JP2010080177A - 燃料電池発電モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】各発電室から引き出される集電端子を、高温部から低温部まで引き出すことなく高温雰囲気中で発電室間の集電端子を接続することにより、集電端子からの放熱ロスを抑制した固体酸化物型燃料電池を提供する。
【解決手段】複数の発電室容器２の周囲を断熱材９で囲み、断熱材に囲まれた内部空間で複数の発電室容器同士を内部に燃料、空気または燃料と空気の混合気体を密閉した状態で接続する接続空間Ｃを設け、各発電室から引き出された集電ポート５同士を断熱材内部の高温領域で接続し、その接続空間内で集電端子同士を可撓性集電材７で接続する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池の発電モジュールの構造に関するものである。

燃料電池は、電解質を挟んで一方の側にアノード（燃料極）を備え、他方の側にカソード（空気極）を備えている。そして、アノード表面を流れるアノードガス中の燃料と、カソード表面を流れるカソードガス中の酸化剤とを電解質を介して電気化学反応（電池反応）させることによって発電を行う。１つの燃料電池により得られる電圧は１Ｖ程度であるが、多数の燃料電池を接続することにより高出力を得ることが可能である。

インターコネクタを持たない燃料電池同士を電気接続する集電材は燃料雰囲気と空気雰囲気の両方にさらされるため、運転温度における酸化雰囲気と還元雰囲気の両方で材料強度と導電率を維持できる材料が選定される。また、インターコネクタを持つ燃料電池同士を電気接続する集電材は燃料雰囲気または空気雰囲気のどちらか一方にさらされるので、運転温度における酸化雰囲気と還元雰囲気のどちらかで材料強度と導電率を維持できる材料が選定される。

燃料電池の一方式である固体酸化物形燃料電池は７００〜１０００℃の高温で運転され、このような高温作動の燃料電池では特に酸化雰囲気における集電材の酸化による導電率の低下が問題となる。そのため、燃料電池の作動温度を下げたり、インターコネクタを使用して燃料雰囲気でのみ集電材を使用するなどの対策がなされている。

また、出力の大きな燃料電池発電モジュールでは燃料電池の使用個数が膨大になり発電室の体積が大きくなる。そのため、燃料、空気または燃料と空気の混合気体をガスシールする発電室容器内に複数の燃料電池を収納した発電室を１つにまとめることができず、複数の発電室を設けて発電室同士を電気的に接続して大きな出力を得ている。高温の燃料電池を使用する発電室同士の接続では、発電室の周囲を囲んでいる断熱材の外側の低温部まで発電室容器から、例えば円筒状の集電ポートを出す。ついで集電ポートの内部に発電室の集電端子を通し、低温部で集電ポートと集電材端子の間を絶縁及びガスシールをして集電端子を発電室の外側に取り出し、複数の発電室から取り出された集電端子を互いに接続している。上記のような発電室間の電気接続の例は例えば特許文献１で知られている。

特開昭６０−９３７６３号公報

上記した従来技術では集電端子を高温部から低温部まで引き出しているため、集電端子からの放熱ロスが問題とされていた。集電端子の断面積を低減すれば放熱は低減できるが電気抵抗が大きくなり、集電ロスが大きくなってしまう。また、通常、集電端子と集電ポートの間をガスシールし絶縁するためにゴムや樹脂などが使用されるが、これらの耐熱温度は通常は３００度程度までで、４００℃以上の高温でのガスシールと絶縁は難しい。

本発明では高温条件で発電室間の集電端子の接続を実施して集電端子からの放熱を抑制する新規な構成を提供することを目的とする。

本発明は、電解質の片面に設けたアノードに燃料を供給し、他の片面に設けたカソードに空気を供給して発電を行う複数の燃料電池を収納し、燃料、空気または燃料と空気の混合気体を密閉する発電室容器を有する発電室を複数備えた燃料電池発電モジュールにおいて、複数の発電室の周囲を断熱材で囲み、前記断熱材に囲まれた内部空間で前記複数の発電室容器同士を内部に燃料、空気または燃料と空気の混合気体を密閉した状態で接続する接続空間を設け、前記接続空間で発電室の集電端子と他の発電室の集電端子を集電材で電気的に接続したことを特徴とする。

また、前記集電材を可撓性の導電体で構成したことを特徴とする。前記接続空間は発電室同士を気密に接続する可撓性の接続部材を有することを特徴とする。

また、前記発電室同士の接続空間で、前記集電端子を高い流動抵抗と柔軟性を持つ電気絶縁材で支持したことを特徴とする。

また、複数の発電室の集電端子が電気接続されている前記接続空間が燃料雰囲気であることを特徴とする。接続された複数の発電室へ単一の燃料ヘッダから燃料を供給することを特徴とする。

