JP5242933B2 - 燃料電池モジュール - Google Patents

Description

本発明は、スタックから発生する熱を利用して燃料ガス及び空気の予熱を行うようにした燃料電池モジュールに関し、特にガス供給の均等化および温度勾配の低減によるスタック性能の向上に加え、熱の有効利用による高性能化、低コスト化を可能にする燃料電池モジュールに関する。

燃料電池には、電解質の種類などによってタイプの異なる様々なものが開発されているが、その一つに１０００℃程度の高温で動作することを特徴とする固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）がある。固体酸化物形燃料電池は、固体電解質板と、固体電解質板のそれぞれの面に積層された電極層からなる平板型の単セルを、ガスセパレータを介して多数積層することで平板型のスタックが形成される。そして、スタックに対して空気および燃料ガスを供給することによりセルで電気化学反応が生じ、電気エネルギーが発生する。そのスタックで発生した電気エネルギーは集電され、出力端子を経て外部に取り出される。

こうしたＳＯＦＣでは、セルがセラミックスを使用して形成されるため、作動温度が高く、供給する燃料ガスや空気を予熱した状態で送り込む必要が生じる。高温で動作しているスタック内に温度の低い燃料ガスや空気が供給されると、セラミックスが破損するおそれがあるからである。そこで、従来からスタックの手前に熱交換器が設けられ、その熱交換器を通した配管に燃料ガスや空気を流し、予熱された状態で燃料ガスや空気をスタック内に供給するようにしている。また、この熱交換作用では、燃料ガスや空気がモジュール内で発生した熱を吸収することにより冷却効果を果たしている。
特開平６−５２８８１号公報 特開２００５−７８８５９号公報

ところで、複数個のスタックを使用して構成された従来の燃料電池モジュールには、次のような問題があった。例えば、熱交換器を用いた予熱及び吸熱構造によっては、発電により生じる熱がモジュール内部にこもってしまい、スタックなどに悪影響を及ぼすことが考えられる。すなわち、熱交換器と複数あるスタックとの位置関係によって、スタックによってはバランス良く冷却されないものがある。そうした場合、スタックを構成するセラミックスのセルに温度勾配ができてしまい、温度差によって生じる熱応力でセルが破壊されるおそれがあった。

また、予熱された燃料ガスや空気を供給する配管構造によっては、各スタックの配置に上流と下流の区別ができてしまい、下流側のスタックには上流に位置するスタックの発電に使用された燃料が供給されることになる。すると、下流側のスタックほど燃料ガスの濃度が薄くなり、複数あるスタック間に性能のバラツキができてしまう。複数個のスタックで構成された燃料電池モジュールでは、性能の低いものに合わせて運転することになるため、これによってモジュール全体の性能を下げてしまうことになる。

そこで、本発明は、かかる課題を解決すべく、予熱及び吸熱に優れた燃料電池モジュールを提供することを目的とする。

本発明の燃料電池モジュールは、単セルを積層して構成された複数のスタックと、そのスタックに供給する燃料ガスを改質する改質器と、その改質器に送る燃料ガスを予熱する燃料予熱器と、スタックに供給する空気を予熱する熱交換器とを有するものであって、前記複数のスタックは略円周上に配置され、前記改質器と燃料予熱器とが当該円周の内側に配置され、前記熱交換器が当該円周の外側に配置されたものであること、前記複数のスタックは、２以上のスタックに跨って荷重プレートが上から当てられ、その荷重プレートに対して荷重を加えるベローズが１つ設けられたものであることを特徴とする。

