JP2003109645A - 燃料電池システム - Google Patents

燃料電池システム

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JP2003109645A
JP2003109645A JP2001303639A JP2001303639A JP2003109645A JP 2003109645 A JP2003109645 A JP 2003109645A JP 2001303639 A JP2001303639 A JP 2001303639A JP 2001303639 A JP2001303639 A JP 2001303639A JP 2003109645 A JP2003109645 A JP 2003109645A
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fuel cell
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units
cell unit
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JP2001303639A
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English (en)
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Masahiro Kuroishi
正宏 黒石
Susumu Aikawa
進 相川
Hiroaki Takeuchi
弘明 竹内
Toshiya Abe
俊哉 阿部
Satoshi Matsuoka
聡 松岡
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Toto Ltd
Original Assignee
Toto Ltd
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    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、燃料電池システムを構成するセル
をユニット化し、セル交換をモジュールの一部だけにと
どめるようにした。さらに、ユニット形状を1種あるい
は2種とするこで、準備しておく交換部品の種類を低減
した円筒型セルタイプ燃料電池システムを提供すること
を目的とする 【解決手段】 燃料電池モジュールを1種あるいは2種
のセルユニットによって構成しこのセルユニットとし部
品点数を減少させた。さらに各セルユニットを交換可能
な構成にし、一部交換することを可能にした。さらに、
各セルユニットの接続を各セルユニットからの電力取り
出し部材により構成し、さらにこの電力取り出し位置を
近接させることにより、この部材による電力のロスを少
なくする事ができるようにした。このため、部品点数が
減少し、交換の際には不良個所の部分のみを交換できる
ようになりコストを削減できる。さらに電力のロスも最
小限にとどめるようにできる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、円筒型セルタイプ
の固体酸化物形燃料電池に関する。燃料電池システムを
構成するセルを一体にせず、複数のセルユニットを用い
て構成させ、各セルユニットを共通化したことにより、
メンテ性の向上さらに、部品点数の低減を図りコストダ
ウンした燃料電池システムに関する。
【0002】
【従来の技術】燃料電池は、電解質の両側にアノードお
よびカソードを有し、アノードに燃料を、カソードに酸
化剤を供給することにより電気化学的に燃料と酸化剤を
反応させて電気エネルギーに変換する発電素子である。
また、複数の素子(セル)を電気的に接続した燃料電池
モジュールを形成することにより、発電出力の規模を大
きくすることができる。セル1つあたりの発電量はセル
サイズにもよるが数10W程度であるため、実用に供さ
れる燃料電池システムではセル総数が1000個以上に
なり、しかもこれらのセルは一体化されている。
【0003】図4において従来の燃料電池システムにつ
いて説明する。図4(b)は円筒型燃料電池セル6の断
面を示しており、円筒の外側面にアノード3を配置し、
内側面にカソード1を配置し、アノードとカソードの間
に電解質2が配置される形状のものである。また、内側
