JP2014035990A - 燃料電池及び燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成で且つ均一な押圧力で、上基盤と下基盤との間で燃料電池スタックを押圧できる燃料電池、及びこれを備える燃料電池システムを提供する。
【解決手段】本発明の燃料電池２は、発電セルとセパレータとが交互に複数積層されて構成される燃料電池スタック３と、燃料電池スタック３を発電セルとセパレータとの積層方向Ｄ１に直接的に又は間接的に挟む上基盤４及び下基盤５と、燃料電池スタック３を積層方向Ｄ１に対して直交する横方向Ｄ２から覆う断熱壁部材６であって、断熱壁部材６の内側の空間６１と外側の空間６２との間の断熱を行う断熱壁部材６と、を備え、上基盤４と断熱壁部材６とは、一体的に構成されると共に、上基盤４が燃料電池スタック３を下基盤５に向けて加重する錘として機能する。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池及びこれを備える燃料電池システムに関する。

燃料電池は、燃料電池のアノードに供給されたアノードガスと、カソードに供給されたカソードガスとが化学反応することにより発電する。平板型ＳＯＦＣ（平板型固体酸化物形燃料電池）等の燃料電池として、発電セルとセパレータ（インタコネクタ）とが交互に複数積層されて構成される燃料電池スタックと、燃料電池スタックを収容する断熱部材と、を備えるものが知られている（例えば、下記特許文献１参照）。断熱容器を備えることにより、燃料電池スタックの内側の温度と、燃料電池スタックの外側であって断熱容器の内側の温度とを、均一に保ちやすくなる。

また、燃料電池スタックを発電セルとセパレータとの積層方向に挟む板状の上基盤と下基盤とが、ボルト、ナット等により締め付けられることによって、燃料電池スタックは、積層方向に押圧される（例えば、下記特許文献２参照）。これにより、発電セルとセパレータとの隙間が小さくなり、ガスや液体のリークが低減され、電気的な導通が確保又は向上される。

特開２００７−０７３３５７号公報 特開２００９−２１７９６０号公報

上基盤と下基盤とがボルト、ナット等により締め付けられることによって、燃料電池スタックが積層方向に押圧される形態においては、ボルト、ナットなどの締め付けトルクを高精度で管理する必要がある。特に、燃料電池スタックの周りの雰囲気温度の変化や、経年変化（セパレータの酸化）に伴う燃料電池スタックの大きさの変化を吸収する必要がある。それを実現する従来の構成では、部品点数が多くなり、構造が複雑になっていた。また、ボルト、ナットなどの周辺において、燃料電池スタックへの押圧力（加圧力）に偏りが生じ、その結果、ガスシール等の耐久性が低くなることがあった。

本発明は、簡易な構成で且つ均一な押圧力で、上基盤と下基盤との間で燃料電池スタックを押圧できる燃料電池、及びこれを備える燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明は、発電セルとセパレータとが交互に複数積層されて構成される燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックを前記発電セルと前記セパレータとの積層方向に直接的に又は間接的に挟む上基盤及び下基盤と、前記燃料電池スタックを前記積層方向に対して直交する横方向から覆う断熱壁部材であって、前記断熱壁部材の内側の空間と外側の空間との間の断熱を行う断熱壁部材と、を備え、前記上基盤と前記断熱壁部材とは、一体的に構成されると共に、前記上基盤が前記燃料電池スタックを前記下基盤に向けて加重する錘として機能する燃料電池に関する。

また、前記断熱壁部材は、前記下基盤に向かう移動が前記下基盤によって阻害されないように構成されることが好ましい。

また、前記下基盤における前記燃料電池スタックの側には、前記積層方向に沿って前記上基盤に向けて延びるガイド部材が設けられ、前記上基盤は、前記ガイド部材が挿通されるガイド孔を有し、前記ガイド部材が前記ガイド孔に挿通された状態において前記下基盤に向けて移動可能に構成されることが好ましい。

