燃料電池モジュール
【課題】燃料電池モジュールの燃料電池スタックにおいて、特に、両端部に位置する単セルの作動温度の低下を抑制することにより、両端部のセル電圧の低下をより確実に抑制し、固体酸化物形燃料電池の電力を向上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】缶体５の内部に、複数の発電セル１４とセパレータ１７を交互に積層し、積層方向の両端部３３、３４にフランジ２３、２４を配して構成した燃料電池スタック６を配置してなる燃料電池モジュールにおいて、燃料電池スタック６のフランジ２３、２４の外端面３２と缶体５との間に、外端面３２と板面とが対向するように、輻射率の低い複数枚の反射板３５、３６、３７が互いの板面間に間隔をおいて単セル１８の積層方向に対向配置されていることを特徴とする
【解決手段】缶体５の内部に、複数の発電セル１４とセパレータ１７を交互に積層し、積層方向の両端部３３、３４にフランジ２３、２４を配して構成した燃料電池スタック６を配置してなる燃料電池モジュールにおいて、燃料電池スタック６のフランジ２３、２４の外端面３２と缶体５との間に、外端面３２と板面とが対向するように、輻射率の低い複数枚の反射板３５、３６、３７が互いの板面間に間隔をおいて単セル１８の積層方向に対向配置されていることを特徴とする
【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からなる単セルを複数積層した燃料電池スタックを配置してなる燃料電池モジュールに関し、特に、上記積層方向の両端部に位置する単セルの温度低下に起因するセル電圧の低下を防止することが可能な燃料電池モジュールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、燃料の有する化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する固体酸化物形燃料電池が高効率でクリーンな発電装置として注目されている。
【０００３】
図４〜７に示すように、この固体酸化物形燃料電池における燃料電池モジュール１は、箱形の内缶体２と、この内缶体２を、断熱材３を介して覆う外缶体４とで構成された缶体５の内部に、燃料電池スタック６を配置したものである。
【０００４】
この燃料電池スタック６は、固体電解質層１１の両面に燃料極層（アノード）１２と空気極層（カソード）１３を配置してなる発電セル１４の外側に、各々燃料極集電体１５と空気極集電体１６を配置し、これらの集電体１５，１６の外側にセパレータ１７を配置した単セル１８を縦方向に複数積層したものである。
【０００５】
そして、この燃料電池スタック６は、内缶体２の底部７に支柱８により固定された架台９に、スペーサ部１０を介して支持された状態で配置されている。
【０００６】
ここで、固体電解質層１１は、酸化物イオンの移動媒体であると同時に、燃料ガスと空気を直接接触させないための隔壁としても機能するので、ガス不透過性の緻密な構造となっている。この固体電解質層１１は、酸化物イオン伝導性が高く、空気極層１３側の酸化性雰囲気から燃料極層１２側の還元性雰囲気までの条件下において化学的に安定で、熱衝撃に強い材料から構成する必要があり、かかる要件を満たす材料として、イットリアを添加した安定化ジルコニア（ＹＳＺ）で構成されている。
【０００７】
また、電極である燃料極層１２と空気極層１３は、いずれも電子伝導性の高い材料から構成する必要がある。このため、この燃料極層１２の材料は、Ｎｉ、Ｃｏなどの金属、或いはＮｉ−ＹＳＺ、Ｃｏ−ＹＳＺなどのサーメット等で構成され、また、空気極層１３の材料は、７００℃前後の高温の酸化性雰囲気中で化学的に安定でなければならないため、金属は不適当であり、電子伝導性を持つＬａＭｎＯ3もしくはＬａＣｏＯ3、または、これらのＬａの一部をＳｒ、Ｃａ等に置換した固溶体（ＬＳＭ、ＬＳＣ，ＳＳＣ等）で構成されている。
【０００８】
さらに、燃料極集電体１５は、ニッケル基合金等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成され、空気極集電体１６は、銀基合金等の同じくスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成されている。スポンジ状多孔質焼結金属板は、集電機能、ガス透過機能、均一ガス拡散機能、クッション機能、熱膨脹差吸収機能等を兼ね備えるので、多機能の集電体材料として適している。
【０００９】
一方、セパレータ１７は、ステンレス等の金属材料により構成されている。その際、７００℃以上の低温、中温作動において、殆ど電気抵抗が増加せず、良好な伝導性を維持する銀めっきを成膜したセパレータ１７を使用することが好ましい。
【００１０】
また、セパレータ１７は、発電セル１４間が電気接続されると共に、この発電セル１４に対してガスを供給する機能を有するもので、燃料ガスをセパレータ１７外周面から導入して燃料ガス通路１９を介してセパレータ１７の燃料極層１２に対向する面から吐出させる燃料ガス吐出孔２０と、酸化剤ガスをセパレータ１７外周面から導入して酸化剤ガス通路２１を介してセパレータ１７の空気極層１３に対向する面から吐出させる酸化剤ガス吐出孔２２とをそれぞれ有している。
【００１１】
そして、発電セル１４とセパレータ１７からなる単セル１８を複数積層し、積層方向の最上部３３側にフランジ２３、最下部３４側にフランジ２４を配して、タイロッド２５を介してボルト２６で締め付けることにより燃料電池スタック６が構成されている。
【００１２】
また、上記積層方向の最上部３３側のフランジ２３には、その中心部に円状の孔２７が穿設されており、この孔２７に錘２８が載置され、この錘２８の荷重により、燃料電池スタック６の構成要素が積層方向に圧接されている。
【００１３】
他方、内缶体２には、燃料電池スタック６の他、外部から供給される上記燃料ガスおよび酸化剤ガスを予熱するための複数の熱交換機２９が燃料電池スタック６の上部近傍や周辺近傍に配設されており、内缶体２の天板部３０には、缶体５内の排ガスを排出するための排気口３１が設けられている。
【００１４】
以上の構成からなる燃料電池モジュール１は、燃料電池スタックにおいて、反応用ガスとして燃料極層１２側に燃料ガスが供給され、空気極層１３側に酸化剤ガスが供給されることにより発電反応が生じる。
【００１５】
そして、発電セル１４内において、空気極層１３側に供給された酸素は、空気極集電１６体内の気孔を通って空気極層１３との界面近傍に到達し、この部分で空気極層１３から電子を受け取って酸化物イオン（Ｏ2-）にイオン化される。この酸化物イオンは、燃料極層１２に向かって固体電解質層１１内を拡散移動し、燃料極層１２との界面近傍に到達した酸化物イオンはこの部分で燃料ガスと反応して反応生成物（Ｈ2Ｏ、ＣＯ2等）を生じ、燃料極層１２に電子を放出する。
【００１６】
ここで、燃料電池スタック６において、それぞれの単１８セルの電極反応で生じた電子が、電流により燃料電池スタック１８の両端部の最下部３４から最上部３３へと移動する。そして、この電子を、最上部３３の空気極層１３側のセパレータ１７と最下部３４の燃料極層１４側のセパレータ１７とを端子として、外部負荷にて取り出すことにより、上記燃料電池モジュール１は所定の電圧レベルの電力を得ることができる。
【００１７】