のカソードと電気的に接続されたインターコネクタ4が
一部電解質2の表面に露出している。さらに、複数のセ
ルを直列および並列に接続するために導電部材5が接続
されている。図4(a)に示すように、燃料電池モジュ
ール20は図4(b)に示したセル6を発電容量に合わ
せて直列および並列に接続している。燃料はセル6の外
側に供給され、酸化剤はセル6の内側に酸化剤供給管
(図示せず)により供給され、それぞれ発電に利用され
る。通常の燃料電池システムにあっては、燃料電池素子
1個における発電量は燃料電池素子の大きさにもよるが
数十ワット程度なので、多数の燃料電池素子を直列およ
び並列に接続してモジュールを構成し所要の出力を得
る。その際、接触抵抗を低減するために各セルは導電部
材5を介して固着されている。このため、万一セルの一
部に不具合が生じても当該セルだけを切り離すことがで
きず、全てのセルを交換することとなる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】従来、燃料電池モジュ
ールにおいてはセルは一体化して形成されているため、
運転中などに一部のセルまたはセル集合体の動作が不良
になった場合、全数のセルまたはセル集合体を交換する
必要があった。本発明は、上記課題を解決し、燃料電池
システムを構成するセルまたはセル集合体をユニット化
し、セル交換をモジュールの一部だけにとどめるように
した。さらに、ユニット形状を1種あるいは2種とする
こで、準備しておく交換部品の種類を低減した円筒型セ
ルタイプ燃料電池システムを提供することを目的とす
る。
【0005】
【課題を解決するための手段】上記課題解決するため、
第一の発明では、複数のセルを直列方向及び並列方向に
連接した複数のセル集合体と、前記セル集合体と電極等
から成るセルユニットと、前記セルユニットを複数設置
した燃料電池モジュールと、必要なガス供給手段などを
備えた燃料電池システムにおいて、前記セルユニットが
全て同一形状である、燃料電池システムを提供する。本
発明によれば、燃料電池システム全体を構成するセルを
一体化して形成することはなくなり、さらに燃料電池シ
ステムを構成するセルユニットの形状が1種と数少ない
ために部品点数を削減できコストダウンにつながる。
【0006】第二の発明では、複数のセルを直列方向及
び並列方向に連接した複数のセル集合体と、前記セル集
合体と電極等から成るセルユニットと、前記セルユニッ
トを複数設置した燃料電池モジュールと、必要なガス供
給手段などを備えた燃料電池システムにおいて、前記セ
ルユニットが1種類の形状と前記1種のセルユニットと
セルの配置が鏡像の関係にあるもう1種のセルユニット
を合わせた2種類の形状のセルユニットで構成されてい
る、燃料電池システムを提供する。本発明によれば、燃
料電池システムを構成するセルユニットのセル配置が鏡
像関係にある2種と数少なく、さらにこの2種の違いは
セルの配置のみとなっているため部品の共通化などによ
り部品点数を削減できコストダウンにつながる。
【0007】第三の発明では、第1の発明の前記セルユ
ニットが着脱可能な構造になっている燃料電池システム
を提供する。本発明によれば前記発明による効果に加
え、セルユニットが着脱可能となるため発電運転後に一
部のセルユニットのみを交換することができる。このた
め、セル全数を交換する必要がないためコストダウンが
図れる。
【0008】第四の発明では、前記1又は2の発明の前
記セルユニットからの電力の取り出しが着脱可能な導電
部材によって構成される燃料電池システムを提供する。
本発明によれば、セルユニットの交換の際にセラミック
スで構成されるセル近傍ではなく導電部材により着脱が
可能となり、交換作業中にセルを破損する危険性が低く
なり、作業効率が向上する。
【0009】第五の発明では、第1から3のいずれかの
発明の前記セルユニットからの電力の取り出し位置が近
接するように配置された燃料電池システムを提供する。
本発明によれば前記セルユニットを前記電力取り出し用
部材で接続する場合、導電部材の長さが長くなると電気
抵抗が増加し電力ロスが大きくなるが、前記電力取り出
しの位置を接続される各セルユニットで近接するように
配置すると、前記電力取り出し用部材の長さは最も短く
でき、電力ロスを少なくできる。
【0010】第六の発明では、第1から3のいずれかの
発明の前記セルユニットの断面形状が正方形である燃料
電池システムを提供する。本発明によれば、セルユニッ