本発明の燃料電池モジュールは、前記複数のスタックに接続された電流取り出し端子が、燃焼ガスを排気するための容体の内部空間から外に突き出され、前記容体外側で接続されたものであることが好ましい。
本発明の燃料電池モジュールは、前記複数のスタックは同一円周上に等間隔で配置され、前記燃料予熱器が筒状の前記改質器内に設けられ、当該円周の中心位置に配置されたものであることが好ましい。
本発明の燃料電池モジュールは、前記改質器から送り出された燃料ガスを溜めるガスチャンバが、前記スタックが配置された円周の内側に配置され、そのガスチャンバから放射状に伸びた複数のガス供給管によって前記スタックに接続されたものであることが好ましい。
本発明の燃料電池モジュールは、前記ガスチャンバが前記スタックを配置し円周の中心位置に配置され、そのガスチャンバからほぼ等しい長さの前記ガス供給管によって前記スタックにそれぞれ接続されたものであることが好ましい。

本発明の燃料電池モジュールは、前記熱交換器が略円周上に配置された前記スタックの外側を螺旋状に配管された空気管であって、各スタックに連結された空気供給管に接続されたものであることが好ましい。
本発明の燃料電池モジュールは、前記スタックや燃料予熱器及び改質器を覆う気密な内部空間を構成し、天井に形成された排気口から二重壁になった排ガス空間を介して、その内部空間に発生した燃焼ガスを排気するようにした容体を有し、前記空気管は、その容体の周りを螺旋状に配管されたものであることが好ましい。

本発明の燃料電池モジュールは、前記熱交換器には理論反応量の数倍の流量を送り込み、前記スタックに対する燃料ガスの供給量変化に対応して空気の供給量を変化させるようにしたものであることが好ましい。

よって、本発明の燃料電池モジュールによれば、複数のスタックを円周上に配置して内側と外側との各々に熱交換器を配置した構成としたので、スタックから発生する熱を燃料ガスや空気の予熱において効果的に利用することができる。
また、本発明の燃料電池モジュールによれば、ガスチャンバを使用するなどして複数あるスタックに対し均等に燃料ガスを供給するようにし、またベローズで押さえつけることにより複数あるスタックの構成を均一化させるようにすることで、各スタック間で性能の差を無くしてモジュール全体の性能を向上させている。そして、荷重プレートを使用して２以上のスタックを１つのベローズで押さえつけるようにすることでコストを押さえることができる。

次に、本発明に係る燃料電池モジュールの一実施形態について、図面を参照しながら以下に説明する。図１は、燃料電池モジュールの内部構造を示した概念図であり、図２は、その主要部分の平面図である。
燃料電池モジュール１は、平板型の単セルがガスセパレータを介して多数積層されたスタック２を有するものであり、そのスタック２が同一円周上に６個配置して構成されている。本実施形態では、こうした６個のスタック２に対して燃料ガス及び空気を供給することにより、各スタック２毎にセルでの電気化学反応により電気エネルギーを取り出すものである。

各スタック２には、それぞれプラス側の電流取り出し端子２１とマイナス側の電流取り出し端子２２が取り付けられ、これらが直列に接続される。本実施形態では、５キロワットの電力を発生させることを目的として６個のスタック２を配置した構成となっている。１個のスタック２につき１キロワット程度の出力が見込めるが、この燃料電池モジュール１では、後述するように空気の供給にブロワなどを使用するため、そうした図示しない補助装置の駆動電力を確保する目的で６個のスタック２が設けられている。なお、本実施形態で示すこうしたスタック２の数やスペックは単なる一例である。

６個のスタック２は、同一円周上に均等の間隔で配置され、その中心位置には燃料予熱器３と改質器４とが配置されている。燃料予熱器３は、ドーナツ状の改質器４内に設けられ、下側から燃料ガスが送り込まれるように構成されている。すなわち、この燃料予熱器３や改質器４及びスタック２はベースプレート５の上に固定されており、ベースプレート５の下を通して配管された燃料ガス管１１が燃料予熱器３へと接続されている。燃料予熱器３は、内部に流路が形成されており、そこを上昇するように流れる燃料ガスが、加熱された予熱器本体から熱を受けるようになっている。