ところで、単セル１８を複数積層して構成される燃料電池スタック６は、積層方向の温度分布が中央部４４付近で高く、両端部３３、３４付近で極端に低下することが知られている。これは、中央部４４においては、単セル１８同士が隣接しているために、発電セル１４の発電反応で生じたジュール熱が放出し難いことに起因しており、両端部３３、３４においては、フランジ２３，２４の外端面３２が大気に直接ふれているために、発電セル１４の発電反応で生じたジュール熱が、大気に放射された際、反応ガスなどの流れによる対流熱伝達により燃料電池スタック６外に放出されてしまうことに起因している。
【００１８】
このように、単セル１８の温度が低下すると、発電セル１４の電気抵抗が上昇し、電気伝導性が低下するために、燃料極層１２の活性化過電圧が上昇する。そして、燃料極層１２の活性化過電圧が上昇すると、燃料極層１２において水素が水素イオンと成る際に活性化エネルギーが必要となり、この活性化エネルギーの損失により、単セル１８のセル電圧が低下する。特に、近年における固体酸化物形燃料電池は、出力密度を増やした高出力発電のものが多く、高出力発電の場合、温度低下による単セル１８のセル電圧の低下が大きくなる傾向にあった。
【００１９】
即ち、中央部４４の単セル１８の作動温度が高く、高い電力を得ることができても、電子を最上部３３の空気極層１３側のセパレータ１７と最下部３４の燃料極層１４側のセパレータ１７とを端子から取り出す際に、上記電子が、作動温度の低下によりセル電圧が低下した両端部３３、３４の単セル１８を通るために、燃料電池モジュール１のトータルの電力が低下し、発電効率が低下してしまうという問題点があった。
【００２０】
ここで、上述の問題を解決すべく、特許文献１に示すように、燃料電池スタック６の積層方向の両端部３３、３４の単セル１８に、余分に燃料ガスを供給することにより、燃料極層１２においての水素と酸素イオンとの酸化反応が活発となり、燃料極層１２の活性化過電圧が低下して、セル電圧の低下を防ぐことが可能なものが提案されている。
【００２１】
また、特許文献２に示すように、燃料電池スタック６のセパレータ１７の側面の輻射率を変えることにより、各セパレータ１７の側面からのジュール熱の放熱量を制御して、両端部３３、３４の単セル１８の温度を高め、動作温度が低下することにより生ずる発電セル１４の電気抵抗の上昇を防止し、燃料極層１２の活性化過電圧の上昇を防止するために、セル電圧の低下を防止することが可能なものが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２２】
【特許文献１】特開２００８−２１８２７９号公報
【特許文献２】特開２００６−１９６３２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２３】
しかしながら、特許文献１のように、上記燃料電池スタックの積層方向の両端部に、余分に燃料ガスを供給すると、燃料が余分に消費されコストが掛かるという問題点があった。また、特許文献２のように、放熱量を制御しても、十分な高い温度を維持することが困難であり、セル電圧の低下を十分に防ぐことができないという問題点があった。
【００２４】
本発明は、上記従来技術の問題点を解決すべくなされたもので、燃料電池モジュールの燃料電池スタックにおいて、特に、両端部に位置する単セルの作動温度の低下を抑制することにより、両端部のセル電圧の低下をより確実に抑制し、固体酸化物形燃料電池の発電効率を向上することが可能な燃料電池モジュールを提供することを課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００２５】
上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、缶体の内部に、複数の発電セルとセパレータを交互に積層し、積層方向の両端部にフランジを配して構成した燃料電池スタックを配置してなる燃料電池モジュールにおいて、上記燃料電池スタックのフランジの外端面と上記缶体との間に、上記外端面と板面とが対向するように、輻射率の低い複数枚の反射板が互いの板面間に間隔をおいて上記積層方向に対向配置されていることを特徴とするものである。
【００２６】
また、請求項２に記載の発明は、上記反射板が銀または銀を被覆したステンレスにより構成されていることを特徴とするものである。
【００２７】
さらに、請求項３に記載の本発明は、上記反射板が上記フランジの外形寸法より大きく形成されていることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００２８】
請求項１〜３に記載の発明によれば、燃料電池スタックのフランジの外端面と缶体との間に、上記外端面と板面とが対向するように、複数枚の反射板を互いの板面間に間隔をおいて対向配置しているために、反射板が、上記燃料電池スタックの中で最も熱を放射し易いフランジの外端面からの放射熱、即ち発電セルの発電反応により生じた熱を反射して、上記フランジの外端面に熱を放射する。そして、この放射熱を上記フランジの外端面が吸収することにより、両端部の作動温度の低下を抑制することが可能となる。この結果、上記両端部の単セルの温度低下による、発電セルの電気抵抗の上昇を抑制し、上記両端部のセル電圧の低下を抑制することが可能となり、固定酸化物形燃料電池の発電効率が向上する。
【００２９】
ところで、輻射エネルギー(放射熱)が金属に到達した際、この輻射エネルギーは、金属に反射される、金属に吸収される、金属に透過される等の性質があり、これらの割合を示すものとして、反射率、吸収率および透過率がある。この際、金属に到達した輻射エネルギーを１とすると、反射率＋吸収率＋透過率＝１となり、どの金属であっても放射熱を１００％の割合で反射することはなく、放射熱を吸収、透過する。このため、１枚の反射板を設置するのみだと、透過した放射熱が大気に放射され、透過した分の放射熱を損失してしまう傾向があった。
【００３０】
ここで、本発明によれば、各々反射板が互いの板面間に間隔をおいて単セルの積層方向に対向配置しているために、フランジ側の反射板が放射熱を透過しても、透過した放射熱を次の反射板が反射し。次いで、反射した放射熱をフランジ側の反射板が透過する。次いで、この透過した放射熱をフランジの外端面が吸収する。そして、これらの動作が複数の反射板により複数回繰り返されることにより、より確実にフランジの外端面に放射熱を供給することが可能となり、フランジの外端面の温度低下をより確実に抑制することできる。
【００３１】
また、請求項２に記載の発明によれば、上記反射板を銀または銀を被覆したステンレスにより構成しているために、鉄やニッケルやＳＵＳ(研磨面)等の他の光沢のある金属に比べて、銀は、作動温度の６５０℃〜８００℃における輻射率が０．０３程度と非常に低いことから、フランジの外端面からの放射熱を９０％と高い割合で反射して、フランジの外端面側に放射することが可能となる。従って、他の光沢のある金属より、燃料電池スタックの両端部の作動温度の低下を抑制することが可能となる。
【００３２】
さらに、請求項３に記載の本発明によれば、上記反射板を上記フランジの外形寸法より大きく形成しているために、フランジの外端面からの放射熱をより確実に広範囲で受けて、フランジの外端面全体に反射することが可能となる。従って、燃料電池スタックの作動温度の低下をより確実に抑制することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明に係る燃料電池モジュールの一実施形態における燃料電池スタックを示す斜視図である。
