JP2021185584A - セルスタック装置、モジュールおよびモジュール収容装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】耐久性が向上したセルスタック装置、モジュールおよびモジュール収容装置を提供する。
【解決手段】セルスタック装置は、セルスタックと、保持部材と、正極端子と、を備える。セルスタックは、複数個のセルが積層されて構成される。保持部材は、セルを保持する。正極端子は、セルスタックが発電した電力を外部に出力する場合に正極として機能する。また、正極端子の電位は、保持部材の電位以下である。
【選択図】図４Ａ

Description

本開示は、セルスタック装置、モジュールおよびモジュール収容装置に関する。
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）とを用いて電力を得ることができるセルの１種である燃料電池セルが複数配列されて構成される燃料電池セルスタック装置が種々提案されている。
かかる燃料電池セルスタック装置では、たとえば、複数個の燃料電池セルの下端部が固定材で保持部材に接合されている（特許文献１参照）。
特開２０１３−１５７１９１号公報
本開示の実施形態の一態様に係るセルスタック装置は、セルスタックと、保持部材と、正極端子と、を備える。セルスタックは、複数個のセルが積層されて構成される。保持部材は、前記セルを保持する。正極端子は、前記セルスタックが発電した電力を外部に出力する場合に正極として機能する。また、前記正極端子の電位は、前記保持部材の電位以下である。
また、本開示のモジュールは、収納容器内に、上記に記載のセルスタック装置を収納して構成される。
さらに、本開示のモジュール収容装置は、外装ケース内に、上記に記載のモジュールと、該モジュールの運転を行うための補機とを収容して構成される。
図１Ａは、実施形態に係るセルの一例を示す横断面図である。 図１Ｂは、実施形態に係るセルの一例を空気極側からみた側面図である。 図１Ｃは、実施形態に係るセルの一例をインターコネクタ側からみた側面図である。 図２Ａは、実施形態に係るセルスタック装置の一例を示す斜視図である。 図２Ｂは、図２Ａに示すＸ−Ｘ線の断面図である。 図２Ｃは、実施形態に係るセルスタック装置の一例を示す上面図である。 図３Ａは、参考例のセルスタック装置を含んだ電力システムの一例を示す図である。 図３Ｂは、参考例のセルスタック装置における各部位の電位の大小関係の一例を示す図である。 図３Ｃは、参考例のセルスタック装置内で生じる現象を説明するための図である。 図３Ｄは、参考例のセルスタック装置内で生じる現象を説明するための図である。 図３Ｅは、保持体の別の例を示す斜視図である。 図３Ｆは、保持体の別の例を示す斜視図である。 図３Ｇは、保持体の別の例とセルとの接合部を拡大した断面図である（図３Ｃ、図３Ｄに対応）。 図４Ａは、実施形態に係るセルスタック装置を含んだ電力システムの一例を示す図である。 図４Ｂは、実施形態に係るセルスタック装置における各部位の電位の大小関係を示す図である。 図５Ａは、実施形態の変形例１に係るセルスタック装置を含んだ電力システムの一例を示す図である。 図５Ｂは、実施形態の変形例１に係るセルスタック装置における各部位の電位の大小関係を示す図である。 図６は、実施形態に係るモジュールの一例を示す外観斜視図である。 図７は、実施形態に係るモジュール収容装置の一例を概略的に示す分解斜視図である。 図８は、実施形態の変形例２に係るセルスタック装置を示す断面図である。 図９は、実施形態の変形例２に係るセルの構造を示す拡大断面図である。 図１０は、実施形態の変形例２に係るセルスタック装置を含んだ電力システムの一例を示す図である。 図１１は、実施形態の変形例２に係るセルスタック装置を含んだ電力システムの別の一例を示す図である。
以下、添付図面を参照して、本願の開示するセルスタック装置、モジュールおよびモジュール収容装置の実施形態を詳細に説明する。なお、以下に示す実施形態によりこの開示が限定されるものではない。
また、図面は模式的なものであり、各要素の寸法の関係、各要素の比率などは、現実と異なる場合があることに留意する必要がある。さらに、図面の相互間においても、互いの寸法の関係、比率などが異なる部分が含まれている場合がある。
＜セルの構成＞
まず、図１Ａ〜図１Ｃを参照しながら、実施形態に係るセルスタック装置を構成するセルとして、固体酸化物形の燃料電池セルの例を用いて説明する。
図１Ａは、実施形態に係るセル１の一例を示す横断面図であり、図１Ｂは、実施形態に係るセル１の一例を空気極５側からみた側面図であり、図１Ｃは、実施形態に係るセル１の一例をインターコネクタ６側からみた側面図である。なお、図１Ａ〜図１Ｃは、セル１の各構成の一部を拡大して示している。
図１Ａ〜図１Ｃに示す例において、セル１は中空平板型で、細長い板状である。図１Ｂに示すように、セル１の全体を側面から見た形状は、たとえば、長さ方向Ｌの辺の長さが５ｃｍ〜５０ｃｍで、この長さ方向Ｌに直交する幅方向Ｗの長さが１ｃｍ〜１０ｃｍの長方形である。このセル１の全体の厚さ（厚み方向Ｔ）は１ｍｍ〜５ｍｍである。
