JP2005216620A - 燃料電池 - Google Patents

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Abstract

【課題】マニホールドの加工を容易、安価かつ短時間に行うことができる燃料電池を提供する。
【解決手段】複数の固体電解質型燃料電池セル2の一端部をマニホールド50にそれぞれ固定してなるとともに、マニホールド内のガスが燃料電池セル2内を通過する燃料電池であって、複数の燃料電池セル2の一端部が、それぞれマニホールド50の天板に形成された複数条のスリット53に収容された状態で、シール材によりガスシールされている。
【選択図】図3

Description

本発明は、燃料電池セルへのガス供給が簡単な燃料電池に関するものである。
次世代エネルギーとして、近年、固体電解質型燃料電池セルを収納容器内に複数収容した燃料電池が種々提案されている。固体電解質型燃料電池セルは、例えば、酸素側電極の表面に固体電解質、燃料側電極を順次形成して構成されており、燃料側電極側に燃料(水素)を流し、酸素側電極側に空気(酸素)を流して1000℃程度で発電される。
従来、固体電解質型燃料電池セルの一端部を、マニホールドの天板に形成されたセル形状の収容凹部に収納し、シール材によりガスシールした燃料電池が知られている(特許文献1参照)。また、固体電解質型燃料電池セルの一端部を、支持板に形成されたセル形状の収容凹部に収納し、この支持板をマニホールドの天板に固定した燃料電池も知られている(特許文献2参照)。
特開2003−282107号公報 特開2003−282132号公報
しかしながら、上記特許文献1,2に記載された燃料電池では、マニホールドの天板や、支持板にセル形状の収容凹部を形成する必要があり、セル形状の収容凹部を形成するのにNC旋盤等を用いる必要があり、加工が複雑であり、加工費用も高く、加工時間も長くなるという問題があった。
本発明は、マニホールドの加工を容易、安価かつ短時間に行うことができる燃料電池を提供することを目的とする。
本発明の燃料電池は、複数の固体電解質型燃料電池セルの一端部を管状のマニホールドにそれぞれ固定してなるとともに、前記マニホールド内のガスが前記燃料電池セル内を通過する燃料電池であって、前記複数の燃料電池セルの一端部が、それぞれ前記マニホールドの天板に形成された複数条のスリットに収容された状態で、シール材によりガスシールされていることを特徴とする。
このような燃料電池では、マニホールドの天板に形成された複数条のスリットは、従来のようにNC旋盤のような装置を用いることなく、例えばワイヤー加工で形成でき、容易に、安価かつ短時間で複数条のスリットを形成できる。
また、本発明の燃料電池は、マニホールドは、下面が開口した箱状の天板と、上面が開口した箱状のマニホールド本体とを、前記天板と前記マニホールド本体の開口側を当接して固定してなることを特徴とする。これにより、容易、安価に短時間でマニホールドを形成できる。
また、本発明の燃料電池は、マニホールドは管状体の両端開口部を閉塞してなるとともに、該閉塞部にガス導入路が接続され、天板が前記管状体の側面に位置することを特徴とする。このような燃料電池では、市販の例えば、四角筒状、円筒状の管状体を用いて、マニホールドを容易、安価かつ短時間で作製できるとともに、マニホールドに燃料電池セルを容易に固定できる。
また、本発明の燃料電池は、複数の固体電解質型燃料電池セルの一端部をセル支持板にそれぞれ支持固定し、該セル支持板をマニホールドの天板に固定してなるとともに、前記マニホールド内のガスが前記燃料電池セル内を通過する燃料電池であって、前記複数の燃料電池セルの一端部が、それぞれ前記セル支持板に形成された複数条の凹溝に収容された状態で、シール材によりガスシールされているとともに、前記凹溝に形成された貫通孔と、前記マニホールドの天板に形成された貫通孔が連通していることを特徴とする。このような燃料電池では、例えばワイヤー加工でセル支持板に凹溝加工でき、容易に、安価かつ短時間で複数条の凹溝を形成できる。