【図２】図１の反射板を示す平面図である。
【図３】図１の反射板を示す側面図である。
【図４】従来に係る燃料電池モジュールの全体を示す縦断面図である。
【図５】図４の燃料電池スタックを示す正面図である。
【図６】図４の燃料電池スタックを示す平面図である。
【図７】図４の単セルを示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
図１〜３は、本発明に係る燃料電池モジュールの一実施形態における１組の燃料電池スタック６および燃料電池スタック６に取り付ける反射板(図中符号３５、３６、３７で示す反射板)を示すものである。なお、燃料電池スタック６自体の構成および缶体５等の構成については、図４〜７に示したものと同一であるために、同一符号を付してその説明を簡略化する。
【００３５】
まず、本発明の燃料電池モジュールは、燃料電池スタック６が、図７に示したものと同様に、固体電解質層１１の両面に燃料極層１２および空気極層１３を配した発電セル１４と、燃料極層１２の外側の燃料極集電体１５と、空気極層１３の外側の空気極集電体１６と、各集電体１５、１６の外側のセパレータ１７とを順番に縦方向に多数積層し、両端部の最上部３３側にフランジ２３、最下部３４側にフランジ２４を配置し、タイロッド２５を介してボルト２６で締め付けることにより構成されている。
【００３６】
また、この最上部３３側のフランジ２３の中央部分には、下方に積層されている発電セル１４、燃料極集電体１５および空気極集電体１６に所定の加重を付与するための錘２８が載置されている。
【００３７】
そして、この燃料電池スタック６は、内缶体２の底部７に支柱８により固定された架台９に、スペーサ部１０を介して支持された状態で配置されている。
【００３８】
一方、燃料電池スタック６の両端部３３、３４のフランジ２３、２４の外端面３２と缶体５との間には、第１の反射板３５と第２の反射板３６と第３の反射板３７が間隔をおいて配置されている。
【００３９】
ここで、反射板３５、３６、３７は、略正方形であるとともに薄肉のＳＵＳ板に銀めっきを施して形成されている。なお、ＳＵＳ板にめっきをする金属として、アルミニウムのように銀より輻射率の低い金属も存在するが、融点が６６０℃のアルミニウムは、固体酸化物形燃料電池の作動温度である６５０℃〜８００℃の高温雰囲気下において、溶解してしまうために使用することができない。このため、光沢の金属の中でも、輻射率が良く、且つ６５０℃〜８００℃という高温雰囲気下で輻射率の低い銀を用いることが最適である。
【００４０】
また、各々反射板３５、３６、３７の中心部と外周部との間に、反射板用ボルト４１を挿入するボルト孔３８が、中心部を軸にした仮想円３９上に等間隔に複数（図では３個）形成されている。
【００４１】
そして、第１の反射板３５のボルト孔３８上に、反射板３５、３６、３７の板面間に間隔を設けるべく所定の高さに形成された円筒状のパイプ４０が、反射板３５のボルト孔３８とパイプ４０の内孔とが連通するように配置されている。
【００４２】
また、第１の反射板３５のボルト孔３８上に配置したパイプ４０の上に、第２の反射板３６が、第２の反射板３６のボルト孔３８とパイプ４０とが連通するように配置されている。
【００４３】
さらに、第２の反射板３６のボルト孔３８上に、パイプ４０が、反射板３６のボルト孔３８とパイプ４０の内孔とが連通するように配置されている。
【００４４】
また、第２の反射板３６のボルト孔３８上に配置したパイプ４０の上に、第３の反射板３７が、第３の反射板３７のボルト孔３８とパイプ４０とが連通するように配置されている。
【００４５】
そして、反射板用ボルト４１を、缶体５方向に向けて第１の反射板３５のボルト孔３８から通し、パイプ４０の内側を介して第３の反射板３７のボルト孔３８に貫通させ、ナット４２で締め付けることにより、各々反射板３５、３６、３７が板面間に間隔をおいて対向配置されている。なお、反射板３５と３６と３７との間隔が離れていると、それぞれ反応板３５、３６、３７から放射された熱が反応ガスの流れによる対流熱伝達により、燃料電池スタック６外に放出してしまうために、反射板３５と反射板３６と反射板３７との板面の距離を狭く構成することが好ましい。
【００４６】
そして、最上部３３側に配置する反射板３５、３６、３７において、第１の反射板３５のフランジ２３側の板面の外周部には、アーム部４３が等間隔に４個設けられており、該アーム部４３を介して最上部３３側のフランジ２３の外端面３２に設置されている。また、最下部３４側に配置する反射板３５、３６、３７において、第３の反射板３７の架台９側の板面の外周部には、アーム部４３が等間隔に４個設けられており、フランジ２４と架台９との間に挿入し、該アーム部４３を介して架台９に設置されている。なお、フランジ２３、２４の外端面３２と反射板３５の距離が離れていると、フランジ２３、２４から放射された熱が反応ガスの流れによる対流熱伝達により燃料電池スタック６外に放出してしまうために、反射板３５の板面とフランジ２３、２４の外端面３２の距離を短く構成することが好ましい。
【００４７】
以上の構成からなる燃料電池モジュールにおいては、燃料電池スタック６の空気極集電体１６の外側に配したセパレータ１７に形成された酸化剤ガス通路２１に酸素を空気極集電体１６の周辺部まで充分に行き渡せるように供給する。
【００４８】
この酸化剤ガス通路２１から供給された酸素は、空気極集電体１６に吐出して、この空気極集電体１６に供給された酸素は、銀基合金の多孔質焼結金属板からなる空気極集電体１７の気孔を通って空気極層１６との界面近傍に到達する。そして、界面近傍に到達した酸素が、空気極層１６との界面上で電子を受け取り、酸素イオンへ解離する際の反応が促進されて発電が行なわれる。
【００４９】
この発電反応の際、発電セル１４内の内部抵抗によりジュール熱が発生し、両端部３３、３４において、このジュール熱がフランジ２３、２４の外端面３２から燃料電池スタック６の外部に、放射熱として放出される。
【００５０】
すると、フランジ２３、２４の外端面３２と缶体５との間に配置した銀めっきを施したステンレス板からなる第１の反射板３５が、該放射熱を９０％と高い割合で反射して、フランジ２３、２４の外端部３２側に放射し、第１の反射板３５に反射された放射熱をフランジ２３、２４の外端面３２が吸収する。これにより、両端部の作動温度の低下を抑制することが可能となり、両端部３３、３４の単セル１８の温度低下による発電セル１４の電気抵抗の上昇を抑制し、両端部３３、３４のセル電圧の低下を抑制することが可能となる。結果、固体酸化物形燃料電池の発電効率が向上する。
【００５１】
他方、フランジ２３、２４の外端面３２から放出された放射熱の残りの１０％が、第１の反射板３５に吸収、透過される。
【００５２】
そして、第１の反射板３５から透過した放射熱を、第２の反射板３６が反射し、次いで、この放射熱を第１の反射板が透過する。そして、この透過した放射熱をフランジ２３、２４の外端面３２が吸収する。このように、これらの動作が第３の反射板を含めて繰り返されることにより、より確実にフランジ２３、２４の外端面３２に放射熱を供給することができ、フランジ２３、２４の外端面３２の温度の低下を確実に抑制することが可能となる。
