熱回収部２４及び燃料予熱器１４で予熱された燃料を燃料電池スタック１２に導入して内部で改質する構成としているが、例えば断熱筐体１８内における燃料予熱器１４と燃料電池スタック１２との間の燃料供給ラインＬＦ１に改質器を設けた構成であってもよい。
【００３６】
この際、燃料電池スタック１２を支持する脚部２０，２１には、この脚部２０，２１に伝達された熱を燃料予熱器１４に導入される前の燃料及び空気予熱器１６に導入される前の空気を用いて回収する熱回収部２４，２５が備えられている。これにより高温となる燃料電池スタック１２やガス経路２３から金属製の脚部２０，２１に伝達された熱を熱回収部２４，２５で燃料及び空気で回収し、これら燃料及び空気の予熱に有効に利用することができる。
【００３７】
従って、当該燃料電池モジュール１０によれば、燃料電池スタック１２で発生した熱が脚部２０，２１から断熱筐体１８外部へと放熱されることによる熱ロスを低減し、モジュール全体としての熱効率を向上させ、発電効率を向上させることができる。
【００３８】
また、熱回収部２４が脚部２０（脚本体３０）と一体に構成されているため、燃料電池スタック１２への取り付けが容易であると共に、脚部２０に伝達された熱を高効率に回収することができる。
【００３９】
なお、各脚部２０，２１に設けられた熱回収部２４，２５には、必ずしも燃料及び空気の両方を流通させる必要はなく、燃料及び空気のいずれか一方、例えば一般に燃料よりも大きな予熱の熱量を必要とする空気のみを流通させる構成としてもよい。また、燃料電池スタック１２を支持する脚部２０，２１のうちの一部にのみ熱回収部２４，２５を設けた構成としてもよいが、外部への放熱量をより低減させ、より十分な熱量を燃料や空気に回収するためには、全ての脚部２０，２１に熱回収部２４，２５を設けることが好ましい。
【００４０】
ところで、上記では、脚本体３０に熱回収部２４（２５）を連結固定することで両者を一体的に構成した脚部２０，２１を例示したが、脚本体と熱回収部とが構造的に一体化された脚部２０Ａ，２１Ａ（図３参照）を用いてもよい。
【００４１】
図３は、変形例に係る脚部２０Ａ（２１Ａ）及びこれに設けられる熱回収部２４Ａ（２５Ａ）の構成図であり、図３（Ａ）は、正面断面図であり、図３（Ｂ）は、図３（Ａ）中のＩＩＩＢ−ＩＩＩＢ線に沿う断面図である。
【００４２】
図３（Ａ）及び図３（Ｂ）に示すように、脚部２０Ａは、燃料電池スタック１２を支持する強度部材となる脚本体４０と、脚本体４０の内部空間に設けられた熱回収部２４Ａとを備える。
【００４３】
脚本体４０は、９００℃程度の高温となる燃料電池スタック１２及びその下部で５００℃程度になるガス経路２３を安定して支持することのできる強度及び耐熱性が必要であり、例えばステンレスやスチール等の円筒鋼や角筒鋼よって形成される。脚本体４０は、燃料電池スタック１２下部のガス経路２３のジャケットの下面にボルト止めや溶接によって固定されるため、燃料電池スタック１２及びガス経路２３からの熱が金属部材内の熱伝導及び金属部材間の熱伝達によって伝達され、最も高温な部分では例えば５００℃程度になる。
【００４４】
熱回収部２４Ａは、筒状の脚本体４０をジャケットとして構成され、燃料電池スタック１２及びガス経路２３から脚本体４０に伝達された熱を燃料電池スタック１２に導入する前の燃料によって回収する熱交換器である。熱回収部２４Ａは、脚本体４０の内部空間によって形成され、内部を燃料が流通する容器４２と、容器４２内に燃料を導入する入口ポート３４と、容器４２外へと燃料を排出する出口ポート３６とを備える。
【００４５】
容器４２は、脚本体４０の内壁面で形成されているため、内部を流通する燃料と脚本体４０との間で高い熱交換性能を確保されている。容器４２の内部には、燃料との接触面積を拡大するための金属球４４が多数充填されている。金属球４４は、アルミニウム等の金属製の球体である。金属球４４代えて上記した脚部２０と同様な伝熱フィン３８を用いてもよい。
【００４６】
熱回収部２４Ａにおいて入口ポート３４から容器４２内に導入された燃料は、容器４２内に充填された各金属球４４の隙間を通過しながら脚本体４０と熱交換する。これにより脚本体４０の熱を回収して加熱された燃料は、容器４２の上部の出口ポート３６へと排出され、続いて燃料予熱器１４に導入される。
【００４７】
なお、他方の脚部２１Ａ及びこれに設けられる熱回収部２５Ａは、図３（Ａ）及び図３（Ｂ）に示した脚部２０Ａ及び熱回収部２４Ａと入口ポート３４及び出口ポート３６の設置位置が左右対称構造である以外は同一の構造でよい。すなわち、脚部２１Ａでは、脚本体４０の内部に熱回収部２５Ａを備える。この熱回収部２５Ａには、内部を空気が流通する容器４２と、容器４２に空気を導入する入口ポート３４と、容器４２から空気を排出する出口ポート３６とが設けられ、容器４２内には金属球４４が充填されている。
【００４８】
なお、本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で自由に変更できることは勿論である。
【００４９】
例えば上記実施形態では、燃料電池スタック１２として固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）を用いた構成を例示したが、本発明は他の構造の燃料電池、例えば溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）にも適用可能である。また、これら高温型のＳＯＦＣやＭＣＦＣの場合は断熱筐体１８を用いて高温室を形成し、高温維持を図って熱効率を確保することが好ましいが、モジュールの要求性能や仕様によっては断熱筐体１８が省略されることもある。この場合にも、上記のような熱回収部２４，２５（２４Ａ，２５Ａ）を設けた脚部２０，２１（２０Ａ，２１Ａ）を用いることで、外部への放熱量を低減し、モジュールの熱効率を向上させることができる。
【符号の説明】
【００５０】
１０  燃料電池モジュール
１２  燃料電池スタック
１４  燃料予熱器
１６  空気予熱器
１８  断熱筐体
２０，２０Ａ，２１，２１Ａ  脚部
２２，２３  ガス経路
２４，２４Ａ，２５，２５Ａ  熱回収部
３０，４０  脚本体
３２，４２  容器
３４  入口ポート
３６  出口ポート
３８  伝熱フィン
４４  金属球
ＬＡ１  空気供給ライン
ＬＡ２  空気排出ライン
ＬＦ１  燃料供給ライン
ＬＦ２  燃料排出ライン
【図１】
0006507869.tif 000002
【図２】
0006507869.tif 000003
【図３】
0006507869.tif 000004