燃料电池模块的制作方法

本发明涉及一种包括燃料电池堆的燃料电池模块，该燃料电池堆设置有用于通过可燃气体和含氧气体的电化学反应而产生电能的多个燃料电池。

背景技术：

一般而言，固体氧化物燃料电池(SOFC)应用固体电解质。该固体电解质为氧离子导体，例如稳定的二氧化锆。该固体电解质插入阳极和阴极之间以形成电解质电极组件(MEA)。该电解质电极组件被夹在分离器(双极板)之间。在使用中，一般地，预定数量的电解质电极组件和分离器堆叠在一起以形成燃料电池堆。

与其他类型的燃料电池相比，固体氧化物燃料电池的操作温度相对较高。因此，需要将固体氧化物燃料电池维持在高温(适当的操作温度)下。为此，目前已提出各种建议。

例如，已知日本专利申请公开JP2002-280053公开了一种燃料电池发电系统。在该燃料电池发电系统中，每一个都具有带有底部的圆柱形形状的多个固体氧化物燃料电池被置于发电反应室中。由分隔壁划分的废气室形成在发电反应室的上部位置处，并且可燃气体室形成在发电反应室的下部中间位置处。在发电反应室的下部位置处，表面燃烧喷燃器围绕可燃气体室设置。绝热层围绕发电反应室、废气室和可燃气体室。进一步地，模块容器围绕绝热层设置。

进一步地，已知日本专利申请公开JP2013-131329公开了一种燃料电池装置。该燃料电池装置具有发电室，该发电室包括容纳在壳体内部中心处的燃料电池堆。发电室由高度绝热层隔开，并且废气通道设置在绝热层的外部，以将在发电室内产生的废气排到外部。进一步地，阴极气体通道设置在废气通道外部，以将阴极气体供给至燃料电池堆的阴极。

技术实现要素：

在日本专利申请公开JP2002-280053中，通过操作设置在发电反应室的下部位置处的表面燃烧喷燃器来实施燃烧。因此，发电反应室内的燃料电池由辐射热加热。然而，由于燃料电池仅仅由来自下部位置的辐射热加热，因此不可能在垂直方向上均匀地加热整个燃料电池。

进一步地，在日本专利申请公开JP2013-131329中，绝热层、废气通道和阴极气体通道围绕位于中心处的发电室设置在壳体内。因此，壳体整体上具有相当大的直径，并且不可能均匀地加热设置在发电室内的整个燃料电池堆。

本发明的主要目标是提供一种具有紧凑且简单的结构的燃料电池模块。

本发明的另一个目标是提供一种其中可以均匀地加热整个燃料电池堆的燃料电池模块。

根据本发明的燃料电池模块包括燃料电池堆和燃烧器。燃料电池堆包括多个燃料电池，该多个燃料电池被构造为通过可燃气体和含氧气体的电化学反应而产生电能。燃烧器设置在燃料电池堆的下端，并且被构造为产生燃烧气体以加热燃料电池堆。

燃料电池模块包括与燃烧器连接并且沿燃料电池堆的侧面向上延伸的通道构件。通道构件包括燃烧气体通道和燃烧气体喷射孔，该燃烧气体通道被构造为允许在燃烧器中产生的燃烧气体向上流动，该燃烧气体喷射孔与燃烧气体通道连接，并且被构造为朝向燃料电池堆的侧面释放燃烧气体。

进一步地，优选地，燃料电池堆为包括沿垂直方向堆叠的平面型燃料电池的平板堆叠型燃料电池。在该情况下，优选地，被构造为固定燃料电池的端板分别设置在燃料电池堆的上端和下端，并且上燃烧气体喷射端口设置在通道构件的上部位置处，并且被构造为朝向燃料电池堆上方的区域释放燃烧气体。

设置在燃料电池堆的下端的端板由来自燃烧室的燃烧热加热，并且设置在燃料电池堆的上端的端板由从上燃烧气体喷射端口喷射的燃烧气体加热。尽管通常燃料电池在所述端板(在两端)附近处的温度趋向于变低，但是在本发明中燃料电池温度的过度降低不会发生。因此，可以保持燃料电池的所需的发电性能。

