以下では、本明細書に開示する発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。以下の説明から、当業者にとって、本発明の多くの改良や他の実施の形態が明らかである。従って、以下の説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び/又は機能の詳細を実質的に変更することができる。
(第1の実施形態)
図1は、本発明の一実施形態における燃料電池セルユニットの全体像を示す部分断面図である。図1において燃料電池セルユニット1100は、燃料電池セルと、燃料電池セルの上端及び下端にそれぞれ設けられたキャップ1104とを備えている。なお、キャップ1104は燃料電池セルユニット1100の一端側にのみ設けられる構成としてもよい。
燃料電池セルは上下方向(軸方向)に延びる筒状構造体であり、水平断面における外郭が円形となる円筒形状である。この円筒状構造体内部の燃料極層1101には軸方向に燃料ガスが流通するための内部流路1110が設けられている。なお、内部流路1110は単数に限らず、複数であってもよい。
燃料電池セルは、少なくとも燃料極層1101と、燃料極層1101の外側に設けられた固体電解質層1102と、固体電解質層1102の外側に設けられた空気極層1111とを有する。また空気極層1111の外表面には導電性の高い集電層1112が設けられ、さらに燃料極層1101及び固体電解質層1102の外表面には導電性の高い集電層1103が形成されている。
燃料極層1101は、例えば、Niと、CaやY、Sc等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニアとの混合体、Niと、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリアとの混合体、Niと、Sr、Mg、Co、Fe、Cuから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレードとの混合体、の少なくとも一種から形成される。本実施形態では、燃料極層1101は、Ni/YSZからなる。
なお、上述のとおり本明細書において燃料極層1101は、燃料極触媒層や支持体を含むものとする。例えば燃料極層1101は、導電性支持体とその外表面に形成された燃料極触媒層との積層体であってもよく、絶縁性支持体とその外表面に形成された燃料極触媒層との積層体であってもよい。さらに燃料極の機能の向上や耐久性の向上のために別途設けられた中間層や濃度傾斜層等を含む積層構造体であってもよい。
同様に、固体電解質層1102及び空気極層1111も、これらの機能の向上や耐久性向上のために別途設けられた中間層や濃度傾斜層等を含む積層構造体であってもよい。
固体電解質層1102は、燃料極層1101の外周面に沿って全周にわたって形成されており、下端は燃料極層1101の下端よりも上方で終端し、上端は燃料極層1101の上端よりも下方で終端している。固体電解質層1102は、例えば、Y、Sc等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニア、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリア、Sr、Mgから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレート、の少なくとも一種から形成される。
空気極層1111は、固体電解質層1102の外周面に沿って全周にわたって形成されており、下端は固体電解質層1102の下端よりも上方で終端し、上端は固体電解質層1102の上端よりも下方で終端している。空気極層1111は、例えば、Sr、Caから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンマンガナイト、Sr、Co、Ni、Cuから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンフェライト、Sr、Fe、Ni、Cuから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンコバルタイト、銀、などの少なくとも一種から形成される。
燃料極層1101は、上述する内部流路1110に燃料ガス流通する(−)極として機能し、空気極は燃料電池セルユニット1100の外部から供給される空気(酸化剤ガス)と接触する(+)極として機能する(図1における矢印を参照)。
ここで、本発明の実施形態において空気極層1111及びその外表面の集電層1112は、燃料電池セルの軸方における中央部から端部方向にわたって延在する一方で、燃料電池セルの両端部においては燃料電池セルの端部から所定の距離を置いて終端している。この空気極層1111の形成領域は、その内側に燃料極層1101と固体電解質層1102とが積層された発電素子部1115として機能する。また、この空気極層1111及びその上層の集電層1112が形成されていない燃料電池セルの両端部において、燃料極層1101及び固体電解質層1102の外表面に集電層1103が設けられている。