図１Ａに示すように、セル１は、導電性の支持基板２と、素子部と、インターコネクタ６とを備えている。支持基板２は、一対の対向する第１平坦面ｎ１、第２平坦面ｎ２、およびかかる第１平坦面ｎ１と第２平坦面ｎ２とを接続する一対の円弧状の側面ｍを有する柱状である。
素子部は、支持基板２の第１平坦面ｎ１上に設けられている。かかる素子部は、燃料極３と、固体電解質層４と、空気極５とを有している。また、図１Ａに示す例では、セル１の第２平坦面ｎ２上にインターコネクタ６が設けられている。
また、図１Ｂに示すように、空気極５はセル１の下端まで延びていない。セル１の下端部では、固体電解質層４のみが第１平坦面ｎ１の表面に露出している。また、図１Ｃに示すように、インターコネクタ６がセル１の下端まで延びていてもよい。セル１の下端部では、インターコネクタ６および固体電解質層４が表面に露出している。なお、図１Ａに示すように、セル１の一対の円弧状の側面ｍにおける表面では、固体電解質層４が露出している。インターコネクタ６は、セル１の下端まで延びていなくてもよい。
以下、セル１を構成する各構成部材について説明する。
支持基板２は、ガスが流れるガス流路２ａを内部に有している。図１Ａにおいては、長さ方向に沿って延びる６つのガス流路２ａを有する例を示している。支持基板２は、ガス透過性を有し、燃料ガスを燃料極３まで透過させる。図１Ａに示す支持基板２は、導電性を有する。支持基板２は、素子部で発生した電気を、インターコネクタ６を介して集電することができる。
支持基板２の材料は、たとえば、鉄族金属成分および無機酸化物を含む。たとえば、鉄族金属成分はＮｉおよび／またはＮｉＯであってもよい。たとえば、無機酸化物は特定の希土類元素酸化物であってもよい。
燃料極３の材料には、一般的に公知のものを使用することができる。燃料極３は、多孔質の導電性セラミックス、たとえば酸化カルシウム、酸化マグネシウム、または希土類元素酸化物が固溶しているＺｒＯ２とＮｉおよび／またはＮｉＯとを含むセラミックスから形成することができる。この希土類元素酸化物としては、たとえば、Ｙ２Ｏ３などが用いられる。以下、酸化カルシウム、酸化マグネシウム、または希土類元素酸化物が固溶しているＺｒＯ２を安定化ジルコニアと称する。本開示において、安定化ジルコニアは、部分安定化ジルコニアも含む。
固体電解質層４は、電解質であり、燃料極３と空気極５との間のイオンの橋渡しをする。同時に、固体電解質層４は、ガス遮断性を有し、燃料ガスと酸素含有ガスとのリークを生じ難くする。
固体電解質層４の材料は、たとえば、３〜１５モル％の希土類元素酸化物が固溶したＺｒＯ２である。この希土類元素酸化物としては、たとえば、Ｙ２Ｏ３などが用いられる。なお、上記特性を有する限りにおいては、固体電解質層４の材料に他の材料などを用いてもよい。
空気極５の材料は、一般的に空気極に用いられるものであれば特に制限はない。空気極５の材料は、たとえば、いわゆるＡＢＯ３型のペロブスカイト型酸化物などの導電性セラミックスでもよい。
空気極５の材料は、たとえば、ＡサイトにＳｒとＬａが共存する複合酸化物であってもよい。このような複合酸化物の例としては、ＬａｘＳｒ１−ｘＣｏｙＦｅ１−ｙＯ３、ＬａｘＳｒ１−ｘＭｎＯ３、ＬａｘＳｒ１−ｘＦｅＯ３、ＬａｘＳｒ１−ｘＣｏＯ３などが挙げられる。なお、ｘは０＜ｘ＜１、ｙは０＜ｙ＜１である。
また、空気極５は、ガス透過性を有している。空気極５の開気孔率は２０％以上、特に３０％〜５０％の範囲であってもよい。
インターコネクタ６の材料には、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）、ランタンストロンチウムチタン系のペロブスカイト型酸化物（ＬａＳｒＴｉＯ３系酸化物）などを用いてもよい。これらの材料は、導電性を有し、かつ水素含有ガスなどの燃料ガス、および空気などの酸素含有ガスと接触しても還元も酸化もされない。
また、インターコネクタ６は、緻密質であり、支持基板２に形成されたガス流路２ａを流通する燃料ガス、および支持基板２の外側を流通する酸素含有ガスのリークを生じ難くする。インターコネクタ６は、９３％以上、特に９５％以上の相対密度を有していてもよい。
＜セルスタック装置の構成＞
次に、上述したセル１を用いた本実施形態に係るセルスタック装置１０について、図２Ａ〜図２Ｃを参照しながら説明する。図２Ａは、実施形態に係るセルスタック装置１０の一例を示す斜視図であり、図２Ｂは、図２Ａに示すＡ−Ａ線の断面図であり、図２Ｃは、実施形態に係るセルスタック装置１０の一例を示す上面図である。
図２Ａに示すように、セルスタック装置１０は、セル１の厚み方向Ｔ（図１Ａ参照）に配列（積層）された複数個のセル１を有するセルスタック１１と、固定部材１２とを備える。
固定部材１２は、固定材１３と、保持部材１４とを有する。保持部材１４は、セル１を保持する。固定材１３は、セル１を保持部材１４に固定する。また、保持部材１４は、保持体１５と、ガスタンク１６とを有する。保持部材１４である保持体１５およびガスタンク１６は、金属製であり導電性を有している。
図２Ｂに示すように、保持体１５は、複数個のセル１の下端部が挿入される挿入孔１５ａを有している。複数個のセル１の下端部と挿入孔１５ａの内壁とは、固定材１３で接合されている。