さらに、本発明の燃料電池は、燃料電池セルは中空平板状であることが望ましい。さらに、複数条のスリット又は凹溝を構成する側壁には、燃料電池セルの平板状の側面が対向していることが望ましい。
このような燃料電池では、燃料電池セルを凹溝の開口する側から挿入して固定することもできる。また、燃料電池セルは、凹溝内に収容されるため、その凹溝内の所定位置にセルを立設、固定できる。
また、本発明の燃料電池は、複数条のスリット又は凹溝はワイヤー加工で形成されることを特徴とする。このような燃料電池では、スリット又は凹溝を容易に、安価かつ短時間で形成できる。
本発明の燃料電池は、複数の燃料電池セルの一端部が、それぞれマニホールドの天板に形成された複数条のスリットに収容された状態で、シール材によりガスシールされているため、マニホールドの天板に形成された複数条のスリットを、従来のようにNC旋盤のような装置を用いることなく、例えばワイヤー加工で形成でき、容易に、安価かつ短時間で複数条のスリットを形成でき、コスト低減が可能な燃料電池を容易に得ることができる。
図1は、本発明の燃料電池を示すもので、符号1は断熱構造を有する収納容器(ハウジング)を示している。この収納容器1の内部には、複数の燃料電池セル2が縦列配列して集合した複数のセルスタック3と、セルスタック3の上方に存在する燃焼領域4を挿通し、セルスタック3間に配設された酸素含有ガス供給管5と、燃焼領域4の上方に設けられた改質器6と、この改質器6の上方に設けられた熱交換部7とから構成されている。尚、酸素含有ガス供給管5は、理解を容易にするため、破線で記載した。
収納容器1は、耐熱性金属からなる枠体1aと、枠体1a内面に設けられた断熱材1bとから構成されている。
セルスタック3は、例えば、図2に示すように、複数の燃料電池セル2を整列して構成され、3つのセルスタック3は3列に整列され、隣設した2列のセルスタック3最外部の燃料電池セル2の電極同士が導電部材42で接続され、これにより3列に整列した複数の燃料電池セル2が電気的に直列に接続している。3つのセルスタック3はそれぞれ燃料ガスマニホールド50を有している。
具体的に説明すると、燃料電池セル2は扁平状(細長板状)であり、その内部には複数の燃料ガス通過孔8が軸長方向に形成されている。この燃料電池セル2は中空平板型であり、楕円柱状(扁平状)の電極支持体2aの外面に、燃料側電極(内側電極)2b、緻密質な固体電解質2c、多孔質な導電性セラミックスからなる酸素側電極2dを順次積層し、酸素側電極2dと反対側の電極支持体2aの外面にインターコネクタ2eを形成して構成されている。
一方の燃料電池セル2と他方の燃料電池セル2との間には集電部材9を介在させ、一方の燃料電池セル2の電極支持体2aを、該電極支持体2aに設けられたインターコネクタ2e、集電部材9を介して他方の燃料電池セル2の酸素側電極2dに電気的に接続して、セルスタック3が構成されている。集電部材9は、金属及び/又は導電性の無機材質からなる板状及び/又はフェルト状とされている。
燃料電池セル2をさらに詳細に説明すると、電極支持体2aは上下方向に細長く延びる板状片であり、平坦な両面と半円形状の両側面を有する。電極支持体2aにはこれを鉛直方向に貫通する複数個(図2では6個、図3の場合は4個で記載)の燃料ガス通過孔8が形成されている。
インターコネクタ2eは電極支持体2aの片面(図2の左側のセルスタック3において上面)上に配設されている。燃料側電極2bは電極支持体2aの他面(図2の左側のセルスタック3において下面)及び両側面に配設されており、その両端はインターコネクタ2eの両端に接合せしめられている。固体電解質2cは燃料側電極2bの全体を覆うように配設され、その両端はインターコネクタ2eの両端に接合せしめられている。酸素側電極2dは、固体電解質2cの主部上、即ち電極支持体2aの他面を覆う部分上に配置され、電極支持体2aを挟んでインターコネクタ2eに対向して位置せしめられている。
セルスタック3における隣接するセル2間には集電部材9が配設されており、一方のセル2のインターコネクタ2eと他方のセル2の酸素側電極2dとを接続している。セルスタック3の両端、即ち図2において上端及び下端に位置するセル2の片面及び他面にも集電部材42が配設されている。セルスタック3の両端に位置する集電部材42には電力取出手段(図示していない)が接続されている。