また、複数の発電室の集電材が電気接続されている前記接続空間が空気雰囲気であることを特徴とする。接続された複数の発電室へ単一の空気ヘッダから空気を供給することを特徴とする。

また、前記燃料電池が固体酸化物型燃料電池であることを特徴とし、また燃料電池が筒状であることを特徴とする。

また、筒状の燃料電池の外側にアノードを配置し、前記発電室容器は燃料を密閉し、集電端子同士が電気接続されている前記接続空間が燃料ガス雰囲気であることを特徴とする。

また、集電端子を接続する集電材に高ヤング率材料と高導電率材料を用いて、高ヤング率材料と高導電率材料で並列の電流パスを形成したことを特徴とする。

また、集電材の高ヤング率材料としてＮｉを使用し、高導電率材料としてＣｕを使用した事を特徴とする。

本発明によれば、集電端子は低温部まで引き出されていないため、放熱ロスの要因とならない。また、集電ポートと集電端子の間で外部雰囲気に対してガスシールする必要がない。

本発明は固体酸化物形燃料電池を備えた発電システムに適用するのに特に適している。固体酸化物形燃料電池では、その固体電解質の形状により円筒形と平板形に大別されるが、本発明はどちらの形状においても適応可能である。以下、特にインターコネクタを有する円筒縦縞形の燃料電池を例にとって詳細に説明する。

以下に本発明の実施例を図１について説明する。図１は袋管形の固体酸化物形燃料電池を備えた燃料電池発電モジュールＭを模式的に示した平面図である。図１において、燃料電池１は円筒状で内表面にカソード、外表面にアノードを備えているが、カソードとアノードの位置が逆転した場合においても本発明は適用可能である。また、実施例１において燃料電池発電モジュールＭは発電室を２つ備えているが、さらに多くの発電室を接続した構成にも適用可能である。

燃料電池１は発電室容器２内部の発電室Ａ、Ｂに収められており、発電室容器２は燃料電池１の外側を流れる燃料を外部雰囲気からガスシールする役割も果たしている。各燃料電池１の外側の空間は燃料流路として用いられ、各燃料電池１の内側の空間は空気流路として用いられる。発電室容器２にはステンレス等の耐熱合金が使用される。発電室Ａ、Ｂ内で、燃料電池１同士は集電材３で電気的に接続されており、発電室Ａ、Ｂの最終端には集電端子４が設けられ、パイプ状の集電ポート５の内部を通って発電室間を電気的に接続している。

集電材３や集電端子４には、導電率が高く作動温度で十分な強度を持つ例えばＮｉや
Ｆｅ−Ｃｒ合金等の金属が使用される。また、集電ポート５には発電室容器と同様な耐熱合金が使用される。断熱材９内部の空間において、発電室Ａと発電室Ｂの間で集電ポート５同士は可撓性のある接続部材である集電ポートベロー６を介して接続され接続空間Ｃを形成している。また、集電ポート５が接続された上記接続空間Ｃで集電端子４同士は可撓性集電材７を介して電気的に接続される。

集電ポートベロー６にはステンレス等の耐熱合金が使用され、溶接などで集電ポート５と接続される。可撓性集電材７には集電端子４と同様な導電材料が使用される。集電端子４は高温の断熱材９内部で接続されているため、燃料電池発電モジュールＭからの放熱の要因とならない。また、集電ポート５で接続された接続空間Ｃは燃料で満たされた還元雰囲気となり、集電端子４の酸化の可能性がない。また集電ポート５で接続された接続空間Ｃは、溶接接続により形成された空間なのでガスリークはない。また可撓性のある集電ポートベロー６で集電ポートを接続することで発電室Ａと発電室Ｂの間で生じた熱膨張差を吸収することができる。同様に集電端子４同士を可撓性集電材７を介して接続することで熱膨張差を吸収することができる。

さらに、集電ポート５内には気体に対して高い流動抵抗を持つ高流動抵抗絶縁材８が挿入され、集電端子４を集電ポート５から絶縁支持しており、また発電室間での燃料の流動を抑制している。このため、発電室間に多少の差圧が生じても燃料分布の不均一による発電不足などの問題は生じない。高流動抵抗絶縁材８は例えばアルミナファイバ等から構成される。１０は燃料電池発電モジュールＭの＋極端子であり、１１は−極端子である。各端子１０、１１は絶縁シール材１２により、発電室内部をガスシールしている。

