JP2007335226A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】モジュールの製造工程を簡略化し、モジュールを工業的な量産を行うことができ、燃料電池へ効果的にガスを供給して燃料電池の発電性能を向上できる、燃料電池の提供する。
【解決手段】筒状燃料電池セルと、複数の前記燃料電池セルを導電部材で接続して集合化させたスタックと、前記スタックを内包する燃料電池容器と、前記スタックを前記燃料電池容器内で自立させる為の手段と、前記燃料電池容器を自立させる為の手段と、を備えた燃料電池モジュール構造を形成する。
【選択図】図２

Description

本発明は、固体酸化物形燃料電池に関し、さらに詳しくは、複数の固体酸化物形燃料電池セルを電気的に接続したスタックを内包する燃料電池容器を備えたモジュールに関する。

固体酸化物形燃料電池は、作動温度が高く（７００〜１０００℃）、効率の良い燃料電池として期待されている。固体酸化物形燃料電池は、通常、その複数（以下、一つの燃料電池単位を「燃料電池セル」という場合がある）を電気的に直列および／または並列に接続して束ねたスタックと呼ばれる構造にし、さらに複数の燃料電池スタックを電気的に直列および／または並列に接続して燃料電池容器に内包させたモジュールと呼ばれる構造にして用いられる。

図１０に示すような従来のモジュールは、電気的な直列に接続した複数のスタックを、この周囲に断熱材を設けてガスシール用の内側燃料電池容器に内包し、さらに内側燃料電池容器の周囲に断熱材と外側燃料電池容器を配置して形成される。（例えば、特許文献１参照）

しかしながら、燃料電池セルと導電部材の接続を安定に保つために、スタックを断熱材と内側燃料電池容器で精度良く押圧固定する必要があり、モジュール組立て時の製造負荷が大きくなってしまうという課題があった。

さらに、このようなモジュール構造は、スタック周囲に設けられる断熱材によってスタック近傍と内側燃料電池容器近傍の温度分布が大きくなりやすく、ガスの偏流によって燃料電池に寄与できるガス量が低下し、発電性能を低下してしまうという課題もあった。
特開平１−２４８４７９号公報（３項、図１，２）

本発明は上記課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、モジュールを工業的な量産を行うことができ、さらには発電性能の高い燃料電池を提供することである。

上記目的を達成するために本発明の固体酸化物形燃料電池は、筒状燃料電池セルと、複数の前記燃料電池セルを導電部材で接続して集合化させたスタックと、前記スタックを内包する燃料電池容器と、前記スタックを前記燃料電池容器内で自立させる為の手段と、前記燃料電池容器を自立させる為の手段と、を備えたことを特徴とする。

本発明の好ましい態様においては、前記燃料電池容器が０．５〜３．０ｍｍの厚みであることを特徴とする。

本発明の好ましい態様においては、前記燃料電池容器がインコネル製であることを特徴とする。

本発明の好ましい態様においては、前記燃料電池容器を自立させる為の手段が、前記燃料電池容器の一部に備えられたリブであることを特徴とする。

本発明の好ましい態様においては、前記リブは燃料電池の設置基準となる架台と連結していることを特徴とする。

本発明の好ましい態様においては、前記リブの肉厚が３．０〜２０．０ｍｍであることを特徴とする。

本発明の好ましい態様においては、前記リブが前記燃料電池容器の縦方向に連続して設けられていることを特徴とする。

本発明の好ましい態様においては、前記スタックを自立させる為の手段が、前記スタックを囲む枠体であることを特徴とする。

本発明の好ましい態様においては、前記スタックを囲む枠体に位置決めのための凸部が設けられ、前記燃料電池容器の内側に位置決めのための凹部もしくは孔が設けられていることを特徴とする。

本発明によれば、燃料電池セルがスタック単位で自立して構造を維持でき、また内側燃料電池容器も容器自身で自立して構造を維持できるため、スタックを断熱材と内側燃料電池容器とで押圧固定する必要がなく、モジュールの製造工程を簡略化できる。また、スタックと内側燃料電池容器の間に配置する断熱材が廃止できるため、燃料電池へ効果的にガスを供給して燃料電池の発電性能を向上できる。これにより、実用的で量産性に優れた安全かつ高効率な燃料電池を提供することができる。

以下、本発明の好適な実施形態について図面を参照して具体的かつ詳細に説明を行う。図１は、本発明による燃料電池モジュールを構成する固体酸化物形燃料電池セルの基本構造断面図である。この燃料電池セル１は、電解質２、空気極３、燃料極４、および空気極３に接続されたインターコネクタ５から構成される。この構成の燃料電池セルにあっては、図中の空気極３の内部Ａの方向に酸素を含む空気が、燃料極４の外部Ｂの方向に水素、一酸化炭素を含む燃料ガスが流される。なお、燃料電池セルの空気極と燃料極は図１に示される場合と逆に構成することも可能である。