セル2について更に詳述すると、電極支持体2aは燃料ガスを燃料側電極2bまで透過させるためにガス透過性であること、そしてまたインターコネクタ2eを介して集電するために導電性であることが要求され、かかる要求を満足する多孔質の導電性セラミック(若しくはサーメット)から形成することができる。
燃料側電極2b及び/又は固体電解質2cとの同時焼成により電極支持体2aを製造するためには、鉄属金属成分と特定希土類酸化物とから電極支持体2aを形成することが好ましい。所要ガス透過性を備えるために開気孔率が30%以上、特に35乃至50%の範囲にあるのが好適であり、そしてまたその導電率は300S/cm以上、特に440C/cm以上であるのが好ましい。
特に電極支持体2aは、Y、Lu、Yb、Tm、Er、Ho、Dy、Gd、Sm及びPrから選ばれた1種以上からなる希土類元素酸化物と、Ni及び/又はNiOとを主成分とすることが望ましい。このような組成とすることにより、固体電解質の熱膨張係数に近づけることができる。
燃料側電極2bは多孔質の導電性セラミック、例えば希土類元素が固溶しているZrO(安定化ジルコニアを称されている)とNi及び/又はNiOとから形成することができる。
固体電解質2cは、電極間の電子の橋渡しをする電解質としての機能を有していると同時に、燃料ガスと酸素含有ガスとのリークを防止するためにガス遮断性を有するものであることが必要であり、通常、3〜15モル%の希土類元素が固溶したZrOから形成されている。
酸素側電極2dは所謂ABO型のペロブスカイト型酸化物からなる導電セラミックから形成することができる。酸素側電極2dはガス透過性を有していることが必要であり、開気孔率が20%以上、特に30〜50%の範囲にあることが好ましい。
インターコネクタ2eは導電性セラミックから形成することができるが、水素ガスでよい燃料ガス及び空気でよい酸素含有ガスと接触するため、耐還元性及び耐酸化性を有することが必要であり、このためにランタンクロマイト系のペロブスカイト型酸化物(LaCrO系酸化物)が好適に使用される。インターコネクト2eは電極支持体2aに形成された燃料ガス通過孔8を通る燃料ガス及び電極支持体2aの外側を流動する酸素含有ガスのリークを防止するために緻密質でなければならず、93%以上、特に95%以上の相対密度を有していることが望まれる。
集電部材9は、弾性を有する金属又は合金若しくは導電性セラミックから形成された適宜の形状の部材、或いは金属繊維又は合金繊維から成るフェルトに、所要表面処理を加えた部材から構成することができる。
そして、複数の燃料電池セル2の下端部は、図1、3、4に示すように燃料ガスマニホールド50に支持固定されている。即ち、燃料ガスマニホールド50の天板が、燃料電池セル2の下端部を保持固定するセル支持板50aとされ、セル支持板50aがマニホールド本体50bに接合され、このセル支持板50aに燃料電池セル2の下端部が支持固定されている。このセル支持板(天板)50aは下面が開口する矩形箱状であり、幅方向に複数条のスリット53が所定間隔を置いて平行に形成され、これらのスリット53内に複数の燃料電池セル2の下端部がそれぞれ収容された状態で、シール材55によりガスシールされている。セル支持板50aは、図3(b)に示すように、燃料電池セル2の幅方向端部が、スリット53により露出した幅方向端部(スリット底面50a2)に載置されるような寸法とされ、燃料電池セル2の幅方向端が、セル支持板50aから突出しないように構成されている。また、燃料電池セル2の平坦な側面は、スリット53の側面50a1と所定間隔を置いて離間している。セル支持板50aと、開口するマニホールド本体50bの開口部にシール材55を介して接合されている。
