(57)【要約】【課題】高い断熱性能と気密性能を確保しつつ、断熱部を小型化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】燃料電池モジュール１０は、断熱部１２の内部に燃料電池スタック１４を収容した構成において、断熱部１２は複数の断熱材ユニット２０を並設した壁部１６〜１８を有し、断熱材ユニット２０は内断熱材２８の周囲に内断熱材２８よりも熱収縮率の低い外断熱材２４を設けて構成されている。この断熱材ユニット２０は、板状の外断熱材２４で形成した枠体の収納ボックス２６の内部に内断熱材２８を収納した構成となっている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
断熱部の内部に燃料電池スタックを収容した燃料電池モジュールであって、
前記断熱部は、複数の断熱材ユニットを並設した壁部を有し、
前記断熱材ユニットは、第１の断熱材の周囲に第２の断熱材を設けて構成され、
前記第２の断熱材は、熱収縮しない、又は、前記第１の断熱材よりも熱収縮率が低い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、
前記第１の断熱材は、前記第２の断熱材よりも低い熱伝導率を有する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に記載の燃料電池モジュールにおいて、
前記断熱材ユニットは、板状の前記第２の断熱材で形成した枠体の少なくとも底面を板状の前記第２の断熱材で塞いだ収納ボックスの内部に、前記第１の断熱材を収納した構成であ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３記載の燃料電池モジュールにおいて、
前記壁部の各断熱材ユニットは、前記収納ボックスの底面が前記燃料電池スタックに対面する向きで配置されることを特徴とする燃料電池モジュール。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池モジュールにおいて、
前記第１の断熱材と前記第２の断熱材との間に柔軟性を有する第３の断熱材を介在させた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断熱部の内部に収容した燃料電池モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より燃料電池スタックを断熱性筐体の内部に収容して保温し、その発電性能を確保することが行われている。特に、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ことが重要である（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−２３３４７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記のような従来の燃料電池モジュールの筐体は、その内部に、例えばある程度の断熱性能を持った低コストの断熱材を多層重ねることで所望の断熱性能を確保した壁部（断熱部）を備える。ところが、この構成では断熱性能を確保した壁部の厚みが大きくなり、モジュールが大型化してしまう。
【０００５】
そこで、高い断熱性能を持った断熱材を用いることが考えられるが、このような断熱材は高温環境下で熱収縮を生じるものがある。断熱材が熱収縮すると、断熱材同士や他の部材との間に隙間が生じ、隙間部分からガスや空気などの流入・流出が発生したり、隙間部分の断熱性能が低下したりすることが考えられる。
【０００６】
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、燃料電池スタック周囲の高い断熱性能と気密性能を確保しつつ、筐体を小型化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、断熱部の内部に燃料電池スタックを収容した燃料電池モジュールであって、前記断熱部は、複数の断熱材ユニットを並設した壁部を有し、前記断熱材ユニットは、第１の断熱材の周囲に第２の断熱材を設けて構成され、前記第２の断熱材は、熱収縮しない、又は、前記第１の断熱材よりも熱収縮率が低いことを特徴とする。
【０００８】
前記第１の断熱材は、前記第２の断熱材よりも低い熱伝導率を有する構成であってもよい。
【０００９】
前記断熱材ユニットは、板状の前記第２の断熱材で形成した枠体の少なくとも底面を板状の前記第２の断熱材で塞いだ収納ボックスの内部に、前記第１の断熱材を収納した構成であってもよい。
