JP2011154874A - Cell stack device, fuel cell module, and fuel cell device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、複数の燃料電池セルを配列してなるセルスタック装置、燃料電池モジュールおよび燃料電池装置に関する。 The present invention relates to a cell stack device in which a plurality of fuel cells are arranged, a fuel cell module, and a fuel cell device.
近年、次世代エネルギーとして、燃料ガス(水素含有ガス)と酸素含有ガス(空気等)とを用いて600℃〜1000℃の高温下で発電する燃料電池セルの複数個を、集電部材を介して電気的に直列に接続してなるセルスタックを燃料電池セルに反応ガスを供給するマニホールドに固定してなるセルスタック装置や、それを収納してなる燃料電池モジュール、さらには燃料電池モジュールを収納してなる燃料電池装置が種々提案されている(例えば、特許文献1参照。)。 In recent years, as next-generation energy, a plurality of fuel cells that generate power at a high temperature of 600 ° C. to 1000 ° C. using a fuel gas (hydrogen-containing gas) and an oxygen-containing gas (air, etc.) via a current collecting member A cell stack device in which cell stacks that are electrically connected in series are fixed to a manifold that supplies reaction gas to the fuel cell, a fuel cell module that houses the cell stack device, and a fuel cell module are housed. Various fuel cell devices have been proposed (see, for example, Patent Document 1).
このようなセルスタック装置においては、燃料電池セルの上端部側で発電に使用されなかった燃料ガスを燃焼させ、燃料電池セルの温度を上昇させることにより、燃料電池セルの発電を効率よく行なうことができる。 In such a cell stack device, fuel gas that has not been used for power generation is combusted on the upper end side of the fuel cell, and the temperature of the fuel cell is increased, thereby efficiently generating power in the fuel cell. Can do.
また、一対の集電片である外側電極層側集電片とインターコネクタ側集電片とを備え、その両端部が接続部により接続されてなる集電部材において、第2反応ガスが外側電極層とインターコネクタとの間を通過しやすくなることを目的として、集電部材の接続部を外側電極層よりも外側に形成してなるセルスタック装置(例えば、特許文献2参照。)が提案されている。 Further, in the current collecting member that includes the outer electrode layer side current collecting piece and the interconnector side current collecting piece, which are a pair of current collecting pieces, and whose both end portions are connected by the connecting portion, the second reaction gas is the outer electrode. For the purpose of facilitating passage between the layer and the interconnector, a cell stack device in which the connecting portion of the current collecting member is formed outside the outer electrode layer (see, for example, Patent Document 2) has been proposed. ing.
しかしながら、上述した集電部材においては、集電部材の内部を流れる第2反応ガスがセルスタックの外側に流れ出ることで、外側電極層に十分な量の第2反応ガスを供給できない場合があり、セルスタック装置の発電効率が低下するおそれがある。 However, in the above-described current collecting member, the second reaction gas that flows inside the current collecting member flows out of the cell stack, so that a sufficient amount of the second reaction gas may not be supplied to the outer electrode layer. The power generation efficiency of the cell stack device may be reduced.
それゆえ、本発明の目的は、集電部材の内部を流れた第2反応ガスがセルスタックの外側に流れることを抑制し、外側電極層に十分な量の第2反応ガスを供給することにより、発電効率の向上したセルスタック装置、燃料電池モジュールおよび燃料電池装置を提供することにある。 Therefore, an object of the present invention is to suppress the flow of the second reactive gas that has flowed inside the current collecting member to the outside of the cell stack, and to supply a sufficient amount of the second reactive gas to the outer electrode layer. Another object of the present invention is to provide a cell stack device, a fuel cell module and a fuel cell device with improved power generation efficiency.
本発明のセルスタック装置は、第1反応ガスと第2反応ガスとで発電を行なう柱状の燃料電池セルを立設し、集電部材を介して複数個配列してなるセルスタックを備えるセルスタック装置であって、前記燃料電池セルは、前記第1反応ガスを下端から上端へ流すための第1反応ガス流路を内部に備える導電性支持体と、該導電性支持体上に配置され、内側電極層、固体電解質層および外側電極層をこの順に積層してなる積層体と、前記外側電極層と対向するように前記導電性支持体上に配置されたインターコネクタとを備え、隣り合う前記燃料電池セル間が前記第2反応ガスを下方から上方に流すための第2反応ガス流路として構成されており、前記集電部材は、隣接する一方の前記燃料電池セルの外側電極層
と他方の前記燃料電池セルのインターコネクタとを電気的に接続するための、所定間隔を空けて配置された前記燃料電池セルの幅方向に沿う板状の一対の集電片と、該一対の集電片の端部同士を接続する接続部とを一組として、前記燃料電池セルの長手方向に連続して複数組が形成されているとともに、前記接続部と接続されており、前記集電部材と前記外側電極層にて接続されている前記燃料電池セル側に、前記燃料電池セルの配列方向に沿って延びている側板部を備えることを特徴とする。
A cell stack device according to the present invention comprises a cell stack comprising a plurality of cell stacks arranged in a standing manner through columnar fuel cells that perform power generation with a first reaction gas and a second reaction gas. An apparatus, wherein the fuel cell is disposed on the conductive support, the conductive support having a first reactive gas flow path for flowing the first reactive gas from the lower end to the upper end, A laminated body in which an inner electrode layer, a solid electrolyte layer, and an outer electrode layer are laminated in this order; and an interconnector disposed on the conductive support so as to face the outer electrode layer. The fuel cell is configured as a second reaction gas flow path for flowing the second reaction gas from below to above, and the current collecting member includes the outer electrode layer of the one adjacent fuel cell and the other Of the fuel cell A pair of plate-like current collecting pieces along the width direction of the fuel cells arranged at a predetermined interval, and the ends of the pair of current collecting pieces are electrically connected to each other. As a set of connecting portions to be connected, a plurality of sets are continuously formed in the longitudinal direction of the fuel cell, and connected to the connecting portion, and the current collecting member and the outer electrode layer A side plate extending along the arrangement direction of the fuel cells is provided on the connected fuel cell side.