ガスタンク１６は、挿入孔１５ａを介して複数個のセル１に反応ガスを供給するための開口部と、かかる開口部の周囲に設けられた凹溝１６ａとを有する。保持体１５の外周の端部は、ガスタンク１６の凹溝１６ａに充填された接合材２１により、ガスタンク１６と接合されている。
図２Ａに示す例では、保持部材１４である保持体１５とガスタンク１６とで形成される内部空間に燃料ガスが貯留される。ガスタンク１６にはガス流通管２０が接続されている。燃料ガスは、このガス流通管２０を通してガスタンク１６に供給され、ガスタンク１６からセル１の内部のガス流路２ａ（図１Ａ参照）に供給される。ガスタンク１６に供給される燃料ガスは、後述する改質器８２（図６参照）で生成される。
水素リッチな燃料ガスは、たとえば原燃料を水蒸気改質することにより生成してもよい。水蒸気改質により生成された燃料ガスは、水蒸気を含む。
図２Ａに示す例は、２列のセルスタック１１、２つの保持体１５、及びガスタンク１６を備えている。２列のセルスタック１１は、それぞれ複数個のセル１を有する。各セルスタック１１は、各保持体１５に固定されている。ガスタンク１６は上面に２つの貫通孔を有している。各貫通孔には、各保持体１５が配置されている。内部空間は、１つのガスタンク１６と、２つの保持体１５とで形成される。
挿入孔１５ａの形状は、たとえば、上面視で長円形状である。挿入孔１５ａは、たとえば、セル１の配列方向すなわち厚み方向Ｔの長さが、セルスタック１１の両端に位置する２つの端部集電部材１７の間の距離よりも大きい。挿入孔１５ａの幅は、たとえば、セル１の幅方向Ｗ（図１Ａ参照）の長さよりも大きい。
図２Ａに示すように、挿入孔１５ａの内壁とセル１の下端部との接合部には、固定材１３が充填され、固化されている。これにより、挿入孔１５ａの内壁と複数個のセル１の下端部とがそれぞれ接合・固定され、また、セル１の下端部同士が接合・固定されている。各セル１のガス流路２ａは、下端部で保持部材１４の内部空間と連通している。
固定材１３および接合材２１は、酸化物イオン伝導性を有している。なお、固定材１３および接合材２１は、さらに導電性が低いものを用いることができる。固定材１３および接合材２１の具体的な材料としては、非晶質ガラスなどを用いてもよく、特に結晶化ガラスなどを用いてもよい。
結晶化ガラスとしては、たとえば、ＳｉＯ２−ＣａＯ系、ＭｇＯ−Ｂ２Ｏ３系、Ｌａ２Ｏ３−Ｂ２Ｏ３−ＭｇＯ系、Ｌａ２Ｏ３−Ｂ２Ｏ３−ＺｎＯ系、ＳｉＯ２−ＣａＯ−ＺｎＯ系などの材料のいずれかを用いてもよく、特にＳｉＯ２−ＭｇＯ系の材料を用いてもよい。
また、図２Ｂに示すように、隣接するセル１の間には、隣接するセル１の間を電気的に直列に接続するための導電部材１８が介在している。隣接するセル１の間とは、より詳細には、隣接する一方のセル１の燃料極３ともう一方のセル１の空気極５との間である。
また、図２Ｂに示すように、複数個のセル１の配列方向における最も外側に位置するセル１に、端部集電部材１７が接続されている。端部集電部材１７は、セルスタック１１の外側に突出する導電部１９に接続されている。導電部１９は、セル１の発電により生じた電気を集電して外部に引き出す機能を有する。なお、図２Ａでは、端部集電部材１７の図示を省略している。
また、図２Ｃに示すように、セルスタック装置１０は、２つのセルスタック１１Ａ、１１Ｂが直列に接続され、一つの電池として機能する。そのため、セルスタック装置１０の導電部１９は、正極端子１９Ａと、負極端子１９Ｂと、接続端子１９Ｃとに区別される。
正極端子１９Ａは、セルスタック１１が発電した電力を外部に出力する場合に正極として機能し、セルスタック１１Ａにおける正極側の端部集電部材１７に電気的に接続される。負極端子１９Ｂは、セルスタック１１が発電した電力を外部に出力する場合に負極として機能し、セルスタック１１Ｂにおける負極側の端部集電部材１７に電気的に接続される。
接続端子１９Ｃは、セルスタック１１Ａにおける負極側の端部集電部材１７と、セルスタック１１Ｂにおける正極側の端部集電部材１７とを電気的に接続する。
＜参考例＞
図３Ａ〜図３Ｇに示す参考例について説明する。図３Ａは、参考例のセルスタック装置１０を含んだ電力システム１００の一例を示す図であり、図３Ｂは、参考例のセルスタック装置１０における各部位の電位の大小関係の一例を示す図である。また、図３Ｃおよび図３Ｄは、参考例のセルスタック装置１０内で生じる現象を説明するための図である。
図３Ａに示すように、電力システム１００は、セルスタック装置１０をＰＣＳ（Power Conditioning Subsystem）１０１に接続し、かかるＰＣＳ１０１を介してセルスタック装置１０で発電した電力を系統電力１０２に供給する。
具体的には、ＰＣＳ１０１は、セルスタック装置１０で発電した直流電力を交流電力に変換し、かかる交流電力を系統電力１０２に供給する。したがって、ＰＣＳ１０１には、セルスタック装置１０の正極端子１９Ａと負極端子１９Ｂとがいずれも接続される。