集電層1103は銀を主成分とする導電部材でなる薄膜層とすることが好ましい。膜厚は導電経路の抵抗成分を考慮した燃料電池セルユニット1100の電流取出効率のもと適宜設計すればよいが、銀部材中で水蒸気が生じると多孔化して膨張し、燃料ガスの漏出経路を形成してしまうため、その影響を極力低減するためには薄い方が好ましい。集電層1103は少なくともキャップ1104と燃料電池セルを固定するガラス1105の厚みよりも薄い方が好ましく、具体的には1μm以上100μm以下であることが好ましい。さらに、導電性及びガス封止性の観点から、10μm以上50μm以下であることがより好ましい。
また集電層1103はピュアな銀からなる層でもよいが、他の元素を含有する部材であってもよく、例えばAgPd膜であってもよい。また、集電層1103は、固体電解質層1102と相互拡散する元素を含有していてもよく、燃料極層1101と相互拡散する元素(例えばNi)を含有していてもよい。このように他の膜と相互拡散する元素を含有することで、他の膜との接着強度を向上させることができる。
さらに集電層1103は単層からなる層でもよいが、それぞれが他の組成からなる積層構造でもよく、長軸方向において部分的に積層構造であってもよい。例えば、固体電解質層1102上に位置する集電層1103は銀を主成分とする単層であって、燃料極層1101との接続箇所(燃料極層接続領域1108)においては、燃料極層1101と相互拡散する元素を含有した銀を主成分とする他の層との積層構造であってもよく、当該箇所においては、燃料極層1101と相互拡散する元素を含有した銀を主成分とする他の層の単層構造であってもよい。
図1に示すように、集電層1112と集電層1103とは燃料電池セルの軸方向において所定距離L0だけ離隔されているため、電気的に絶縁分離されている。なお、図1においては燃料電池セルの上端部及び下端部ともに離隔される所定距離をL0としているが、集電部材の取り付け構造や導電経路の抵抗値調整等の設計上、上端部と下端部とのそれぞれで所定距離を異なるように設定してもよい。
本発明の実施形態にかかる燃料電池セルユニット1100において、空気極層1111の外表面に接続する集電層1112、及び燃料極層1101の外表面に接続する集電層1103は、それぞれ隣り合う燃料電池セルユニット1100と電気的に接続する集電構造を形成するためにそれぞれの集電部材と電気的に接続される。具体的には、空気極層1111の外表面に接続する集電層1112は、隣り合う一の燃料電池セルユニットの燃料極層の外表面に接続する集電層と集電部材を介して電気的に接続され、燃料極層1101の外表面に接続する集電層1103は、隣り合う他の燃料電池セルユニットの空気極層の外表面に接続する集電層と電気的に接続される。このような接続により複数の燃料電池セルユニット1100の電気的な直列接続を実現することができる。ただし本発明の実施形態にかかる燃料電池セルユニット1100の電気接続構造はこれに限らず、集電部材を用いて複数の燃料電池セルユニット1100を並列に接続することもでき、また、直列接続と並列接続を組み合わせて任意の集電形態を構成することもできる。
このように、本発明の実施形態にかかる燃料電池セルユニット1100では、空気極層1111が設けられた領域が、発電反応が行われ電力を生成する発電素子部1115として機能し、その両端部は内部に位置する燃料極層1101の電気的接続端子を最表面に設置するための燃料極集電領域1109として機能する。このような構造とすることで、燃料極層1101と空気極層1111との電気接続端子を燃料電池セルの側面最表面に配置することができ、キャップ1104を介すことない燃料電池セルユニット1100の側面における電流取出し構造を実現することができる。
ここで、燃料極集電領域1109は、燃料電池セルユニット1100の軸方向の長さを1mm以上に設定するのがよく、好ましくは2mm以上である。十分な長さを設けることで、電気接続端子の配置のマージンを確保することができる。
燃料電池セルユニット1100は、その両端部にキャップ1104が取り付けられている。キャップ1104は、円筒形状の燃料電池セルの端部を覆う筒状形状で、側面と天面又は底面とを有する中空構造で、天面又は底面と対向する他の面は開放面として開放されている。また、キャップ1104の側面又は底面には、燃料ガスを流通させるための流通口が設けられ、燃料電池セルの下端に設置されるキャップ1104においては燃料ガスの導入口として機能し、燃料電池セルの上端に設置されるキャップ1104においてはオフガスの排出口として機能する。