【００５３】
特に、反射板３５、３６、３７を、銀めっきを施したステンレス板により構成しているために、銀めっきが、フランジ２３、２４の外端面３２側からの放射熱を９０％の高い割合で反射し、フランジ２３、２４の外端面３２へと放射することが可能であり、他の光沢のある金属により、燃料電池スタック６の両端部３３、３４の作動温度の低下をより確実に抑制することが可能である。
【００５４】
加えて、反射板３５、３６、３７をフランジ２３、２４の外形寸法より大きく形成しているために、フランジ２３、２４の外端面３２からの放射熱をより確実に広範囲に受けて、フランジ２３、２４の外端面３２全体に反射することが可能となる。従って、燃料電池スタック６の作動温度の低下をより確実に抑制することが可能となる。
【００５５】
なお。本実施形態では、燃料電池モジュールにおいて、単セル１８を縦方向に複数積層した燃料電池スタック６を用いて説明したが、単セル１８を横方向に複数積層した燃料電池スタック６においても、反射板を燃料電池スタック６の両端部のフランジの外端面と缶体との間に配置することにより対応可能である。
【００５６】
そして、特許文献１、特許文献２および同効果を持つ発明のように、燃料電池スタック６の両端部３３、３４の作動温度上昇さを充分に上昇させることができないものであっても、反射板３５、３６、３７を配置することにより、両端部３３、３４の作動温度がより一層上昇するため、併用して燃料電池モジュールを構成することが好ましい。
【実施例】
【００５７】
まず、ランタンガレート系の固体電解質１１の一方の面に、数１０μｍのＮｉ−ＹＳＺからなる燃料極層１２を、他方の面に数１０μｍのＬＳＭからなる空気極層１３を焼結して発電セル１４を構成し、この発電セル１４の燃料極層１２側の外側に多孔質のＮｉからなる燃料極集電体１５を配置し、空気極層１３側の外側に多孔質のＡｇからなる空気極集電体１６を配置し、各集電体１５、１６の外側にフェライト系ステンレスからなるセパレータ１７を配置して構成した単セル１８を複数積層して、該積層方向の両端部３３、３４にフランジ２３、２４を配して、タイロッド２５を介してボルト２６で締め付けることにより燃料電池スタック６を形成した。そして、箱形の内缶体２と、この内缶体２を、断熱材３を介して覆う外缶体４とで構成された缶体５の内部に、該燃料電池スタック６を配置して燃料電池モジュールを構成した。
【００５８】
そして、フランジ２３、２４の外端面３２と缶体５との間に、外端面３２と板面とが対向するように、ＳＵＳ板に銀めっきを施して構成した３枚の第１の反射板３５と第２の反射板３６と第３の反射板３７とを順に互いの板面間に間隔をおいて単セル１８の積層方向に対向配置した
【００５９】
ここで、反射板３５、３６、３７は、縦横１８０ｍｍ、厚さ０．５ｍｍのＳＵＳ板に銀めっきを施して形成した。この際、反射板３５、３６、３７は、中心部を軸にした半径７０ｍｍの仮想円３９上に等間隔に３個のφ５．５ｍｍのボルト孔３８を形成した。
【００６０】
また、第１の反射板３５のボルト孔３８に外径φ７．０ｍｍ、内径５．０ｍｍ、高さ８ｍｍの円筒状のパイプ４０を配置し、さらにその上に第２の反射板３６を配置し、第２の反射板３６のボルト孔３８にパイプ４０を配置し、さらにその上に第３の反射板３７を配置して、Ｍ５×３０Ｌの反射板用ボルト４１を缶体５方向に向けて第１の反射板２５のボルト孔３８に通し、パイプ４０の内孔を介して第３の反射板３７のボルト孔３８に貫通させ、ナット４２で締め付けることにより、反射板３５、３６、３７の板面間が８ｍｍの間隔をおいて単セル１８の積層方向に対向配置となるようにした。
【００６１】
そして、上記実施形態の燃料電池モジュールを用いて、燃料電池スタック６の最下部３４の温度を測定した。
【００６２】
この際、上記実施例の燃料電池モジュールを比較するために、反射板３５、３６、３７を設置していない燃料電池モジュール１を用いて、燃料電池スタック６の最下部３４の温度を測定した。
【００６３】
下記の表は、上記燃料電池モジュールのセパレータ１７の積層数、運転条件、運転条件における燃料電池スタック６の最下部３４および最下部３４から４枚目のセパレータ１７の温度を示している。
【００６４】
【表１】
【００６５】
上記の表１から、燃料電池スタック６の最下部３４から４枚目のセパレータ１７の温度を抽出すると、反射板３５、３６、３７を設置している場合と設置していない場合、共に７６４℃および７６６℃と作動温度が変わらないことが確認できる。
【００６６】
そして、燃料電池スタック６に反射板３５、３６、３７を設置していない場合の最下部３４の作動温度を抽出すると、７０８℃とセパレータの４枚目の温度と比べて６０℃近く温度が低下していることが確認できる。これは、フランジ２４の外端面３２が、発電セル１４の発電反応によるジュール熱を、放射熱として大気に放射してしまうことに起因している。
【００６７】
一方、燃料電池スタック６に反射板３５、３６、３７を設置している場合の最下部３４の作動温度を抽出すると、７２３℃とセパレータ１７の４枚目の温度と比べて４０℃近く温度が低下しているものの、燃料電池スタック６に反射板３５、３６、３７を設置していない場合に比べ、１５℃温度が上昇していることが確認できる。これは、フランジ２４の外端面３２からの放射熱を反射板３５、３６、３７が反射することにより、フランジ２４の外端部３２がその放射熱を吸収し、フランジ２４の外端部３２の作動温度の低下を抑制していることに起因している。
【００６８】
なお、表１では、最下部３４の温度のみを表記しているが、最下部３４の結果からも、最上部３３も同様に作動温度の低下を抑制することが可能である。
【００６９】
以上の実施例から、燃料電池モジュールの缶体５と燃料電池スタック６のフランジ２３、２４の外端面３２との間に反射板３５、３６、３７を設置することにより、燃料電池スタック６の両端部３３、３４の作動温度の低下を抑制することが可能であることを実証できた。
【符号の説明】
【００７０】
１ 燃料電池モジュール
５ 缶体
６ 燃料電池スタック
１４ 発電セル
１７ セパレータ
２３ フランジ（最上部のフランジ）
２４ フランジ（最下部のフランジ）
３２ 外端面
３３ 最上部（両端部）
３４ 最下部（両端部）
３５ 第１の反射板（反射板）
３６ 第２の反射板（反射板）
３７ 第３の反射板（反射板）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、缶体内に、発電セルとセパレータからなる単セルを複数積層した燃料電池スタックを配置してなる燃料電池モジュールに関し、特に、上記積層方向の両端部に位置する単セルの温度低下に起因するセル電圧の低下を防止することが可能な燃料電池モジュールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、燃料の有する化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する固体酸化物形燃料電池が高効率でクリーンな発電装置として注目されている。
【０００３】
図４〜７に示すように、この固体酸化物形燃料電池における燃料電池モジュール１は、箱形の内缶体２と、この内缶体２を、断熱材３を介して覆う外缶体４とで構成された缶体５の内部に、燃料電池スタック６を配置したものである。