図２は実施例1の側方から見た模式図を示す。実施例１では燃料は単一の燃料ヘッダ１３から発電室容器２内の各発電室に供給されるため、発電室間での差圧が小さい。燃料電池１の極構成を逆にすることにより、燃料電池１の外側空間を空気流路とした場合は、同様に単一の空気ヘッダを設けて、各発電室に空気を供給することができる。

図３は本発明の実施例２を上方から見た模式図である。実施例２では可撓性集電材７に２種類の材料を並列に使用した集電材を形成している。すなわち高ヤング率可撓性集電材７ａと高導電率可撓性集電材７ｂで並列の電流パスを形成して集電端子４を接続している。これにより高ヤング率可撓性集電材７ａで強度を保ち、高導電率可撓性集電材７ｂで低抵抗の電流パスを実現し、従って集電材の機械的強度と導電性を両立させることができる。

本発明の実施例１の燃料電池発電モジュールを上部から見た模式図である。 本発明の実施例１の燃料電池発電モジュールを側方から見た模式図である。 本発明の実施例２の燃料電池発電モジュールを上部から見た模式図である。

符号の説明

１：燃料電池
２：発電室容器
３：集電材
４：集電端子
５：集電ポート
６：集電ポートベロー
７：可撓性集電材
７ａ：高ヤング率可撓性集電材
７ｂ：高導電率可撓性集電材
８：高流動抵抗絶縁材
９：断熱材
１２：絶縁シール材
１３：燃料ヘッダ
Ａ、Ｂ：発電室
Ｃ：接続空間
Ｍ：燃料電池発電モジュール

Claims (13)

1. 電解質の片面に設けたアノードに燃料を供給し、他の片面に設けたカソードに空気を供給して発電を行う複数の燃料電池を収納し、燃料、空気または燃料と空気の混合気体を密閉する発電室容器を有する発電室を複数備えた燃料電池発電モジュールにおいて、
   前記複数の発電室の周囲を断熱材で囲み、前記断熱材に囲まれた内部空間で前記複数の発電室容器同士を内部に燃料、空気または燃料と空気の混合気体を密閉した状態で接続する接続空間を設け、前記接続空間で発電室の集電端子と他の発電室の集電端子を集電材で電気的に接続したことを特徴とする燃料電池発電モジュール。
2. 請求項１に記載した燃料電池発電モジュールにおいて、前記集電材を可撓性の導電体で構成したことを特徴とする燃料電池発電モジュール。
3. 請求項１または２に記載した燃料電池発電モジュールにおいて、前記接続空間は発電室同士を気密に接続する可撓性の接続部材を有することを特徴とする燃料電池発電モジュール。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載した燃料電池発電モジュールにおいて、前記発電室同士の接続空間で、前記集電端子を高い流動抵抗と柔軟性を持つ電気絶縁材で支持したことを特徴とする燃料電池発電モジュール。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載した燃料電池発電モジュールにおいて、複数の発電室の集電端子が電気接続されている前記接続空間が燃料雰囲気であることを特徴とする燃料電池発電モジュール。
6. 請求項５に記載した燃料電池発電モジュールにおいて、接続された複数の発電室へ単一の燃料ヘッダから燃料を供給することを特徴とする燃料電池発電モジュール。
7. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載した燃料電池発電モジュールにおいて、複数の発電室の集電材が電気接続されている前記接続空間が空気雰囲気であることを特徴とする燃料電池発電モジュール。
8. 請求項７に記載した燃料電池発電モジュールにおいて、接続された複数の発電室へ単一の空気ヘッダから空気を供給することを特徴とする燃料電池発電モジュール。
9. 請求項１乃至８のいずれか１項に記載した燃料電池発電モジュールにおいて、前記燃料電池が固体酸化物型燃料電池であることを特徴とする燃料電池発電モジュール。
10. 請求項１乃至９のいずれか１項に記載した燃料電池発電モジュールにおいて、前記燃料電池が筒状であることを特徴とする燃料電池発電モジュール。
11. 請求項１０に記載した燃料電池発電モジュールにおいて、前記筒状の燃料電池の外側にアノードを配置し、前記発電室容器は燃料を密閉し、集電端子同士が電気接続されている前記接続空間が燃料ガス雰囲気であることを特徴とする燃料電池発電モジュール。
12. 請求項１乃至１１のいずれか１項に記載した燃料電池発電モジュールにおいて、前記集電端子を接続する集電材に高ヤング率材料と高導電率材料を用いて、高ヤング率材料と高導電率材料で並列の電流パスを形成したことを特徴とする燃料電池発電モジュール。
13. 請求項１２に記載した燃料電池発電モジュールにおいて、集電材の高ヤング率材料としてＮｉを使用し、高導電率材料としてＣｕを使用した事を特徴とする燃料電池発電モジュール。

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