JP5977143B2

JP5977143B2 - 燃料電池モジュール

Info

Publication number: JP5977143B2
Application number: JP2012239222A
Authority: JP
Inventors: 高橋　成門; 成門高橋; 光博中村; 孝小野
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2012-10-30
Filing date: 2012-10-30
Publication date: 2016-08-24
Anticipated expiration: 2032-10-30
Also published as: JP2014089889A

Description

本発明は、ハウジング内に複数のセルスタックを有する燃料電池モジュールに関する。

近年、次世代エネルギーとして、水素含有ガスと酸素含有ガス（空気）とを用いて電力を得ることができる燃料電池セルが知られている。さらに、複数の燃料電池セルを一列に配列し電気的に直列に接続してなるセルスタックを、ガスタンクに複数列設けたセルスタック装置を作製し、該セルスタック装置をハウジング内に収納してなる燃料電池モジュールが種々提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００５−１８３３７５号公報

近年、家庭用以外にも燃料電池の用途が検討されており、例えば、病院、ホテル、店舗等の業務用の燃料電池では、数ｋＷ以上の発電量が要求されているが、小型化を図るため、ハウジング内に多数のセルスタックを密集して収納する必要があり、多数のセルスタックからなるセルスタック集合体の中央部の温度が高くなり、セルスタック集合体の中央部に位置するセルスタックの発電性能が低下し、これにより燃料電池モジュールとしても発電性能が低下するおそれがあった。

本発明は、発電時におけるセルスタック集合体の温度の均一化を図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。

本発明の燃料電池モジュールは、ガス流路を有する複数の燃料電池セルが一列に配列され、該複数の燃料電池セルがそれぞれ電気的に接続されてなる複数のセルスタックと、前記燃料電池セルのガス流路を燃料ガスが流れるように、前記複数のセルスタックの下端部がそれぞれ固定された燃料ガスタンクと、前記複数のセルスタックからなるセルスタック集合体の上方に位置するように配置された平板形状の第１改質器と、該第１改質器に上端部が固定され、前記セルスタック間を介して下端部が前記燃料ガスタンクに固定された複数の第２改質器と、前記第２改質器内に収容された水蒸気改質を行う改質触媒とを具備し、前記第２改質器が、前記セルスタック集合体の中央部および周辺部に配置されており、前記セルスタック集合体の中央部から周辺部にいくほど、隣接する前記第２改質器間の間隔が広くなることを特徴とする。

本発明の燃料電池モジュールは、セルスタック集合体の中央部は熱がこもりやすく、温度が高くなる傾向にあるが、例えば、セルスタック集合体の中央部におけるセルスタック間に第２改質器が配置されることにより、改質触媒が水蒸気改質を行う際に第２改質器周辺の熱を吸収し、第２改質器周辺の温度を低下でき、これにより、セルスタック集合体の中央部におけるセルスタックの温度を低下し、発電時におけるセルスタック集合体の温度の均一化を図ることができる。

燃料電池モジュールを示すもので、（ａ）は縦断面図、（ｂ）はＢ−Ｂ線に沿った断面図、（ｃ）はＣ−Ｃ線に沿った断面図である。図１（ｃ）のセルスタック集合体の一部を拡大して示す拡大図である。第２改質器の配置位置を変更した燃料電池モジュールを示す断面図であり、（ａ）は２行のセルスタック列のそれぞれ中央に第２改質器を配置した形態を示し、（ｂ）は３行のセルスタック列のうち中央のセルスタック列における中央部に３個の第２改質器を配置した形態を示している。図１の燃料電池モジュールのセルスタック集合体の中央部における第２改質器内の改質触媒量を、周辺よりも多くした状態を示す縦断面図であり、（ａ）は改質触媒を燃料ガスタンク側から詰めた状態、（ｂ）は燃料電池セルの長さ方向における中央部に位置する部分に改質触媒を収容した状態を示す。図１の燃料電池モジュールのセルスタック集合体の中央部における第２改質器の改質触媒の収容空間を、周辺における第２改質器よりも広くした状態の燃料電池モジュールを示す縦断面図である。図１の燃料電池モジュールの第２改質器におけるセル配列方向中央部を拡幅した状態の燃料電池モジュールを示す断面図である。図１の燃料電池モジュールのセルスタック集合体の中央部における第２改質器内部に伝熱体を設けた状態を示す斜視図であり、（ａ）は板状の伝熱体を互い違いに設けた状態、（ｂ）は柱状の伝熱体を設けた状態を示す。２つのセルスタック列を跨いで第２改質器が設けられた状態を示す燃料電池モジュールの断面図である。