このようなセルスタック装置においては、集電部材が、隣接する一方の燃料電池セルの外側電極層と隣接する他方の燃料電池セルのインターコネクタとを電気的に接続するための、所定間隔を空けて配置された燃料電池セルの幅方向に沿う板状の一対の集電片と、一対の集電片の端部同士を接続する接続部とを一組として、燃料電池セルの長手方向に連続して複数組が形成されているとともに、接続部と接続されており、当該集電部材と外側電極層にて接続されている燃料電池セル側に、燃料電池セルの配列方向に沿って延びている側板部を備えることから、第2反応ガス流路を流れる第2反応ガスが、セルスタックの外側に流れ出ることを抑制することができる。それにより、外側電極層に十分な量の第2反応ガスを供給することができ、発電効率の向上したセルスタック装置とすることができる。 In such a cell stack apparatus, the current collecting member has a predetermined interval for electrically connecting the outer electrode layer of one adjacent fuel cell and the interconnector of the other fuel cell. A pair of plate-like current collecting pieces along the width direction of the arranged fuel cells and a connection portion connecting the ends of the pair of current collecting pieces as a set, continuous in the longitudinal direction of the fuel cells. A plurality of sets are formed and connected to the connection portion, and extend along the arrangement direction of the fuel cells toward the fuel cell connected to the current collecting member and the outer electrode layer. Since the side plate portion is provided, it is possible to suppress the second reaction gas flowing through the second reaction gas channel from flowing out of the cell stack. Thereby, a sufficient amount of the second reactive gas can be supplied to the outer electrode layer, and a cell stack device with improved power generation efficiency can be obtained.
また、本発明のセルスタック装置は、前記側板部が、前記集電部材と前記外側電極層にて接続されている前記燃料電池セルの前記インターコネクタ側にまで延びていることが好ましい。 In the cell stack device of the present invention, it is preferable that the side plate portion extends to the interconnector side of the fuel cell connected to the current collecting member by the outer electrode layer.
このようなセルスタック装置においては、側板部が、集電部材と外側電極層にて接続されている燃料電池セルのインターコネクタ側にまで延びていることから、さらに外側電極層に第2反応ガスを供給することができる。 In such a cell stack device, since the side plate portion extends to the interconnector side of the fuel cell connected to the current collecting member and the outer electrode layer, the second reactive gas is further added to the outer electrode layer. Can be supplied.
また、本発明のセルスタック装置は、前記側板部が、前記集電部材と前記インターコネクタにて接続されている前記燃料電池セル側にも、前記燃料電池セルの配列方向に沿って延びていることが好ましい。 Further, in the cell stack device of the present invention, the side plate portion extends along the arrangement direction of the fuel cells to the fuel cell side connected to the current collecting member and the interconnector. It is preferable.
このようなセルスタック装置においては、側板部が、集電部材とインターコネクタにて接続されている燃料電池セル側にも、燃料電池セルの配列方向に沿って延びていることから、さらに外側電極層に第2反応ガスを供給することができる。 In such a cell stack device, the side plate portion also extends along the arrangement direction of the fuel cells to the fuel cell connected to the current collector and the interconnector. A second reactive gas can be supplied to the layer.
また、本発明のセルスタック装置は、発電に使用されなかった前記第1反応ガスと発電に使用されなかった前記第2反応ガスとを前記燃料電池セルの上端部側で燃焼させる構成であるとともに、前記集電部材の上端が前記燃料電池セルの上端よりも高い位置に配置されていることが好ましい。 In addition, the cell stack device of the present invention has a configuration in which the first reaction gas that is not used for power generation and the second reaction gas that is not used for power generation are combusted on the upper end side of the fuel cell. The upper end of the current collecting member is preferably disposed at a position higher than the upper end of the fuel cell.
このようなセルスタック装置においては、発電に使用されなかった第1反応ガスと発電に使用されなかった第2反応ガスとを燃料電池セルの上端部側で燃焼させるとともに、集電部材の上端が燃料電池セルの上端よりも高い位置に配置されていることから、第2反応ガスを燃料電池セルの上端部側に効率よく供給することができ、発電に使用されなかった第1反応ガスと発電に使用されなかった第2反応ガスとを燃料電池セルの上端部側において効率よく燃焼させることができる。そのため、低出力で発電している場合等の第2反応ガスの供給量が少ない場合においても、失火が生じることを抑制することができる。 In such a cell stack device, the first reaction gas that is not used for power generation and the second reaction gas that is not used for power generation are burned on the upper end side of the fuel cell, and the upper end of the current collecting member is Since it is arranged at a position higher than the upper end of the fuel cell, the second reaction gas can be efficiently supplied to the upper end side of the fuel cell, and the first reaction gas and the power that were not used for power generation It is possible to efficiently burn the second reaction gas that has not been used for the upper end portion of the fuel cell. Therefore, even when the supply amount of the second reactive gas is small, such as when generating power at a low output, it is possible to suppress the occurrence of misfire.
また、本発明のセルスタック装置は、前記側板部の前記燃料電池セルと対向する面が、絶縁層により覆われていることが好ましい。 In the cell stack device of the present invention, it is preferable that a surface of the side plate portion facing the fuel cell is covered with an insulating layer.
このようなセルスタック装置においては、側板部の燃料電池セルと対向する面が、絶縁層により覆われていることから、側板部が燃料電池セルに接触した場合においても、電気的に短絡することを防止することができる。それにより、長期信頼性の向上したセルスタック装置とすることができる。 In such a cell stack device, since the surface of the side plate facing the fuel cell is covered with an insulating layer, even when the side plate is in contact with the fuel cell, it is electrically short-circuited. Can be prevented. Thereby, a cell stack device with improved long-term reliability can be obtained.
本発明の燃料電池モジュールは、上記のセルスタック装置を収納容器内に収納してなることを特徴とすることから、発電効率の向上した燃料電池モジュールとすることができる。 Since the fuel cell module of the present invention is characterized in that the cell stack device is housed in a housing container, the fuel cell module can be improved in power generation efficiency.
本発明の燃料電池装置は、上記の燃料モジュールと、燃料電池モジュールを作動させるための補機とを、外装ケース内に収納してなることから、発電効率の向上した燃料電池装置とすることができる。 The fuel cell device according to the present invention includes the above fuel module and an auxiliary device for operating the fuel cell module in an outer case, so that the fuel cell device has improved power generation efficiency. it can.