また、前記断熱壁部材の下端部は、前記横方向に視た場合に、前記下基盤の側面に重なる位置に配置されることが好ましい。

本発明は、前記燃料電池と、前記燃料電池からオフガスを排気するオフガスラインと、前記オフガスラインに接続され、オフガスを燃焼させて燃焼ガスが発生する燃焼器と、前記燃焼器で発生した燃焼ガスを、前記断熱壁部材の内側の空間に供給する燃焼ガスラインと、前記燃焼ガスラインに設けられ、前記燃焼ガスラインを流通する燃焼ガスの熱を媒体に伝達させて前記媒体との間で熱交換を行う熱交換器と、を備える燃料電池システムに関する。

また、前記断熱壁部材の内面と前記下基盤の側面との間に、前記燃料電池で発生した排ガスが流通可能な下基盤排ガス流路が形成されることが好ましい。

本発明によれば、簡易な構成で且つ均一な押圧力で、上基盤と下基盤との間で燃料電池スタックを押圧できる燃料電池、及びこれを備える燃料電池システムを提供することができる。

実施形態に係る燃料電池システム１の全体構成図である。 燃料電池２の概略構成図である。

以下、本発明に係る燃料電池及びこれを備える燃料電池システムの実施形態を、図面を参照しながら説明する。図１は、実施形態に係る燃料電池システム１の全体構成図である。以下の説明において、「ライン」とは、流路、経路、管路等の総称である。

図１に示すように、本実施形態に係る燃料電池システム１は、燃料電池２と、燃焼器７と、熱交換器８と、を備える。
また、燃料電池システム１は、アノードガス供給ラインＬ１と、カソードガス供給ラインＬ２と、オフガスラインとしてのアノードオフガス排気ラインＬ３と、オフガスラインとしてのカソードオフガス排気ラインＬ４と、排ガス排気ラインＬ５と、燃焼ガスラインＬ６と、媒体流通ラインＬ７と、を備える。

燃料電池２は、アノード側に供給されたアノードガス及びカソード側に供給されたカソードガスを反応させて発電する。発電により得られた直流電力は、例えば、ＤＣ／ＡＣコンバータ等（不図示）を介して交流電力に変換される。また、発電により生じたアノードオフガス及びカソードオフガスは、燃焼器７に送出される。

アノードガス供給ラインＬ１は、アノードガスの供給源から送出されたアノードガスが流通するラインである。アノードガス供給ラインＬ１の下流側の端部は、燃料電池２のアノード側に接続されている。

カソードガス供給ラインＬ２は、カソードガスの供給源から送出されたカソードガスが流通するラインである。カソードガス供給ラインＬ２の下流側の端部は、燃料電池２のカソード側に接続されている。

アノードオフガス排気ラインＬ３は、燃料電池２からアノードオフガスを排気するラインである。アノードオフガス排気ラインＬ３の上流側の端部は、燃料電池２のアノードオフガス排気口に接続されている。アノードオフガス排気ラインＬ３の下流側の端部は、燃焼器７のアノードオフガス導入口に接続されている。

カソードオフガス排気ラインＬ４は、燃料電池２からカソードオフガスを排気するラインである。カソードオフガス排気ラインＬ４の上流側の端部は、燃料電池２のカソードオフガス排気口に接続されている。カソードオフガス排気ラインＬ４の下流側の端部は、燃焼器７のカソードオフガス導入口に接続されている。

燃焼器７は、アノードオフガス排気ラインＬ３及びカソードオフガス排気ラインＬ４に接続され、燃料電池２から排気されたアノードオフガス及びカソードオフガスを燃焼させる。

排ガス排気ラインＬ５は、燃料電池２の発電により発生した排ガスＧ１を排気するラインである。排ガス排気ラインＬ５の上流側の端部は、燃料電池２のハウジング２１の内側であって断熱壁部材６の外側の空間（外側空間）６２（詳細は後述）に接続されている。

燃焼ガスラインＬ６は、燃焼器７の排気口と燃料電池２における断熱壁部材６の内側の空間（内側空間）６１（詳細は後述）とを接続する。燃焼器７における燃焼により発生した燃焼ガスは、燃焼ガスラインＬ６を介して、燃料電池２の内側空間６１に送出されて供給される。

