JP2010238434A

JP2010238434A - 燃料電池モジュール

Info

Publication number: JP2010238434A
Application number: JP2009083260A
Authority: JP
Inventors: Jun Akikusa; 順秋草
Original assignee: Kansai Electric Power Co Inc; Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Kansai Electric Power Co Inc; Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2009-03-30
Filing date: 2009-03-30
Publication date: 2010-10-21

Abstract

【課題】単純に重力を利用することで、気密端子部分で万一結露が生じても、短絡や漏電を起こさないようにする。
【解決手段】燃料電池スタック１０を、断熱性と気密性を有するケース２０の内部に収容すると共に、ケース２０の壁部の貫通孔に気密端子４０を設け、この気密端子を介してケース内部の電気系統とケース外部の電気系統とを電気的に接続した燃料電池モジュール１において、上記気密端子４０を、ケースの上壁２０Ｂまたは側壁２０Ｃに、該気密端子のケース内側の端部４１が下方または斜め下方を向くように配備した。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）あるいは炭酸溶融塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）の本体を、断熱性と気密性を有するケースの内部に収容した燃料電池モジュールに関するものである。

従来、発電セルを多数積層して構成した燃料電池スタック（燃料電池本体）を１個または複数個、気密性と断熱性を有するケース内に収納し、運転時に、上記燃料電池スタックの内部に反応用ガスを供給して発電反応を生じさせる燃料電池モジュールが知られている（例えば、特許文献１参照）。この種の燃料電池モジュールにおいては、高温での発電反応により水蒸気が生成されるので、ケース内部は高温多湿雰囲気となる。

ところで、燃料電池スタックには、電流線や電圧測定線などの計装ケーブルが取り付けられており、これらのケーブルは、燃料電池モジュールの下壁や側壁から、気密性と絶縁性を備えた気密端子を介して、外部に電気的に接続している。

図４は、従来の燃料電池モジュール１０１の一例を示しており、２０は缶体と呼ばれる気密性と断熱性を備えたケースである。ケース２０は、下壁２０Ａと上壁２０Ｂと側壁２０Ｃとを有するものであり、外部Ｇから気密に仕切られたケース２０内部Ｎに燃料電池スタック（燃料電池本体）１０が収容され、燃料電池スタック１０に繋がるケーブル１５は、ケース２０の下壁２０Ａや側壁２０Ｃに貫通させた気密端子４０を介して、外部の電気系統に接続されている。

また、この気密端子４０は、一般的に、締め込み金具４３の内部に絶縁部材４４を介して端子ロッド４５を貫通させた構造のもので、例えば、ケース２０の下壁２０Ａに取り付けられているものは、貫通方向を上下方向に向けて配置され、側壁２０Ｃに取り付けられているものは、貫通方向をほぼ水平方向に向けて配置されている。

特開２００８−２５２９９７号公報

ところで、運転中、燃料電池スタック１０の周囲は約５００℃以上の温度となっているが、気密端子４０を取り付けた部分の近辺は、気密端子４０の耐熱性の関係で、５０℃〜３００℃の低い温度に保たれるように設計されている。従って、気密端子４０付近の温度が１００℃以下となっている状態で、その近辺に対流の影響などにより水蒸気が侵入してくると、気密端子４０の近くで結露が生じる可能性がある。

そして、気密端子４０の近辺で水蒸気が結露した場合、その取り付けられている位置の関係により、気密端子４０の端子ロッド４５などを絶縁被覆しているセラミックスやガラス製の繊維（絶縁部材４４）に液が浸み込んで溜まり、この部分での電気絶縁性能が低下してしまい、短絡や漏電の発生に繋がるおそれがある。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、単純に重力を利用することで、気密端子部分で万一結露が生じても、短絡や漏電を起こさないようにした燃料電池モジュールを提供することを目的とするものである。

上記課題を解決するために、請求項１の発明は、燃料電池本体を、断熱性と気密性を有するケースの内部に収容すると共に、上記ケースの壁部の貫通孔に気密端子を設け、この気密端子を介して上記ケース内部の電気系統とケース外部の電気系統とを電気的に接続した燃料電池モジュールにおいて、上記気密端子を、上記ケースの上壁または側壁に、該気密端子のケース内側の端部が下方または斜め下方を向くように配備したことを特徴とするものである。

請求項１の発明によれば、万一気密端子のケース内側の端部に水蒸気が結露しても、生成した液が重力の作用で下に移動するので、気密端子部分に液が溜まることがない。従って、気密端子の取付部分の温度がたとえ低くても、常に良好な電気絶縁性能を保っておくことができ、絶縁性低下が原因の短絡や漏電を有効に回避することができる。

本発明に係る燃料電池モジュールの一実施形態を示す縦断面図である。同実施形態における燃料電池本体としての燃料電池スタックの構成を示す分解斜視図である。図１のＸ部の拡大断面図である。従来の燃料電池モジュールを示す縦断面図である。

以下、本発明の実施形態を図１〜図３を参照して説明する。
図１において、符号１は固体酸化物形燃料電池モジュール、符号２０は気密性と断熱性を備えたケースである。このケース２０は、下壁２０Ａと上壁２０Ｂと側壁２０Ｃとを有する角柱箱形または円柱箱形の容器であり、外部Ｇに対して内部Ｎを気密に保てるようになっている。