図２は本発明による燃料電池モジュールを構成するスタックの基本構造の概略図であり、図３は図２のＣ―Ｃ断面を示す図である。しかしながら、これらは一例であり限定されるものではない。
図２および図３に示すように、円筒形状の燃料電池セル１が２並列３直列で複数積み重ねられ、導電部材７および集電板８により、直列および／または並列に電気的に接続されてスタック６を形成している。すなわち、隣接するセルの燃料極とインターコネクタ、および／または、燃料極と燃料極が電気的に接続されている。導電部材はニッケルを主成分とする金属材料からなる金属多孔体や金属板等で形成することができる。
スタック６は保持部材９によってスタック形状を保持する程度に押圧されており、上面保持部材９ａおよび下面保持部材９ｂが接続部１２と絶縁接続部１０により側面保持部材９ｃに連結されることで押圧をかけた状態で固定されている。スタックの保持部材同士の接続はアングルを介したネジ固定、熔接、カシメによる圧着等により接続できる。このとき、上面保持部材９ａは、燃料電池セル１の空気極側と電気的に接続している。一方、下面保持部材９ｂは、燃料電池セル１の燃料極側と電気的に接続しており、絶縁接続部１０により空気極側と絶縁されている。また、発電された電力は上面保持部材９ａと下面保持部材９ｂ、または上面保持部材９ａ、下面保持部材９ｂの近傍に配置する集電板（図示せず）により、取出しを行なうことができる。
また、保持部材９は燃料電池セル１の軸方向で複数の分割部１１を形成している。燃料電池セルの軸方向における燃料電池セルと保持部材との線膨張係数の差や温度分布による保持部材の線膨張係数の差による熱歪みを、保持部材の分割部により緩和することができるため、燃料電池内で発生する温度分布に対しても燃料電池セルと導電部材の接触を効果的に保つことができる。すなわち、発電前後に関係なく保持部材の変形量を許容できるので、燃料電池容器内でスタックを自立させて構成することができる。このとき、同じ材料の中での温度分布による線膨張係数の差を２×１０^−６（ｃｍ／ｃｍ・Ｋ^−１）以上の差にしないように形成することが、保持部材の歪みを抑える観点から好ましい。保持部材は耐熱ステンレス鋼やインコネル等の耐熱金属やセラミックで形成することができる。

図４は、図２および図３に示すスタックの下面保持部材９ｂと側面保持部材９ｃを絶縁して接続する絶縁接続部の構造の一例を説明する図である。図４に示すように、絶縁接続部１０は、側面保持部材９ｃの一部に設けられた孔の内側に絶縁リング１３を配置し、さらに側面保持部材９ｃと緩衝性を有するセラミック繊維シート１４を保持板１５と連結アングル１７で挟んだ状態で連結金具１６により固定している。また、下面保持部材９ｂは、連結金具１６により連結アングル１７と電気的に導通して接続され、下面保持部材９ｂと側面保持部材９ｃの絶縁が保たれている。また、側面保持部材９ｃと連結アングル１７が緩衝性を示すセラミック繊維シートを介して接続されているため、熱歪みを緩和してセラミック繊維シートの劣化を抑制し、絶縁構造を維持することができる。
絶縁リング１３およびセラミック繊維シート１４は、アルミナ、ムライト、マグネシア、ジルコニア等により形成することができる。

図５は、本発明による燃料電池モジュールを備えた燃料電池発電装置の内部構造の一例を示す概略図（図６のＥ−Ｅ断面）であり、図６は図５のＤ−Ｄ断面を示す図である。図５および図６に示すように、燃料電池発電装置１８において、
セル封止端側は保持部材が緩衝材２０の上に載せられた状態、セル開口端側はセル開口端が燃焼室仕切り板２１に貫通された状態で、スタックと保持部材が内側燃料電池容器２２内に配置されている。
また内側燃料電池容器２２は、縦方向（軸方向）に連続して設けられている複数のリブ２３を備えており、さらにリブ２３は燃料電池が設置されている架台（図示せず）と連結して固定されている。内側燃料電池容器２２の外周には、断熱材２４、外側燃料電池容器２５が順に形成されている。保持枠で囲まれたスタックは、発電前後に関係なく燃料電池セル、導電部材および集電板との集電構造を安定に保持でき、さらに緩衝材２０と燃焼室仕切り板２１によってスタックの位置を固定できる。また内側燃料電池容器は剛性、強度を有するリブが設けられ、さらにリブが燃料電池の設置基準となる架台に連結固定されているため、内側燃料電池容器の壁面の変形量を制御でき、内側燃料電池容器の構造を自立して維持できる。