【００１０】
前記壁部の各断熱材ユニットは、前記収納ボックスの底面が前記燃料電池スタックに対面する向きで配置された構成であってもよい。
【００１１】
前記第１の断熱材と前記第２の断熱材との間に柔軟性を有する第３の断熱材を介在させた構成としてもよい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、燃料電池スタック周囲の高い断熱性能と気密性能を確保しつつ、燃料電池モジュールの小型化も可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【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、図１中のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図である。
【図３】図３は、断熱材ユニットの構成を模式的に示す分解斜視図である。
【図４】図４は、断熱材ユニットの構成を模式的に示す斜視断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
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。
【００１５】
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り、図２は、図１中のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図である。
【００１６】
図１及び図２に示すように、燃料電池モジュール１０は、直方体状に形成された断熱部１２の内部に燃料電池スタック１４を収容したモジュール構造である。
【００１７】
本実施形態では、燃料電池スタック１４として燃料極（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。この燃料電池スタック１４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、公知の構成でよい。燃料電池スタック１４は、断熱部１２で周囲を囲われ、さらに燃料電池スタック１４と断熱部１２は、図示はしてないが筐体と呼ばれる構造体の中に設置され、気密に密閉される。筐体は、鉄又はステンレス等の金属材料で形成される。
【００１８】
断熱部１２は、燃料電池スタック１４の周囲空間を断熱し、当該燃料電池モジュール１０の熱効率を維持するものである。断熱部１２は、燃料電池スタック１４を気密に密閉する機能も有する。断熱部１２は、燃料電池スタック１４の側面４面を囲む側壁部１６と、各側壁部１６で形成される燃料電池スタック１４の収容空間の上面開口を塞ぐ上壁部１７と、該収容空間の下面開口を塞ぐ下壁部１８とによって直方体状に構成されている。断熱部１２は、条件に応じて、円形や楕円形状に構成してもよい。
【００１９】
各側壁部１６は、上下方向に例えば３枚並設された断熱材ユニット２０と、断熱材ユニット２０の外面側に上下方向に例えば３枚並設された層が例えば２層設けられた外壁断熱材２２とで構成されている。略同様に、上壁部１７及び下壁部１８はそれぞれ、例えば１枚（複数枚でもよい）の断熱材ユニット２０と、断熱材ユニット２０の外面側に例えば２層設けられた外壁断熱材２２とで構成されている。これら側壁部１６、上壁部１７及び下壁部１８での断熱材ユニット２０及び外壁断熱材２２の設置枚数や積層数は、当該燃料電池モジュール１０の仕様や外形、要求される断熱性能等に応じて適宜変更可能である。外壁断熱材２２は、以下で説明する断熱材ユニット２０よりも断熱性能は劣るものの低コストの断熱材を使用している。
【００２０】
図３は、断熱材ユニット２０の構成を模式的に示す分解斜視図であり、図４は、断熱材ユニット２０の構成を模式的に示す斜視断面図である。
【００２１】
図２〜図４に示すように、各断熱材ユニット２０は、外断熱材（第２の断熱材）２４で形成した収納ボックス２６の内部に内断熱材（第１の断熱材）２８を収納した構成である。
【００２２】
収納ボックス２６は、帯板状の外断熱材２４（外断熱材２４ａ）を４枚枠組みして形成した枠体の一方の開口を矩形板状の外断熱材２４（外断熱材２４ｂ）で塞いだ浅いボックス形状を有する。つまり収納ボックス２６は、４方の外断熱材２４ａが側面となり、その一方の開口を外断熱材２４ｂで塞いで底面を形成した構造であり、この内側に内断熱材２８が収納配置される。各外断熱材２４ａ間及び各外断熱材２４ａと外断熱材２４ｂとの間は、例えば当該燃料電池モジュール１０の運転温度（９００〜１０００℃程度）以上の耐熱性を持った接着剤等によって接着される。収納ボックス２６は、外断熱材２４ａで形成した枠体の外断熱材２４ｂ側と反対の開口を該外断熱材２４ｂと同様な断熱材で塞ぎ、その内部に内断熱材２８を完全に密閉した構成であってもよい。