燃料予熱器３と改質器４とは上部で流路が連結し、予熱された燃料ガスが燃料予熱器３の周りの改質器４内を上から下へと流れるように構成されている。そして、その改質器４内には改質触媒が入れられており、改質反応によって燃料ガス（天然ガスなど）から改質ガス（水素等）が得られるようになっている。本実施形態では、こうして同一円周上に配置したスタック２から発生する熱を、その中心位置に配置した燃料予熱器３と改質器４に燃料ガスを流すことによって熱交換が行われるよう構成されている。

すなわち、複数のスタック２で発生した熱を効率良く利用するため、同一円周上に配置した複数のスタック２から放射された熱を、中心に配置した燃料予熱器３及び改質器４によって吸熱する構造になっている。運転時のスタック２が８００℃程度にまで発熱し、改質反応は６００℃ほどで行われ、燃料予熱器３による予熱はそれ以下であってもよい。そのため、燃料予熱器３が改質器４内に設けられ、また、改質反応は吸熱反応でもあるので、こうした構造及び配置によってスタック２と改質器４との間の熱交換がより促進するよう構成されている。

改質器４は、改質された改質ガスを排出する排出管１２が、ベースプレート５を突き抜けて下のガスチャンバ６へと接続されている。本実施形態では、改質器４を経て改質された改質ガスを各スタック２へ直接供給するのではなく、一旦このガスチャンバ６に溜めてから各スタック２へと送るよう構成されている。そのため、改質器４の直下にガスチャンバ６が配置され、排出管１２によって接続されている。ここで図３は、燃料電池モジュール１の配管構造を概念的に示した平面図である。

ガスチャンバ６は、同一円周上に並んだスタック２の中心に配置され、その中心位置から放射状に伸びた６本のガス供給管１３によって６個のスタック２それぞれに接続されている。スタック２には、燃料ガスや空気が流れる流路が形成されているが、スタック間で誤差が生じていると、そこを流れる改質ガスの圧力損失にバラツキが生じてしまう。そうした場合に改質器４から６個のスタック２に対して改質ガスを直接送り込むと、圧力損失が大きいスタック２には改質ガスが流れ難くなり、スタック間で性能に差が生じてしまう。そこで、本実施形態では、スタック２の流路に比べて容量の大きなガスチャンバ６を設けてスタック２への供給圧を下げることで、圧力損失に差が生じていても均等に改質ガスが流れるようにしている。

次に、スタック２へ供給される空気に関しても予熱が行われるが、空気は同一円周上に並んだスタック２の外側を流れるよう構成されている。すなわち、燃料ガスは中心位置に設けられた燃料予熱器３及び改質器４を通って熱交換することでスタック２の内側を冷却するが、空気は円周の外側を流れて熱交換することでスタック２の外側を冷却するよう構成されている。具体的には、スタック２や燃料予熱器３及び改質器４を囲んでベースプレート５上に容体７が固定され、その周りに空気を流す空気管１４が巻き付けられるようにして設けられている。ここで、図４は、容体７の構造を概念的に示した図である。

容体７は、二重構造の壁３１で形成された円筒形をした筺体であって、内部にスタック２や燃料予熱器３及び改質器４を配置して気密な空間を構成している。そして、天井には排気口３２が形成され、二重壁３１は、容体７内で燃焼した燃焼ガスが排気口３２から入り、壁３１に沿って流れる排ガス空間３３が形成されている。スタック２に供給された燃料は８０％程度が発電に使用されるが、それ以外は使用されずにスタック２の外に排出される。また、供給された空気も一部がスタック２の外に排出されるため、ともに排出された燃料ガスと空気が、高温の容体７内の雰囲気で混ざり合って燃焼する。排ガス空間３３は、そうした容体７内の燃焼ガスを排出するための構造であり、容体７内の圧力によって押し出された燃焼ガスが排気管３４から排気されるようになっている。

そのため、排ガス空間３３には燃焼した高温の排気ガスが流れ、更にスタック２から発生する高温の熱も外側に向けて放熱されて容体７が熱せられる。そこで、容体７の周りを、上から下へ流れるように螺旋状の空気管１４が配管され、その空気管１４を流れる空気が熱交換によって予熱され、スタック２の外側を冷却するようなっている。そして、その空気管１４はベースプレート５を貫き、予熱された空気が各スタック２の下側から送り込まれるようになっている。