図１は、本発明の燃料電池モジュールの一形態を示している。燃料電池モジュールは、図１、２に示すように、ハウジング（図示せず）内に複数のセルスタック１と、燃料ガスタンク３と、平板形状の第１改質器５と、上端部が第１改質器５に固定された複数の第２改質器７とを有している。第１改質器５および第２改質器７内には水蒸気改質を行う改質触媒９が収容されている。

セルスタック１は、図２に示すように、複数の燃料電池セル１１を一列に配列し、それぞれ電気的に接続して構成されている。すなわち、内部を燃料ガスが流通する複数のガス流路１１ａを有する複数の柱状の燃料電池セル１１を立設させた状態で１列に配列し、隣接する燃料電池セル３間を集電部材（図示せず）を介して電気的に直列に接続してセルスタック１が構成され、このセルスタック１の燃料電池セル１１のセル配列方向ｘにおける両端側からセルスタック１を挟み込むように、燃料電池セル１１の発電により生じる電流を引き出すための電流引き出し部を有する端部集電部材１３が配置されている。なお、図１（ｃ）では、端部集電部材１３等の記載を省略し、燃料電池セル１１の記載を一部省略した。

なお、セルスタック１を構成する燃料電池セル１１および端部集電部材１３の下端部は、ガラスシール材等の絶縁性接合材（図示せず）により燃料ガスタンク３に固定されている。燃料電池セル１１は、その上下方向（長さ方向Ｌ）に貫通するガス流路１１ａを有しており、これらのガス流路１１ａに燃料ガスが供給されるように、複数のセルスタック１の下端部がそれぞれ燃料ガスタンク３の上壁に固定されている。

図１においては、１つの燃料ガスタンク３上に１６個のセルスタック１が行列をなして配置されている。すなわち、セルスタック１を構成する燃料電池セル１１の配列方向ｘが平行になるように、複数のセルスタック１が配列してセルスタック列が構成され、このセルスタック列が２つ平行に配置され、複数のセルスタック１が行列をなして、セルスタック集合体Ｇが構成されている。

各セルスタック１は、燃料電池セル１１のセル配列方向ｘが互いに平行になるように並
列配置され、図２に示したように、セルスタック１の同じ側における電流引き出し部２２同士を導電性の連結部材２１で連結することで、８つのセルスタック１を直列に連結した構成となっている。

燃料電池セル１１としては、例えば、内部を水素含有ガス（燃料ガス）が長さ方向Ｌに流通するガス流路１１ａを有する中空平板型で、支持体の表面に、燃料側電極層、固体電解質層および酸素側電極層を順に設けてなる固体酸化物形の燃料電池セル１１を例示している。燃料電池セル１１は、長さ方向Ｌ（立設方向）の略全体に燃料側電極層、固体電解質層および酸素側電極層が重畳した発電部が形成されている。なお、燃料電池セル１１としては、上記以外に、例えば円筒状、平板状の燃料電池セルを用いることもできる。

平板形状の第１改質器５および複数の第２改質器７は、内部に水蒸気改質を行う改質触媒９が収容されており、燃料電池セル１１の発電で使用する燃料ガスを得るために、天然ガスや灯油等の原燃料を改質して燃料ガスを生成する。第１改質器５には、図示しないが水を気化する気化部を有している。気化部は、第１改質器５とは別個に、例えば、第１改質器５の上面に配置しても良い。

なお、改質触媒９は、発電中に水蒸気改質を行うものであり、例えば、起動時に部分酸化改質を行うものであっても良い。また、第２改質器７内に改質触媒９が収容されていれば良く、第１改質器５内には、必ずしも改質触媒９が収容されている必要はない。

平板形状の第１改質器５は、セルスタック集合体Ｇの上方に位置するように配置されており、複数の第２改質器７の上端部は第１改質器５に固定され、下端部は、第１改質器５から下方に延びセルスタック１間を介して燃料ガスタンク３の上壁に接続されている。

