JP2018092904A - 燃料電池セルスタック装置及び固体酸化物形燃料電池装置 - Google Patents
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Abstract
Description
上記構成の本発明によれば、2列のセルスタックのみにより構成されるため、燃料電池セルスタック装置を小型化することができる。
本態様によれば、セルどうしを離間させるとともに、マニホールドどうしも離間させた配置とするため、製造時の組付けが容易な燃料電池スタックを提供することができる。
燃料ガスを図2(A)に記載のように、セル群10a及びセル群10bとの二段階で消費させて発電する場合、マニホールド2aに供給される改質ガスを含む燃料ガスを100とし、セル群10aで消費される量を40とすると、セル群10aは40÷100=0.4と計算されるから燃料利用率(Uf)は40%となる。さらに、セル群10aから排出される未使用の燃料ガスは60であり、これがセル群10bに供給される。セル群10bで消費される量をセル群10aと同じ40とすると、セル群10bにおける燃料利用率は、40÷60=0.667・・・であるから、燃料利用率は約67%となる。
燃料電池セル1aは、一対の対向する平坦面をもつ柱状の導電性支持基板34と、支持基板34の一方の平坦面上に形成された燃料側電極層36と、燃料側電極層36の外面に形成された固体電解質層38と、固体電解質層38の外面に形成された空気側電極層40と、からなる。また、燃料電池セル1aの他方の平坦面上にはインターコネクタ42が設けられている。
原料ガス及び水(水蒸気)は、燃料電池セルスタック装置100に供給管13A,13Bを通じて外部から改質器12に供給される。改質器12に供給された水は改質器12の蒸発部12Aにおいて燃焼部18の熱により蒸発される。そして、原料ガス及び水蒸気は改質部12Bへ送られる。原料ガス及び水蒸気は、改質部12Bにおいて燃焼部18の熱により、水素を含む燃料ガスに改質される。
本実施形態によれば、第1のセルスタック10aで使用された燃料ガスが第2のセルスタック10bに流れ込み、さらに消費される構成となるため、燃料利用率を高めることができる。また、燃料電池セル1a、1bの配列を大きく変更することなく二段階に燃料ガスを消費させることが可能となるため、発電効率が高く、製造が容易な燃料電池セルスタック装置を提供することができる。
まず、本発明の第2実施形態で用いる燃料電池セルについて図12及び図13を参照して説明する。
図12は、本発明の第2実施形態におけるセルスタックを構成するセルを示す図である。図13は、セル端部の拡大断面図である。
なお、支持体として多孔質の絶縁性支持体を用いることもでき、この場合においては、絶縁性支持体の外側に、内側電極層として燃料極層を形成する。
図14(A)及び図14(B)は本実施形態における燃料電池スタックを示したものである。上述した図1の燃料電池セルスタック1100のセル群配列の構成について、燃料電池スタック1100の幅方向(短辺方向)にセル群1010a、セル群1010b、セル群1010aの順に区画して配列させたもので、図14(A)において右側のセル群1010aと左側のセル群1010aとは図14の紙面奥手においてつながっている。このため、セル群1010aに配置の複数のセル1001が接続固定されるマニホールド1002bは、上面視において「コ」字状の形状である(図14(B))。
1a 燃料電池セル
1b 燃料電池セル
2a (第1の)マニホールド
2b (第2の)マニホールド
2b1 室
2b2 室
10a 第1のセルスタック(セル群)
10b 第2のセルスタック(セル群)
12 改質器
12A 蒸発部
12B 改質部
13A 供給管
13B 供給管
14 接続部
18 燃焼部
20 分配管
20A 開口
22 筐体
22A 開口
24 枠体
24A 開口
30 集電部材
30a 端部集電部材
30b 端部集電部材
32 連結集電部材
34 導電性支持基板
34A ガス流路
36 燃料側電極層
38 固体電解質層
40 空気側電極層
42 インターコネクタ
44 P型半導体層
46 断熱材
50 筐体
50a 下方筐体
50b 上方筐体
50c 第1の開口
50d 第2の開口
50e 突部
52 第1の枠体
52a 開口
52b 応力吸収機構
54 第2の枠体
54a 開口
56a ガラスシール
56b ガラスシール
60 仕切り板
60A 表面
60B 表面
60a 空気流通路
60b 上部貫通孔
60c 下部貫通孔
60d 下端噴出孔
60e 第1の空気噴出孔
60f 第2の空気噴出孔
90 断熱材
92 内側ハウジング
92a 排ガス排出孔
94 外側ハウジング
96 排ガス流路
98 空気流路