ベースプレート５の下には、図３に示すように各スタック２の下を通るように円弧状の空気供給管１５が設けられ、各スタック２に対して直下で接続されている。そして、空気管１４が、円弧状の空気供給管１５に対しその中心位置で接続されている。そのため、各スタック２に対する空気の供給は、燃料ガスと異なり空気供給管１５との接続位置によって空気管１４からの距離が異なっている。ただし、空気の場合は、理論反応量の２〜３倍の流量を流してスタック２へ送り込んでいるため、圧力損失差が生じてもスタック間での性能に影響はない。

また、大流量の空気を供給することは、冷却効果が高まるため容体７内の温度調整にも有効である。固体酸化物形燃料電池では、スタック２を構成する平板型のセルがセラミックスであるため、温度勾配が生じると熱応力によってセルが破損するおそれがある。そのため、同一円周上に配置したスタック２の内側と外側とで、それぞれに吸熱作用を行う場合には、両者のバランスがとれていることが必要になる。この点、本実施形態では、大流量の空気を外側に流すことで内側とのバランスがとられている。更には、電力使用量によって発電能力が変化すると、燃料ガスの供給量にも変動が生じるが、そうした場合でも、例えば流量センサの検出値を基にブロアの駆動制御を行うことで空気の供給量を変化させ、内側と外側とで吸熱バランスをとることができる。

次に、固体酸化物形燃料電池は、スタック２が平板型単セルを多数積層して構成されているが、そのセルがセラミックスで形成されているため、単に重ね合わせただけでは、積層されたセルやセパレータとの間の密着性が良くない。そして、密着性が良くなければ、接触抵抗が大きくなってスタック２の性能を低下させることになる。そこで、本実施形態では、スタック２に対して上から荷重をかけて押さ付けることにより、セル同士が密着して当たるようにした構成がとられている。

スタック２を押さえ付ける押圧手段としてベローズ２５が使用される。ベローズ２５は、スタック２と容体７の天井との間に配置され、供給されるエア圧によってスタック２を押さえ付けるようにしている。ただし、６個あるスタック２それぞれにベローズ２５を設けるのはコストがかかるため、スタック２の上にプレートを載せ、そのプレートを介してベローズ２５による荷重を伝達するようにしている。そうした場合、スタック２の高さに微妙な誤差が生じていると、６個全部を一つのプレートで押さえようとしても全てに均等な荷重をかけ難い。

そこで、本実施形態では、図５に示すように、３個のスタック２に対応したホームベース形の荷重プレート２６が絶縁プレート２７（図１参照）を介して当てられ、その上からベローズ２５がほぼ重心位置に当たるように配置されている。また、このような構成に限らず、図６に示すように、三角の荷重プレート２８の各頂点部分に絶縁の荷重バー２９を固定し、直接は荷重バー２９によって２個ずつのスタック２を押さえ、間接的に荷重プレート２８で全部のスタック２を押さえるようにしたものであってもよい。この場合は、２個ずつのスタック２に組み分けしながらも、１つのベローズ２５によって全てのスタック２を押さえ付けることができる。

このように押圧手段としてベローズ２５を用いているが、これはスタック２の押さえ付け荷重を常に一定にするためである。そこで、本実施形態では、詳しく図示しないが、ベローズ２５へ供給する空気の圧を管理する流体回路を有し、設定した荷重値でスタック２を押さえつけるよう構成されている。一方、押圧手段としてはベローズ以外にスプリングなどを用いることも可能である。ただし、スプリングでは、高温下ではばね定数が変わってしまい押し圧を調整することが難しく、目的とする荷重を発生させるのが困難である。そして、荷重が変化すればセルの当たり方にも変化が生じ、スタック２の性能にも影響を及ぼしてしまい、また、荷重が大きければセルを破損させることにもなる。