燃焼ガスラインＬ６には、熱交換器８が設けられている。熱交換器８には、媒体流通ラインＬ７が接続されている。熱交換器８は、燃焼器７から排気された燃焼ガスであって燃焼ガスラインＬ６を流通する燃焼ガスの熱を、媒体流通ラインＬ７を流通する媒体Ｂ１に伝達させて、媒体Ｂ１との間で熱交換を行い、媒体Ｂ１を加熱する。媒体Ｂ１は、液体（水）でもよく、気体（空気、ガス）でもよい。

次に、燃料電池２の詳細について説明する。図２は、燃料電池２の概略構成図である。
燃料電池２は、燃料電池スタック３と、上基盤４と、下基盤５と、断熱壁部材６と、ハウジング２１と、ガイド部材５５と、を備える。
燃料電池スタック３は、発電セルとセパレータとが交互に複数積層されて構成される。

上基盤４及び下基盤５は、板状部材からなり、燃料電池スタック３を、発電セルとセパレータとの積層方向Ｄ１に直接的に又は間接的に挟む。「間接的に挟む」とは、上基盤４と燃料電池スタック３との間、又は下基盤５と燃料電池スタック３との間に、他の部材（ボルト頭部など）が介在している状態で挟むことを意味する。
燃料電池スタック３が上基盤４と下基盤５との間で積層方向Ｄ１に押圧されることにより、発電セルとセパレータとの隙間が小さくなり、ガスや液体のリークが低減され、電気的な導通が確保又は向上される。

断熱壁部材６は、燃料電池スタック３を、積層方向Ｄ１に対して直交する横方向Ｄ２から覆う。断熱壁部材６は、上部及び下部が開口した円筒状又は角筒状となっている。断熱壁部材６は、断熱壁部材６の内側の空間（内側空間）６１と外側の空間（外側空間）６２との間の断熱を行う。断熱壁部材６の上部は、後述するように、上基盤４により封鎖される。断熱壁部材６の下部は、後述するように、下基盤５によりほぼ封鎖される。断熱壁部材６を備えることにより、燃料電池スタック３の内側の温度と、燃料電池スタック３の外側であって断熱壁部材６の内側の空間（内側空間）６１の温度とを、均一に保ちやすくなる。断熱壁部材６は、例えば、シリカなどのセラミック材料から形成される。

ハウジング２１は、燃料電池スタック３、上基盤４、下基盤５及び断熱壁部材６を収容する。ハウジング２１の内側であって断熱壁部材６の外側の空間（外側空間）６２には、排ガス排気ラインＬ５の上流側の端部が接続されている。

ガイド部材５５は、下基盤５における燃料電池スタック３の側（上側）に設けられ（載置され）、積層方向Ｄ１に沿って上基盤４に向けて延びている。本実施形態におけるガイド部材５５は、ボルト状部材から構成されている。ボルト状部材は、軸状のロッド部５６と、ロッド部５６よりも横方向Ｄ２の外方に延出する形状を有するボルト頭部５７と、を有する。ボルト頭部５７が下基盤５の上面５３に載置される。

なお、ガイド部材５５は、両端部に雄ネジを有するロッド部材と、それぞれの雄ネジに螺合されたナットとから、構成されることもできる。ガイド部材５５を構成するボルトやナットは、下基盤５に載置されなくてもよく、例えば、下基盤５よりも横方向Ｄ２の外方に配置されていてもよい。この場合、燃料電池スタック３は、下基盤５に直接的に又は間接的に（ボルト、ナット以外の部材を介して）載置される。

上基盤４は、ガイド部材５５のロッド部５６が挿通されるガイド孔４１を有する。ガイド孔４１は、積層方向Ｄ１に沿って延びている。上基盤４は、ガイド部材５５のロッド部５６がガイド孔４１に挿通された状態において、下基盤５に向けて移動可能に構成される。