トの断面形状が正方形であるため、90°回転させて配
置することが可能となり、少種類のセルユニットで多様
な規模の燃料電池システムを構成することができ、部品
点数を大幅に増加させることなく多様な発電容量のシス
テムを構築することができる。
【0011】
【発明の実施の形態】以下に図面を参照して本発明をよ
り具体的に説明する。図1は、本発明の一実施例を略示
する図であり、セルユニット10の断面図を示してい
る。図1はセル6を6直列×3並列に接続したセル集合
体7を合計2個直列に接続している。セル集合体を直列
接続する際、一直線上に並べることが考えられるが、そ
のような形状とするとモジュール断面形状が一辺の長い
長方形となり周囲からの放熱が大きくなり熱ロスが大き
くなるため、折り返し導電材を用いて直列接続を保ちつ
つ折り返して配置してセルユニットを構成する事も考え
られる。これらのセルユニット1種類のみ、あるいは断
面形状でこのセルユニットと鏡像の関係になっているも
のを合わせた2種類を並べることにより、各種発電規模
に対応したセル数のモジュールを構成することができ
る。しかもこの際に基本となるセルユニットは1種ある
いは2種のみであるため準備すべき部品点数は、各種発
電規模に対応できる割には大幅に少なくでき、コスト削
減につながる。
【0012】また、各セルユニットの周辺部に絶縁板8
(断熱材を兼用することもある)を配置することによ
り、各セルユニット間が固着するのを防ぎ、着脱可能と
なる。このようにセルユニットを着脱可能にすると、万
一セルの不具合により交換する必要が生じた場合でも、
不良セルを含むセルユニットのみを交換することが可能
になり、大幅なコストダウンになる。ここでは周囲を絶
縁板8で囲むことにより、着脱可能としたが、他の方法
で着脱可能としても良い。
【0013】さらに、各セルユニットからは電力を取り
出すために部材11が設置されるが、これを接続される
セルユニット間で着脱可能とすることにより、セラミッ
クで構成されるセルを破損する可能性を低めつつ着脱が
可能となる。この着脱可能な方法としては、ネジ止め、
溶接、嵌合などが考えられる。
【0014】また、この電力取り出し用部材11でセル
ユニットを接続する場合、この部材11を長くすると電
気抵抗が大きくなり電力をロスする量が多くなり、発電
効率を低貸せさせてしまう。このため、接続されるセル
ユニットの間で接続されるべき電力取り出し位置を近接
させるとこの部材11を極力短くでき電力ロスを少なく
できる。
【0015】さらに、このとき絶縁板を含めてセルユニ
ットの断面形状を正方形にすると、セルユニットを90
°回した形でも配置することができ、少ないセルユニッ
トの種類でも多様なモジュールを構成することができ
る。
【0016】ここで、セルユニットの具体的な配置につ
いて説明する。まず図2(a)に示すようにセル集合体
7を直列接続したセルユニット10において偶数回折り
返し導電板12を用いてセル集合体を直線状ではなく折
り返して配置したものを考える。この場合アノード、カ
ソードの最終端は断面形状の対角の位置になる。これを
図2(b)のように略図で示す。+はカソード側、−は
アノード側の電極を示している。このような形状のセル
ユニットを複数接続してモジュール全体を構成すると、
例えば図2(c)のようになる。これはセルユニットを
横に偶数個並べ、縦に2列並べている。このような配列
にすると接続されるべき各セルユニットの電力取り出し
位置が近接位置に配置でき、電力取り出し用部材11を
短くでき、電力ロスを少なくできる。また、図2(d)
のように横に奇数個セルユニットを配置すると縦の個数
は任意に設定できて同様の効果が得られる。
【0017】さらに、図3(a)に示すようにセル集合
体を直列接続したセルユニットにおいて奇数回折り返し
集電板を用いてセル集合体を直線状ではなく折り返して
配置したものを考える。この場合アノード、カソードの
最終端は断面形状の同じ面の位置になる。さらに図3
(b)のように図3(a)とはセルユニットを構成する
セルの配置が鏡像の関係にあるものも準備する。これら
を図4(a)タイプA-1、図4(b)タイプB-1のよう
に略図で示す。+はカソード側、−はアノード側の電極
を示す。図4(c)は図4(a)および図4(b)の2
つのセルユニットを用いてセルユニット数で横に2個、
縦に2個配置したものである。図4(d)はセルの配置
が図4(c)と鏡像の関係にあるものである。図4(e)