【００２３】
内断熱材２８は、収納ボックス２６内部に収納可能な外形を持った板状の断熱材である。本実施形態の場合、内断熱材２８は収納ボックス２６の内壁面との間に多少の隙間を持った状態で該収納ボックス２６内に収納配置される。この外断熱材２４と内断熱材２８との間の隙間には、高い柔軟性を持った綿状等の中間断熱材（第３の断熱材）３０が配設される。中間断熱材３０は、例えば収納ボックス２６内に内断熱材２８を配置した後、これらの間の隙間に詰め込むようにして設置される。そうすると、第２の断熱材となる外断熱材２４で形成した収納ボックス２６内で第１の断熱材となる内断熱材２８が熱収縮した場合であっても、その収縮を中間断熱材３０で吸収することができる。このため、外断熱材２４と内断熱材２８材との間に隙間が形成されることが回避され、高い断熱性能が確保される。中間断熱材３０は省略してもよい。
【００２４】
図１及び図２に示すように、互いに隣接して設置される断熱材ユニット２０，２０間では、互いの収納ボックス２６の外面となる外断熱材２４ａ，２４ａ同士が密着され気密状態で接合される。この接合は、例えば当該燃料電池モジュール１０の運転温度以上の耐熱性を持った接着剤等を用いた接着によって行われる。各壁部１６〜１８の各断熱材ユニット２０は、収納ボックス２６の底面を構成する外断熱材２４ｂが燃料電池スタック１４に対面する向きで配置される。つまり収納ボックス２６の内断熱材２８が露出した開口側が燃料電池スタック１４側とは反対側を向いて配置される。なお、収納ボックス２６を外断熱材２４で完全に密閉した構造とした場合は、いずれの面が燃料電池スタック１４に対面して配置されてもよい。
【００２５】
本実施形態の場合、内断熱材２８としては、例えば最高使用温度１０００℃、熱伝導率０．０５２（Ｗ／ｍ・Ｋ）の特性を持った断熱材を用いている。但し、この内断熱材２８は、１０００℃での熱収縮率略２．５％という特性も有する。一方、外断熱材２４には、例えば最高使用温度１７００℃、熱伝導率０．１８０（Ｗ／ｍ・Ｋ）、１０００℃での熱収縮率略０％の特性を持った断熱材を用いている。外断熱材２４は、運転温度において、熱収縮しないことが最も好ましい。ここで、熱収縮しない、とは当該燃料電池モジュール１０の運転温度で全く熱収縮しないもの、僅かに熱収縮するが隣接する外断熱材２４同士の間に隙間を生じるほどではなく、実際の断熱性能に対する影響がないもの、等を含む概念である。また、隣り合う外断熱材２４の間を、耐熱性の高い接着剤又は金属材料等で密閉することが可能であれば、内断熱材２８よりも熱収縮率が低いが、運転温度において僅かに熱収縮する材料を使用することもできる。
【００２６】
以上のように、本実施形態に係る燃料電池モジュール１０は、断熱部１２の内部に燃料電池スタック１４を収容した構成において、断熱部１２は複数の断熱材ユニット２０を並設した壁部１６〜１８を有し、断熱材ユニット２０は内断熱材２８の周囲に、熱収縮しないか、又は内断熱材２８よりも熱収縮率の低い外断熱材２４を設けて構成されている。
【００２７】
このような断熱材ユニット２０を用いた各壁部１６〜１８が燃料電池モジュール１０の運転時に燃料電池スタック１４からの高温の熱を受けた場合、内断熱材２８が熱収縮することがある。ところが、断熱材ユニット２０では、内断熱材２８を収納した外断熱材２４は熱収縮しないか又は内断熱材２８よりも熱収縮量が小さいため、各断熱材ユニット２０間に隙間を生じることが防止される。このため、各断熱材ユニット２０の底面を構成する外断熱材２４ｂによって燃料電池スタック１４の周囲を確実に密閉しておくことができる（図２参照）。その結果、断熱部１２は、高い断熱性能を持った内断熱材２８による高い断熱性能と、外断熱材２４による気密性能の確保とが両立され、小型化も図られる。このため、燃料電池モジュール１０の小型化及び熱効率の向上も図ることができる。
【００２８】
換言すれば、例えば上記のように高い断熱性能を有するものの当該燃料電池モジュール１０の運転温度付近で熱収縮を生じる内断熱材２８のみで断熱材ユニット２０を構成し、これで燃料電池スタック１４を囲んだ場合、見かけ上は高い断熱性能を持った断熱部１２が構築される。ところが、このように構成した断熱部１２は、当該燃料電池モジュール１０の運転時の高温で内断熱材２８が熱収縮し、各部に隙間等が形成されることがあり、断熱部１２外への空気漏れや断熱効率の低下等の問題を生じる懸念がある。