そして、図３Ａに示した電力システム１００では、図３Ｂに示すように、セルスタック装置１０の起電力を２Ａ（Ｖ）とした場合、正極端子１９Ａの電位は＋Ａ（Ｖ）となっており、負極端子１９Ｂの電位は−Ａ（Ｖ）となっている。セルスタック装置１０の起電力とは、すなわち、セルスタック１１の起電力である。
また、金属製であり導電性を有する保持部材１４は、セルスタック装置１０を安定して動作させるため、接地されている。保持部材１４は、保持体１５およびガスタンク１６を含む。すなわち、保持体１５（保持部材１４）の電位は、０（Ｖ）である。なお、保持体１５の電位は、正極端子１９Ａの電位と負極端子１９Ｂの電位との丁度中間の電位から少しずれた電位となる場合もある。
このような電位の大小関係により、図３Ｃに示すように、ほぼ＋Ａ（Ｖ）の電位である正極端子１９Ａ近傍のセル１と、０（Ｖ）の電位である保持体１５との間には電位差が生じる。
そして、かかる電位差により、図３Ｃに示すように、保持体１５の表面に形成される酸化皮膜内の酸素イオン（Ｏ２−）はセル１側に引き寄せられ、かかる酸化皮膜内の金属イオン（Ｍ＋）は保持体１５側に引き寄せられる。すなわち、固定材１３と保持体１５との界面で、酸化皮膜の還元反応が発生する。
これにより、固定材１３との界面における保持体１５表面の酸化皮膜が欠損してしまうことから、図３Ｄに示すように、かかる欠損によって固定材１３と保持体１５との間に隙間Ｃが生じる。かかる隙間Ｃの発生現象は、電位差が大きい正極端子１９Ａ近傍のセル１と保持体１５との間で生じやすく、かかる隙間Ｃが発生することによって、セルスタック装置１０の耐久性が低下する恐れがある。
なお、保持体１５は、図３Ｅに示すような平板状の保持体１５であってもよい。この場合には、例えばガスタンク１６を平板状である保持体１５の下面または側面に接合することによって内部空間が形成される。また、保持体１５は、図３Ｆに示すように、複数の挿入孔１５ａを有する保持体１５であってもよい。この場合、保持体１５の複数の挿入孔１５ａにそれぞれにセル１が１つずつ挿入されていてもよいし、保持体１５の複数の挿入孔１５ａのそれぞれにセル１が複数個ずつ挿入されていてもよい。図３Ｇは、平板状の保持体１５とセル１との接合部の断面図である。また、保持体１５がガスタンク１６と一体で構成されている場合もある。このような保持体１５においても、固定材１３と保持体１５との間に隙間Ｃが生じる。
＜実施形態＞
つづいて、実施形態に係るセルスタック装置１０について、図４Ａおよび図４Ｂを参照しながら説明する。図４Ａは、実施形態に係るセルスタック装置１０を含んだ電力システム１００の一例を示す図であり、図４Ｂは、実施形態に係るセルスタック装置１０における各部位の電位の大小関係を示す図である。
図４Ａに示すように、実施形態に係る電力システム１００では、セルスタック装置１０の正極端子１９ＡとＰＣＳ１０１との間が、ノイズ低減部３２を介して接地電位３１に接続されている。すなわち、実施形態に係るセルスタック装置１０では、正極端子１９Ａが接地電位３１に接続されることにより、正極端子１９Ａが接地されている。
これにより、図４Ｂに示すように、正極端子１９Ａの電位を、保持体１５（保持部材１４）の電位と同じ０（Ｖ）にすることができる。なおこの場合、負極端子１９Ｂの電位は−２Ａ（Ｖ）となる。
すなわち、実施形態では、上記の参考例で説明した正極端子１９Ａ近傍のセル１と保持体１５との間の電位差が生じなくなることから、固定材１３と保持体１５との界面における還元反応を生じさせないようにすることができる。
したがって、実施形態によれば、固定材１３との界面における保持体１５表面の酸化皮膜が欠損することを低減できる。その結果、固定材１３と保持体１５との間に隙間Ｃが生じ難くすることができる。すなわち、実施形態によれば、セルスタック装置１０の耐久性を向上させることができる。
また、実施形態では、正極端子１９Ａと接地電位３１との間に、ノイズ低減部３２を有してもよい。ノイズ低減部３２は、たとえば、コイル３２ａと抵抗３２ｂとが正極端子１９Ａと接地電位３１との間で直列に接続されるとともに、コンデンサ３２ｃが抵抗３２ｂに並列に接続される。
実施形態では、かかるノイズ低減部３２を正極端子１９Ａと接地電位３１との間に有することにより、セルスタック装置１０から供給される直流電力に含まれるノイズを低減することができる。したがって、実施形態によれば、ＰＣＳ１０１において安定して直流電力を交流電力に変換することができる。
なお、図４Ａに示したノイズ低減部３２の回路構成はあくまで一例であり、別の回路構成を採用することも可能である。
＜変形例１＞
つづいて、実施形態の変形例１に係るセルスタック装置１０について、図５Ａおよび図５Ｂを参照しながら説明する。図５Ａは、実施形態の変形例１に係るセルスタック装置１０を含んだ電力システム１００の一例を示す図であり、図５Ｂは、実施形態の変形例１に係るセルスタック装置１０における各部位の電位の大小関係を示す図である。
かかる変形例１では、正極端子１９Ａと接地電位３１との間に別途電池３３を有する点が、実施形態と異なる。かかる電池３３の正極は、ノイズ低減部３２を介して接地電位３１に接続される。また、電池３３の負極は、正極端子１９Ａに接続される。