【０００４】
この燃料電池スタック６は、固体電解質層１１の両面に燃料極層（アノード）１２と空気極層（カソード）１３を配置してなる発電セル１４の外側に、各々燃料極集電体１５と空気極集電体１６を配置し、これらの集電体１５，１６の外側にセパレータ１７を配置した単セル１８を縦方向に複数積層したものである。
【０００５】
そして、この燃料電池スタック６は、内缶体２の底部７に支柱８により固定された架台９に、スペーサ部１０を介して支持された状態で配置されている。
【０００６】
ここで、固体電解質層１１は、酸化物イオンの移動媒体であると同時に、燃料ガスと空気を直接接触させないための隔壁としても機能するので、ガス不透過性の緻密な構造となっている。この固体電解質層１１は、酸化物イオン伝導性が高く、空気極層１３側の酸化性雰囲気から燃料極層１２側の還元性雰囲気までの条件下において化学的に安定で、熱衝撃に強い材料から構成する必要があり、かかる要件を満たす材料として、イットリアを添加した安定化ジルコニア（ＹＳＺ）で構成されている。
【０００７】
また、電極である燃料極層１２と空気極層１３は、いずれも電子伝導性の高い材料から構成する必要がある。このため、この燃料極層１２の材料は、Ｎｉ、Ｃｏなどの金属、或いはＮｉ−ＹＳＺ、Ｃｏ−ＹＳＺなどのサーメット等で構成され、また、空気極層１３の材料は、７００℃前後の高温の酸化性雰囲気中で化学的に安定でなければならないため、金属は不適当であり、電子伝導性を持つＬａＭｎＯ3もしくはＬａＣｏＯ3、または、これらのＬａの一部をＳｒ、Ｃａ等に置換した固溶体（ＬＳＭ、ＬＳＣ，ＳＳＣ等）で構成されている。
【０００８】
さらに、燃料極集電体１５は、ニッケル基合金等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成され、空気極集電体１６は、銀基合金等の同じくスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成されている。スポンジ状多孔質焼結金属板は、集電機能、ガス透過機能、均一ガス拡散機能、クッション機能、熱膨脹差吸収機能等を兼ね備えるので、多機能の集電体材料として適している。
【０００９】
一方、セパレータ１７は、ステンレス等の金属材料により構成されている。その際、７００℃以上の低温、中温作動において、殆ど電気抵抗が増加せず、良好な伝導性を維持する銀めっきを成膜したセパレータ１７を使用することが好ましい。
【００１０】
また、セパレータ１７は、発電セル１４間が電気接続されると共に、この発電セル１４に対してガスを供給する機能を有するもので、燃料ガスをセパレータ１７外周面から導入して燃料ガス通路１９を介してセパレータ１７の燃料極層１２に対向する面から吐出させる燃料ガス吐出孔２０と、酸化剤ガスをセパレータ１７外周面から導入して酸化剤ガス通路２１を介してセパレータ１７の空気極層１３に対向する面から吐出させる酸化剤ガス吐出孔２２とをそれぞれ有している。
【００１１】
そして、発電セル１４とセパレータ１７からなる単セル１８を複数積層し、積層方向の最上部３３側にフランジ２３、最下部３４側にフランジ２４を配して、タイロッド２５を介してボルト２６で締め付けることにより燃料電池スタック６が構成されている。
【００１２】
また、上記積層方向の最上部３３側のフランジ２３には、その中心部に円状の孔２７が穿設されており、この孔２７に錘２８が載置され、この錘２８の荷重により、燃料電池スタック６の構成要素が積層方向に圧接されている。
【００１３】
他方、内缶体２には、燃料電池スタック６の他、外部から供給される上記燃料ガスおよび酸化剤ガスを予熱するための複数の熱交換機２９が燃料電池スタック６の上部近傍や周辺近傍に配設されており、内缶体２の天板部３０には、缶体５内の排ガスを排出するための排気口３１が設けられている。
【００１４】
以上の構成からなる燃料電池モジュール１は、燃料電池スタックにおいて、反応用ガスとして燃料極層１２側に燃料ガスが供給され、空気極層１３側に酸化剤ガスが供給されることにより発電反応が生じる。
【００１５】
そして、発電セル１４内において、空気極層１３側に供給された酸素は、空気極集電１６体内の気孔を通って空気極層１３との界面近傍に到達し、この部分で空気極層１３から電子を受け取って酸化物イオン（Ｏ2-）にイオン化される。この酸化物イオンは、燃料極層１２に向かって固体電解質層１１内を拡散移動し、燃料極層１２との界面近傍に到達した酸化物イオンはこの部分で燃料ガスと反応して反応生成物（Ｈ2Ｏ、ＣＯ2等）を生じ、燃料極層１２に電子を放出する。
【００１６】
ここで、燃料電池スタック６において、それぞれの単１８セルの電極反応で生じた電子が、電流により燃料電池スタック１８の両端部の最下部３４から最上部３３へと移動する。そして、この電子を、最上部３３の空気極層１３側のセパレータ１７と最下部３４の燃料極層１４側のセパレータ１７とを端子として、外部負荷にて取り出すことにより、上記燃料電池モジュール１は所定の電圧レベルの電力を得ることができる。
【００１７】
ところで、単セル１８を複数積層して構成される燃料電池スタック６は、積層方向の温度分布が中央部４４付近で高く、両端部３３、３４付近で極端に低下することが知られている。これは、中央部４４においては、単セル１８同士が隣接しているために、発電セル１４の発電反応で生じたジュール熱が放出し難いことに起因しており、両端部３３、３４においては、フランジ２３，２４の外端面３２が大気に直接ふれているために、発電セル１４の発電反応で生じたジュール熱が、大気に放射された際、反応ガスなどの流れによる対流熱伝達により燃料電池スタック６外に放出されてしまうことに起因している。
【００１８】
このように、単セル１８の温度が低下すると、発電セル１４の電気抵抗が上昇し、電気伝導性が低下するために、燃料極層１２の活性化過電圧が上昇する。そして、燃料極層１２の活性化過電圧が上昇すると、燃料極層１２において水素が水素イオンと成る際に活性化エネルギーが必要となり、この活性化エネルギーの損失により、単セル１８のセル電圧が低下する。特に、近年における固体酸化物形燃料電池は、出力密度を増やした高出力発電のものが多く、高出力発電の場合、温度低下による単セル１８のセル電圧の低下が大きくなる傾向にあった。
【００１９】
即ち、中央部４４の単セル１８の作動温度が高く、高い電力を得ることができても、電子を最上部３３の空気極層１３側のセパレータ１７と最下部３４の燃料極層１４側のセパレータ１７とを端子から取り出す際に、上記電子が、作動温度の低下によりセル電圧が低下した両端部３３、３４の単セル１８を通るために、燃料電池モジュール１のトータルの電力が低下し、発電効率が低下してしまうという問題点があった。
【００２０】
ここで、上述の問題を解決すべく、特許文献１に示すように、燃料電池スタック６の積層方向の両端部３３、３４の単セル１８に、余分に燃料ガスを供給することにより、燃料極層１２においての水素と酸素イオンとの酸化反応が活発となり、燃料極層１２の活性化過電圧が低下して、セル電圧の低下を防ぐことが可能なものが提案されている。
【００２１】