进一步地，燃料电池模块优选地包括至少容纳燃料电池堆、燃烧器和通道构件的壳体，并且所述壳体包括密封地封闭的上端。在该结构中，可以可靠地将释放进所述壳体中的燃烧气体供给至燃料电池堆上方的区域，并且可以有效地利用燃烧气体的燃烧热。

进一步地，在壳体中，优选地，所述壳体包括燃烧气体排放端口，该燃烧气体排放端口被构造为将从通道构件释放的燃烧气体排放到壳体外部，并且燃烧气体排放端口设置在壳体的下部位置处。在该结构中，可以延长燃烧气体呆在壳体内的时间，并且可以可靠地加热燃料电池堆。

进一步地，优选地，所述壳体包括多个面板。在多个面板中，一个面板包括被构造为将含氧气体从壳体外部引入壳体内部的含氧气体引入端口。与所述一个面板相反定位的另一个面板包括被构造为将含氧气体供给至燃料电池堆的含氧气体供给端口。

在该结构中，优选地，含氧气体供给通道形成在多个面板内部，该含氧气体供给通道被构造为将通过含氧气体引入端口引入的含氧气体从含氧气体供给端口供给至燃料电池堆，并且被构造为从燃烧气体接收热量以加热含氧气体。

在该结构中，含氧气体供给通道的流场变长，并且可以通过与燃烧气体的热交换可靠地加热含氧气体。进一步地，不需要专门的换热器来加热含氧气体。进一步地，可以适当地抑制来自燃料电池模块的热辐射。

进一步地，优选地，从燃料电池堆排放的可燃废气和含氧废气被供给至燃烧器。在该结构中，燃烧器可以同时具有作为启动燃烧器的功能和在稳定操作期间作为废气燃烧器的功能。

此外，优选地，燃烧器包括燃烧室，并且燃烧室的两端均是敞开的。在该结构中，优选地，通道构件包括中空的矩形的第一壳体构件和中空的矩形的第二壳体构件。第一壳体构件连接至燃烧室的一端并且沿燃料电池堆的一个侧面向上延伸。第二壳体构件连接至燃烧室的另一端并且沿燃料电池堆的另一侧面向上延伸。

因此，由燃烧器产生的燃烧气体可以有效地用作热源以加热燃料电池堆，并且可以迅速地启动燃料电池堆的操作。

进一步地，优选地，转化器设置在燃烧器的底部，并且被构造为转化主要含有碳氢化合物的原燃料以产生供给至燃料电池堆的可燃气体。在该结构中，转化器可以容易地被来自燃烧器的热量加热，并且实现了热效率的提高。

在本发明中，燃料电池堆被来自燃烧器的热量从下端至上端地加热，并且燃料电池堆被从燃烧气体喷射孔释放的燃烧气体从侧面加热。因此，燃料电池堆从其下端和侧面被加热。因此，通过紧凑且简单的结构，可以均匀且迅速地加热整个燃料电池堆。

通过下面的结合附图的描述，本发明的上述和其它目的、特征和优点将变得更明显，在所述附图中，本发明的优选实施例通过说明性的示例示出。

附图说明

图1是示意性地示出根据本发明的实施例的燃料电池模块的透视图；

图2是示出燃料电池模块的主要部件的分解透视图；

图3是示出沿图1的线III-III截取的燃料电池模块的截面图；

图4是沿图1的线IV-IV截取的截面图；和

图5是示出燃料电池模块的主要部件的分解透视图。

具体实施方式

根据图1和2所示的本发明的实施例的燃料电池模块10用于各种应用，包括静止的和移动的应用。例如，燃料电池模块10安置在车辆上。燃料电池模块10包括燃料电池堆12、燃烧器14、燃烧气体通道构件16和转化器18以及容纳燃料电池堆12、燃烧器14、燃烧气体通道构件16和转化器18的壳体20。尽管燃料电池堆12在图示的实施例中具有矩形形状，但该燃料电池堆12可具有方形形状。

如图3和4所示，燃料电池堆12包括多个燃料电池22，用于通过可燃气体(氢气与甲烷和一氧化碳的混合气体)与含氧气体(空气)的电化学反应而产生电能。每个燃料电池22为平板型固体氧化物燃料电池。燃料电池22沿箭头A示出的垂直方向堆叠在一起，以形成平板堆叠型燃料电池堆。