次に、燃料電池モジュール１は、各スタック２の電流取り出し端子２１と２２を交互に直列接続して所定の電力を得るようにしたものであるが、その電流取り出し端子２１，２２はベースプレート５を突き抜け、容体７の外で接続するように構成されている。容体７内は８００℃ほどの高温になるため、本体内では接続部材に使用可能な材料が限定されてしまうためである。また、容体７の外で接続することにより、複数あるスタック２の一つに故障が生じても切り換えが容易で、故障したものを除いて運転を継続させることができるようになっている。

更に、この燃料電池モジュール１は、図１に示すように、ベースプレート５が架台３５に載せられ、下に各パイプを配管させるためのスペースがつくられている。また、全体はハウジング３６によって覆われ、容体７との間には断熱材が入れられている。図１では、ベースプレート５は解放した構成となっているが、予熱された燃料ガスや空気を冷やさないように、断熱材を入れた下蓋などで塞ぐようにする。

こうして構成された本実施形態の燃料電池モジュール１では、起動時は起動バーナを使用して燃焼ガスを発生させ、燃料電池の発電が開始できる温度にまで昇温させる必要があるが、その後は発電によって発生する熱によって運転が行われる。
運転時には、スタック２へ燃料ガス及び空気が送られ、それぞれ固体電解質を挟んで燃料極側には燃料が、空気極側には空気が供給されて、電気化学反応によって電力が取り出される。その際、スタック２では発電に伴って発熱し、更にスタック２から排出された燃料ガスや空気が混ざり合って容体７内で燃焼する。

スタック２から放出された熱や燃焼ガスは、その中心位置にある燃料予熱器３や改質器４を加熱し、更に、外側の容体７の壁３１が放射熱や燃焼ガスが排ガス空間３３を通ることによって加熱される。そうしたなか、燃料ガス管１１から送り込まれた燃料ガスは、加熱された燃料予熱器３内を上昇して予熱され、上部連絡流路を介して改質器内に流れ込み、改質反応によって水素に改質される。その後、改質ガスは一旦容量の大きなガスチャンバ６に溜められ、放射状に伸びたガス供給管１３を介して６個のスタック２へと送り込まれる。一方、空気管１４に送り込まれた空気は、加熱された容体７の壁３１に沿って流れることで予熱され、空気供給管１５から各スタック２へと送り込まれる。

よって、本実施形態では、こうして複数のスタック２を円状に配置した中心位置に燃料予熱器３及び改質器４を、外側には排ガス空間３３や空気管１４を配置し、内側と外側との各々に熱交換器を配置した構成としたので、スタック２から発生する熱を燃料ガスや空気の予熱において効果的に利用することができるようになった。また、スタック２は内側と外側の両側からの吸熱反応によってバランス良く冷却されるため、熱応力の発生を防いでセルの破損を回避する効果も有する。特に、空気の供給量を調整できるようにしているので、スタック２の内側と外側との吸熱バランスをとることで更に熱応力によるセルの破損を回避できる。

また、改質器４を経て予熱された燃料ガスは、ガスチャンバ６を介して放射状に伸びたほぼ等しい長さのガス供給管１３によって各スタック２へと送り込まれているので、複数あるスタック２の間で圧力損失差が生じていても、ほぼ同じ流量の燃料ガスを流すことができる。そのため、全てのスタック２について性能の差を無くし、或いはその差を小さくして運転することができ、モジュール全体の性能を向上させることが可能になった。

また、本実施形態では、各スタック２にベローズ２５による荷重をかけてセルとセパレータとの接触抵抗を減らして性能低下を回避するようにしている。そのため、複数のスタック２の構成が均一化され、これによっても性能の差を無くしてモジュール全体の性能向上が図られた。その際、荷重プレート２６，２８を使用することでベローズ２５の数を減らすことができ、コストが抑えられている。そして、ベローズ２５では、内部圧力をコントロールすることで、スタック２を所定の荷重値で安定して押し付けることができる。