このケース２０の壁は、金属製の内部缶体２１および外部缶体２２と、内部缶体２１と外部缶体２２の間に介装された断熱材２３とから構成され、内部缶体２１により、ケース２０を気密状態に保持している。そして、このケース２０内のほぼ中央部に、積層方向を縦（上下）にして燃料電池スタック（燃料電池本体）１０が配設されている。

燃料電池スタック１０は、図２に示すように、酸素イオン伝導性を有する固体電解質層２の両面に燃料極層３と空気極層４を配した発電セル５と、燃料極層３の外側の燃料極集電体６と、空気極層４の外側の空気極集電体７と、各集電体６、７の外側のセパレータ８とを順番に積層したものである。

この固体酸化物形の燃料電池モジュール１では、運転時（発電時）に、反応用のガスとして、燃料電池スタック１０の空気極層４に酸化剤ガス（空気)を供給すると共に、燃料極層３に燃料ガス (Ｈ₂、ＣＯ、ＣＨ₄等)を供給する。空気極層４と燃料極層３は、ガスが固体電解質層２との界面に到達することができるよう何れも多孔質の層とされている。

空気極層４に供給された酸素は、空気極層４内の気孔を通って固体電解質層２との界面近傍に到達し、この部分で空気極層４から電子を受け取って酸素イオン（Ｏ^2-）にイオン化される。この酸素イオンは、燃料極層３に向かって固体電解質層２内を拡散移動し、燃料極層３との界面近傍に到達した酸素イオンは、この部分で燃料ガスと反応して反応生成物（Ｈ₂Ｏ：高温水蒸気、ＣＯ₂等）を生じ、燃料極層３に電子を放出する。

そして、この電子を別ルートの外部回路（図示略）に起電力として取り出すことにより、燃料電池スタック１０は電池として機能する。上記発電反応は、作動温度６００〜８００℃の高温雰囲気下において行われるため、燃料電池スタック１０が収容されているケース２０内の雰囲気は高温多湿の状態となっている。

燃料電池モジュール１のケース２０の下壁２０Ａには、燃料電池スタック１０に燃料ガスＡを供給する管路１１と酸化剤ガスＢを供給する管路１２と、ケース２０内の排ガスを外に出す管路１３が設けられている。

そして、この燃料電池モジュール１において特徴的なことは、燃料電池スタック１０の所定の各部位より電圧測定用（例えば、運転制御のためのセル電圧監視用）や電流線などの計装ケーブル１５を外部の電気系統に接続するための気密端子４０が、ケース２０の上壁２０Ｂや側壁２０Ｃに、当該気密端子４０のケース内側の端部４１が下方または斜め下方を向くように配備されていることである。

気密端子４０は、具体例として図３に示すように、ケース壁の貫通孔２６に気密に嵌合固定された耐熱性と耐酸化性に優れる金属管（ＳＵＳ管など）３０に締め込むことでケース壁に取り付けられる締め込み金具４３と、その締め込み金具４３の内部に絶縁部材４４を介して貫通配備された端子ロッド４５とから構成されている。

ここで、絶縁部材４４としては、ガラスやアルミナ等の耐熱性セラミック繊維を編組した絶縁クロス４４Ａや、その外側を包囲する絶縁筒４４Ｂなどが設けられている。また、締め込み金具４３は、金属管３０の端部にねじ込み固定可能な第１金具４３Ａと、第１金具４３Ａの後端にねじ込むことで、絶縁部材４４に締め込み力を与えるナット４３Ｂとから構成されている。

この燃料電池モジュール１を運転する際には、管路１１、１２から燃料ガスＡと酸化剤ガスＢをそれぞれ燃料電池スタック１０に供給し、燃料電池スタック１０内で発電反応を起こさせる。発電反応に応じて、燃料電池スタック１０からは残余ガスや水蒸気などの排ガスが発生するので、これを管路１３から回収する。

この運転中、燃料電池スタック１０の周囲は約５００℃以上の高温多湿雰囲気となっているが、一方の気密端子４０を取り付けた部分の近辺は、気密端子４０の耐熱性の関係で、５０℃〜３００℃の低い温度に保たれている。従って、気密端子４０付近の温度が１００℃以下となっている状態で、その近辺に対流の影響などで水蒸気が侵入してくると、気密端子４０の近くで結露が生じる可能性がある。

しかし、本実施形態の燃料電池モジュール１においては、万一気密端子４０のケース内側の端部４１に水蒸気が結露しても、生成した液が重力の作用で下に移動することになるので、気密端子４０部分に液が溜まることがない。従って、気密端子４０の取付部分の温度がたとえ低くても、常に良好な電気絶縁性能を保っておくことができるようになり、絶縁性低下が原因の短絡や漏電を有効に回避することができる。

１燃料電池モジュール
１０燃料電池スタック（燃料電池本体）
２０気密端子
２０Ｂ上壁
２０Ｃ側壁
２６貫通孔
４０気密端子
４１ケース内側の端部

Claims

燃料電池本体を、断熱性と気密性を有するケースの内部に収容すると共に、上記ケースの壁部の貫通孔に気密端子を設け、この気密端子を介して上記ケース内部の電気系統とケース外部の電気系統とを電気的に接続した燃料電池モジュールにおいて、
上記気密端子を、上記ケースの上壁または側壁に、該気密端子のケース内側の端部が下方または斜め下方を向くように配備したことを特徴とする燃料電池モジュール。