そして、図５Ｂに示すように、かかる電池３３の起電力をＢ（Ｖ）とした場合、正極端子１９Ａの電位を、保持体１５（保持部材１４）の電位０（Ｖ）よりも低い−Ｂ（Ｖ）にすることができる。なおこの場合、負極端子１９Ｂの電位は−Ｂ−２Ａ（Ｖ）となる。
すなわち、変形例１では、上記の参考例で説明した電位差とは逆の電位差を生じさせることができることから、固定材１３と保持体１５との界面において、還元反応とは逆の酸化反応を生じさせることができる。
これにより、固定材１３との界面における保持体１５表面の酸化皮膜が酸化反応により成長することはあっても、かかる酸化皮膜が欠損することを低減することができる。したがって、変形例１によれば、固定材１３と保持体１５との間に隙間Ｃが生じ難くすることができることから、セルスタック装置１０の耐久性を向上させることができる。
なお、電池３３は、正極端子１９Ａに負電圧を印加する負電圧印加部の一例である。すなわち、かかる負電圧印加部は電池３３に限られず、接地電位３１に対して正極端子１９Ａに負電圧を印加することができるものであれば、どのような構成であってもよい。
また、変形例１では、実施形態のように、正極端子１９Ａと接地電位３１との間にノイズ低減部３２を有してもよい。これにより、セルスタック装置１０から供給される直流電力に含まれるノイズを低減することができることから、ＰＣＳ１０１において安定して直流電力を交流電力に変換することができる。
＜モジュール＞
次に、上述したセルスタック装置１０を用いた本開示の実施形態に係るモジュール８０について、図６を用いて説明する。図６は、実施形態に係るモジュール８０を示す外観斜視図であり、収納容器８１の一部である前面及び後面を取り外し、内部に収納される燃料電池のセルスタック装置１０を後方に取り出した状態を示している。
図６に示すように、モジュール８０は、収納容器８１、及び収納容器８１内に収納されたセルスタック装置１０を備えている。セルスタック装置１０の上方には、改質器８２が配置されている。
かかる改質器８２は、天然ガス、灯油などの原燃料を改質して燃料ガスを生成し、セル１に供給する。原燃料は、原燃料供給管８３を通じて改質器８２に供給される。なお、改質器８２は、水を気化させる気化部８２ａと、改質部８２ｂとを備えていてもよい。改質部８２ｂは、図示しない改質触媒を備えており、原燃料を燃料ガスに改質する。このような改質器８２は、効率の高い改質反応である水蒸気改質を行うことができる。
そして、改質器８２で生成された燃料ガスは、ガス流通管２０、ガスタンク１６、及び固定部材１２を通じて、セル１のガス流路２ａ（図１Ａ参照）に供給される。
また、上述の構成のモジュール８０では、ガスの燃焼及びセル１の発電に伴い、通常発電時におけるモジュール８０内の温度が５００〜１０００℃程度となる。
このようなモジュール８０においては、上述したように、隙間Ｃが発生し難く、耐久性が高いセルスタック装置１０を備えることにより、耐久性が高いモジュール８０とすることができる。
＜モジュール収容装置＞
図７は、実施形態に係るモジュール収容装置９０の一例を示す分解斜視図である。実施形態に係るモジュール収容装置９０は、外装ケースと、図６で示したモジュール８０と、図示しない補機と、を備えている。補器は、モジュール８０の運転を行う。モジュール８０及び補器は、外装ケース内に収容されている。なお、図７においては一部構成を省略して示している。
図７に示すモジュール収容装置９０の外装ケースは、支柱９１と外装板９２とを有する。仕切板９３は、外装ケース内を上下に区画している。外装ケース内の仕切板９３より上側の空間は、モジュール８０を収容するモジュール収容室９４であり、外装ケース内の仕切板９３より下側の空間は、モジュール８０を運転する補機を収容する補機収容室９５である。なお、図７では、補機収容室９５に収容する補機を省略して示している。
また、仕切板９３は、補機収容室９５の空気をモジュール収容室９４側に流すための空気流通口９６を有している。モジュール収容室９４を構成する外装板９２は、モジュール収容室９４内の空気を排気するための排気口９７を有している。
このようなモジュール収容装置９０においては、上述したように、耐久性が高いモジュール８０をモジュール収容室９４に備えていることにより、耐久性が高いモジュール収容装置９０とすることができる。
以上、本開示について詳細に説明したが、本開示は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本開示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。
上記の実施形態では、支持基板の表面に燃料極、固体電解質層および空気極から成る発電素子部が１つのみ設けられた所謂「縦縞型」のセルを積層した縦縞型セルスタック装置を例示した。本開示は、支持基板の表面の互いに離れた複数個所にて発電素子部がそれぞれ設けられ、隣り合う発電素子部の間が電気的に接続された所謂「横縞型」のセルを積層した横縞型セルスタック装置に適用することができる。
また、上記の実施形態では、中空平板型の支持基板を用いた場合を例示した。本開示は、円筒型の支持基板を用いたセルスタック装置に適用することもできる。また、所謂「平板型」のセルを厚み方向に積層した平板型セルスタック装置に適用することもできる。