更に、本実施形態の燃料電池モジュール１では、電流取り出し端子２１，２２をベースプレート５から突き出し、容体７の外で接続するようにしているので、接続部材に使用可能な材料の選択が広がり、また、複数あるスタック２の一つに故障が生じても切り換えが容易で、故障したものを除いて運転を継続させることができる。

以上、本発明に係る燃料電池モジュール１について一実施形態を説明したが、本発明はこれに限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。

燃料電池モジュールの一実施形態について内部構造を示した概念図である。 燃料電池モジュールの一実施形態についてその主要部分を示した平面図である。 燃料電池モジュールの一実施形態について配管構造を概念的に示した平面図である。 容体の構造を概念的に示した図である。 べローズ２つの場合の荷重プレートによるスタックの押圧状態を示した平面図である。 べローズ１つの場合の荷重プレートによるスタックの押圧状態を示した平面図である。

符号の説明

１ 燃料電池モジュール
２ スタック
３ 燃料予熱器
４ 改質器
６ ガスチャンバ
７ 容体
１１ 燃料ガス管
１３ ガス供給管
１４ 空気管
１５ 空気供給管
２５ ベローズ
２６ 荷重プレート
３３ 排ガス空間

Claims (8)

1. 単セルを積層して構成された複数のスタックと、そのスタックに供給する燃料ガスを改質する改質器と、その改質器に送る燃料ガスを予熱する燃料予熱器と、スタックに供給する空気を予熱する熱交換器とを有する燃料電池モジュールにおいて、
   前記複数のスタックは略円周上に配置され、前記改質器と燃料予熱器とが当該円周の内側に配置され、前記熱交換器が当該円周の外側に配置されたものであること、
   前記複数のスタックは、２以上のスタックに跨って荷重プレートが上から当てられ、その荷重プレートに対して荷重を加えるベローズが１つ設けられたものであることを特徴とする燃料電池モジュール。
2. 請求項１に記載する燃料電池モジュールにおいて、
   前記複数のスタックに接続された電流取り出し端子は、燃焼ガスを排気するための容体の内部空間から外に突き出され、前記容体外側で接続されたものであることを特徴とする燃料電池モジュール。
3. 請求項１又は請求項２に記載する燃料電池モジュールにおいて、
   前記複数のスタックは同一円周上に等間隔で配置され、前記燃料予熱器が筒状の前記改質器内に設けられ、当該円周の中心位置に配置されたものであることを特徴とする燃料電池モジュール。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれかに記載する燃料電池モジュールにおいて、
   前記改質器から送り出された燃料ガスを溜めるガスチャンバが、前記スタックが配置された円周の内側に配置され、そのガスチャンバから放射状に伸びた複数のガス供給管によって前記スタックに接続されたものであることを特徴とする燃料電池モジュール。
5. 請求項４に記載する燃料電池モジュールにおいて、
   前記ガスチャンバは、前記スタックが配置された円周の中心位置に配置され、そのガスチャンバからほぼ等しい長さの前記ガス供給管によって前記スタックにそれぞれ接続されたものであることを特徴とする燃料電池モジュール。
6. 請求項１乃至請求項５のいずれかに記載する燃料電池モジュールにおいて、
   前記熱交換器は、略円周上に配置された前記スタックの外側を螺旋状に配管された空気管であって、各スタックに連結された空気供給管に接続されたものであることを特徴とする燃料電池モジュール。
7. 請求項６に記載する燃料電池モジュールにおいて、
   前記スタックや燃料予熱器及び改質器を覆う気密な内部空間を構成し、天井に形成された排気口から二重壁になった排ガス空間を介して、その内部空間に発生した燃焼ガスを排気するようにした容体を有し、前記空気管は、その容体の周りを螺旋状に配管されたものであることを特徴とする燃料電池モジュール。
8. 請求項１乃至請求項７のいずれかに記載する燃料電池モジュールにおいて、
   前記熱交換器には理論反応量の数倍の流量を送り込み、前記スタックに対する燃料ガスの供給量変化に対応して空気の供給量を変化させるようにしたものであることを特徴とする燃料電池モジュール。

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