次に、このように構成された燃料電池発電装置の動作について説明をする。空気は、酸化剤供給管２６、酸化剤供給室２７および酸化剤導入管２８を介して燃料電池セル１の内側に流れて空気極３に供給され、また燃料ガスは、燃料供給管２９、燃料分散室３０の燃料分散板１９および緩衝材２０を介して燃料電池セル１の外側に流れて燃料極４に供給されると、電解質２の両側で電気化学反応が起こり、電力と熱と水を発生する。この反応は水の電気化学反応の逆反応である。反応済みの排燃料ガスは燃焼室仕切り板２１の排出孔（図示しない）を介して燃焼室３２に排出される。一方反応済みの排空気は、燃料電池セル１の上方端から燃焼室３２に排出される。燃焼室３２では排燃料に含まれる残留燃料と排空気に含まれる残留酸素が混合して燃焼し、燃焼ガスは排気ガスダクト３３を通じて排出される。また、発電された電力は、集電ロッド３４の間に出力され、電力の取出しを行うことができる。
このとき、燃料電池発電装置は、内部に構成されるスタックと内側燃料電池容器がそれぞれ自立して構造を維持できるので、断熱材を無くしてもスタックと内側燃料電池容器とが電気的にショートすることがない。スタックと内側燃料電池容器の内壁との隙間を２〜５ｍｍ程度に狭くでき、さらに断熱材を無くすことができるので、スタック近傍と内側燃料電池容器近傍との温度分布を低減でき、燃料ガスの偏流を抑えて発電に寄与できる燃料ガス量を増すことができ、発電性能を向上させることができる。また、スタックの集合体の構造をコンパクトにできるため、燃料電池モジュールを軽量化できる。さらに、スタックを内側燃料電池容器と断熱材で押圧固定する構造が不要となり、組立てが容易にできる。

図７は、本発明による複数の燃料電池スタックを備えた燃料電池モジュールの内部構造の一例を示す断面図である。図７の燃料電池モジュールは、各燃料電池スタックをスタック集電板３６で接続し、内側燃料電池容器２２に規定の間隔で複数のリブ２３を構成している。これにより、図５および図６の燃料電池モジュールと同様に、スタックは発電前後に関係なく燃料電池セル、集電構造を安定に保持してスタック単位で構造を維持できる。また内側燃料電池容器は内側燃料電池容器の壁面の変形量を制御でき、燃料電池容器の構造を自立して維持できる。

本発明の燃料電池モジュールでは、内側燃料電池容器の肉厚が０．５〜３．０ｍｍの範囲にあることが好ましく、より好ましい下限は０．８ｍｍであり、またより好ましい上限は１．５ｍｍである。その結果、７００〜１０００℃の水蒸気を含む還元雰囲気の燃料電池の発電環境において、内側燃料電池容器の基材へ与えられる熱応力による基材の応力割れ、剥離等の欠陥を抑制でき、燃料電池モジュールの構造を維持できる。また、燃料電池モジュールを構成する内側燃料電池容器がより軽量化でき、組立てや運搬等の取扱いを容易にできる。

また、内側燃料電池容器がインコネル製であることが好ましい。その結果、７００〜１０００℃の水蒸気を含む還元雰囲気の燃料電池の発電環境において、内側燃料電池容器の基材の劣化を抑制できるため、燃料電池モジュールの構造を維持できる。

本発明におけるリブの厚み及び形状は、燃料電池の温度分布による熱歪みに対するリブの剛性や強度等を考慮して適宜決定されてよいが、内側燃料電池容器の一部に備えるリブの肉厚が３〜２０ｍｍの範囲にあることが好ましく、より好ましい下限は５ｍｍであり、またより好ましい上限は１０ｍｍである。その結果、７００〜１０００℃の高温環境において、リブが内側燃料電池容器を均熱化でき、熱応力を緩和できるため、内側燃料電池容器の剛性、強度の許容を保ちやすくでき、内側燃料電池容器の変形量を制御できる。また、燃料電池モジュールを構成する内側燃料電池容器が、より軽量化される点ででき、組立てや運搬等の取扱いを容易にできる。また、リブの形状は棒状やコの字状など適宜決定されて良いが、リブは曲げ加工でコの字状のアングルに加工し、コの字状の開放部を内側燃料電池容器の外側になるように設けると、より効果的に燃料電池容器の変形を抑制できる。

本発明におけるリブは、内側燃料電池容器の縦方向に連続して設けられていることが好ましい。その結果、燃料電池の発電で生じやすい内側燃料電池容器の縦方向の温度分布に対し、リブが内側燃料電池容器の縦方向の均熱化を効果的に行って熱応力を緩和でき、内側燃料電池容器の内部への変形を効果的に抑制できる。また、温度分布の状態によっては、内側燃料電池容器の横方向や斜め方向にリブを設けることで、より効果的に燃料電池容器の変形を抑制することができる。