上基盤４と断熱壁部材６とは、一体的に構成されると共に、上基盤４が燃料電池スタック３を下基盤５に向けて加重する錘として機能する。詳細には、上基盤４の下部と断熱壁部材６とが連結されており、これにより、断熱壁部材６の上部は、上基盤４により封鎖される。上基盤４及び断熱壁部材６は、全体視で釣り鐘形状を有する。「一体的に構成される」とは、両者が完全に一体的に構成されている態様のみならず、別体を連結した結果一体的になった態様も含む。

断熱壁部材６は、下基盤５に向かう移動が下基盤５によって阻害されないように構成される。詳細には、断熱壁部材６の内面６３と下基盤５の側面５１との間に、間隙が形成される。この間隙は、燃料電池２で発生した排ガスＧ１が流通可能な下基盤排ガス流路５２として機能する。間隙としての下基盤排ガス流路５２の大きさ、形状などは、排ガスＧ１が流通可能であると共に、断熱壁部材６による断熱機能が確保できる範囲で設定される。つまり、断熱壁部材６の下部は、下基盤５によりほぼ封鎖されることになる。

断熱壁部材６の下端部６４は、横方向Ｄ２に視た場合に、下基盤５の側面５１に重なる位置に配置される。つまり、断熱壁部材６の下端部６４は、下基盤５の上面５３よりも低く、下基盤５の下面５４よりも高い位置に位置する。

上述した実施形態に係る燃料電池２を備える燃料電池システム１によれば、例えば、以下のような効果が得られる。

本実施形態に係る燃料電池２においては、上基盤４と断熱壁部材６とは、一体的に構成されると共に、上基盤４が燃料電池スタック３を下基盤５に向けて加重する錘として機能する。そのため、本実施形態に係る燃料電池２によれば、断熱壁部材６を錘として利用するため、錘のための新たな部材などをほとんど追加することなく、燃料電池スタック３を押圧する構成を実現することができる。ボルト、ナットなどの締め付けトルクを管理する必要がない。上基盤４及び断熱壁部材６を、重量の異なるものに変更したり、上基盤４及び／又は断熱壁部材６に外付けで錘を追加したりすることにより、燃料電池スタック３への押圧力を容易に変更することができる。燃料電池スタック３への押圧力を均一に付与することが容易である。

また、本実施形態に係る燃料電池２においては、断熱壁部材６は、下基盤５に向かう移動が下基盤５によって阻害されないように構成される。そのため、本実施形態に係る燃料電池２によれば、上基盤４及び断熱壁部材６は、下基盤５に向かう方向にスムーズに移動できる。

また、本実施形態に係る燃料電池２においては、下基盤５における燃料電池スタック３の側には、積層方向Ｄ１に沿って上基盤４に向けて延びるガイド部材５５が設けられ、上基盤４は、ガイド部材５５が挿通されるガイド孔４１を有し、ガイド部材５５がガイド孔４１に挿通された状態において下基盤５に向けて移動可能に構成される。そのため、本実施形態に係る燃料電池２によれば、上基盤４及び断熱壁部材６は、より確実に下基盤５に向かう方向に移動できる。

また、本実施形態に係る燃料電池２においては、断熱壁部材６の下端部６４は、横方向Ｄ２に視た場合に、下基盤５の側面５１に重なる位置に配置される。そのため、本実施形態に係る燃料電池２によれば、断熱壁部材６と下基盤５との間の断熱性を確保しやすい。

また、本実施形態に係る燃料電池システム１は、オフガスラインとしてのアノードオフガス排気ラインＬ３及びカソードオフガス排気ラインＬ４に接続され、オフガスを燃焼させて燃焼ガスが発生する燃焼器７と、燃焼器７で発生した燃焼ガスを断熱壁部材６の内側空間６１に供給する燃焼ガスラインＬ６と、燃焼ガスラインＬ６を流通する燃焼ガスの熱を媒体Ｂ１に伝達させて媒体Ｂ１との間で熱交換を行う熱交換器８と、を備える。