燃料电池22包括电解质电极组件(MEA)。电解质电极组件包括阴极、阳极和插入阴极与阳极之间的电解质。例如，电解质为诸如稳定二氧化锆的氧化物离子导体。阴极分离器和阳极分离器设置在电解质电极组件的两个表面上。用于将含氧气体供给至阴极的含氧气体流场形成在阴极分离器中，并且用于将可燃气体供给至阳极的可燃气体流场形成在阳极分离器中。

燃料电池堆12在两端(即沿燃料电池22的堆叠方向的上端和下端)包括上端板24u和下端板24d。上端板24u和下端板24d以将燃料电池22固定在一起的方式沿堆叠方向挤压燃料电池22。

如图4所示，下端板24d具有将含氧气体供给至燃料电池22中的每一个的含氧气体进气端口26和将可燃气体供给至燃料电池22中的每一个的可燃气体进气端口28。

下端板24d具有用于排放供给至阴极并且在阴极处部分地消耗的含氧气体(下文中也被称为含氧废气)或用于排放在启动燃料电池堆12的操作之前已经流过阴极的含氧气体的含氧气体出气端口30。进一步地，下端板24d还具有用于排放供给至阳极并且部分地在阳极处消耗的可燃气体(下文中也称为可燃废气)或用于排放在启动燃料电池堆12的操作之前已经流过阳极的可燃气体的可燃气体出气端口32。

含氧气体供给构件(含氧气体供给端口)34的一端(出口)连接至含氧气体进气端口26，并且含氧气体供给构件34的另一端(入口)连接至壳体20，如下所述。转化气体供给管36的一端(出口)连接至可燃气体进气端口28，并且转化气体供给管36的另一端(入口)连接至转化器18的出口，如下所述。

含氧气体排放构件38的一端连接至含氧气体出气端口30，并且含氧气体排放构件38的另一端连接至燃烧器14。可燃气体排放管40的一端连接至可燃气体出气端口32，并且可燃气体排放管40的另一端连接至燃烧器14。

燃烧器14设置在燃料电池堆12的下端(下表面)处，并且包括在由箭头B指示的水平方向上沿下端延伸的燃烧器壳体42。燃烧室44形成在燃烧器壳体42中。如图5所示，燃烧室44的端部44a、44b沿箭头B的方向是敞开的。在燃烧室44中，含氧气体壳体46和可燃气体壳体48沿箭头B指示的方向设置在中心。含氧气体壳体46和可燃气体壳体48沿箭头A指示的垂直方向堆叠。

如图4和5所示，设置在可燃气体壳体48下面的含氧气体壳体46的一端突出至燃烧器壳体42的外部。含氧气体排放构件38的另一端连接至含氧气体壳体46的一端。含氧气体壳体46沿箭头C指示的燃料电池堆12的纵向方向(沿垂直于箭头B指示的方向的水平方向)延伸，并且多个孔50a、50b形成在含氧气体壳体46的两个细长的侧面(两个垂直表面)中。孔50a、50b通至燃烧室44。

设置在含氧气体壳体46上侧的可燃气体壳体48为薄板的形式。可燃气体壳体48比含氧气体壳体46小。可燃气体排放管40的另一端连接至含氧气体壳体46的上表面的大致中心位置。多个孔52a、52b形成在可燃气体壳体48的两个细长的侧面(两个垂直表面)中。孔52a、52b通至燃烧室44。

如图2和3所示，燃烧气体通道构件16沿燃料电池堆12的长边的侧面12a、12b向上延伸。燃烧气体通道构件16包括中空的矩形的第一壳体构件54a和中空的矩形的第二壳体构件54b。第一壳体构件54a的上端和第二壳体构件54b的上端位于燃料电池堆12的上端上方(参见图3)。

如图3和5所示，开口56a形成在第一壳体构件54a的下部位置处。开口56a连接至燃烧器壳体42的一端44a。开口56a形成在第一壳体构件54a中。开口56a连接至燃烧气体通道58a，以允许燃烧气体向上流动。