燃料電池セルユニット1100において、水素を含有する燃料ガスは、燃料電池セルユニット1100の下端に設けられたキャップ1104の流通口を介して内部流路1110に供給される。水素を含有する燃料ガスは内部流路1110を介して燃料極層1101に供給され、燃料電池セルユニット1100の外部から空気極層1111に供給された酸化剤ガスとの発電反応に消費される一方で、発電反応に用いられずに残存した燃料ガス及び発電反応によって生成された水蒸気やCO(一酸化炭素)等のオフガスは、内部流路1110を上昇し、燃料電池セルユニット1100の上端に設けられたキャップ1104の流通口を介して燃料電池セルユニット1100の上端より外部に排出される。
ここで、本発明においてキャップ1104の材料には、表面に絶縁被膜が形成されるアルミニウムを含有するステンレスが用いられている。当該構成により、Crの燃料電池セルユニット1100の外部への蒸発を抑制して、空気極層のCr被毒を防止することができる。また、上述した燃料極集電領域1109の配置により、キャップ1104と空気極層1111とが離隔されるため、キャップ中のCrにより空気極層1111が被毒することをさらに抑制することができる。
また、特に図1に示すキャップ1104では、開放面と対向する端部側において外径が小さく、言い換えるとキャップ径が絞られるような絞り部(キャップ短径部)を有する形状に設計されている。このような形状とすることで、燃料電池セルユニット1100の下端部に設置するキャップ1104としては、燃料電池セルユニット1100を固定するための燃料ガスマニホールド(図示せず)との固定性、取り付け性を確保するとともに内部流路1110に供給される燃料ガスの供給流量の均等化を図ることができ、燃料電池セルユニット1100の上端部に設置するキャップ1104としては、オフガスの排出流量の均等化を図ることで複数の燃料電池セルユニット1100が配列されるその上部のオフガスを燃焼させる燃焼部における燃焼の安定化を図ることができる。
次に図2及び図3を用いて、本発明の実施形態における燃料電池セルユニット1100の詳細な端部構造について説明する。
図2は、本発明の一実施態様における燃料電池セルユニット1100の端部の構造を示す部分断面図である。なお、図2は燃料電池セルユニット1100の下端部を示す図であるが、上端部の構造についても同様である。
燃料極層1101、固体電解質層1102、空気極層1111の積層体からなる燃料電池セルは、その下端部においてキャップ1104に被覆されている。燃料電池セルの下端部においては空気極層1111は設けられておらず、固体電解質層1102が露出している。また固体電解質層1102は燃料電池セルの端部から所定の距離の領域において設けられておらず、このため燃料極層1101が露出している。これら露出した燃料極層1101及び固体電解質層1102の外表面に集電層1103が被覆して設けられている。
ここで固体電解質層1102は電流をほとんど流さないセラミックの緻密体であるため、燃料極層1101は、固体電解質層1102が設けられずに露出した燃料電池セルの端部において直接集電層1103と接触する燃料極層接続領域1108において、集電層1103と電気的に接続する。集電層1103はこのように燃料極層接続領域1108において燃料極層1101と燃料電池セル近傍において電気的接続するとともに、燃料電池セルの軸方向中央側に向かって、キャップ1104の開放面1104eよりも外方に延在する。
また、燃料電池セルとキャップ1104とは、ガラス1105によって固定される。具体的には、ガラスはキャップ側壁1104cの内壁面と集電層1103の外表面とに接触するように配置されることで、両者を固定している。本明細書においては、当該固定領域を固定部1107とよぶ。なお、図2において固定部1107はキャップ側壁1104cの内壁面にのみ配置されているが、ガラス1105はキャップ1104の開放面1104eを超えて外部に延在してもよく、さらにキャップ1104の上部へまわるように配置してもよい。また、ガラスが配置される固定部1107は、燃料極層接続領域1108と燃料電池セルの軸方向において重ならないように設けられているが、重なるように配置することで燃料電池セルの軸方向におけるスペースを省略することができ、燃料電池セルユニット1100の短尺化に寄与することができる。
また、キャップ開放面1104eおよびガラス1105に対して燃料電池セルの中央部へ軸方向に延在した集電層1103は、燃料電池セルユニット1100の側面表面に燃料極集電領域1109を形成する。当該箇所に集電部材を物理的電気的に取り付けることによって、燃料極層1101からの電流取出し構造を形成することができる。すなわち、図3に示すように、発電反応によって生じた電子(e−)は、燃料極層接続領域1108を介して集電層1103に移動し、燃料極集電領域1109を介して燃料電池セルユニット1100の外部へ移動する。
ここでキャップ1104は、キャップの構成素材からなるキャップ基材1104fと、キャップ材104fの表面を覆って形成された絶縁被膜1104gとからなる。