は図4(c)および図4(d)の2つの図のものを用い
てセルユニット数で横に4個、縦に4個配置した。同様
の手順でセルユニット数は増加することができる。この
ような配列にすると接続されるべき各セルユニットの電
力取り出し位置が近接位置に配置でき、電力取り出し用
部材11を短くでき、電力ロスを少なくできることが分
かる。
【0018】ここでは6直列×3並列のセル集合体を示
したが直列数や並列数は任意に設定しても同様の効果が
得られる。また、セルユニット中のセル集合体の数もこ
こに示した以外の数でも同様の効果があられることは言
うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の燃料電池の1実施例を略示する図
【図2】(a)本発明の燃料電池の別の1実施例に係る
略示する図 (b)図2(a)をさらに簡略化した図 (c)図2(b)を横に偶数個、縦に2個配列した1例
を示す図 (d)図2(b)を横に奇数個、縦に任意数配列した1
例を示す図
【図3】(a)本発明の燃料電池のさらに別の1実施例
に係る略示する図 (b)図3(a)とセル配置が鏡像の関係にある例を示
す図
【図4】(a)図3(a)をさらに簡略化した図 (b)図3(b)をさらに簡略化した図 (c)図4(a)および図4(b)をあわせて横に2
個、縦に2個配置した1例を示す図 (d)図4(a)および図4(b)をあわせて横に2
個、縦に2個配置した別の1例を示す図 (e)図4(c)および図4(d)をあわせて横に2
個、縦に2個配置した1例を示す図 すなわち図4(a)および図4(b)をあわせて横に4
個、縦に4個配置した1例を示す図
【図5】(a)従来の燃料電池の1実施例を略示する図
である。 (b)図5(a)を構成するセル部の拡大図
【符号の説明】
1:カソード 2:電解質 3:アノード 4:インターコネクター 5:導電部材 6:セル 7:セル集合体 8:絶縁体(断熱材) 9:導電材 10:セルユニット 11:導電部材 12:折り返し導電材
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 竹内 弘明 福岡県北九州市小倉北区中島2丁目1番1 号 東陶機器株式会社内 (72)発明者 阿部 俊哉 福岡県北九州市小倉北区中島2丁目1番1 号 東陶機器株式会社内 (72)発明者 松岡 聡 福岡県北九州市小倉北区中島2丁目1番1 号 東陶機器株式会社内 Fターム(参考) 5H026 AA06 CV02 CV05 CV06

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】複数のセルを直列方向及び並列方向に連接
    した複数のセル集合体と、 前記セル集合体と電極等から成るセルユニットと、 前記セルユニットを複数設置した燃料電池モジュール
    と、 必要なガス供給手段などを備えた燃料電池システムにお
    いて、 前記セルユニットが全て同一形状であることを特徴とす
    る、燃料電池システム。
  2. 【請求項2】複数のセルを直列方向及び並列方向に連接
    した複数のセル集合体と、 前記セル集合体と電極等から成るセルユニットと、 前記セルユニットを複数設置した燃料電池モジュール
    と、 必要なガス供給手段などを備えた燃料電池システムにお
    いて、 前記セルユニットが1種類の形状と前記1種のセルユニ
    ットとセルの配置が鏡像の関係にあるもう1種のセルユ
    ニットを合わせた2種類の形状のセルユニットで構成さ
    れていることを特徴とする、燃料電池システム。
  3. 【請求項3】前記セルユニットが着脱可能な構造になっ
    ていることを特徴とする、請求項1または2に記載の燃
    料電池システム。
  4. 【請求項4】前記セルユニットからの電力の取り出しが
    着脱可能な導電部材によって構成されることを特徴とす
    る、請求項1から3いずれか一項に記載の燃料電池シス
    テム。
  5. 【請求項5】前記セルユニットからの電力の取り出し位
    置が近接するように配置されたことを特徴とする、請求
    項1から4いずれか一項に記載の燃料電池システム。
  6. 【請求項6】前記セルユニットの横断面の形状が正方形
    であることを特徴とする、請求項1から5いずれか一項
    に記載の燃料電池システム。
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