多个燃烧气体喷射孔60a设置为在第一壳体构件54a的大致中心高度位置之上的多个垂直列。燃烧气体朝向燃料电池堆12的一个侧面被释放流过燃烧气体喷射孔60a。上燃烧气体喷射端口62a形成在第一壳体构件54a的上部位置处。燃烧气体朝向燃料电池堆12上方的区域被释放流过上燃烧气体喷射端口62a。上燃烧气体喷射端口62a具有横向的细长狭缝形状，并且通至燃料电池堆12的上表面上方的位置(参见图3和4)。

如图5所示，开口56b形成在第二壳体构件54b的下部位置处。开口56b连接至燃烧器壳体42的另一端44b。开口56b形成在第二壳体构件54b中。开口56b连接至燃烧气体通道58b，以允许燃烧气体向上流动。

多个燃烧气体喷射孔60b设置为在第二壳体构件54b的大致中心高度的位置上方的多个垂直列。燃烧气体朝向燃料电池堆12的另一侧面12b被释放流过燃烧气体喷射孔60b。上燃烧气体喷射端口62b形成在第二壳体构件54b的上部位置处。燃烧气体朝向燃料电池堆12上方的区域被释放流过上燃烧气体喷射端口62b。上燃烧气体喷射端口62b具有横向的细长狭缝形状，并且通至燃料电池堆12的上表面上方的位置。

转化器18转化主要包含碳氢化合物的原燃料(例如，通过水蒸气转化而转化城市燃气和水蒸气的混合气体)，以产生供给至燃料电池堆12的可燃气体。原燃料供给管64的一端连接至转化器18的入口，并且原燃料供给管64的另一端连接至原燃料供给源(未示出)。转化气体供给管36的另一端连接至转化器18的出口。

如图2所示，壳体20包括多个(例如6个)面板66a至66f。面板66a至66f结合在一起，并且采用多个螺钉70固定于底板68上。燃烧器14、燃烧气体通道构件16和转化器18置于壳体20内。进一步地，燃烧气体室72形成在壳体20中。燃烧气体充满燃烧气体室72。燃烧气体室72通过设置在面板66a的下部位置(下端或邻近下端的位置)的燃烧气体排放端口74而通至外部，以将燃烧气体排放至壳体20外部。壳体20的至少上端(面板66e)是密封封闭的。

如图3和4所示，面板66a至66f中的每一个均具有中空的结构，并且含氧气体供给通道76形成在面板66a至66f中，在含氧气体被供给至燃料电池堆12之前作为含氧气体的通道。面板66a(一个面板)具有含氧气体引入端口78，用于将含氧气体从壳体20的外部引入壳体20的内部。面板66a的下部局部扩大成环形形状，以形成呈双管的含氧气体引入端口78。燃烧气体排放端口74形成在双管的内部，以将壳体20暴露于外部。沿垂直方向延伸的含氧气体供给管80连接至含氧气体引入端口78。

含氧气体供给端口82设置在与面板66a相反定位的另一面板66c中，以将含氧气体供给至燃料电池堆12。在含氧气体流进含氧气体引入端口78之后，含氧气体被从含氧气体供给端口82通过含氧气体供给通道76供给至燃料电池堆12。进一步地，含氧气体供给通道76具有换热器的功能，以从燃烧气体接收热量来加热含氧气体。含氧气体供给构件34的另一端连接至含氧气体供给端口82。

下文将描述具有上述结构的燃料电池模块10的操作。

如图1和4所示，当燃料电池模块10启动操作时，从含氧气体供给管80引入含氧气体引入端口78的空气被供给至由壳体20的双管结构形成的含氧气体供给通道76中。如图4所示，在空气沿着含氧气体供给通道76流动之后，含氧气体从含氧气体供给端口82流过含氧气体供给构件34，并且然后，含氧气体被供给至下端板24d的含氧气体进气端口26中。

空气流进各个燃料电池22中。空气从含氧气体出气端口30流过含氧气体排放构件38，并且流入燃烧器14的含氧气体壳体46中。进一步地，空气流过孔50a和孔50b，并且然后，空气被供给至燃烧器壳体42的燃烧室44。

同时，诸如城市燃气(包括CH₄、C₂H₆、C₃H₈、C₄H₁₀)的原燃料被从原燃料供给管64供给至转化器18。原燃料可以包含水(水蒸气)，用于转化反应。原燃料流过转化气体供给管36，并且原燃料被供给至下端板24d的可燃气体进气端口28。