本発明のセルスタック装置は、集電部材が、隣接する一方の燃料電池セルの外側電極層と隣接する他方の燃料電池セルのインターコネクタとを電気的に接続するための、所定間隔を空けて配置された燃料電池セルの幅方向に沿う板状の一対の集電片と、一対の集電片の端部同士を接続する接続部とを一組として、燃料電池セルの長手方向に連続して複数組が形成されているとともに、接続部と接続されており、当該集電部材と外側電極層にて接続されている燃料電池セル側に、燃料電池セルの配列方向に沿って延びている側板部を備えることから、第2反応ガス流路を流れる第2反応ガスが、セルスタックの外側に流れ出ることを抑制することができる。それにより、外側電極層に十分な量の第2反応ガスを供給することができ、発電効率の向上したセルスタック装置とすることができる。 In the cell stack device of the present invention, the current collecting member has a predetermined interval for electrically connecting the outer electrode layer of one adjacent fuel cell and the interconnector of the other fuel cell. A pair of plate-like current collecting pieces along the width direction of the arranged fuel battery cells and a connection part that connects the ends of the pair of current collecting pieces as one set are continuous in the longitudinal direction of the fuel battery cells. A plurality of sets are formed, and are connected to the connection portion and extend along the arrangement direction of the fuel cells toward the fuel cell connected to the current collecting member and the outer electrode layer. Since the side plate portion is provided, the second reaction gas flowing through the second reaction gas channel can be prevented from flowing out of the cell stack. Thereby, a sufficient amount of the second reactive gas can be supplied to the outer electrode layer, and a cell stack device with improved power generation efficiency can be obtained.
あわせて、このセルスタック装置を収納容器内に収納することで、発電効率が向上した燃料電池モジュールとすることができ、さらにこの燃料電池モジュールと燃料電池モジュールを動作させるための補機とを外装ケース内に収納することで、発電効率が向上した燃料電池装置とすることができる。 In addition, by storing the cell stack device in a storage container, a fuel cell module with improved power generation efficiency can be obtained, and further, the fuel cell module and an auxiliary device for operating the fuel cell module are installed on the exterior. By storing in the case, a fuel cell device with improved power generation efficiency can be obtained.
図1は、本発明のセルスタック装置の一例を示し、(a)はセルスタック装置を概略的
に示す側面図、(b)は(a)のセルスタック装置1を示す平面図であり、(a)で示した点線枠で囲った部分を抜粋して示している。図2は、図1に示す集電部材4の斜視図である。なお、以降の図において同一の部材については同一の番号を付するものとする。
FIG. 1 shows an example of a cell stack device of the present invention, (a) is a side view schematically showing the cell stack device, (b) is a plan view showing the
セルスタック装置1は、内部に所定の間隔を空けて第1反応ガス流路9を複数有しており、一対の対向する平坦面をもつ全体的に見て楕円柱状の導電性支持体10の一方の平坦面上に内側電極層11と、固体電解質層12と、外側電極層13とをこの順に積層してなるとともに、他方の平坦面のうち外側電極層13および固体電解質層12が形成されていない部位にインターコネクタ14を積層してなる柱状(中空平板状)の燃料電池セル3を、集電部材4を介して立設させた状態で配置することで、燃料電池セル3同士を電気的に直列に接続してなるセルスタック2を備えている。
The
集電部材4は、詳細を後述するが、一枚の板部材に所定の間隔で幅方向にスリットが複数設けられ、スリットを挟んで上下方向に隣接する部位が集電片4a、4bとなる。集電部材4の長手方向に形成されたそれぞれの集電片4a、4bは、隣接する一方側の燃料電池セル3および隣接する他方側の燃料電池セル3と接合されるように、交互に配置されている。そして一対の集電片4a、4bの両端部が接続部4cにより接続され、これらを一組として、長手方向に複数組が形成されており、集電部材4を構成している。それにより隣接する一方の燃料電池セル3側の集電片4aと隣接する他方の燃料電池セル3側の集電片4bとの間が、第2の反応ガスが流れる第2反応ガス流路8となる。
As will be described in detail later, the current collecting
また、インターコネクタ14の外面にはP型半導体層15を設けることもできる。集電部材4を、P型半導体層15を介してインターコネクタ14に接続させることより、両者の接触がオーム接触となって電位降下を少なくし、集電性能の低下を有効に抑制することができる。このP型半導体層15は、外側電極層13の外面に設けることもできる。
A P-
そして、セルスタック2を構成する各燃料電池セル3の下端部が、第1反応ガス流路9を介して燃料電池セル3に第1反応ガスを供給するためのマニホールド7にガラスシール材(図示せず)等の接合材により固定されている。
Then, the lower end portion of each
なお、図1に示すセルスタック装置1においては、燃料電池セル3として、第1反応ガス流路9内に燃料ガス(水素含有ガス)を流すとともに、内側電極層11としての燃料極層、外側電極層13としての空気極層を設けてなる固体酸化物形の燃料電池セル3を示している。マニホールド7より第1反応ガスとして燃料ガスを供給し、隣り合う燃料電池セル3間に第2反応ガスとして酸素含有ガス(空気等)を供給することで、燃料電池セル3の発電が行なわれる。以下の説明において第1反応ガスとして燃料ガスを、第2反応ガスとして酸素含有ガスを用いる場合を例示して説明する。
In the
また、セルスタック装置1は、燃料電池セル3の配列方向(以下、セル配列方向と略す場合がある。)の両端から端部集電部材(図示せず)を介してセルスタック2を挟持するように、マニホールド7に下端部が固定された弾性変形可能な導電部材5を具備している。ここで、図1に示す導電部材5においては、セル配列方向に沿って外側に向けて延びた形状で、セルスタック2(燃料電池セル3)の発電により生じる電流を引き出すための電流引出部6が設けられている。なお、端部集電部材としては、集電部材4と同様の構成のものを用いてもよいし、異なる構成のものを用いてもよい。
The
このようなセルスタック装置1においては、燃料電池セル3の上端部側にて、第1反応ガス流路(燃料ガス流路)9より排出され、燃料電池セル3の発電に使用されなかった燃料ガスと、第2反応ガス流路8(酸素含有ガス流路)より排出され、燃料電池セル3の発電に使用されなかった酸素含有ガスとを燃焼させる構成とすることにより、燃料電池セル
3の温度を上昇させることまたは高温に維持することができ、燃料電池セル3(セルスタック装置1)の発電を効率よく行なうことができる。
In such a
以下に、図1において示す燃料電池セル3を構成する各部材について説明する。
Below, each member which comprises the
燃料極層(内側電極層)11は、一般的に公知のものを使用することができ、多孔質の導電性セラミックス、例えばYやYb等の希土類元素が固溶しているZrO2(安定化ジルコニアと称する)とNiおよび/またはNiOとから形成することができる。 As the fuel electrode layer (inner electrode layer) 11, generally known ones can be used, and porous conductive ceramics such as ZrO 2 (stabilized) in which rare earth elements such as Y and Yb are dissolved. Zirconia) and Ni and / or NiO.