キャップ基材104fは、アルミニウムを含有するステンレス(SUS)で構成される。ステンレスは一般に鉄(Fe)及び(Cr)を主成分として含有するものであるから、キャップ基材自体は空気極のCr被毒を引き起こす要因となる。本発明においては、これにアルミニウムが含有されたものを用いる。例えば11.5〜14.5%のCrと0.1〜0.3%のAlを含有したフェライト系ステンレス(SUS405)を用いることができる。市販のアルミニウムを含有するステンレスを用いることができ、例えば日新製鋼社製のフェライト系ステンレスであるNCA−1(18Cr−3Al−Ti)、新日鉄住金製のフェライト系ステンレスであるNSSC−21M(18Cr−2Al−0.5Si−Ti)などが挙げられる。
また、キャップ基材104fの表面には、外壁面及び内壁面を含む全表面にわたって、絶縁被膜1104gが設けられている。絶縁被膜1104gは、キャップ基材104f中のアルミニウムがキャップ基材104fの表面における酸化反応によって形成される緻密な不動態被膜(Al2O3からなる酸化被膜)である。空気自然酸化や陽極酸化処理等によって形成され、約0.1μm以上の膜厚で、キャップ基材104fからのCrの蒸発を大きく抑制することができる。
ここで、アルミニウムを含有するステンレスにおける高温下でのCrの蒸発量についての評価結果を、図11を用いて説明する。図11(A)及び図11(B)はいずれもアルミニウムを含有するステンレスからのCrの蒸発量を示すもので、横軸に評価時間、縦軸にCrの蒸発量を示している。Crの蒸発量の評価方法は、アルミナの筒で囲まれた小型のマッフル炉内にアルミニウムを含有するステンレスの試料を設置し、マッフル炉の天板として設置したマグネシア吸着板の表面を蛍光X線分析(XRF)により測定したものである。また、測定環境を検出するために、あわせて試料を設置しない場合についても測定を行った。
図11(A)はマッフル炉内の温度を600℃に設定した場合、図11(B)は700℃に設置した場合で、いずれも固体酸化物形燃料電池の発電運転温度に近いものとした。また、図中において黒丸はアルミニウムを含有するステンレスから生じたCr蒸発量を示すものであり、白丸は試料を設置せずに測定環境を把握するために測定したときのCr蒸発量を示すものである。
図11(A)及び図11(B)のいずれも、アルミニウムを含有するステンレスの試料を設置した場合の結果と設置しない測定環境を示す結果とがほぼ一致しているため、高温下においてもアルミニウムを含有するステンレスから蒸発するCr量は極めて低いものであるということが分かった。
また、アルミニウムを含有するステンレスをキャップに用いたことによる燃料電池セルユニットの耐久性の評価結果について、図12を用いて説明する。
図12は、アルミニウムを含有するステンレスをキャップに用いた燃料電池セルユニットと、比較のためにアルミニウムを含有しない従来のステンレスキャップを用いた燃料電池セルユニットとのそれぞれについて、発電運転する状態をつくった上で、周波数応答アナライザにより交流インピーダンス測定を経過時間(運転時間)ごとに行い、電極反応過電圧を求めた結果を示すものである。横軸に運転時間(単位:時間)、縦軸に活性化過電圧変化量(単位:V)を示している。
アルミニウムを含有しない従来のステンレスキャップを用いた燃料電池セルユニットの場合、運転開始直後から活性化過電圧変化量は増加し、運転時間が経過するに伴い活性化過電圧変化量が増大する。これは運転時間が経過するとともにステンレスキャップからC飛散するCr量が増大し、空気極層の被毒影響が増加しているためと考えられる。
一方、アルミニウムを含有するステンレスをキャップに用いた燃料電池セルユニットでは、活性化過電圧変化量は運転時間に依存しない結果となった。すなわち、アルミニウムを含有するステンレスをキャップに形成した不動態被膜によって、Crの飛散が抑制されていることが確認できた。
このように従来のキャップに対してアルミニウムを含有するステンレスを基材として用いたキャップを燃料電池セルユニットに用いることで、Cr蒸発量を飛躍的に抑制することができ、これにより燃料電池セルユニットの耐久性を向上させることができる。
この絶縁被膜1104gによりキャップ1104表面は絶縁化するため、従来のようにキャップを介した集電構造を形成することは極めて困難である。しかし、キャップ1104を介さずに燃料電池セルの端部に設けた燃料極集電領域1109から直接外部へ電流を取り出す集電構造を形成することで集電構造を維持することを可能とし、さらに燃料極集電領域1109の配置によってキャップ1104と空気極層1111とを物理的に離隔させて、蒸発するCrの空気極層1111への付着を抑制する構成により、空気極層のCr被毒を徹底的に抑制して、耐久性の高い燃料電池セルユニットを実現することができる。
また、従来の集電構造はキャップと集電部材とを物理的に接続する必要があったため、接続領域を確保するためにキャップが軸方向に所定の長さ分だけ必要であったが、本発明においてはキャップと集電部材とが接続しないため、キャップの筒状部分を燃料ガスの気密封止構造に必要な最低の長さに抑えることができる。このため、キャップの部材コストを抑えることができる。