即ち、図3、4に示すように、複数条のスリット53が形成された支持板50aに、燃料電池セル2を、複数条のスリット53の側面50a1に燃料電池セル2の平板状の側面が対向するように挿入され、接合されている。挿入する際は燃料電池セル2の挿入する側の端面で、幅方向両端が支持板50aのスリット53の底面50a2に接触するように挿入する。燃料電池セル2の幅の寸法は、支持板50aの幅よりも小さくされている。これによりセルの高さ方向の位置決め精度が向上し、容易に固定することができる。さらに、セル支持板50aの幅が燃料電池セル2の長軸長さ(幅)より広くならないため、マニホールド50を小型化でき、収納容器1の内部を狭くすることで熱自立し易くなる。
また、支持板50aの材質にSUS等の金属を利用する場合であって、燃料電池セル2との絶縁性を確保する必要がある場合には、燃料電池セル2と支持板50aが接触する部位、例えば、スリット53の側面50a1又は底面50a2と燃料電池セル2との間にマイカ板やアルミナ板などのセラミック製の薄い絶縁板などを挟み込むことができる。このような場合、マニホールドの天板(支持板50a)とマニホールド本体50bとを2分割した構造とすることにより、セルを挿入した天板の裏面より、絶縁性の板を固定したり、またセルを仮止めするためのアルミナ等を主成分とするセメントを挿入したりすることができるため、作業性が向上するとともに、セルの確実な固定が可能となる。
燃料が漏れることが無いようにガスタイトなシールを行うためには、固定された燃料電池セル2とスリット53との隙間を埋めるように粘土状のガラスペースト等のシール材55を挿入し、乾燥、焼成することでできる。
また予めセルの端部と相似形状に成型されたソケット状のガラスをセル2の端部に挿入した後に、このセル2をスリット53に収納し、前記固定法によりセル2を固定し、焼成することでも可能である。また、セル支持板50aはマニホールド50の一部を構成しているため、マニホールド50とは別個にセル支持板50aを用いる必要がないため、燃料電池を簡素な構造とでき、しかも容易に作製できる。
また、本発明の燃料電池では、マニホールド50は収納容器1内に収納され、収納容器1とは別個独立に存在するため、例えば、マニホールド50に設けられた複数の燃料電池セル2が破損した場合であっても、収納容器1からマニホールド毎取り出して交換することができる。
燃料電池セル2と支持板50aとの固定に用いられるシール材55は、セラミックスからなるもの、ガラス、セメントなどが利用され、ペースト状、スラリー状のものを燃料電池セルとの隙間に流し込む方法や、粘土状もしくは隙間の形状に合わせた成型物などを燃料電池セルとの隙間に固定する方法が用いられ、焼成することで燃料電池セル2と支持板50aが固定される。
シール材55としては燃料電池セル2を支持板50aに固定する必要があるため、燃料電池の運転温度、例えば600℃から900℃において固相状態にあることが望ましい。固相状態にあることにより燃料電池の運転時においても燃料電池セル2を保持固定すると同時に、シール材55の表面に被覆形成される無機薄膜にクラックや剥離等の欠陥を生じることなく安定に維持することができる。
また、シール材55からの燃料ガスの漏れを防止することが必要であり、シール材55が緻密化していることが好ましく、ガスタイトなシール性、安定性の観点から非晶質なガラス材料、結晶質の材料を含むガラス材料であることが望ましい
更にシール材55としては支持板50aと燃料電池セル2両方の熱膨張に近いことが望ましいが、支持板50aと燃料電池セル2との熱膨張係数には差異があることより、好ましくは支持板50aと燃料電池セル2と間の熱膨張係数を有する材料を利用することが好ましい。
さらに、本発明の燃料電池は、燃料電池セル2の一端部は、外側電極の非形成領域とされており、露出した固体電解質がシール材55にてセル支持板50aに固定されている。燃料電池セル2では、外側電極は固体電解質へガスを供給する必要があるため多孔質とされ、固体電解質は燃料ガスと酸素含有ガスを遮断する必要があるため緻密質とされており、緻密質の固体電解質部分をセル支持板50aにシール材55にて接合するため、燃料電池セル2からのガスの漏出を防止できる。