燃料極層11において、NiおよびNiOのうち少なくとも一方と、希土類元素が固溶しているZrO2の含有量は、焼成−還元後における体積比率が、NiO:希土類元素が固溶しているZrO2(例えば、NiO:YSZ)が35:65〜65:35の範囲にあるのが好ましい。さらに、この燃料極層11の気孔率は、15%以上、特に20〜40%の範囲にあるのが好ましく、その厚みは、1〜30μmであるのが好ましい。
In the
固体電解質層12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ことが必要とされ、3〜15モル%の希土類元素が固溶したZrO2から形成される。なお、上記特性を有する限りにおいては、他の材料等を用いて形成してもよい。
The
さらに、固体電解質層12は、ガス透過を防止するという点から、相対密度(アルキメデス法による)が93%以上、特に95%以上の緻密質であることが望ましく、かつその厚みが5〜50μmであることが好ましい。
Further, the
空気極層(外側電極層)13は、導電性セラミックス(例えば、ABO3型のペロブスカイト型酸化物)から形成することができ、ガス透過性を有する必要があることから、気孔率が20%以上、特に30〜50%の範囲にあることが好ましい。さらに、空気極層13の厚みは、集電性という点から30〜100μmであることが好ましい。
The air electrode layer (outer electrode layer) 13 can be formed of conductive ceramics (for example, ABO 3 type perovskite oxide) and needs to have gas permeability. Therefore, the porosity is 20% or more. In particular, it is preferably in the range of 30 to 50%. Furthermore, the thickness of the
インターコネクタ14は、導電性セラミックスから形成することができるが、燃料ガス(水素含有ガス)および酸素含有ガス(空気等)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、それゆえランタンクロマイト系のペロブスカイト型酸化物(LaCrO3系酸化物)が好適に使用される。インターコネクタ14は導電性支持体10に形成された複数の第1反応ガス流路(燃料ガス流路)9を流通する燃料ガス、および導電性支持体10の外側を流通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好ましい。
Although the
また、インターコネクタ14の厚みは、ガスのリーク防止と電気抵抗の増大を抑制という理由から、10〜50μmであることが好ましい。この範囲よりも厚みが薄いと、ガスのリークを生じやすく、またこの範囲よりも厚みが大きいと、電気抵抗が大きく、電位降下により集電機能が低下してしまうおそれがある。
Further, the thickness of the
導電性支持体10としては、燃料ガスを燃料極層11まで透過するためにガス透過性であること、さらには、インターコネクタ14を介して集電するために導電性であることが要求される。したがって、導電性支持体10としては、かかる要求を満足するものを材質として採用する必要があり、例えば導電性セラミックスやサーメット等を用いることができる。
The
なお、燃料電池セル3を作製するにあたり、燃料極層11または固体電解質層12との同時焼成により導電性支持体10を作製する場合においては、鉄属金属成分と特定希土類
酸化物とから導電性支持体10を形成することが好ましい。また、導電性支持体10は、所要ガス透過性を備えるために開気孔率が30%以上、特に35〜50%の範囲にあるのが好適であり、そしてまたその導電率は50S/cm以上、より好ましくは300S/cm以上、特に440S/cm以上であるのが好ましい。
In producing the
また、導電性支持体10の平坦面nの長さ(導電性支持体10の幅方向の高さ)は、通常、15〜35mm、弧状面mの長さ(弧の長さ)は、2〜8mmであり、導電性支持体10の厚み(平坦面n間の厚み)は1.5〜5mmであることが好ましい。 Further, the length of the flat surface n of the conductive support 10 (height in the width direction of the conductive support 10) is usually 15 to 35 mm, and the length of the arc-shaped surface m (arc length) is 2 The thickness of the conductive support 10 (thickness between the flat surfaces n) is preferably 1.5 to 5 mm.