(第2の実施形態)
次に、上述した第1の実施形態とは異なる第2の実施形態について、図4を用いて説明する。第2の実施形態は、第1の実施形態に対して固体電解質層1102と集電層1103との間に中間層1113を有する点においてのみ相違し、その他の構成については共通するため、共通部分については説明を省略する。
上述した第1の実施形態においては、集電層1103は固体電解質層1102の外表面上に設けられていた。しかし、LSGM等の緻密なセラミックスと銀を含有する導電層との物理的な接着強度は必ずしも強固ではない。そこで、本実施形態においては、固体電解質層1102と集電層1103との間に中間層1113として、これらの接着強度を向上させるための密着層(剥離防止層)を形成している。
固体電解質層1102と集電層1103との剥離を防止する中間層1113としては、例えばガラス等の絶縁部材を用いることができる。
中間層1113は、図4に示すように、例えばその下端位置を固体電解質層1102の下端よりも上方とし、その上端位置を集電層1103の上端よりも上方とすることができる。
特に、中間層1113の上端位置を集電層1103の上端よりも上方に延在させることで、燃料極層1101と電気的に接続される集電層1103と空気極層1111と電気的に接続される集電層1112との間が、集電層に含まれる銀のマイグレーションにより生じる銀の樹枝状晶(デンドライト)によって電気的に短絡することを抑制することができる。
(第3の実施形態)
上記の第2の実施形態において、集電層間のマイグレーション対策として中間層1113が効果を奏することを述べたが、本実施の形態では、第2の実施形態と異なる構成により、集電層間で生じるマイグレーションを抑制する構成について、図9を用いて説明する。
図9は、第1の実施形態で示した燃料電池セルユニット1100において、さらにガラス1114を設けた燃料電池セルユニット1100であって、その他の点については共通する。
図9においては、燃料極層1101上の集電層1103のキャップ1104から外方に向かって延在する端部を覆って、燃料電池セルユニット1100の側面全周にわたって環状にガラス1114を設けている。これにより、燃料極層1101と電気的に接続する集電層1103と、空気極層1111と電気的に接続する集電層1112との間に電位差が生じる状況下にあっても、ガラス1114が銀の移動を阻害するため、マイグレーションによる集電層間の短絡を阻止することが可能となる。
なお、図9ではガラス1114によって集電層1103の端部を覆う構造を示したが、ガラス1114で集電層1112の端部を覆うことによっても同等の効果を得ることができる。このように、ガラス11114による集電層端部の被覆構造を行うことで、集電層間のマイグレーションによる短絡を抑止することが可能となるため、集電層間の距離を短くすることができ、ひいては燃料電池セルユニット1100の短尺化に有益である。
つぎに、添付図面を参照して、本発明の実施形態による燃料電池セルユニットを備えた固体酸化物形燃料電池装置を説明する。
図5は、本発明の実施形態による燃料電池セルユニットを内蔵した固体酸化物形燃料電池装置(SOFC)を示す全体構成図である。図5に示すように、固体酸化物形燃料電池装置1(SOFC)は、燃料電池モジュール2と、補機ユニット4を備えている。
燃料電池モジュール2は、ハウジング6を備え、このハウジング6内部には、断熱材7を介して金属製のモジュールケース8が内蔵されている。この密閉空間であるモジュールケース8の下方部分である発電室10には、燃料ガスと酸化剤ガス(以下では適宜「発電用空気」又は「空気」と呼ぶ。)とにより発電反応を行う燃料電池セルスタック14が配置されている。本実施形態においては、燃料電池セルスタック14は、複数の燃料電池セル16の全てが直列接続されている。
燃料電池モジュール2のモジュールケース8の発電室10の上方には、燃焼部としての燃焼室18が形成され、この燃焼室18で、発電反応に使用されなかった残余の燃料ガスと残余の空気とが燃焼し、排気ガス(言い換えると燃焼ガス)を生成するようになっている。さらに、モジュールケース8は断熱材7により覆われており、燃料電池モジュール2内部の熱が、外気へ発散するのを抑制している。また、この燃焼室18の上方には、燃料ガスを改質する改質器120が配置され、残余ガスの燃焼熱によって改質器120を改質反応が可能な温度となるように加熱している。
さらに、ハウジング6内においてモジュールケース8の上方には、蒸発器140が断熱材7内に設けられている。蒸発器140は、供給された水と排気ガスとの間で熱交換を行うことによって、水を蒸発させて水蒸気を生成し、この水蒸気と原燃料ガスとの混合ガス(以下では「燃料ガス」と呼ぶこともある。)をモジュールケース8内の改質器120に供給する。