また、上記の実施形態では、支持基板上に燃料極が設けられ、空気極がセルの表面に配置された例を示した。本開示は、これとは逆の配置、すなわち支持基板上に空気極が設けられ、燃料極がセルの表面に配置されたセルスタック装置に適用することもできる。
また、上記実施形態では、「セル」、「セルスタック装置」、「モジュール」および「モジュール収容装置」の一例として燃料電池セル、燃料電池セルスタック装置、燃料電池モジュールおよび燃料電池装置を示したが、他の例としてはそれぞれ、電解セル、電解セルスタック装置、電解モジュールおよび電解装置であってもよい。
図８は、実施形態の変形例２に係るセルスタック装置２００を示す断面図である。図８に示すように、変形例２に係るセルスタック装置２００は、複数の板状のセル２０１を積層したセルスタック２１０を備えている。また、変形例２に係るセルスタック装置２００において、セルスタック２１０は、正極側の端部集電部材２２０と負極側の端部集電部材２２１との間に挟まれている。
変形例２のセル２０１は、素子部２０２と、セパレータ２０３と、空気極側フレーム２０４と、燃料極側フレーム２０５と、空気極側集電体２０６と、燃料極側集電体２０７と、インターコネクタ２０８とを有する。
図９は、実施形態の変形例２に係るセル２０１の構造を示す拡大断面図である。図９に示すように、変形例２の素子部２０２は、空気極２０２ａと、空気極２０２ａの下面に位置する固体電解質層２０２ｂと、固体電解質層２０２ｂの下面に位置する燃料極２０２ｃとを有する。空気極２０２ａは、素子部２０２の空気極側集電体２０６に接する側に位置し、燃料極２０２ｃは、素子部２０２の燃料極側集電体２０７に接する側に位置している。
図８の説明に戻る。セパレータ２０３は、中央付近に上下方向に貫通する貫通孔を有するフレーム状の部材である。セパレータ２０３の材料は、たとえば、金属であってもよい。セパレータ２０３における貫通孔の周囲部分は、固体電解質層２０２ｂ（図９参照）における空気極２０２ａ（図９参照）の側の表面の周縁部に対向する。セパレータ２０３は、この対向した部位で固体電解質層２０２ｂに接合される。
かかるセパレータ２０３によって、空気極２０２ａに面する空気室２６４と燃料極２０２ｃ（図９参照）に面する燃料室２６５とが区画され、素子部２０２の周縁部における一方の電極側からもう一方の電極側へのガスのリークが生じ難くなる。
空気極側フレーム２０４は、中央付近に上下方向に貫通する貫通孔を有するフレーム状の部材である。空気極側フレーム２０４の材料は、たとえば、マイカなどの絶縁体であってもよい。空気極側フレーム２０４は、セパレータ２０３における固体電解質層２０２ｂに対向する側とは反対側の表面の周縁部と、インターコネクタ２０８における空気極２０２ａに対向する側の表面の周縁部とに接触する。
なお、セルスタック２１０においてもっとも上方に位置するセル２０１は、上側のインターコネクタ２０８を備えていないため、かかるセル２０１における空気極側フレーム２０４は、端部集電部材２２０に接触する。
空気極側フレーム２０４の貫通孔は、空気極２０２ａに面する空気室２６４を構成する。また、空気極側フレーム２０４によって、互いに隣接するインターコネクタ２０８同士が電気的に絶縁される。
燃料極側フレーム２０５は、中央付近に上下方向に貫通する貫通孔を有するフレーム状の部材である。燃料極側フレーム２０５の材料は、たとえば、金属であってもよい。燃料極側フレーム２０５の貫通孔は、燃料極２０２ｃに面する燃料室２６５を構成する。
燃料極側フレーム２０５は、セパレータ２０３における固体電解質層２０２ｂに対向する側の表面の周縁部と、インターコネクタ２０８における燃料極２０２ｃに対向する側の表面の周縁部とに接触する。
空気極側集電体２０６は、空気室２６４内に配置される。空気極側集電体２０６は、所定の間隔をあけて並べられた複数の柱状の導電性部材で構成される。空気極側集電体２０６の材料は、たとえば、ステンレスであってもよい。
空気極側集電体２０６は、空気極２０２ａにおける固体電解質層２０２ｂに対向する側とは反対側の表面と、インターコネクタ２０８における空気極２０２ａに対向する側の表面とに接触する。なお、セルスタック２１０においてもっとも上方に位置するセル２０１は、上側のインターコネクタ２０８を備えていないため、かかるセル２０１における空気極側集電体２０６は、端部集電部材２２０に接触する。
すなわち、空気極側集電体２０６は、空気極２０２ａとインターコネクタ２０８との間、または空気極２０２ａと端部集電部材２２０との間を電気的に接続する。なお、空気極側集電体２０６とインターコネクタ２０８とが一体の部材として形成されていてもよい。
燃料極側集電体２０７は、燃料室２６５内に配置される。燃料極側集電体２０７は、所定の間隔をあけて並べられた複数の柱状の導電性部材で構成されてもよい。燃料極側集電体２０７の材料は、たとえば、ステンレスであってもよい。燃料極側集電体２０７は、例えば、図９に示すように、電極対向部２０７ａと、インターコネクタ対向部２０７ｂと、接続部２０７ｃと、スペーサ２０７ｄとを有してもよい。