P型半導体層15としては、遷移金属ペロブスカイト型酸化物からなる層を例示することができる。具体的には、インターコネクタ14を構成するランタンクロマイト系のペロブスカイト型酸化物(LaCrO3系酸化物)よりも電子伝導性が大きいもの、例えば、BサイトにMn、Fe、Coなどが存在するLaMnO3系酸化物、LaFeO3系酸化物、LaCoO3系酸化物などの少なくとも一種からなるP型半導体セラミックスを使用することができる。このようなP型半導体層15の厚みは、一般に、30〜100μmの範囲にあることが好ましい。
An example of the P-
なお、図示はしていないが、固体電解質層12と空気極層13との間に、固体電解質層12と空気極層13との接合を強固なものとするとともに、固体電解質層12の成分と空気極層13の成分とが反応して電気抵抗の高い反応層が形成されることを抑制する目的で、Ce(セリウム)と他の希土類元素(SmやGd等)とを含有する組成にて形成される中間層を備えることもできる。
Although not shown, the
さらに、図示していないが、インターコネクタ14と導電性支持体10との間に、インターコネクタ14と導電性支持体10との間の熱膨張係数差を軽減する等のために、燃料極層11と類似した組成の密着層を設けることもできる。
Further, although not shown, in order to reduce the difference in thermal expansion coefficient between the interconnector 14 and the
ここで、本発明のセルスタック装置を構成する集電部材4について説明する。
Here, the
図2は、図1に示すセルスタック装置1を構成する集電部材4の斜視図であり、図3は、燃料電池セル3と集電部材4との接続を概略的に示す側面図である。
FIG. 2 is a perspective view of the current collecting
本発明のセルスタック装置1を構成する集電部材4は、燃料電池セル3の幅方向(以下、セル幅方向と略す場合がある。)に沿って設けられた一対の板状の集電片4a、4bと、一対の集電片4a、4bの両端部を接続する接続部4cとを1組として、集電部材4の長手方向に連続して複数組が設けられている。また、接続部4cには、接続部4cからセル幅方向に沿って、燃料電池セル3の外側まで延びる延伸部4dが接続され、さらに延伸部4dと接続され、空気極層13と接続されている燃料電池セル3側に、セル配列方向に沿って延びている側板部4eを備えている。また一対の板状の集電片4a、4bと、一対の集電片4a、4bの両端部を接続する接続部4cとを1組として複数組備えるユニットを、集電部材4の長手方向に連結するための導電性連結部4fを備えている。なお、このユニットには後述する延伸部4cと側板部4eが含まれる。
The
集電片4a、4bは、隣接する一方の燃料電池セル3の空気極層13と接続される集電片4aと、隣接する他方の燃料電池セル3のインターコネクタ14と接続される集電片4bとからなり、集電部材4の長手方向に沿って複数設けられている。図2に示すように、集電片4a、4bの両端部は接続部4cに向けて屈曲しており、接続部4cにて複数の集電片4a、4bが接続されている。
The
接続部4cには、セル幅方向に沿って燃料電池セル3の外側まで延びる延伸部4dの一
端が接続されている。延伸部4dは、図1(b)に示すように、延伸部4dの他端が燃料電池セル3の外側に配置されている。そして、空気極層13と接続されている燃料電池セル3側にセル配列方向に沿って延びている側板部4eの一端が、延伸部4dの他端に接続されている。本発明のセルスタック装置1においては、燃料電池セルの外側から0.5〜1cm程度出るように延伸部4dを設けることが好ましい。
One end of an extending
なお、図2に示す集電部材4は、接続部4c、延伸部4dおよび側板部4eをそれぞれ設けた例を示したが、側板部4eが集電部材4と接続されていれば、この形状に限定されるものではない。例えば、接続部4cをセル幅方向に延ばして側板部4eと接続してもよく、延伸部4dを集電部材4と空気極層13にて接続されている燃料電池セル3側に、折り曲げて側板部4eを作製してもよい。
In addition, although the
そして、図2に示すように、これらを1ユニットとし、導電性連結片4fを介して長手方向に複数のユニットを連結することにより集電部材4が構成されている。なお、図2においては、ユニット数が4つのものを示したが、これに限定されるものではない。ユニット数は、燃料電池セル3の大きさ(長手方向の長さ)、発電効率および集電部材4の剛性等により適宜設定すればよい。
Then, as shown in FIG. 2, the current collecting
集電部材4は、燃料電池セル3により発電した電流を流すために導電性が必要であり、セルスタック装置1は600〜900℃の高温下で作動することから、耐熱性も必要である。それゆえ、合金100質量部に対して10〜30質量部のCrを含有する合金を用いることが好ましく、例えば、Fe−Cr系合金、Ni−Cr系合金等を用いることができる。
The
そして、Crを含有する合金からなる一枚の矩形状の板部材(矩形板)の中央部に、燃料電池セル3の長手方向に所定の間隔を空けて複数のスリットを設け、スリット間の板部材を隣り合う燃料電池セル3と接続するように交互に突出させることで集電片4a、4bを形成し、矩形板の両側部(スリットが形成されていない部位)を切り欠き等の加工をすることにより、所定の形状を形成し、切り欠かれた矩形板の両側部を折り曲げることにより、側板部4eを形成し、集電部材4を作製することができる。この場合、一枚の板部材を打ち抜きプレス加工により集電部材4を作製することができるため、容易に集電部材4を作製することができる。
Then, a plurality of slits are provided in the central portion of one rectangular plate member (rectangular plate) made of an alloy containing Cr at predetermined intervals in the longitudinal direction of the
なお、一枚の矩形板により作製した例を示したが、それぞれの部材を別途作製し、溶接等により接合して集電部材4を作製してもよい。例えば、一対の集電片4a、4bと、一対の集電片4a、4bの両端部を接続する接続部4cとを1組として、複数組を導電性連結片4fにより連結してなる集電部(図示せず)を作製し、折り曲げ加工した板部材により延伸部4dおよび側板部4eを作製し、これを集電部に溶接にて接合して集電部材4を作製してもよい。また、スリットの形成等は、プレス加工等の適宜知られた方法により作製すればよい。
In addition, although the example produced with one rectangular plate was shown, each member may be produced separately and joined by welding etc., and the
ここで、セルスタック装置を長期間発電させると、Crを含有する合金からCrが燃料電池セル3の空気極層13や空気極層13と固体電解質層12との界面に拡散し、電気的な抵抗が増大し、燃料電池セルの発電性能が低下するおそれがある。そのため、集電部材4の表面の一部、好ましくは全体を希土類元素を含有するペロブスカイト形酸化物等を用いてCr拡散抑制層により覆うことが好ましい。それにより、集電部材4からCrが燃料電池セル3の空気極層13や空気極層13と固体電解質層12との界面に拡散することを抑制でき、発電効率の向上したセルスタック装置1とすることができる。
Here, when the cell stack device generates electric power for a long period of time, Cr diffuses from the Cr-containing alloy to the
本発明のセルスタック装置1は、燃料電池セル3の内部に設けられた第1反応ガス流路
(燃料ガス流路)9に燃料ガスを流し、燃料電池セル3間に設けられた第2反応ガス流路(酸素含有ガス流路)8に酸素含有ガスを流すことで発電を行なう。
The