また、特許文献２に示すように、燃料電池スタック６のセパレータ１７の側面の輻射率を変えることにより、各セパレータ１７の側面からのジュール熱の放熱量を制御して、両端部３３、３４の単セル１８の温度を高め、動作温度が低下することにより生ずる発電セル１４の電気抵抗の上昇を防止し、燃料極層１２の活性化過電圧の上昇を防止するために、セル電圧の低下を防止することが可能なものが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２２】
【特許文献１】特開２００８−２１８２７９号公報
【特許文献２】特開２００６−１９６３２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２３】
しかしながら、特許文献１のように、上記燃料電池スタックの積層方向の両端部に、余分に燃料ガスを供給すると、燃料が余分に消費されコストが掛かるという問題点があった。また、特許文献２のように、放熱量を制御しても、十分な高い温度を維持することが困難であり、セル電圧の低下を十分に防ぐことができないという問題点があった。
【００２４】
本発明は、上記従来技術の問題点を解決すべくなされたもので、燃料電池モジュールの燃料電池スタックにおいて、特に、両端部に位置する単セルの作動温度の低下を抑制することにより、両端部のセル電圧の低下をより確実に抑制し、固体酸化物形燃料電池の発電効率を向上することが可能な燃料電池モジュールを提供することを課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００２５】
上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、缶体の内部に、複数の発電セルとセパレータを交互に積層し、積層方向の両端部にフランジを配して構成した燃料電池スタックを配置してなる燃料電池モジュールにおいて、上記燃料電池スタックのフランジの外端面と上記缶体との間に、上記外端面と板面とが対向するように、輻射率の低い複数枚の反射板が互いの板面間に間隔をおいて上記積層方向に対向配置されていることを特徴とするものである。
【００２６】
また、請求項２に記載の発明は、上記反射板が銀または銀を被覆したステンレスにより構成されていることを特徴とするものである。
【００２７】
さらに、請求項３に記載の本発明は、上記反射板が上記フランジの外形寸法より大きく形成されていることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００２８】
請求項１〜３に記載の発明によれば、燃料電池スタックのフランジの外端面と缶体との間に、上記外端面と板面とが対向するように、複数枚の反射板を互いの板面間に間隔をおいて対向配置しているために、反射板が、上記燃料電池スタックの中で最も熱を放射し易いフランジの外端面からの放射熱、即ち発電セルの発電反応により生じた熱を反射して、上記フランジの外端面に熱を放射する。そして、この放射熱を上記フランジの外端面が吸収することにより、両端部の作動温度の低下を抑制することが可能となる。この結果、上記両端部の単セルの温度低下による、発電セルの電気抵抗の上昇を抑制し、上記両端部のセル電圧の低下を抑制することが可能となり、固定酸化物形燃料電池の発電効率が向上する。
【００２９】
ところで、輻射エネルギー(放射熱)が金属に到達した際、この輻射エネルギーは、金属に反射される、金属に吸収される、金属に透過される等の性質があり、これらの割合を示すものとして、反射率、吸収率および透過率がある。この際、金属に到達した輻射エネルギーを１とすると、反射率＋吸収率＋透過率＝１となり、どの金属であっても放射熱を１００％の割合で反射することはなく、放射熱を吸収、透過する。このため、１枚の反射板を設置するのみだと、透過した放射熱が大気に放射され、透過した分の放射熱を損失してしまう傾向があった。
【００３０】
ここで、本発明によれば、各々反射板が互いの板面間に間隔をおいて単セルの積層方向に対向配置しているために、フランジ側の反射板が放射熱を透過しても、透過した放射熱を次の反射板が反射し。次いで、反射した放射熱をフランジ側の反射板が透過する。次いで、この透過した放射熱をフランジの外端面が吸収する。そして、これらの動作が複数の反射板により複数回繰り返されることにより、より確実にフランジの外端面に放射熱を供給することが可能となり、フランジの外端面の温度低下をより確実に抑制することできる。
【００３１】
また、請求項２に記載の発明によれば、上記反射板を銀または銀を被覆したステンレスにより構成しているために、鉄やニッケルやＳＵＳ(研磨面)等の他の光沢のある金属に比べて、銀は、作動温度の６５０℃〜８００℃における輻射率が０．０３程度と非常に低いことから、フランジの外端面からの放射熱を９０％と高い割合で反射して、フランジの外端面側に放射することが可能となる。従って、他の光沢のある金属より、燃料電池スタックの両端部の作動温度の低下を抑制することが可能となる。
【００３２】
さらに、請求項３に記載の本発明によれば、上記反射板を上記フランジの外形寸法より大きく形成しているために、フランジの外端面からの放射熱をより確実に広範囲で受けて、フランジの外端面全体に反射することが可能となる。従って、燃料電池スタックの作動温度の低下をより確実に抑制することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明に係る燃料電池モジュールの一実施形態における燃料電池スタックを示す斜視図である。
【図２】図１の反射板を示す平面図である。
【図３】図１の反射板を示す側面図である。
【図４】従来に係る燃料電池モジュールの全体を示す縦断面図である。
【図５】図４の燃料電池スタックを示す正面図である。
【図６】図４の燃料電池スタックを示す平面図である。
【図７】図４の単セルを示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
図１〜３は、本発明に係る燃料電池モジュールの一実施形態における１組の燃料電池スタック６および燃料電池スタック６に取り付ける反射板(図中符号３５、３６、３７で示す反射板)を示すものである。なお、燃料電池スタック６自体の構成および缶体５等の構成については、図４〜７に示したものと同一であるために、同一符号を付してその説明を簡略化する。
【００３５】
まず、本発明の燃料電池モジュールは、燃料電池スタック６が、図７に示したものと同様に、固体電解質層１１の両面に燃料極層１２および空気極層１３を配した発電セル１４と、燃料極層１２の外側の燃料極集電体１５と、空気極層１３の外側の空気極集電体１６と、各集電体１５、１６の外側のセパレータ１７とを順番に縦方向に多数積層し、両端部の最上部３３側にフランジ２３、最下部３４側にフランジ２４を配置し、タイロッド２５を介してボルト２６で締め付けることにより構成されている。
【００３６】
また、この最上部３３側のフランジ２３の中央部分には、下方に積層されている発電セル１４、燃料極集電体１５および空気極集電体１６に所定の加重を付与するための錘２８が載置されている。
【００３７】
そして、この燃料電池スタック６は、内缶体２の底部７に支柱８により固定された架台９に、スペーサ部１０を介して支持された状態で配置されている。
【００３８】
一方、燃料電池スタック６の両端部３３、３４のフランジ２３、２４の外端面３２と缶体５との間には、第１の反射板３５と第２の反射板３６と第３の反射板３７が間隔をおいて配置されている。