100 燃料電池セルスタック(装置)
1001 セル
1002a マニホールド
1002b マニホールド
1003 燃料極
1004 金属キャップ
1005 ガラス材料
1006 絶縁性支持部材
1007 ガラスリング
1008 空気極
1009 集電体
1010a セル群
1010b セル群
1011 改質器
1020 燃料ガス供給管
1100 燃料電池セルスタック
1101 セル本体
1102 キャップ
1102b 円環部
1103 燃料ガス流路
1104 内側電極層
1105 電解質層
1106 外側電極層
1107 燃料ガス流路
1108 銀ペースト
1109 ガラスシール
1300a 燃料電池スタック
1300b 燃料電池スタック
1301 セル
1302a マニホールド
1302b マニホールド
1302c マニホールド
1320a 燃料ガス供給管
1320b 燃料ガス供給管
1401 燃料電池セルスタック
1402 マニホールド
1450a 第1排出管
1450b 第2排出管
1451 有底キャップ
1452 連通キャップ
Claims (20)
- 燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により発電する燃料電池セルスタック装置であって、
内部に長手方向に延びるガス流路を有する複数の柱状の燃料電池セルを並置してなる第1のセルスタック及び第2のセルスタックが水平方向に並置されたセル群と、
原料ガスを、水素を含む燃料ガスに改質する改質器と、
前記第1のセルスタックの上端に接続され、前記改質器から供給された燃料ガスを、前記第1のセルスタックのそれぞれの燃料電池セルに上方から供給するための、前記改質器に接続された第1のマニホールドと、
前記第2のセルスタックの下端に接続され、前記第1のセルスタックから排出された燃料ガスを回収するとともに、回収した燃料ガスを、前記第2のセルスタックのそれぞれの燃料電池セルに下方から供給するための、前記改質器の下方に配置された第2のマニホールドと、
を備えたことを特徴とする燃料電池セルスタック装置。 - 前記セル群は、前記第1のセルスタック及び前記第2のセルスタックのみからなり、前記第1のセルスタック及び前記第2のセルスタックは、それぞれ複数の燃料電池セルが一列に並置されて構成されている、請求項1に記載の燃料電池セルスタック。
- 内部流路を流通する燃料ガスと外表面に供給される酸化剤ガスによって発電する、柱状の固体酸化物形の燃料電池セルを複数配列してなる燃料電池スタックを備え、
前記配列した複数の燃料電池セルは第1のセル群と第2のセル群とで構成され、
前記第1のセル群及び前記第2のセル群に属する前記燃料電池セルは、それぞれの内部流路が第1のマニホールドの内部と連通して立設され、
前記第1のセル群に属する前記燃料電池セルの上端は、内部流路が第2のマニホールドの内部と連通して固定されており、
前記第2のセル群に属する前記燃料電池セルの上端は、前記上端から排出される発電に使用されない未使用ガスを燃焼するために開放されていることを特徴とする燃料電池装置。 - 前記第1のセル群に属する前記燃料電池セルの長軸方向における長さは、前記第2のセル群に属する前記燃料電池セルの長軸方向における長さよりも短いことを特徴とする、請求項3に記載の燃料電池装置。
- 前記燃料電池スタックは、前記第2のマニホールドに供給された燃料が、前記第1のセル群に属する前記燃料電池セルの内部流路、前記第1のマニホールド、前記第2のセル群に属する前記燃料電池セルの内部流路の順にガスが流動した後排出されるように構成されていることを特徴とする、請求項3又は4に記載の燃料電池装置。
- 前記第1のセル群に属する複数の前記燃料電池セルは電気的に直列接続され、
前記第2のセル群に属する複数の前記燃料電池セルは電気的に直列接続され、
前記第1のセル群と前記第2のセル群とは電気的に直列接続されていることを特徴とする、請求項3乃至5のいずれか一項に記載の燃料電池装置。 - 前記第1のセル群に属する複数の前記燃料電池セルは電気的に直列接続され、
前記第2のセル群に属する複数の前記燃料電池セルは電気的に直列接続され、
前記第1のセル群と前記第2のセル群とは電気的に並列接続されていることを特徴とする、請求項3乃至5のいずれか一項に記載の燃料電池装置。 - 前記第2のマニホールドは、上面視において、前記燃料電池スタックの長辺方向に延在する二つの領域と、前記燃料電池スタックの短辺方向に延在する一つの領域とを有し、前記長辺方向に延在する二つの領域は前記短辺方向に延在する一つの領域を間に挟んで互いに接続されていることを特徴とする、請求項3乃至7のいずれか一項に記載の燃料電池装置。
- 前記第2のマニホールドは複数のマニホールドで構成されることを特徴とする、請求項3乃至7のいずれか一項に記載の燃料電池装置。