従来のセルスタック装置では、第2反応ガス流路8から酸素含有ガスがセルスタック2の外側に流れ出てしまい、空気極層13に供給される酸素含有ガスの量が未だに十分ではなく、セルスタック装置の発電効率が低下してしまうおそれがあった。
In the conventional cell stack apparatus, the oxygen-containing gas flows out of the
本発明のセルスタック装置1を構成する集電部材4は、集電部材4と空気極層13とで接続される燃料電池セル3側に向けて、セル配列方向に沿って側板部4eが延びている(配置されている)ことから、セルスタック2の外側に酸素含有ガスが流れることを抑制することができる。それにより、空気極層(外側電極層)13に十分な量の酸素含有ガスを供給することができ、燃料電池セル3の発電効率を向上させることができる。そのため、発電効率の向上したセルスタック装置1とすることができる。
In the current collecting
図3に示すように、燃料電池セル3の一方側主面15aにインターコネクタ14が燃料電池セルの長手方向の全域にわたって設けられており、他方側主面15bに空気極層13が燃料電池セル3の上端部および下端部を除き設けられている。燃料電池セル3は、燃料電池セル3の内側電極層(燃料極層)(図示せず)、固体電解質層および外側電極層(空気極層)13がこの順に積層されている部位が発電部となり発電を行なう。なお、図3においては、P型半導体層は図示していない。また、燃料ガスは実線の矢印、酸素含有ガスは破線の矢印で示している。
As shown in FIG. 3, an
そのため、集電部材4の長手方向の長さは、空気極層の長手方向の長さと同等かもしくはそれ以上の長さになることが好ましく、それにより、効率よく集電することができる。
Therefore, the length in the longitudinal direction of the current collecting
集電片4a、4bのセル幅方向に沿った長さは、空気極層13またはインターコネクタ14と接触する部位の長さが空気極層13またはインターコネクタ14の幅方向の長さと同等かもしくはそれ以上の長さとすることが好ましい。それにより、効率よく集電することができる。なお、集電片4a、4bの幅方向の長さが、長くなりすぎると第2反応ガス流路8がセル幅方向に広がりすぎるため、十分な量の酸素含有ガスを供給することができなくなるおそれがあり、空気極層13に十分な量の酸素含有ガスを供給できるように、適宜設定して設ける必要がある。
The length of the
ところで、燃料電池セル3は導電体のため、集電部材4の側板部4eが燃料電池セル3と接触した場合、セルスタック装置1が電気的に短絡するおそれがあり、セルスタック装置1の長期信頼性が低下するおそれがある。
By the way, since the
そのため、集電部材4の側板部4eの燃料電池セル3と対向する面を、絶縁層により覆われていることが好ましい。絶縁性層は、アルミナ、酸化亜鉛等の公知の絶縁性材料を用いて作製することができる。さらに、側板部4eの全表面が、絶縁層により覆われることがより好ましい。それにより、さらにセルスタック装置1が電気的に短絡することを防止することができる。また、側板部4eを絶縁体により形成し、延伸部4dと接続してもよい。なお、延伸部4dを絶縁層により覆う構成としてもよい。それにより、セルスタック装置1の長期信頼性を向上させることができる。
Therefore, it is preferable that the surface facing the
なお、前述したCr拡散抑制コーティングは、絶縁性のコーティングを施す場合に、絶縁性のコーティングを施した部位に設けなくてもよい。絶縁性のコーティングにおいてもCrの拡散を抑制することができるためである。 Note that the Cr diffusion suppression coating described above does not have to be provided at the site where the insulating coating is applied when the insulating coating is applied. This is because Cr diffusion can be suppressed even in an insulating coating.
また、本発明の集電部材4は、燃料電池セル3の外部に側板部4eが設けられているこ
とから、側板部4eより効率よく放熱することができ、集電部材4が高温となることを抑制することができる。それにより、集電部材4が高温により劣化することを抑制することができる。
Moreover, since the current collecting
図4は、本発明のセルスタック装置の他の一例を示し、(a)は、燃料電池セル3と集電部材16との接続を概略的に示す平面図、(b)は、燃料電池セル3と集電部材16との接続を概略的に示す側面図である。
4A and 4B show another example of the cell stack device of the present invention. FIG. 4A is a plan view schematically showing connection between the
図4に示す集電部材16は、側板部16eが、集電部材16と外側電極層13にて接続される燃料電池セル3のインターコネクタ14まで配置されている点と、接続部16cが燃料電池セル3の外側まで延びている点とが集電部材4と異なり、それ以外の構成は集電部材4と同様である。
In the current collecting
図4(a)に示すように、セルスタック2が集電部材16を介して燃料電池セル3を複数個配列してなるため、側板部16eがセル配列方向に沿って連なっている。そのため、酸素含有ガスがセルスタック2の外部に流れ出ることを抑制することができ、空気極層13に酸素含有ガスをさらに供給することができ、セルスタック装置1の発電効率をさらに向上させることができる。
As shown in FIG. 4A, since the
また、酸素含有ガスがセルスタック2の外部に流れ出ることを抑制することができることから、十分な量の発電に使用されなかった酸素含有ガスを燃料電池セル3の上端部側(燃焼部)に供給することができる。
Further, since the oxygen-containing gas can be prevented from flowing out of the
さらに、側板部16eが、集電部材16と外側電極層13にて接続される燃料電池セル3のインターコネクタ14まで配置されていることから、燃料電池セル3の側方またはインターコネクタ14側を流れる酸素含有ガスが、セルスタック2の外側に流れ出ることを抑制し、空気極層13や燃焼部に供給することができる。
Further, since the
集電部材16の長手方向における側板部16eの長さは、集電部材16を構成するユニットの長さと同等かそれ以上の長さが好ましい。ユニットと同等の長さとすることで、集電部材16を容易に作製することができる。また、集電部材16の長手方向における側板部16eの長さを集電部材16の長手方向の長さと同等としてもよい。それにより、酸素含有ガスがセルスタックの外部に流れ出ることをさらに抑制することができる。
The length of the
側板部16eのセル長手方向の長さは、図4(a)に示すように、一方の集電部材16の接続部16cから燃料電池セル3を介して隣り合う他方の集電部材16の接続部16cにかけて設けられることが好ましいことから、セルスタック2に応じて適宜設定すればよい。
As shown in FIG. 4A, the length of the
ところで、隣り合う集電部材16同士が接触すると電気的に短絡が生じ、集電部材16が破損するおそれがあるが、前述の絶縁性のコーティングを施すことにより、電気的な短絡を抑制することができる。
By the way, when the adjacent
図5は、本発明のセルスタック装置のさらに他の一例を示し、セルスタック装置1を構成する集電部材17の斜視図である。図6は、図5に示す集電部材17を備えてなるセルスタック装置1を示し、(a)は、燃料電池セル3と集電部材17との接続を概略的に示す平面図、(b)は、燃料電池セル3と集電部材17との接続を概略的に示す側面図である。
FIG. 5 is a perspective view of a current collecting
図5に示す集電部材17は、一端が接続部17cと接続された延伸部17dの他端と接