そのため、本実施形態に係る燃料電池システム１によれば、媒体流通ラインＬ７及び熱交換器８を流通する媒体Ｂ１の量、温度などを調整することにより、断熱壁部材６の内側空間６１に供給する燃焼ガスの温度、すなわち、燃料電池スタック３の外側の温度を調整することができる。

また、本実施形態に係る燃料電池システム１においては、断熱壁部材６の内面６３と下基盤５の側面５１との間に、燃料電池２で発生した排ガスＧ１が流通可能な下基盤排ガス流路５２が形成される。そのため、燃料電池２で発生した排ガスＧ１を排気するためのラインを別途設ける必要がない。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明した。しかし、本発明は、上述した実施形態に限定されることなく、種々の形態で実施することができる。
例えば、本実施形態に係る燃料電池システム１においては、断熱壁部材６の内面６３と下基盤５の側面５１との間に、燃料電池２で発生した排ガスＧ１が流通可能な下基盤排ガス流路５２が形成されているが、これに制限されない。断熱壁部材６の内面６３と下基盤５の側面５１との間が密閉された構成を採用することができる。この場合、燃料電池２で発生した排ガスＧ１を排出するラインを別途設ける必要がある。

１ 燃料電池システム
２ 燃料電池
３ 燃料電池スタック
４ 上基盤
５ 下基盤
６ 断熱壁部材
７ 燃焼器
８ 熱交換器
４１ ガイド孔
５１ 側面
５２ 下基盤排ガス流路
５５ ガイド部材
６１ 内側空間（内側の空間）
６２ 外側空間（外側の空間）
６３ 内面
６４ 下端部
Ｂ１ 媒体
Ｄ１ 積層方向
Ｄ２ 横方向
Ｇ１ 排ガス
Ｌ１ アノードガス供給ライン
Ｌ２ カソードガス供給ライン
Ｌ３ アノードオフガス排気ライン
Ｌ４ カソードオフガス排気ライン
Ｌ５ 排ガス排気ライン
Ｌ６ 燃焼ガスライン
Ｌ７ 媒体流通ライン

Claims (6)

1. 発電セルとセパレータとが交互に複数積層されて構成される燃料電池スタックと、
   前記燃料電池スタックを前記発電セルと前記セパレータとの積層方向に直接的に又は間接的に挟む上基盤及び下基盤と、
   前記燃料電池スタックを前記積層方向に対して直交する横方向から覆う断熱壁部材であって、前記断熱壁部材の内側の空間と外側の空間との間の断熱を行う断熱壁部材と、を備え、
   前記上基盤と前記断熱壁部材とは、一体的に構成されると共に、前記上基盤が前記燃料電池スタックを前記下基盤に向けて加重する錘として機能する
   燃料電池。
2. 前記断熱壁部材は、前記下基盤に向かう移動が前記下基盤によって阻害されないように構成される
   請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記下基盤における前記燃料電池スタックの側には、前記積層方向に沿って前記上基盤に向けて延びるガイド部材が設けられ、
   前記上基盤は、前記ガイド部材が挿通されるガイド孔を有し、前記ガイド部材が前記ガイド孔に挿通された状態において前記下基盤に向けて移動可能に構成される
   請求項２に記載の燃料電池。
4. 前記断熱壁部材の下端部は、前記横方向に視た場合に、前記下基盤の側面に重なる位置に配置される
   請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池と、
   前記燃料電池からオフガスを排気するオフガスラインと、
   前記オフガスラインに接続され、オフガスを燃焼させて燃焼ガスが発生する燃焼器と、
   前記燃焼器で発生した燃焼ガスを、前記断熱壁部材の内側の空間に供給する燃焼ガスラインと、
   前記燃焼ガスラインに設けられ、前記燃焼ガスラインを流通する燃焼ガスの熱を媒体に伝達させて前記媒体との間で熱交換を行う熱交換器と、を備える
   燃料電池システム。
6. 前記断熱壁部材の内面と前記下基盤の側面との間に、前記燃料電池で発生した排ガスが流通可能な下基盤排ガス流路が形成される
   請求項５に記載の燃料電池システム。

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