つぎに、補機ユニット4は、燃料電池モジュール2からの排気中に含まれる水分を結露させた水を貯水してフィルターにより純水とする純水タンク26と、この貯水タンクから供給される水の流量を調整する水流量調整ユニット28(モータで駆動される「水ポンプ」等)を備えている。また、補機ユニット4は、都市ガス等の燃料供給源30から供給された燃料を遮断するガス遮断弁32と、燃料ガスから硫黄を除去するための脱硫器36と、燃料ガスの流量を調整する燃料流量調整ユニット38(モータで駆動される「燃料ポンプ」等)と、電源喪失時において、燃料流量調整ユニット38から流出する燃料ガスを遮断するバルブ39を備えている。さらに、補機ユニット4は、空気供給源40から供給される空気を遮断する電磁弁42と、空気の流量を調整する改質用空気流量調整ユニット44及び発電用空気流量調整ユニット45(モータで駆動される「空気ブロア」等)と、改質器120に供給される改質用空気を加熱する第1ヒータ46と、発電室に供給される発電用空気を加熱する第2ヒータ48とを備えている。これらの第1ヒータ46と第2ヒータ48は、起動時の昇温を効率よく行うために設けられているが、省略しても良い。
なお、本実施形態では、装置の起動時に改質器120内において、部分酸化改質反応(POX)のみが生じるPOX工程から、部分酸化改質反応(POX)と水蒸気改質反応(SR)が混在したオートサーマル改質反応(ATR)が生じるATR工程を経て、水蒸気改質反応のみが生じるSR工程が行われるように構成してもよいし、POX工程を省略してATR工程からSR工程に移行されるように構成してもよいし、POX工程及びATR工程を省略してSR工程のみが行われるように構成してもよい。なお、SR工程のみが行われる構成では、改質用空気流量調整ユニット44は不要である。
つぎに、燃料電池モジュール2には、排気ガスが供給される温水製造装置50が接続されている。この温水製造装置50には、水供給源24から水道水が供給され、この水道水が排気ガスの熱により温水となり、図示しない外部の給湯器の貯湯タンクへ供給されるようになっている。また、燃料電池モジュール2には、燃料ガスの供給量等を制御するための制御ボックス52が取り付けられている。さらに、燃料電池モジュール2には、燃料電池モジュールにより発電された電力を外部に供給するための電力取出部(電力変換部)であるインバータ54が接続されている。
つぎに、図6〜図8を参照して、本実施形態による燃料電池セルスタックを内蔵した燃料電池モジュールの構造について説明する。図6は、固体酸化物形燃料電池装置の燃料電池モジュールを示す側面断面図であり、図7は、図6のIII−III線に沿った断面図であり、図8は、モジュールケース及び空気通路カバーの分解斜視図である。
図6及び図7に示すように、燃料電池モジュール2は、断熱材7で覆われたモジュールケース8の内部に設けられた燃料電池セルスタック14及び改質器120を有すると共に、モジュールケース8の外部で且つ断熱材7内に設けられた蒸発器140を有する。
まず、モジュールケース8は、図8に示すように、略矩形の天板8a,底板8c,これらの長手方向(図6の左右方向)に延びる辺同士を連結する対向する一対の側板8bからなる筒状体と、この筒状体の長手方向の両端部の2つの対向する開口部を塞ぎ、天板8a及び底板8cの幅方向(図7の左右方向)に延びる辺同士を連結する閉鎖側板8d,8eからなる。
モジュールケース8は、空気通路カバー160によって天板8a及び側板8bが覆われている。空気通路カバー160は、天板160aと、対向する一対の側板160bとを有する。天板160aの略中央部分には、排気管171を貫通させるための開口部167が設けられている。天板160aと天板8aとの間、及び、側板160bと側板8bとの間は、所定の距離だけ離間した状態となっている。これにより、モジュールケース8の外側と断熱材7との間、具体的にはモジュールケース8の天板8a及び側板8bと、空気通路カバー160の天板160a及び側板160bとの間には、酸化剤ガス供給通路としての空気通路161a,161bが形成されている(図7参照)。
モジュールケース8の側板8bの下部には、複数の貫通孔である吹出口8fが設けられている(図8参照)。発電用空気は、空気通路カバー160の天板160aのうち、モジュールケース8の閉鎖側板8e側の略中央部に設けられた発電用空気導入管74から流路方向調整部164を介して空気通路161a内に供給される(図6、図8参照)。そして、発電用空気は、空気通路161a,161bを通って、吹出口8fから燃料電池セルスタック14に向けて発電室10内に噴射される(図7、図8参照)。
また、空気通路161a,161bの内部には、熱交換促進部材としてのプレートフィン162,163が設けられている(図7参照)。プレートフィン162は、モジュールケース8の天板8aと空気通路カバー160の天板160aの間で長手方向及び幅方向に延びるように水平方向に設けられ、プレートフィン163は、モジュールケース8の側板8bと空気通路カバー160の側板160bとの間であって、且つ、燃料電池セル16よりも上方の位置に長手方向及び鉛直方向に延びるように設けられている。