燃料ガスマニホールド50には、燃料電池セル2内部に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給管17が接続され、この燃料ガス供給管17は改質器6に接続され、この改質器6には、被改質ガスを供給するための被改質ガス供給管19が接続されており、外部から被改質ガス供給管19を介して被改質ガスが改質器6に供給され、この改質器6で改質され、燃料ガスが燃料ガス供給管17を介して燃料ガスマニホールド50に供給される。
また、図1に示したように、燃焼領域4を挿通する酸素含有ガス供給管5は、その先端部が発電領域の下部であってセルスタック3間に位置している。発電で用いられなかった余剰の酸素含有ガスは、燃焼領域4内に自然流動するように構成されている。
熱交換部7は、燃料電池セル2上方で燃焼された排ガスが排出する排ガス通路7aと、燃焼領域4を介してセルスタック3に対向して設けられた酸素含有ガス収容室7bとから構成されている。
排ガス通路7aは、燃料電池セル2上方から外部に向けて排出するように構成されており、酸素含有ガス収容室7bには外部から空気が導入されるようになっており、また酸素含有ガス供給管5が連通している。排ガス通路7aは酸素含有ガス収容室7bに沿って形成されており、この部分で熱交換される。
以上のように構成された燃料電池では、外部からの酸素含有ガス(例えば空気)を熱交換部6の酸素含有ガス収容室7bに導入し、酸素含有ガス供給管5を介して発電室のセルスタック3間に噴出させ、燃料電池セル2間に供給するとともに、被改質ガスを被改質ガス供給管19を介して改質器6内に供給し、この改質器6にて改質して、燃料ガス(例えば水素)を燃料ガス供給管17、燃料ガスタンク11を介して燃料電池セル2の燃料ガス通過孔8内に供給し、発電領域におけるセル2において発電させる。
発電に用いられなかった余剰の燃料ガスは燃料ガス通過孔8の上端から燃焼領域4内に噴出し、発電に用いれらなかった余剰の酸素含有ガスは、燃焼領域4内に噴出し、余剰の燃料ガスと余剰の酸素含有ガスを反応させて燃焼させ、燃焼ガスを発生させ、この燃焼ガスが燃焼ガス導入口を介して熱交換部7の排ガス通路7aに導出され、熱交換器7の上端から排出される。
そして、本発明の燃料電池では、燃料電池セル2の一端部をセル支持板50aに保持固定し、このセル支持板50aをガスマニホールド50に設けたため、燃料電池セル2は収納容器1に固定されるのではなく、収納容器1内に収容されたガスマニホールド50に保持固定されるため、例えば、1本の燃料電池セル2が破損した場合、その燃料電池セル2が保持固定されたガスマニホールド50を収納容器1から取り出し、他の良品と取り替えることができ、メンテナンスが容易となる。
また、ガスマニホールド50内のガスが、電極支持体2aを燃料電池セル2の一端部から他端部に通過するため、従来のように配管等を用いることなく、ガスマニホールド50から燃料電池セル2にガスを供給することができる。
また、発電に寄与しなかった余剰の燃料ガスと酸素含有ガスが燃焼領域4内に導入され、この燃焼領域4中で反応して燃焼し、この燃焼ガス及び外部の酸素含有ガスを熱交換部7に導入し、この熱交換器7で燃焼ガスと酸素含有ガスとの間で熱交換、及び燃焼による酸素含有ガス収容室7b内の酸素含有ガスの加熱により、酸素含有ガスを予熱することができるため、燃料電池セル2を加熱して実質的に発電するまでの起動時間を大幅に短縮できる。
さらに、燃料電池セル2の上方に改質器6を設けたことにより、燃焼ガスにより改質器6を直接加熱でき、改質に必要な熱を十分に供給でき、改質性能を向上できる。
尚、本発明は上記形態に限定されるものではなく、発明の要旨を変更しない範囲で種々の変更が可能である。例えば、上記形態では、図2に示したような楕円柱状で複数の燃料ガス通過孔8を有する燃料電池セル2を用いてセルスタック3を構成した例について説明したが、燃料電池セルは円筒状で、燃料ガス通過孔が一つであっても良く、燃料電池セルの形状は特に限定されるものではない。
また、図3では、セル支持板50aは下面が開口する矩形箱状であり、幅方向に複数条のスリット53が所定間隔を置いて平行に形成されたガスマニホールド50について説明したが、図5に示すように、中実状のセル支持板60aの表面に直線状で両端が開口する凹溝63を形成し、この凹溝63に燃料電池セル2の下端部を収容し、このセル支持板60aをガスマニホールド60の開口部に接合しても良い。尚、凹溝63の底面には、セル2のガス通過孔8に対応する位置に貫通孔65が形成され、マニホールド60内のガスが貫通孔65を介してセル2のガス通過孔8を通過する。