第１改質器５は、仕切部材１５により内部が上下に仕切られており、上方が改質触媒９が収容された触媒室５ａとされ、下方が改質触媒で改質された改質ガスが導入される改質ガス室５ｂとされており、該改質ガス室５ｂと複数の第２改質器７の内部空間とが連通している。従って、都市ガス等の原燃料が第１改質器５に供給され、ある程度改質された改質ガスが、仕切部材１５に形成された開口部１５ａを介して改質ガス室５ｂに導入され、この後、第２改質器７に供給されてさらに改質され、この改質ガス（以下、燃料ガスということがある）が燃料ガスタンク３内に供給され、燃料電池セル１１の燃料ガス流路１１ａを流れ、発電に使用されなかった燃料ガスは、燃料電池セル１１の上端から第１改質器５側に放出される。

第１改質器５の触媒室５ａ、複数の第２改質器７の内部に収容される改質触媒９には、例えば、Ｒｕ、Ｎｉ等の一般に使用されるものが担持体の表面に担持されて用いられる。改質触媒９は、例えば粒状とされ、粒状の改質触媒９が、第１改質器５の触媒室５ａ、複数の第２改質器７の内部に充填されている。そして、例えば、都市ガス等の原燃料と水蒸気が、第１改質器５の触媒室５ａに導入され、粒状の改質触媒の間を通過する間に一部が水素に改質され、この改質ガスが、改質ガス室５ｂを介して第２改質器７に供給され、改質されていない都市ガス等の原燃料が水素に改質され、燃料ガスタンク３に導入されることになる。

なお、仕切部材１５の開口部１５ａ、および第２改質器７の上下端には、改質触媒９を触媒室５ａ内、第２改質器７内に保持するためメッシュ（図示せず）が配置されている。

第２改質器７は、図１（ｃ）では、セルスタック集合体Ｇの中央部に配置されており、さらに周辺部にも配置されている。なお、セルスタック集合体Ｇの中央部とは、図１（ｃ）に示すように、セルスタック列の中央も含む概念である。

第２改質器７は平板形状をなしており、２つのセルスタック１毎に配置されており、１つのセルスタック列には３つの第２改質器７が配置され、図１では、１つの平板状の第１改質器５と、合計６つの第２改質器７が配置されている。

以上のように構成された燃料電池モジュールでは、セルスタック集合体Ｇの中央部は熱がこもりやすく、温度が高くなる傾向にあるが、セルスタック集合体Ｇの中央部におけるセルスタック１間に第２改質器７が配置されているため、改質触媒９が水蒸気改質を行う際に第２改質器７周辺の熱を吸収し、第２改質器７周辺の温度を低下でき、これにより、セルスタック集合体Ｇの中央部におけるセルスタック１の温度を低下し、発電時におけるセルスタック集合体Ｇの温度の均一化を図ることができる。これにより、発電性能を向上できる。

なお、図３（ａ）（ｂ）に示すセルスタック集合体Ｇを有する燃料電池モジュールであっても、セルスタック集合体Ｇの中央部におけるセルスタック１の温度を低下し、発電時におけるセルスタック集合体Ｇの温度を均一化できる。

すなわち、図３（ａ）に示すように、８個のセルスタック１からなるセルスタック列を２行有するセルスタック集合体Ｇを有している燃料電池モジュールでは、２行のセルスタック列の中央にそれぞれ第２改質器７が配置されている。また、図３（ｂ）に示すように、８個のセルスタック１からなるセルスタック列を３行有するセルスタック集合体Ｇを有している燃料電池モジュールでは、中央のセルスタック列の中央部に３個の第２改質器７がセルスタック１と交互に配置されている。

特に、図３（ｂ）に示すように、中央のセルスタック１の周囲が、他のセルスタック１で囲まれている場合には熱がこもりやすいため、本発明を好適に用いることができる。

図４は、第２改質器７における改質触媒９の充填程度を示すもので、図１に示した燃料電池モジュールのセルスタック集合体Ｇの中央部の第２改質器７における改質触媒量を、周辺よりも多くした状態を示す縦断面図であり、（ａ）は改質触媒９を燃料ガスタンク３側から詰めた状態、（ｂ）は燃料電池セル１１の長さ方向Ｌ（セルスタックの高さ方向）における中央部に改質触媒９を収容した状態である。