空気通路161a,161bを流れる発電用空気は、特にプレートフィン162,163を通過する際に、これらプレートフィン162,163の内側のモジュールケース8内(具体的には天板8a,側板8bに沿って設けられた排気通路)を通過する排気ガスとの間で熱交換を行い、加熱されることとなる。このようなことから、空気通路161a,161bにおいてプレートフィン162,163が設けられた部分は、熱交換器(熱交換部)として機能する。なお、プレートフィン162が設けられた部分が主たる熱交換器部分を構成し、プレートフィン163が設けられた部分が従たる熱交換器部分を構成する。
つぎに、蒸発器140は、モジュールケース8の天板8a上で水平方向に延びるように固定されている。また、蒸発器140とモジュールケース8との間には、これらの隙間を埋めるように断熱材7の一部分7aが配置されている(図6及び図7参照)。
具体的には、蒸発器140は、長手方向(図6の左右方向)の一側端側に、水及び原燃料ガス(改質用空気を含めてもよい)を供給する燃料供給配管63と、排気ガスを排出するための排気ガス排出管82(図7参照)とが連結され、長手方向の他側端側に、排気管171の上端部が連結されている。排気管171は、空気通路カバー160の天板160aに形成された開口部167を貫通して下方へ延び、モジュールケース8の天板8a上に形成された排気口111に連結されている。排気口111は、モジュールケース8内の燃焼室18で生成された排気ガスをモジュールケース8の外へ排出する開口部であり、モジュールケース8の上面視略矩形の天板8aのほぼ中央部に形成されている。
また、蒸発器140は、図6及び図7に示すように、上面視で略矩形の蒸発器ケース141を有している。この蒸発器ケース141は、2つの高さの低い有底矩形筒状の上側ケース142と下側ケース143とを、これらの間に中間板144を挟んだ状態で接合して形成されている。
したがって、蒸発器ケース141は、上下方向に二層構造となっており、下層部分には、排気管171から供給された排気ガスが通過する排気通路部140Aが形成され、上層部分には、燃料供給配管63から供給された水を蒸発させて水蒸気を生成する蒸発部140Bと、蒸発部140Bで生成された水蒸気と燃料供給配管63から供給された原燃料ガスとを混合させる混合部140Cが設けられている。
図6及び図7に示すように、蒸発部140B及び混合部140Cは、複数の連通孔(スリット)145aが形成された仕切り板145により蒸発器140を仕切った空間にて形成されている。また、蒸発部140B内には、アルミナボール(図示せず)が充填されている。また、排気通路部140Aは、同様に複数の連通孔を有する2つの仕切り板146,147により排気ガスの上流側から下流側にかけて3つの空間に仕切られている。そして、2番目の空間に燃焼触媒(図示せず)が充填されている。すなわち、本実施形態において蒸発器140は、上下方向の二層構造のうちの下層構造に燃焼触媒器を含んでいる。
このような蒸発器140では、蒸発部140B内の水と排気通路部140Aを通過する排気ガスとの間で熱交換が行われ、排気ガスの熱により蒸発部140B内の水が蒸発して、水蒸気が生成されることとなる。また、混合部140C内の混合ガスと排気通路部140Aを通過する排気ガスとの間で熱交換が行われ、排気ガスの熱により混合ガスが昇温されることとなる。
さらに、図6に示すように、混合部140Cには、改質器120に混合ガスを供給するための混合ガス供給管112が接続されている。この混合ガス供給管112は、排気管171の内部を通過するように配置されており、一端が中間板144に形成された開口144aに連結され、他端が改質器120の天面に形成された混合ガス供給口120aに連結されている。混合ガス供給管112は、排気通路部140A内,排気管171内を通過してモジュールケース8内まで鉛直下方に延び、そこで略90°屈曲されて天板8aに沿って水平方向に延びた後、下方へ略90°屈曲されて改質器120に連結されている。
つぎに、改質器120は、燃焼室18の上方でモジュールケース8の長手方向に沿って水平方向に延びるように配置され、天板8aに対して固定されている。改質器120は、上面視で外形略矩形であるが、中央部に貫通孔120bが形成された環状構造体であり、上側ケース121と下側ケース122とが接合された筐体を有している。この貫通孔120bは、天板8aに形成された排気口111と上面視で重なるように位置し、好ましくは、貫通孔120bの中央位置に排気口111が形成される。
改質器120の長手方向の一端側(モジュールケース8の閉鎖側板8e側)では、上側ケース121に設けられた混合ガス供給口120aに混合ガス供給管112が連結されており、他端側(閉鎖側板8d側)では、燃料ガス供給管64が下側ケース122に、脱硫器36まで延びる水添脱硫器用水素取出管65が上側ケース121にそれぞれ連結されている。したがって、改質器120は、混合ガス供給管112から混合ガス(つまり水蒸気が混合された原燃料ガス(改質用空気を含めてもよい))を受け取り、内部で混合ガスを改質し、燃料ガス供給管64及び水添脱硫器用水素取出管65から改質後のガス(即ち、燃料ガス)を排出するように構成されている。