【００３９】
ここで、反射板３５、３６、３７は、略正方形であるとともに薄肉のＳＵＳ板に銀めっきを施して形成されている。なお、ＳＵＳ板にめっきをする金属として、アルミニウムのように銀より輻射率の低い金属も存在するが、融点が６６０℃のアルミニウムは、固体酸化物形燃料電池の作動温度である６５０℃〜８００℃の高温雰囲気下において、溶解してしまうために使用することができない。このため、光沢の金属の中でも、輻射率が良く、且つ６５０℃〜８００℃という高温雰囲気下で輻射率の低い銀を用いることが最適である。
【００４０】
また、各々反射板３５、３６、３７の中心部と外周部との間に、反射板用ボルト４１を挿入するボルト孔３８が、中心部を軸にした仮想円３９上に等間隔に複数（図では３個）形成されている。
【００４１】
そして、第１の反射板３５のボルト孔３８上に、反射板３５、３６、３７の板面間に間隔を設けるべく所定の高さに形成された円筒状のパイプ４０が、反射板３５のボルト孔３８とパイプ４０の内孔とが連通するように配置されている。
【００４２】
また、第１の反射板３５のボルト孔３８上に配置したパイプ４０の上に、第２の反射板３６が、第２の反射板３６のボルト孔３８とパイプ４０とが連通するように配置されている。
【００４３】
さらに、第２の反射板３６のボルト孔３８上に、パイプ４０が、反射板３６のボルト孔３８とパイプ４０の内孔とが連通するように配置されている。
【００４４】
また、第２の反射板３６のボルト孔３８上に配置したパイプ４０の上に、第３の反射板３７が、第３の反射板３７のボルト孔３８とパイプ４０とが連通するように配置されている。
【００４５】
そして、反射板用ボルト４１を、缶体５方向に向けて第１の反射板３５のボルト孔３８から通し、パイプ４０の内側を介して第３の反射板３７のボルト孔３８に貫通させ、ナット４２で締め付けることにより、各々反射板３５、３６、３７が板面間に間隔をおいて対向配置されている。なお、反射板３５と３６と３７との間隔が離れていると、それぞれ反応板３５、３６、３７から放射された熱が反応ガスの流れによる対流熱伝達により、燃料電池スタック６外に放出してしまうために、反射板３５と反射板３６と反射板３７との板面の距離を狭く構成することが好ましい。
【００４６】
そして、最上部３３側に配置する反射板３５、３６、３７において、第１の反射板３５のフランジ２３側の板面の外周部には、アーム部４３が等間隔に４個設けられており、該アーム部４３を介して最上部３３側のフランジ２３の外端面３２に設置されている。また、最下部３４側に配置する反射板３５、３６、３７において、第３の反射板３７の架台９側の板面の外周部には、アーム部４３が等間隔に４個設けられており、フランジ２４と架台９との間に挿入し、該アーム部４３を介して架台９に設置されている。なお、フランジ２３、２４の外端面３２と反射板３５の距離が離れていると、フランジ２３、２４から放射された熱が反応ガスの流れによる対流熱伝達により燃料電池スタック６外に放出してしまうために、反射板３５の板面とフランジ２３、２４の外端面３２の距離を短く構成することが好ましい。
【００４７】
以上の構成からなる燃料電池モジュールにおいては、燃料電池スタック６の空気極集電体１６の外側に配したセパレータ１７に形成された酸化剤ガス通路２１に酸素を空気極集電体１６の周辺部まで充分に行き渡せるように供給する。
【００４８】
この酸化剤ガス通路２１から供給された酸素は、空気極集電体１６に吐出して、この空気極集電体１６に供給された酸素は、銀基合金の多孔質焼結金属板からなる空気極集電体１７の気孔を通って空気極層１６との界面近傍に到達する。そして、界面近傍に到達した酸素が、空気極層１６との界面上で電子を受け取り、酸素イオンへ解離する際の反応が促進されて発電が行なわれる。
【００４９】
この発電反応の際、発電セル１４内の内部抵抗によりジュール熱が発生し、両端部３３、３４において、このジュール熱がフランジ２３、２４の外端面３２から燃料電池スタック６の外部に、放射熱として放出される。
【００５０】
すると、フランジ２３、２４の外端面３２と缶体５との間に配置した銀めっきを施したステンレス板からなる第１の反射板３５が、該放射熱を９０％と高い割合で反射して、フランジ２３、２４の外端部３２側に放射し、第１の反射板３５に反射された放射熱をフランジ２３、２４の外端面３２が吸収する。これにより、両端部の作動温度の低下を抑制することが可能となり、両端部３３、３４の単セル１８の温度低下による発電セル１４の電気抵抗の上昇を抑制し、両端部３３、３４のセル電圧の低下を抑制することが可能となる。結果、固体酸化物形燃料電池の発電効率が向上する。
【００５１】
他方、フランジ２３、２４の外端面３２から放出された放射熱の残りの１０％が、第１の反射板３５に吸収、透過される。
【００５２】
そして、第１の反射板３５から透過した放射熱を、第２の反射板３６が反射し、次いで、この放射熱を第１の反射板が透過する。そして、この透過した放射熱をフランジ２３、２４の外端面３２が吸収する。このように、これらの動作が第３の反射板を含めて繰り返されることにより、より確実にフランジ２３、２４の外端面３２に放射熱を供給することができ、フランジ２３、２４の外端面３２の温度の低下を確実に抑制することが可能となる。
【００５３】
特に、反射板３５、３６、３７を、銀めっきを施したステンレス板により構成しているために、銀めっきが、フランジ２３、２４の外端面３２側からの放射熱を９０％の高い割合で反射し、フランジ２３、２４の外端面３２へと放射することが可能であり、他の光沢のある金属により、燃料電池スタック６の両端部３３、３４の作動温度の低下をより確実に抑制することが可能である。
【００５４】
加えて、反射板３５、３６、３７をフランジ２３、２４の外形寸法より大きく形成しているために、フランジ２３、２４の外端面３２からの放射熱をより確実に広範囲に受けて、フランジ２３、２４の外端面３２全体に反射することが可能となる。従って、燃料電池スタック６の作動温度の低下をより確実に抑制することが可能となる。
【００５５】
なお。本実施形態では、燃料電池モジュールにおいて、単セル１８を縦方向に複数積層した燃料電池スタック６を用いて説明したが、単セル１８を横方向に複数積層した燃料電池スタック６においても、反射板を燃料電池スタック６の両端部のフランジの外端面と缶体との間に配置することにより対応可能である。
【００５６】
そして、特許文献１、特許文献２および同効果を持つ発明のように、燃料電池スタック６の両端部３３、３４の作動温度上昇さを充分に上昇させることができないものであっても、反射板３５、３６、３７を配置することにより、両端部３３、３４の作動温度がより一層上昇するため、併用して燃料電池モジュールを構成することが好ましい。
【実施例】
【００５７】
まず、ランタンガレート系の固体電解質１１の一方の面に、数１０μｍのＮｉ−ＹＳＺからなる燃料極層１２を、他方の面に数１０μｍのＬＳＭからなる空気極層１３を焼結して発電セル１４を構成し、この発電セル１４の燃料極層１２側の外側に多孔質のＮｉからなる燃料極集電体１５を配置し、空気極層１３側の外側に多孔質のＡｇからなる空気極集電体１６を配置し、各集電体１５、１６の外側にフェライト系ステンレスからなるセパレータ１７を配置して構成した単セル１８を複数積層して、該積層方向の両端部３３、３４にフランジ２３、２４を配して、タイロッド２５を介してボルト２６で締め付けることにより燃料電池スタック６を形成した。そして、箱形の内缶体２と、この内缶体２を、断熱材３を介して覆う外缶体４とで構成された缶体５の内部に、該燃料電池スタック６を配置して燃料電池モジュールを構成した。