電極対向部２０７ａは、素子部２０２の燃料極２０２ｃと対向する。インターコネクタ対向部２０７ｂは、インターコネクタ２０８（または端部集電部材２２１）と対向する。接続部２０７ｃは、電極対向部２０７ａとインターコネクタ対向部２０７ｂとをつなぐ。電極対向部２０７ａ、インターコネクタ対向部２０７ｂおよび接続部２０７ｃは、いずれも金属で構成されていてもよく、たとえば一体で構成されていてもよい。
スペーサ２０７ｄは、電極対向部２０７ａとインターコネクタ対向部２０７ｂとの間に位置している。スペーサ２０７ｄの材料は、たとえばマイカであってもよい。かかるスペーサ２０７ｄを燃料極側集電体２０７に配置することにより、燃料極側集電体２０７が温度サイクル、反応ガスの圧力変動などによるセル２０１の変形に容易に追随することができる。
したがって、図９に示すような燃料極側集電体２０７を有するセル２０１は、燃料極側集電体２０７を介した燃料極２０２ｃとインターコネクタ２０８（または端部集電部材２２１）との電気的接続を良好に維持することができる。
図８の説明に戻る。インターコネクタ２０８は、平板形状の導電性部材である。インターコネクタ２０８の材料は、たとえばステンレスであってもよい。インターコネクタ２０８は、隣接するセル２０１同士の電気的な接続を確保する。また、インターコネクタ２０８により、隣接するセル２０１同士での反応ガスの混合が生じ難くなる、すなわち一方のセル２０１側からもう一方のセル２０１側へのガスのリークが生じ難くなる。なお、変形例２では、隣接するセル２０１が１つのインターコネクタ２０８を共有している。
なお、端部集電部材２２０または端部集電部材２２１に接するセル２０１は、かかる端部集電部材２２０または端部集電部材２２１がインターコネクタ２０８の機能を有することから、インターコネクタ２０８を有していない。
正極端子２２２は、セルスタック２１０が発電した電力を外部に出力する場合に正極として機能し、セルスタック２１０における正極側の端部集電部材２２０に電気的に接続される。負極端子２２３は、セルスタック２１０が発電した電力を外部に出力する場合に負極として機能し、セルスタック２１０における負極側の端部集電部材２２１に電気的に接続される。
セルスタック装置２００は、端部集電部材２２０と、セルスタック２１０と、端部集電部材２２１とを連通する連通孔２６１、２６２を有し、かかる連通孔２６１、２６２の内部に金属製のボルト２３１が挿通される。
そして、端部集電部材２２０および端部集電部材２２１から外部に露出するボルト２３１に金属製のナット２３２が嵌められて、複数のセル２０１が端部集電部材２２０と端部集電部材２２１との間で保持される。すなわち、変形例２では、ボルト２３１およびナット２３２で、複数のセル２０１を保持する保持部材２３０が構成される。
端部集電部材２２０と保持部材２３０との間、および端部集電部材２２０と保持部材２３０との間には、固定材２４０が位置している。変形例２の固定材２４０は、たとえば、実施形態の固定材１３と同じ材料で構成されていてもよい。なお、変形例２の固定材２４０は、実施形態の固定材１３と同じ材料で構成される場合に限られず、たとえば、絶縁シートで構成されてもよい。
端部集電部材２２０および端部集電部材２２１のうちいずれかが、ねじ穴を備えていてもよい。例えば、端部集電部材２２０がねじ孔を備える場合、ボルト２３１がかかるねじ穴に螺合されてもよい。かかるねじ穴の内壁とボルト２３１とは、直接接触していてもよいし、ねじ穴の内壁とボルト２３１との間に固定材２４０が位置していてもよい。この場合、ボルト２３１は端部集電部材２２１から外部に露出し、その露出したボルト２３１に金属製のナット２３２が嵌められる。端部集電部材２２１と保持部材２３０との間には、固定材２４０が位置している。
ボルト２３１およびナット２３２に替えて、フランジ部を有するボルトを保持部材２３０として用いてもよい。フランジ部を有するボルトは端部集電部材２２０のねじ穴に螺合され、保持部材２３０のフランジ部と端部集電部材２２１との間には、固定材２４０が位置している。ねじ穴は、端部集電部材２２０を貫通していてもよいし、貫通せず底部を有してもよい。
図１０は、実施形態の変形例２に係るセルスタック装置２００を含んだ電力システム１００Ａの一例を示す図である。図１０に示すように、変形例２に係る電力システム１００Ａでは、セルスタック装置２００の正極端子２２２とＰＣＳ１０１との間が、ノイズ低減部３２を介して接地電位３１に接続されている。
すなわち、変形例２に係るセルスタック装置２００では、正極端子２２２が接地電位３１に接続されることにより、正極端子２２２が接地されている。
これにより、図４Ｂに示したように、正極端子２２２の電位を、保持部材２３０の電位と同じ０（Ｖ）にすることができる。正極端子２２２及び端部集電部材２２０は、保持部材２３０と電気的に接続されていてもよい。なおこの場合、負極端子２２３の電位は−２Ａ（Ｖ）となる。
これにより、変形例２では、実施形態のように、正極端子２２２と保持部材２３０との間の電位差が生じなくなることから、固定材２４０と保持部材２３０との界面における還元反応を生じさせないようにすることができる。