図４では、第２改質器７が、セルスタック集合体Ｇの中央部および周辺部に、隣接する第２改質器７間の間隔が同じ間隔となるように配置されている。

このような燃料電池モジュールでも、セルスタック集合体Ｇの中央部におけるセルスタック１の温度を低下し、発電時におけるセルスタック集合体Ｇの温度を均一化できるが、セルスタック列の中央に配置された第２改質器７内の改質触媒量を、セルスタック列の周辺部に配置された第２改質器７内の改質触媒量よりも多くすることにより、セルスタック集合体Ｇの中央部に配置された第２改質器７内の改質反応（改質触媒９による吸熱量）が、セルスタック集合体Ｇの周辺部に配置された第２改質器７内の改質反応（改質触媒９による吸熱量）よりも活発と（多く）なり、特に高温となりやすいセルスタック集合体Ｇの中央部におけるセルスタック１の温度を最も低下させることができ、発電時におけるセルスタック集合体Ｇの温度をさらに均一化できる。なお、改質触媒が同一材料からなる場合には、改質触媒量が多いということは、第２改質器７内の改質反応が活発となることであり、改質触媒９による吸熱量が多いということでもある。

また、図４（ｂ）の場合には、燃料電池セル１１の長さ方向Ｌにおける温度分布も均一化できる。すなわち、セルスタック１においては、燃料電池セル１１の長さ方向Ｌの中央
部において温度が高くなる場合があるが、図４（ｂ）の場合には、燃料電池セル１１の高さ方向の中央部に位置する第２改質器７の部分に改質触媒９が収容されているため、燃料電池セル１１の長さ方向Ｌの中央部の温度を低下させることができ、燃料電池セル１１の長さ方向Ｌにおける温度分布も均一化を図ることができる。なお、図４（ｂ）では、燃料電池セル１１の長さ方向Ｌの中央部の温度が高くなる場合について記載したが、燃料電池セル１１の上端部の温度が高くなる場合には、燃料電池セル１１の上端部側に改質触媒９が収容されるように構成することができる。

図５は、図１に示した燃料電池モジュールのセルスタック集合体Ｇの中央部における第２改質器７の内部空間の容積を、セルスタック集合体Ｇの周辺における第２改質器７の内部空間の容積よりも大きくし、セルスタック集合体Ｇの中央部の第２改質器７における改質触媒量を、周辺よりも多くした。このような燃料電池モジュールでも、セルスタック集合体Ｇの中央部におけるセルスタック１の温度を低下し、発電時におけるセルスタック集合体Ｇの温度をさらに均一化できる。

図６は、図１に示した燃料電池モジュールの第２改質器７において、セルスタック１における燃料電池セル１１の配列方向ｘの中央部に拡幅部７ａを設け、この第２改質器７の内部空間に改質触媒９を充填したもので、セルスタック集合体Ｇの中央部におけるセルスタック１の温度を低下し、発電時におけるセルスタック集合体Ｇの温度の均一化を図ることができるとともに、燃料電池セル１１の配列方向ｘにおける温度分布も均一化できる。すなわち、セルスタック１においては、燃料電池セル１１の配列方向ｘの中央部において温度が高くなる傾向にあるが、図６の場合には、燃料電池セル１１の配列方向ｘの中央部に位置する第２改質器７の拡幅部７ａに多くの改質触媒９が収容されているため、燃料電池セル１１の配列方向ｘの中央部の温度を特に低下させることができ、燃料電池セル１１の配列方向ｘにおける温度分布も均一化できる。

なお、改質触媒量を変える以外に、例えば改質触媒９の材料を変えることでも、セルスタック集合体Ｇの中央部に配置された第２改質器７内での改質反応（吸熱量）を、セルスタック集合体Ｇの周辺部に配置された第２改質器７内の改質反応（吸熱量）よりも活発（多くする）とすることができる。従って、セルスタック集合体Ｇの中央部および周辺部の改質触媒量を同じにして、改質触媒材料を変更しても良い。改質触媒材料を変更するとは、触媒金属種、担持量、粒径、粒子形状等を変更することが含まれ、吸熱量が変更するものである。

なお、上記形態では、同じセルスタック列に配置された隣接する第２改質器７の間隔が均等になるように配置されている場合について説明したが、セルスタック集合体Ｇの中央部から周辺部にいくほど、同じセルスタック列に配置された隣接する第２改質器７間の間隔が広くなるような燃料電池モジュール、すなわち、中央部の第２改質器７から離れていくほど、隣接する第２改質器７間に配置されたセルスタック１の数が多くなるように構成しても、セルスタック集合体Ｇにおける温度をさらに均一化できる。