原燃料流入各个燃料电池22内。原燃料从可燃气体出气端口32流过可燃气体排放管40，并且流入燃烧器14的可燃气体壳体48中。进一步地，原燃料流过孔52a和孔52b，并且然后，原燃料被供给至燃烧器壳体42的燃烧室44中。

因此，如图5所示，空气和原燃料混合地出现在燃烧室44内。通过打开点火塞(glow plug，未示出)等，点火发生，并且燃烧开始。由燃烧产生的燃烧气体从燃烧室44两侧上的端部44a、44b流入第一壳体构件54a的燃烧气体通道58a和第二壳体构件54b的燃烧气体通道58b。

燃烧气体沿着燃烧气体通道58a、58b向上流动，并且燃烧气体从燃烧气体喷射孔60a和燃烧气体喷射孔60b朝向燃料电池堆12的侧面12a、12b被部分释放。剩余的燃烧气体从连接至燃烧器通道58a、58b的上部位置的上燃烧气体喷射端口62a、62b朝向燃料电池堆12上方的区域被释放。因此，燃料电池堆12从侧面12a、12b及上侧被加热。

燃烧器14设置在燃料电池堆12的下方。因此，通过来自燃烧器14的热辐射，燃料电池堆12从下侧被加热。进一步地，由于壳体20内的燃烧气体室72充满燃烧气体，因此在围绕燃烧气体室72的含氧气体供给通道76中，含氧气体被燃烧气体加热。

充满燃烧气体室72的燃烧气体从形成在面板66a的下部位置处的燃烧气体排放端口74被排放至外部，并且加热从含氧气体供给管80供给至含氧气体引入端口78的空气。

进一步地，转化器18设置在燃烧器14的下部位置，并且转化器18由来自燃烧器14的辐射热和燃烧气体室72的燃烧气体加热。因此，通过供给至转化器18的原燃料的转化反应(例如水蒸气转化反应)，C₂₊的碳氢化合物被去除(转化)，并且获得主要包含甲烷的转化气体(可燃气体)。

转化气体被供给至各个燃料电池22的可燃气体通道。空气被供给至各个燃料电池22的含氧气体通道。如上所述，转化气体和空气由燃烧气体加热，并且直接加热各个燃料电池22。

当燃料电池堆12被加热至适合操作的温度(产生电力的温度)时，燃料电池堆12开始产生电力(发电)。即，在每个燃料电池22中，通过转化气体和空气的化学反应实施发电。如图4所示，通过发电反应，空气作为含氧废气从燃料电池堆12被排出。含氧废气从含氧气体出气端口30流动至含氧气体排放构件38，并且流入燃烧器14的含氧气体壳体46中。进一步地，含氧废气流过孔50a和孔50b，并且含氧废气被供给至燃烧器壳体42的燃烧室44。

可燃气体作为可燃废气从燃料电池堆12被排出。可燃废气从可燃气体出气端口32流过可燃气体排放管40，并且可燃废气流入燃烧器14的可燃气体壳体48中。进一步地，可燃废气流过孔52a和孔52b，并且可燃废气被供给至燃烧器壳体42的燃烧室44。

因此，在燃烧室44中，可燃废气和含氧废气混合在一起，并且燃烧以产生燃烧废气。该燃烧废气流入第一壳体构件54a的燃烧气体通道58a和第二壳体构件54b的燃烧气体通道58b中。

在本发明的实施例中，燃料电池模块10具有燃烧气体通道构件16。燃烧气体通道构件16连接至燃烧器14，并且沿着位于燃料电池堆12的长边上的侧面12a、12b向上延伸。燃烧气体通道构件16具有燃烧气体通道58a、58b和燃烧气体喷射孔60a、60b。产生在燃烧器14中的燃烧气体向上流过燃烧气体通道58a、58b。燃烧气体喷射孔60a、60b连接至燃烧气体通道58a、58b，并且朝向燃料电池堆12的侧面12a、12b释放燃烧气体。