【００２９】
この点、本実施形態の断熱材ユニット２０では、その大部分を高い断熱性能を持った内断熱材２８で構成すると共に、この内断熱材２８を収納する収納ボックス２６の外断熱材２４（２４ａ，２４ｂ）を内断熱材２８よりも熱収縮率の低い材質、好ましくは当該燃料電池モジュール１０の運転温度付近で熱収縮しない材質で構成している。従って、仮に収納ボックス２６内で内断熱材２８が熱収縮した場合であっても、燃料電池スタック１４を囲む断熱部１２の各壁部１６〜１８は、熱収縮しない収納ボックス２６によって完全に閉塞されているため、断熱部１２の各部に隙間が生じることが防止される。
【００３０】
このように、収納ボックス２６を構成する外断熱材２４は、断熱材ユニット２０における断熱性能の要部を占める内断熱材２８よりも低い熱伝導率を有する材質を用いることができる。すなわち、当該燃料電池モジュール１０では、外断熱材２４の断熱性能に対する要求が小さいため、その材質の選定自由度が広がる。その結果、当該燃料電池モジュール１０の運転温度付近で熱収縮しない材質の断熱材の選定が容易であり、コストも低減できる。換言すれば、収納ボックス２６内に収納する内断熱材２８は、熱収縮の大小に拘わらず高い断熱性能を持った断熱材を選定でき、断熱部１２の断熱性能の確保が容易である。
【００３１】
当該燃料電池モジュール１０では、各壁部１６〜１８の各断熱材ユニット２０は、収納ボックス２６の底面となる外断熱材２４が燃料電池スタック１４に対面する向きで配置されている。これにより、燃料電池スタック１４の周囲を熱収縮しない外断熱材２４で密閉できる。また、収納ボックス２６の一面側に開口を残したままで構成できるため、断熱材ユニット２０の形成が容易であると共にコストも低減できる。なお、本実施形態の場合、高い断熱性能を持った内断熱材２８は外断熱材２４に比べて脆弱な材質となっており、運転中の振動等によって崩れた粉末が飛散することもある。この点、当該燃料電池モジュール１０では、内断熱材２８が燃料電池スタック１４から隔離された状態にあるため、この粉末が燃料電池スタック１４の内部に入り込むことが防止される。
【００３２】
当該燃料電池モジュール１０では、内断熱材２８と外断熱材２４との間に柔軟性を有する中間断熱材３０を介在させている。従って、外断熱材２４で形成した収納ボックス２６内で内断熱材２８が熱収縮した場合であっても、その収縮を中間断熱材３０で吸収することができる。このため、内断熱材２８と外断熱材２４との間に隙間が形成されることが回避され、高い断熱性能が確保される。しかも、中間断熱材３０は、収納ボックス２６内に配置した内断熱材２８の周囲に詰め込むだけで配設でき、その設置作業が容易であるだけでなく、内断熱材２８の収納ボックス２６内での固定も容易となる。なお、中間断熱材３０を用いない構成とした場合は、例えば内断熱材２８を接着剤で収納ボックス２６に固定すればよい。
【００３３】
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。
【００３４】
上記実施形態では、断熱材ユニット２０は断熱部１２の全ての壁部１６〜１８に用いた構成を例示したが、例えば側壁部１６のみに設け、他の壁部１７，１８は外壁断熱材２２を複数積層した構成等としてもよい。
【００３５】
上記実施形態では、燃料電池スタック１４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。
【００３６】
本発明によれば、断熱部１２が当該燃料電池モジュール１０を用いた発電システムの運転時に燃料電池スタック１４からの高温の熱を受けた場合であっても、第１の断熱材となる内断熱材２８を囲む第２の断熱材となる外断熱材２４によって燃料電池スタック１４の周囲を確実に密閉しておくことができる。その結果、高い断熱性能を持った第１の断熱材による高い断熱性能と第２の断熱材による気密性能の確保とが両立され、小型化も図られる。
【符号の説明】
【００３７】
１０  燃料電池モジュール
１２  断熱部
１４  燃料電池スタック
１６  側壁部
１７  上壁部
１８  下壁部
２０  断熱材ユニット
２２  外壁断熱材
２４，２４ａ，２４ｂ  外断熱材
２６  収納ボックス
２８  内断熱材
３０  中間断熱材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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