図７は、図１に示した燃料電池モジュールにおいて、セルスタック列の中央の第２改質器７内に伝熱体２５を配置した状態を示すもので、図７（ａ）は、セルスタック列の中央の第２改質器７内に、板状の伝熱体２５を互い違いに配置し、第２改質器７内をガスが蛇行するように構成されている。伝熱体２５は、第２改質器７を構成する材料よりも熱伝導率が高いもので構成されている。

このような燃料電池モジュールでは、第２改質器７内をガスが蛇行するため、第２改質器７内の水蒸気改質を行う改質触媒９が、伝熱体２５、第２改質器７を介して、第２改質器７の周囲からさらに吸熱することができ、発電時におけるセルスタック集合体Ｇの温度
の制御がさらに容易となる。また、伝熱体２５を燃料電池セル１１の長さ方向Ｌの中央部に配置することにより、燃料電池セル１１の長さ方向Ｌの中央部の温度をも低下させることができ、燃料電池セル１１の長さ方向Ｌにおける温度分布も均一化できる。

なお、図７（ａ）の場合には、燃料電池セル１１の長さ方向Ｌの中央部の温度が高くなる場合について記載したが、燃料電池セル１１の上端部の温度が高くなる場合には、燃料電池セル１１の上端部側に伝熱体２５を配置することにより、燃料電池セル１１の長さ方向Ｌにおける温度分布も均一化できる。

また、図７（ｂ）は、柱状の伝熱体２５を、第２改質器７内に、第２改質器７におけるセル配列方向ｘの中央部に複数配置したもので、このような燃料電池モジュールでは、ガス流れ変更効果は小さいが、伝熱体２５から熱を吸収し易くなり、セルスタック集合体Ｇの中央部におけるセルスタック１の温度をさらに低下できる。

図８は、図１に示した燃料電池モジュールにおいて、２つのセルスタック列を跨いで第２改質器７が設けられた燃料電池モジュールであり、このような燃料電池モジュールでも、セルスタック集合体Ｇの中央部におけるセルスタック１の温度を低下できる。

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。

上記形態では、一つの第１改質器５と、一つの燃料ガスタンクを有する燃料電池モジュールについて記載したが、複数の第１改質器を有する場合であっても良く、また、複数の燃料ガスタンクを有する場合であっても良い。

１・・・セルスタック
３・・・燃料ガスタンク
５・・・第１改質器
５ａ・・・触媒室
５ｂ・・・改質ガス室
７・・・第２改質器
１１・・・燃料電池セル
１１ａ・・・ガス流路
１５・・・仕切部材
２５・・・伝熱体
Ｇ・・・セルスタック集合体

Claims

ガス流路を有する複数の燃料電池セルが一列に配列され、該複数の燃料電池セルがそれぞれ電気的に接続されてなる複数のセルスタックと、前記燃料電池セルのガス流路を燃料ガスが流れるように、前記複数のセルスタックの下端部がそれぞれ固定された燃料ガスタンクと、前記複数のセルスタックからなるセルスタック集合体の上方に位置するように配置された平板形状の第１改質器と、該第１改質器に上端部が固定され、前記セルスタック間を介して下端部が前記燃料ガスタンクに固定された複数の第２改質器と、前記第２改質器内に収容された水蒸気改質を行う改質触媒とを具備し、前記第２改質器が、前記セルスタック集合体の中央部および周辺部に配置されており、前記セルスタック集合体の中央部から周辺部にいくほど、隣接する前記第２改質器間の間隔が広くなることを特徴とする燃料電池モジュール。
前記セルスタック集合体の中央部に配置された前記第２改質器内の改質触媒による吸熱量が、前記セルスタック集合体の周辺部に配置された前記第２改質器内の改質触媒による吸熱量よりも多い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。
前記第２改質器内には伝熱体が配置さ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。
前記第１改質器は、内部が仕切部材により上下に仕切られ、上方が前記改質触媒が収容された触媒室とされ、下方が前記改質触媒で改質された改質ガスが導入される改質ガス室とされており、該改質ガス室と前記複数の第２改質器内とが連通していることを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれかに記載の燃料電池モジュール。
前記セルスタックを構成する前記燃料電池セルの配列方向が平行になるように、前記複数のセルスタックが配列してセルスタック列をなし、このセルスタック列が複数行平行に配置され、前記複数のセルスタックが行列をなすことにより前記セルスタック集合体が構成されていることを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれかに記載の燃料電池モジュール。