改質器120は、その内部空間が2つの仕切り板123a,123bによって3つの空間に仕切られることにより、改質器120内に、混合ガス供給管112からの混合ガスを受入れる混合ガス受入部120Aと、混合ガスを改質するための改質触媒(図示せず)が充填された改質部120Bと、改質部120Bを通過したガスを排出するガス排出部120Cと、が形成されている(図6参照)。改質部120Bは、仕切り板123a,123bに挟まれた空間であり、この空間に改質触媒が保持されている。混合ガス及び改質後の燃料ガスは、仕切り板123a,123bに設けられた複数の連通孔(スリット)を通って移動可能となっている。また、改質触媒としては、アルミナの球体表面にニッケルを付与したものや、アルミナの球体表面にルテニウムを付与したものが適宜用いられる。
混合ガス受入部120Aには、蒸発器140から混合ガス供給管112を介して供給された混合ガスが混合ガス供給口120aを通して噴出される。この混合ガスは、混合ガス受入部120A内で拡張されて噴出速度が低下し、仕切り板123aを通過して改質部120Bに供給される。改質部120Bでは、低速で移動する混合ガスが改質触媒により燃料ガスに改質され、この燃料ガスが仕切り板123bを通過してガス排出部120Cに供給される。ガス排出部120Cでは、燃料ガスが燃料ガス供給管64、及び、水添脱硫器用水素取出管65へ排出される。
燃料ガス供給通路としての燃料ガス供給管64は、モジュールケース8内を閉鎖側板8dに沿って下方へ延び、底板8c付近で略90°屈曲されて水平方向に延びて、燃料電池セルスタック14の下方に形成されたマニホールド66内へ入り、更にマニホールド66内で逆側の閉鎖側板8e付近まで水平方向に延びている。燃料ガス供給管64の水平部64aの下方面には、複数の燃料供給孔64bが形成されており、この燃料供給孔64bから、燃料ガスがマニホールド66内に供給される。このマニホールド66の上方には、燃料電池セルスタック14を支持するための貫通孔を備えた下支持板68が取り付けられており、マニホールド66内の燃料ガスが、燃料電池セル16内に供給される。また、燃料ガスと空気との燃焼を開始するための点火装置83が、燃焼室18に設けられている。また、改質器120は、モジュールケース8の側板8bと所定の水平方向距離を隔てて配置されている。
図10は、本実施例による燃料電池セルスタックの一部を示す側面断面図である。
図10に示すように燃料電池セルスタックは、配列された複数の燃料電池セルユニット1100を備えている。各燃料電池セルユニット1100は、下端側が金属製の長方形の下支持板により支持されている。この下支持板は、マニホールド66の天井面を構成し、各燃料電池セルユニット1100の内部流路1110に燃料ガスを流入させるための貫通穴が形成されている。また、各各燃料電池セルユニット1100の下端側のキャップ1104と下支持板の間には、概ね円筒形のセラミック製のスペーサ(図示せず)が配置されており、キャップ1104と下支持板の間を離間させることで絶縁性を確保している。
さらに、各燃料電池セルユニット1100には、1つの燃料電池セルユニット1100を隣接する燃料電池セルユニット1100と電気的に接続する集電部材102が取り付けられている。この集電部材102は、燃料極層と電気的に接続された集電層1103と、隣接する燃料電池セルユニット1100の空気極層と接続する集電層1112とを電気的に接続するように配置されている。また、各集電部材102は、各燃料電池セルユニット1100の上端部及び下端部に取り付けられているため、1つの燃料電池セルユニット1100と隣接する燃料電池セルユニット1100は、2つの集電部材102により電気的に接続されることになる(これら2つの集電部材102は並列)。このように、各集電部材102により、燃料電池セルスタックを構成する全ての燃料電池セルユニット1100は、電気的に直列に接続される。このような本発明にかかる燃料電池セルユニット1100を用いた電気的接続によって、従来のキャップを介すことなく集電部材のみによって燃料電池セルユニットを電気的に接続することが可能となるため、キャップを介することに起因する接続抵抗成分を取り除くことができ、電流の取り出し効率を向上させることができる。また、キャップどうしの接触による燃料電池セル間の短絡が無くなるため、燃料電池セルスタックにおいて、隣り合う燃料電池セルユニットの間隔を狭めて高集積化を図ることができる。
なお、本実施例においては燃料電池セルユニット1100の相互接続のために上端部及び下端部の双方に集電部材102を取り付けたが、この構成に限らず、例えば上端にのみ取り付ける構造や下端部のみに取り付ける構造等、燃料電池セルユニット1100の発電性能、電流取出し性能、または耐久性等の事情に鑑み適宜設計することができる。