続され、セル配列方向に沿って隣り合うそれぞれの燃料電池セル3側に配置された側板部17eを備えている。また、集電部材17の最も高い位置に位置する接続部17c、延伸部17dおよび側板部17eが燃料電池セル3の長手方向に延びて設けられている。その他の点においては、集電部材4と同様の構成である。
The current collecting
集電部材17は、隣り合うそれぞれの燃料電池セル3の外側に側板部17eが配置されていることから、酸素含有ガスがセルスタックの外側に流れ出ることを抑制することができ、空気極層13や燃焼部に十分な量の酸素含有ガスを供給することができる。
Since the current collecting
側板部17eのセル配列方向の長さは、酸素含有ガスがセルスタック2の外部に流れ出ることを抑制する点で長い方が好ましいが、隣り合う集電部材17の側板部17e同士が重ならないように設けることで、酸素含有ガスがセルスタック2の外部に流れることを抑制しつつ、集電部材17のコストを低下させることができる。
The length of the
なお、図6に示す集電部材17は、延伸部17dに集電部材17に接合される燃料電池セル3のそれぞれの外側に側板部17eを設けた例を示したが、側板部17eを1枚の板部材から設け、側板部17eの中央部と延伸部17dとを接合して集電部材17を作製してもよい。
In the current collecting
集電部材17は、延伸部17dに接続された側板部17eが互いにセル配列方向において、それぞれ配置されていることから、側板部のセル配列方向における長さ(図5においては、それぞれの側板部17eの長さの和)が長くなった場合においても、集電部材4のハンドリング性が低下することを抑制することができる。つまり、側板部17eのセル配列方向の中央部において、延伸部17dと接続されているため、側板部17eのセル配列方向の長さが長くなった場合においても、延伸部17dとの接続部位からの長さを短くすることができる。それにより、集電部材17のハンドリング性を向上させることができる。
Since the current collecting
また、側板部17eを1枚の板部材から形成した場合においても、側板部17eの中央部と延伸部17dとが接続されていることから、集電部材17のハンドリング性を向上させることができる。
Further, even when the
ここで、本発明のセルスタック装置1は、発電に使用されなかった燃料ガスと酸素含有ガスとを燃焼させる構成である。電気の使用量の少ない夜間等では、セルスタック2に供給される燃料ガスおよび酸素含有ガスが少なくなるとともに、セルスタック2も低温となるため、失火が生じやすくなる。
Here, the
本発明のセルスタック装置1を構成する集電部材17は、最も高い位置に位置する接続部17c、延伸部17dおよび側板部17eが燃料電池セル3の長手方向に延びて設けられていることから、第2反応ガス流路8を燃料電池セル3の上端部付近まで形成することができる。それにより、第2反応ガス流路を流れる発電に使用されなかった酸素含有ガスを燃料電池セル3の上端部側に効率よく供給することができ、セルスタック2に供給される酸素含有ガスの量が少ない場合においても、失火が生じることを抑制することができる。
In the current collecting
図7は、本発明のセルスタック装置のさらに他の一例を示し、セルスタック装置1を構成する集電部材18の斜視図である。集電部材18は上述した集電部材4とは構成が異なるものである。
FIG. 7 shows still another example of the cell stack device of the present invention, and is a perspective view of a current collecting
集電部材18は、隣接する一方の燃料電池セル3と接続される複数の集電片18aと、
隣接する他方の燃料電池セル3と接続される複数の集電片18bと、集電片18aの一端と集電片18bの他端とを接続するための導電性接続片18gと、他の集電片18aの他端と集電片18bの一端とを接続するための導電性接続片18hとをユニットとして、燃料電池セル3の長手方向に連続して形成されている。そして、集電部材18は、集電片18a、18bおよび導電性接続片18g、18hとの接続部18cからセル幅方向に沿って、燃料電池セル3の外側まで延びる延伸部18dが設けられ、延伸部18dと接続され、集電部材18と空気極層13にて接続される燃料電池セル3の外側に配置された側板部18eを備えている。
The current collecting
A plurality of current collecting
このような集電部材18においても、空気極層13に十分な量の酸素含有ガスを供給することができ、発電効率の向上したセルスタック装置とすることができる。
Also in such a current collecting
また、一枚の板部材を側板部18eとして設け、側板部18eと接続部18cとを延伸部18dにより接続していることから、集電部材18を容易に作製することができる。それにより、集電部材18の製造コストを低下させることができる。
Further, since one plate member is provided as the
なお、図7に示す集電部材18は、側板部18eが一枚の板部材からなり、複数の延伸部18dを設けた例を示したが、複数の板部材により側板部18eを形成してもよい。また、延伸部18dを複数設けずに、1つのみから集電部材18を形成してもよい。
In the current collecting
集電部材18は、上述した他の集電部材と同様の方法にて作製することができる。例えば、一枚の板部材(矩形板)に所定の切り欠きが得られるようにプレス加工し、切り欠かれた矩形板を適宜折り曲げて作製することができる。
The current collecting
図8は、本発明のセルスタック装置1を収納容器内に収納してなる燃料電池モジュール25の一例を示す外観斜視図であり、直方体状の収納容器26の内部に、図1に示したセルスタック装置1を収納して構成されている。
FIG. 8 is an external perspective view showing an example of a
なお、燃料電池セル3にて使用する燃料ガスを得るために、天然ガスや灯油等の原燃料を改質して燃料ガスを生成するための改質器27がセルスタック2の上方に配置されている。そして、改質器27で生成された燃料ガスは、ガス流通管28を介してマニホールド7に供給され、マニホールド7を介して燃料電池セル3の内部に設けられた第1反応ガス流路9に供給される。
A reformer 27 for reforming raw fuel such as natural gas or kerosene to generate fuel gas is disposed above the
なお、図8においては、収納容器26の一部(前後面)を取り外し、内部に収納されているセルスタック装置1および改質器27を後方に取り出した状態を示している。ここで、図1に示した燃料電池モジュール25においては、セルスタック装置1を、収納容器26内にスライドして収納することが可能である。なお、セルスタック装置1は、改質器27を含むものとしても良い。
FIG. 8 shows a state in which a part (front and rear surfaces) of the
また収納容器26の内部に設けられた第2反応ガス導入部材29は、図8においてはマニホールド7に並置されたセルスタック2の間に配置されるとともに、第2反応ガス(酸素含有ガス)が燃料ガスの流れに合わせて、燃料電池セル3の側方を下端から上端に向けて流れるように、燃料電池セル3の下端に酸素含有ガスを供給する。そして、燃料電池セル3の第1反応ガス流路9より排出される燃料ガスと酸素含有ガスとを燃料電池セル3の上端部側で燃焼させることにより、燃料電池セル3の温度を上昇させるまたは高温に維持することができる。また、燃料電池セル3の上端部側にて、燃料電池セル3の燃料ガス流路から排出される燃料ガスと酸素含有ガスとを燃焼させることにより、燃料電池セル3(セルスタック2)の上方に配置された改質器27を効率よく温めることができる。それにより、改質器27で効率よく改質反応を行うことができる。
In addition, the second reaction
さらに、本発明の燃料電池モジュール25においても、長期信頼性が向上した燃料電池セル3を用いて構成されるセルスタック装置1を収納容器26内に収納してなることから、長期信頼性が向上した燃料電池モジュール25とすることができる。