在该结构中，借助来自燃烧器14的热量，燃料电池堆12被从下端至上端地加热，并且借助从燃烧气体喷射孔60a、60b释放的燃烧气体，燃料电池堆12从侧面12a、12b被加热。因此，燃料电池堆12从其下端和侧面12a、12b被加热。因此，通过紧凑且简单的结构，可以均匀且迅速地加热整个燃料电池堆12。

进一步地，燃料电池堆12为通过沿垂直方向堆叠多个平板型燃料电池22而形成的平板堆叠型燃料电池堆。在这点上，上端板24u和下端板24d设置在燃料电池堆12的上端和下端以固定燃料电池22。进一步地，上燃烧气体喷射端口62a、62b设置在燃烧气体通道构件16的上部位置处，以朝向燃料电池堆12上方的区域释放燃烧气体。

设置在燃料电池堆12的下端处的下端板24d由来自燃烧器14的燃烧热加热。设置在燃料电池堆12的上端处的上端板24u由从上燃烧气体喷射端口62a、62b喷射的燃烧气体加热。因此，尽管燃料电池22在上端板24u和下端板24d处的温度趋向于变低，但燃料电池22的温度的过度下降不会发生。因此，可以维持燃料电池22的需要的发电性能。

进一步地，燃料电池模块10包括至少容纳燃料电池堆12、燃烧器14和燃烧气体通道构件16的壳体20。壳体20的上端是密封封闭的。在该结构中，可以可靠地将释放进壳体20中的燃烧气体供给至燃料电池堆12的上部位置，并且可以有效地利用燃烧气体的燃烧热。

此外，如图4所示，壳体20具有燃烧气体排放端口74，以将从燃烧气体通道构件16释放的燃烧气体排放至壳体20外部。燃烧气体排放端口74设置在壳体20的下部位置。因此，可以延长燃烧气体呆在壳体20内的时间，并且可以可靠地加热燃料电池堆12。燃烧气体排放端口74可设置在壳体20的下端，或设置在与下端向上间隔预定距离的位置处。

进一步地，壳体20包括多个(例如6个)面板66a至66f。关于这一点，面板66a(一个面板)具有含氧气体引入端口78，以将含氧气体从壳体20外部引入壳体20内部。与面板66a相反定位的另一面板66c具有含氧气体供给端口82，以将含氧气体供给至燃料电池堆12。

如图3和4所示，面板66a至66f中的每一个均具有中空形状，并且含氧气体供给通道76形成在面板66a至66f中。因此，在含氧气体流入含氧气体引入端口78之后，通过含氧气体供给通道76，含氧气体从含氧气体供给端口82被供给至燃料电池堆12。进一步地，含氧气体供给通道76从燃烧气体中接收热量以加热含氧气体。

因此，含氧气体供给通道76的流场变长，并且可以通过与燃烧气体的换热器可靠地加热含氧气体。进一步地，不需要专门的换热器来加热含氧气体。此外，可以适当地抑制来自燃料电池模块10的热辐射。

进一步地，从燃料电池堆12排出的可燃废气和含氧废气被供给至燃烧器14。在该结构中，燃烧器14可以同时具有作为启动燃烧器的功能和在稳定操作期间作为废气(off gas)燃烧器的功能。

此外，燃烧器14具有燃烧室44，该燃烧室44具有如图3和5所示敞开的两个端部44a、44b。关于这一点，燃烧气体通道构件16包括中空的矩形的第一壳体构件54a和中空的矩形的第二壳体构件54b。该第一壳体构件54a连接至燃烧室44的一个端部44a，并且沿着燃料电池堆12的一个侧面12a向上延伸。第二壳体构件54b连接至燃烧室44的另一端部44b，并且沿着燃料电池堆12的另一个侧面12b向上延伸。

因此，由燃烧器14产生的燃烧气体可以有效地被用作加热燃料电池堆12的热源，并且可以迅速地启动燃料电池堆12的操作。

进一步地，转化器18设置在燃烧器14的底部，以转化主要包含碳氢化合物的原燃料并且产生供给至燃料电池堆12的可燃气体。在该结构中，转化器18可以容易地由来自燃烧器14的热量加热，并且实现热效率的提高。

虽然已经参照优选实施例特别示出和描述了本发明，但是应理解的是，在不背离由附属的权利要求限定的本发明的范围的情况下，本领域技术人员可以对所述实施例作出修改和变形。