- 前記第2のセル群に属する複数の前記燃料電池セルの上方に、前記第2のマニホールドに燃料ガスを供給する改質器を有し、前記第2のセル群に属する複数の前記燃料電池セルと前記改質器との間に燃焼部が設けられていることを特徴とする、請求項3乃至9のいずれか一項に記載の燃料電池装置。
- 内部流路を流通する燃料ガスと外表面に供給される酸化剤ガスによって発電する、柱状の固体酸化物形の燃料電池セルを複数配列してなる燃料電池スタックを備え、
前記配列した複数の燃料電池セルは第1のセル群と第2のセル群とで構成され、
前記第1のセル群に属する前記燃料電池セルは、それぞれの内部流路がマニホールドの内部と連通して立設され、
前記第2のセル群に属する前記燃料電池セルは、絶縁性の連通部材を介して前記燃料電池セルの軸方向において前記第1のセル群の属する前記燃料電池セルの上方に積層して立設され、
前記第2のセル群に属する前記燃料電池セルの内部流路は、絶縁性の連通部材を介して前記第1のセル群の属する前記燃料電池セルの内部流路に連通され、
前記第1のセル群に属する複数の前記燃料電池セルは、前記燃料電池スタックの配列方向に沿って電気的に直列接続され、
前記第2のセル群に属する複数の前記燃料電池セルは、前記燃料電池スタックの配列方向に沿って電気的に直列接続され、
前記第1のセル群と前記第2のセル群とが電気的に接続されていることを特徴とする燃料電池装置。 - 前記第1のセル群と前記第2のセル群とは電気的に直列接続されていることを特徴とする、請求項11に記載の燃料電池装置。
- 前記第1のセル群と前記第2のセル群とは電気的に並列接続されていることを特徴とする、請求項11に記載の燃料電池装置。
- 前記第1のセル群に属する前記燃料電池セルの長軸方向における長さは、前記第2のセル群に属する前記燃料電池セルの長軸方向における長さよりも短いことを特徴とする、請求項11乃至13のいずれか一項に記載の燃料電池装置。
- 前記第1のセル群に属する前記燃料電池セルのうち2つ以上の燃料電池セルが、一つの絶縁性の連通部材により接合されていることを特徴とする、請求項11乃至14のいずれか一項に記載の燃料電池装置。
- 内部流路を流通する燃料ガスと外表面に供給される酸化剤ガスによって発電する、柱状の固体酸化物形の燃料電池セルを複数配列してなる燃料電池スタックを備え、
前記配列した複数の燃料電池セルは第1のセル群と第2のセル群とで構成され、
前記第1のセル群と前記第2のセル群とは離間して配列され、
前記第1のセル群に属する前記燃料電池セルは、内部流路が第1のマニホールドの内部と連通するように下端が接続固定されるとともに、内部流路が第2のマニホールドの内部と連通するように上端が接続固定され、
前記第2のセル群に属する前記燃料電池セルは、内部流路が第2のマニホールドの内部と連通するように上端が接続固定されるとともに、内部流路が第3のマニホールドの内部と連通するように下端が接続固定され、
前記燃料電池スタックは、前記第1のマニホールドに供給された燃料が、前記第1のセル群に属する前記燃料電池セルの内部流路、前記第2のマニホールド、前記第2のセル群に属する前記燃料電池セルの内部流路、前記第3のマニホールドの順にガスが流動した後排出されるように構成され、
前記第2のセル群に属する前記燃料電池セルの数は、前記第1のセル群に属する前記燃料電池セルの数と同数又は第1のセル群に属する燃料電池セルの数よりも少なく構成されていることを特徴とする燃料電池装置。 - 前記第1のマニホールドと前記第3のマニホールドとは、離間して設けられていることを特徴とする請求項16に記載の燃料電池装置。
- 前記第1のマニホールドと前記第3のマニホールドは一体の容器として構成され、容器の内部において、前記第1のセル群に属する前記燃料電池セルへ燃料ガスを供給する前記第1のマニホールドと、前記第2のセル群に属する前記燃料電池セルから排出される燃料ガスを前記燃料電池スタックの外部へ排出する前記第2のマニホールドに分離されていることを特徴とする、請求項16又は17に記載の燃料電池装置。
- 前記第1のセル群に属する複数の前記燃料電池セルは電気的に直列接続され、
前記第2のセル群に属する複数の前記燃料電池セルは電気的に直列接続され、
前記第1のセル群と前記第2のセル群とは電気的に直列接続されていることを特徴とする、請求項16乃至18のいずれか一項に記載の燃料電池装置。 - 前記第1のセル群に属する複数の前記燃料電池セルは電気的に直列接続され、
前記第2のセル群に属する複数の前記燃料電池セルは電気的に直列接続され、
前記第1のセル群と前記第2のセル群とは電気的に並列接続されていることを特徴とする、請求項16乃至18のいずれか一項に記載の燃料電池装置。
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