Furthermore, in the
ここで、セルスタック装置1に失火が生じると、燃料電池モジュール25の温度が低下するとともに、改質器27を十分に温めることができず、生成度の低い燃料ガスが燃料電池セル3に供給され、燃料電池セル3が劣化し、燃料電池モジュール25の長期信頼性が低下してしまうおそれがあった。
Here, if a misfire occurs in the
本発明の燃料電池モジュール25においては、失火を抑制できるセルスタック装置1を収納容器26内に収納してなることから、長期信頼性の向上した燃料電池モジュール25とすることができる。
In the
図9は、外装ケース内に図8で示した燃料電池モジュール25と、セルスタック装置1を作動させるための補機とを収納してなる本発明の燃料電池装置30の一例を示す分解斜視図である。なお、図9においては一部構成を省略して示している。
FIG. 9 is an exploded perspective view showing an example of the
図9に示す燃料電池装置30は、支柱31と外装板32から構成される外装ケース内を仕切板33により上下に区画し、その上方側を上述した燃料電池モジュール25を収納するモジュール収納室34とし、下方側を燃料電池モジュール25を動作させるための補機類を収納する補機収納室35として構成されている。なお、補機収納室35に収納する補機類を省略して示している。
The
また、仕切板33には、補機収納室35の空気をモジュール収納室34側に流すための空気流通口36が設けられており、モジュール収納室34を構成する外装板32の一部に、モジュール収納室34内の空気を排気するための排気口37が設けられている。
Further, the
このような燃料電池装置30においては、上述したように、長期信頼性の向上した燃料電池モジュール25をモジュール収納室34に収納して構成することにより、長期信頼性の向上した燃料電池装置30とすることができる。
In such a
以上、本発明について詳細に説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更、改良等が可能である。 Although the present invention has been described in detail above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications and improvements can be made without departing from the scope of the present invention.
例えば、上述したセルスタック装置1においては、第1反応ガスとして燃料ガスを、第2反応ガスとして酸素含有ガスを用いる場合について例示したが、第1反応ガスとして酸素含有ガスを、第2反応ガスとして燃料ガスを用いる構成とすることもできる。この場合においては、内側電極層を空気極層13とし、外側電極層を燃料極層11とする構成の燃料電池セル3とし、第1反応ガス流路9に酸素含有ガスを供給し、第2反応ガス流路19に燃料ガスを供給すればよい。またこの場合において、モジュール20を構成する収納容器21は適宜構成を変更すればよい。
For example, in the
1:セルスタック装置
2:セルスタック
3:燃料電池セル
4、16、17、18:集電部材
4a、4b、16a、16b、17a、17b、18a、18b:集電片
4c、16c、17c、18c:接続部
4d、17d、18d:延伸部
4e、16e、17e、18e:側板部
4f、16f、17f:導電性連結部
8:第2反応ガス流路
9:第1反応ガス流路
18g、18h:導電性接続片
25:燃料電池モジュール
30:燃料電池装置
1: Cell stack device 2: Cell stack 3:
Claims (7)
前記燃料電池セルは、前記第1反応ガスを下端から上端へ流すための第1反応ガス流路を内部に備える導電性支持体と、該導電性支持体上に配置され、内側電極層、固体電解質層および外側電極層をこの順に積層してなる積層体と、前記外側電極層と対向するように前記導電性支持体上に配置されたインターコネクタとを備え、隣り合う前記燃料電池セル間が前記第2反応ガスを下方から上方に流すための第2反応ガス流路として構成されており、
前記集電部材は、隣接する一方の前記燃料電池セルの外側電極層と隣接する他方の前記燃料電池セルのインターコネクタとを電気的に接続するための、所定間隔を空けて配置された前記燃料電池セルの幅方向に沿う板状の一対の集電片と、該一対の集電片の端部同士を接続する接続部とを一組として、前記燃料電池セルの長手方向に連続して複数組が形成されているとともに、
前記接続部と接続されており、当該集電部材と前記外側電極層にて接続されている前記燃料電池セル側に、前記燃料電池セルの配列方向に沿って延びている側板部を備えることを特徴とするセルスタック装置。 A cell stack device comprising a cell stack in which a plurality of columnar fuel cells that generate power with a first reaction gas and a second reaction gas are erected and arranged via a current collecting member,
The fuel battery cell includes a conductive support having a first reactive gas channel for flowing the first reactive gas from the lower end to the upper end, and an inner electrode layer, a solid disposed on the conductive support. A laminate formed by laminating an electrolyte layer and an outer electrode layer in this order; and an interconnector disposed on the conductive support so as to face the outer electrode layer, and between adjacent fuel cells. It is configured as a second reaction gas channel for flowing the second reaction gas from below to above,
The current collecting member is disposed at a predetermined interval to electrically connect an outer electrode layer of one of the adjacent fuel cells and an interconnector of the other adjacent fuel cell. A set of a pair of plate-like current collecting pieces along the width direction of the battery cell and a connecting portion for connecting the ends of the pair of current collecting pieces as a set, a plurality of continuously A pair is formed,
A side plate portion that is connected to the connecting portion and that extends along the arrangement direction of the fuel cells on the fuel cell side connected to the current collecting member and the outer electrode layer. A cell stack device.
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