さらに、図3では、セル支持板50aをガスマニホールド50の天板として用いた例を示したが、本発明では、ガスマニホールドの天板の上に、図3、図5に示すようなセル支持板50a、60aを載置し、接合しても良い。この場合には、マニホールドの天板には貫通孔が形成されており、この貫通孔を介してセル2のガス通過孔8にガス通過可能とされている。
さらにまた、マニホールドは、市販の既製の角型もしくは円筒状のパイプをそのまま利用することができ、安価に製造できる。例えば、図6に示すように、マニホールド70は、角パイプ状の管状体70aの両端開口部を閉塞してなるとともに、軸長方向端面の閉塞した部分にガス導入路75が接続され、管状体70aの側面に複数条のスリット73が形成され、このスリット73内に燃料電池セル2の一端部が支持固定される。このような燃料電池では、天板とマニホールド本体とのシール部がなくなるため、燃料漏れ等に対しての信頼性を向上することができる。具体的には、所定の長さの既製のパイプの上面に複数条のスリットを形成し、パイプの一端を封止することにより、マニホールドを容易に作製することができる。
本発明の燃料電池を示す説明図である。 本発明の燃料電池のセルスタックを示す横断面図である。 (a)は燃料電池セルとマニホールドとの接続を示す分解斜視図、(b)は平面図である。 燃料電池セルとマニホールドとの接続の例を示す断面図である。 中実状のセル支持板に直線状の凹溝を形成した状態を示す斜視図である。 管状体の側面にスリットを形成した状態を示す斜視図である。
符号の説明
2a・・・導電性支持体
2b・・・燃料側電極(内側電極)
2c・・・固体電解質
2d・・・酸素側電極(外側電極)
2・・・燃料電池セル
8・・・ガス通過孔
50・・・マニホールド
50a・・・セル支持板
50b・・・スリットの側面
50c・・・スリットの底面
55・・・シール材
63・・・凹溝
70a・・・管状体
75・・・ガス導入路

Claims (7)

  1. 複数の固体電解質型燃料電池セルの一端部を管状のマニホールドにそれぞれ固定してなるとともに、前記マニホールド内のガスが前記燃料電池セル内を通過する燃料電池であって、前記複数の燃料電池セルの一端部が、それぞれ前記マニホールドの天板に形成された複数条のスリットに収容された状態で、シール材によりガスシールされていることを特徴とする燃料電池。
  2. マニホールドは、下面が開口した箱状の天板と、上面が開口した箱状のマニホールド本体とを、前記天板と前記マニホールド本体の開口側を当接して固定してなることを特徴とする請求項1記載の燃料電池。
  3. マニホールドは管状体の両端開口部を閉塞してなるとともに、該閉塞部にガス導入路が接続され、天板が前記管状体の側面に位置することを特徴とする請求項1又は2記載の燃料電池。
  4. 複数の固体電解質型燃料電池セルの一端部をセル支持板にそれぞれ支持固定し、該セル支持板をマニホールドの天板に固定してなるとともに、前記マニホールド内のガスが前記燃料電池セル内を通過する燃料電池であって、前記複数の燃料電池セルの一端部が、それぞれ前記セル支持板に形成された複数条の凹溝に収容された状態で、シール材によりガスシールされているとともに、前記凹溝に形成された貫通孔と、前記マニホールドの天板に形成された貫通孔が連通していることを特徴とする燃料電池。
  5. 燃料電池セルは中空平板状であ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。
  6. 複数条のスリット又は凹溝を構成する側壁には、燃料電池セルの平板状の側面が対向していることを特徴とする請求項5記載の燃料電池。
  7. 複数条のスリット又は凹溝はワイヤー加工で形成されていることを特徴とする請求項1乃至6のうちいずれかに記載の燃料電池。
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