図８は、本発明による燃料電池モジュールを構成するスタックの燃料電池セルの封止側に形成される保持部材による位置決め構造を説明する図である。図８では、燃料電池セル１の封止側のスタック底面に形成される凸部３７を有する保持部材３８が、緩衝材２０と燃料分散板１９に形成される凹部３９に差し込まれて位置決めされている。その結果、スタックは燃料分散板を基準とし、スタック底面と保持部材３８の凸部３７で容易に自立して位置決めすることができるため、燃料分散板と緩衝材の上にスタックを配置するだけで容易にモジュールを組立てることができる。

なお、前述の実施形態にかかわらず、燃料電池セルの形状は、以上の説明にあるような筒形状を基本とするが、例えば図９に示されるような、電解質２、空気極３、燃料極４、および空気極３に接続されたインターコネクタ５とから構成され、かつ空気極３に２つ以上の円筒空間を有し、この内部Ａの方向に酸素を含む空気を流すように構成されてもよい。この図にあっては、燃料極４の外部Ｂの方向に水素、一酸化炭素等を含む燃料ガスが流される。このような構造の燃料電池セル４０を用いた場合であっても、図２と同様なスタックを構成することができる。

さらに、本発明の燃料電池は、導電部材に酸化インジウム等の材料を用いることにより、燃料ガスが燃料電池セルの内側を流れ、酸化剤ガスが燃料電池セルの外側に流れるように構成することもできる。

本発明による燃料電池モジュールを構成する固体酸化物形燃料電池セルの基本構造断面図である。 本発明による燃料電池モジュールを構成するスタックの基本構造の概略図である。 図２のＣ―Ｃ断面を示す図である。 図２および図３に示すスタックの保持部材同士を絶縁して接続する絶縁接続部の構造の一例を説明する図である。 本発明による燃料電池モジュールを備えた燃料電池発電装置の内部構造の一例を示す概略図である。 図５のＤ−Ｄ断面を示す図である。 本発明による複数の燃料電池スタックを備えた燃料電池モジュールの内部構造の一例を示す断面図である。 本発明による燃料電池モジュールを構成するスタックの燃料電池セルの封止側に形成される保持部材による位置決め構造を説明する図である。 本発明による燃料電池モジュールのスタックを構成する筒状の固体酸化物形燃料電池セルの他の実施形態を示す基本構造断面図である。 従来の燃料電池モジュールを示す図である。

符号の説明

１、４０…固体酸化物形燃料電池セル
２…電解質
３…空気極
４…燃料極
５…インターコネクタ
６…燃料電池スタック
７…導電部材
８…集電板
９、３８…保持部材
９ａ…上面保持部材
９ｂ…下面保持部材
９ｃ…側面保持部材
１０…絶縁接続部
１１…分割部
１２…接続部
１３…絶縁リング
１４…セラミック絶縁シート
１５…保持板
１６…連結金具
１７…連結アングル
１８、３５、４１…燃料電池発電装置
１９…燃料分散板
２０…緩衝材
２１…燃焼室仕切り板
２２…内側燃料電池容器
２３…リブ
２４…断熱材
２５…外側燃料電池容器
２６…酸化剤供給管
２７…酸化剤供給室
２８…酸化剤導入管
２９…燃料供給管
３０…燃料分散室
３１…発電室
３２…燃焼室
３３…排気ガスダクト
３４…集電ロッド
３６…スタック集電板
３７…凸部
３９…凹部

Claims (9)

1. 筒状燃料電池セルと、
   複数の前記燃料電池セルを導電部材で接続して集合化させたスタックと、
   前記スタックを内包する燃料電池容器と、
   前記スタックを前記燃料電池容器内で自立させる為の手段と、
   前記燃料電池容器を自立させる為の手段と、を備えたことを特徴とする燃料電池。
2. 前記燃料電池容器が０．５〜３．０ｍｍの厚みであることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記燃料電池容器がインコネル製であ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。
4. 前記燃料電池容器を自立させる為の手段が、前記燃料電池容器の一部に設けられたリブであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の燃料電池。
5. 前記リブが燃料電池の設置基準となる架台と連結していることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池。
6. 前記リブの肉厚が３．０〜２０．０ｍｍであることを特徴とする請求項４または５に記載の燃料電池。
7. 前記リブが前記燃料電池容器の縦方向に連続して設けられていることを特徴とする請求項４〜６のいずれか一項に記載の燃料電池。
8. 前記スタックを自立させる為の手段が、前記スタックを囲む枠体であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の燃料電池。
9. 前記スタックを囲む枠体に位置決めのための凸部が設けられ、前記燃料電池容器の内部に位置決めのための凹部もしくは孔が設けられていることを特徴とする請求項８に記載の燃料電池。
   

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