【００５８】
そして、フランジ２３、２４の外端面３２と缶体５との間に、外端面３２と板面とが対向するように、ＳＵＳ板に銀めっきを施して構成した３枚の第１の反射板３５と第２の反射板３６と第３の反射板３７とを順に互いの板面間に間隔をおいて単セル１８の積層方向に対向配置した
【００５９】
ここで、反射板３５、３６、３７は、縦横１８０ｍｍ、厚さ０．５ｍｍのＳＵＳ板に銀めっきを施して形成した。この際、反射板３５、３６、３７は、中心部を軸にした半径７０ｍｍの仮想円３９上に等間隔に３個のφ５．５ｍｍのボルト孔３８を形成した。
【００６０】
また、第１の反射板３５のボルト孔３８に外径φ７．０ｍｍ、内径５．０ｍｍ、高さ８ｍｍの円筒状のパイプ４０を配置し、さらにその上に第２の反射板３６を配置し、第２の反射板３６のボルト孔３８にパイプ４０を配置し、さらにその上に第３の反射板３７を配置して、Ｍ５×３０Ｌの反射板用ボルト４１を缶体５方向に向けて第１の反射板２５のボルト孔３８に通し、パイプ４０の内孔を介して第３の反射板３７のボルト孔３８に貫通させ、ナット４２で締め付けることにより、反射板３５、３６、３７の板面間が８ｍｍの間隔をおいて単セル１８の積層方向に対向配置となるようにした。
【００６１】
そして、上記実施形態の燃料電池モジュールを用いて、燃料電池スタック６の最下部３４の温度を測定した。
【００６２】
この際、上記実施例の燃料電池モジュールを比較するために、反射板３５、３６、３７を設置していない燃料電池モジュール１を用いて、燃料電池スタック６の最下部３４の温度を測定した。
【００６３】
下記の表は、上記燃料電池モジュールのセパレータ１７の積層数、運転条件、運転条件における燃料電池スタック６の最下部３４および最下部３４から４枚目のセパレータ１７の温度を示している。
【００６４】
【表１】
【００６５】
上記の表１から、燃料電池スタック６の最下部３４から４枚目のセパレータ１７の温度を抽出すると、反射板３５、３６、３７を設置している場合と設置していない場合、共に７６４℃および７６６℃と作動温度が変わらないことが確認できる。
【００６６】
そして、燃料電池スタック６に反射板３５、３６、３７を設置していない場合の最下部３４の作動温度を抽出すると、７０８℃とセパレータの４枚目の温度と比べて６０℃近く温度が低下していることが確認できる。これは、フランジ２４の外端面３２が、発電セル１４の発電反応によるジュール熱を、放射熱として大気に放射してしまうことに起因している。
【００６７】
一方、燃料電池スタック６に反射板３５、３６、３７を設置している場合の最下部３４の作動温度を抽出すると、７２３℃とセパレータ１７の４枚目の温度と比べて４０℃近く温度が低下しているものの、燃料電池スタック６に反射板３５、３６、３７を設置していない場合に比べ、１５℃温度が上昇していることが確認できる。これは、フランジ２４の外端面３２からの放射熱を反射板３５、３６、３７が反射することにより、フランジ２４の外端部３２がその放射熱を吸収し、フランジ２４の外端部３２の作動温度の低下を抑制していることに起因している。
【００６８】
なお、表１では、最下部３４の温度のみを表記しているが、最下部３４の結果からも、最上部３３も同様に作動温度の低下を抑制することが可能である。
【００６９】
以上の実施例から、燃料電池モジュールの缶体５と燃料電池スタック６のフランジ２３、２４の外端面３２との間に反射板３５、３６、３７を設置することにより、燃料電池スタック６の両端部３３、３４の作動温度の低下を抑制することが可能であることを実証できた。
【符号の説明】
【００７０】
１ 燃料電池モジュール
５ 缶体
６ 燃料電池スタック
１４ 発電セル
１７ セパレータ
２３ フランジ（最上部のフランジ）
２４ フランジ（最下部のフランジ）
３２ 外端面
３３ 最上部（両端部）
３４ 最下部（両端部）
３５ 第１の反射板（反射板）
３６ 第２の反射板（反射板）
３７ 第３の反射板（反射板）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
缶体の内部に、複数の発電セルとセパレータを交互に積層し、積層方向の両端部にフランジを配して構成した燃料電池スタックを配置してなる燃料電池モジュールにおいて、
上記燃料電池スタックの上記フランジの外端面と上記缶体との間に、上記外端面と板面とが対向するように、輻射率の低い複数枚の反射板が互いの板面間に間隔をおいて上記積層方向に対向配置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２】
上記反射板は、銀または銀を被覆したステンレスにより構成さ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】
上記反射板は、上記フランジの外形寸法より大きく形成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。
【請求項１】
缶体の内部に、複数の発電セルとセパレータを交互に積層し、積層方向の両端部にフランジを配して構成した燃料電池スタックを配置してなる燃料電池モジュールにおいて、
上記燃料電池スタックの上記フランジの外端面と上記缶体との間に、上記外端面と板面とが対向するように、輻射率の低い複数枚の反射板が互いの板面間に間隔をおいて上記積層方向に対向配置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２】
上記反射板は、銀または銀を被覆したステンレスにより構成さ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】
上記反射板は、上記フランジの外形寸法より大きく形成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。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１０−２３８４４１（Ｐ２０１０−２３８４４１Ａ）
【公開日】平成２２年１０月２１日（２０１０．１０．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−８３２６７（Ｐ２００９−８３２６７）
【出願日】平成２１年３月３０日（２００９．３．３０）
【出願人】（０００００６２６４）三菱マテリアル株式会社 (4,417)
【出願人】（０００１５６９３８）関西電力株式会社 (1,442)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１０月２１日（２０１０．１０．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年３月３０日（２００９．３．３０）
【出願人】（０００００６２６４）三菱マテリアル株式会社 (4,417)
【出願人】（０００１５６９３８）関西電力株式会社 (1,442)
【Ｆターム（参考）】
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