したがって、変形例２によれば、固定材２４０との界面における保持部材２３０表面の酸化皮膜が欠損することを低減できる。その結果、固定材２４０と保持部材２３０との間に隙間が生じ難くすることができる。すなわち、変形例２によれば、セルスタック装置２００の耐久性を向上させることができる。
なお、変形例２に係るセルスタック装置２００を含んだ電力システム１００Ａは、図１０の例に限られない。図１１は、実施形態の変形例２に係るセルスタック装置２００を含んだ電力システム１００Ａの別の一例を示す図である。
図１１の例では、正極端子２２２と接地電位３１との間に別途電池３３を有する点が図１０の例と異なる。かかる電池３３の正極は、ノイズ低減部３２を介して接地電位３１に接続され、電池３３の負極は、正極端子２２２に接続される。
これにより、変形例２でも、上述の変形例１のように、固定材２４０と保持部材２３０との界面において、還元反応とは逆の酸化反応を生じさせることができる。すなわち、図１１の例では、固定材２４０との界面における保持部材２３０表面の酸化皮膜が酸化反応により成長することはあっても、かかる酸化皮膜が欠損することは低減することができる。
したがって、図１１の例によれば、固定材２４０と保持部材２３０との間に隙間が生じ難くすることができることから、セルスタック装置２００の耐久性を向上させることができる。
また、図１０および図１１の例では、実施形態のように、正極端子２２２と接地電位３１との間にノイズ低減部３２を有してもよい。これにより、セルスタック装置２００から供給される直流電力に含まれるノイズを低減することができることから、ＰＣＳ１０１において安定して直流電力を交流電力に変換することができる。
図８に示したセルスタック装置２００における残りの部位について、説明を続ける。保持部材２３０の連通孔２６１及び連通孔２６２は、例えばセル２０１を固定するためのボルトを挿通する単なるボルト孔でもよい。連通孔２６１は、反応ガスまたは酸素含有ガスを複数のセル２０１に供給するガス供給マニホールドとしての機能を有していてもよい。連通孔２６２は、反応ガス又は酸素含有ガスを複数のセル２０１から排出するガス排出マニホールドとしての機能を有していてもよい。以下、図８に示すように、連通孔２６１は、酸素含有ガスを複数のセル２０１に供給する酸素供給マニホールドの機能を有し、連通孔２６２は、酸素含有ガスを複数のセル２０１から排出する酸素排出マニホールドの機能を有する場合について説明する。
酸素供給マニホールドを流れる酸素含有ガスは、連通孔２６１から空気極側フレーム２０４に形成される図示しない流路を介して、空気室２６４に供給される。また、空気室２６４から排出される酸素含有ガスは、空気極側フレーム２０４に形成される図示しない流路を介して連通孔２６２に流れる。
連通孔２６１の入口には、ガス通路部材２５０が位置している。かかるガス通路部材２５０は、本体部２５１と分岐部２５２とを有し、端部集電部材２２１とナット２３２との間に挟持される。
連通孔２６２の出口には、ガス通路部材２７０が位置している。かかるガス通路部材２７０は、本体部２７１と分岐部２７２とを有し、端部集電部材２２１とナット２３２との間に挟持される。
なお、図８には図示していないが、セルスタック装置２００は、酸素含有ガスを複数のセル２０１に供給する連通孔２６１、酸素含有ガスを複数のセル２０１から排出する連通孔２６２とは異なる連通孔を有していてもよい。セルスタック装置２００は、たとえば、燃料ガスを複数のセル２０１に供給する燃料供給マニホールド又は燃料ガスを複数のセル２０１から排出する燃料排出マニホールドとして機能する連通孔を有していてもよい。また、セルスタック装置２００は、ガスを供給・排出する機能を有さない連通孔を有していてもよい。
さらにまた、セルスタック装置２００は、ボルト２３１を挿通する連通孔に加えて、ボルト２３１が挿通されない連通孔を有していてもよい。ボルト２３１が挿通されない連通孔が、ガス供給マニホールドまたはガス排出マニホールドの機能を有していてもよい。
また、上記の実施形態では、セルスタック装置１０内のセルスタック１１Ａ、１１Ｂを直列に接続した例について示したが、セルスタック１１Ａ、１１Ｂを並列に接続して一つの電池を構成してもよい。
また、上記の実施形態では、保持部材１４が接地された例について示したが、必ずしも保持部材１４は接地されなくともよい。この場合でも、正極端子１９Ａの電位を保持部材１４の電位以下にすることにより、固定材１３と保持体１５との間に隙間Ｃが生じ難くすることができることから、セルスタック装置１０の耐久性を向上させることができる。
以上のように、実施形態に係るセルスタック装置１０（２００）は、セルスタック１１（２１０）と、保持部材１４（２３０）と、正極端子１９Ａ（２２２）と、を備える。セルスタック１１（２１０）は、複数個のセル１（２０１）が積層されて構成される。保持部材１４（２３０）は、セル１（２０１）を保持する。正極端子１９Ａ（２２２）は、セルスタック１１（２１０）が発電した電力を外部に出力する場合に正極として機能する。また、正極端子１９Ａ（２２２）の電位は、保持部材１４（２３０）の電位以下である。これにより、セルスタック装置１０（２００）の耐久性を向上させることができる。
また、実施形態に係るセルスタック装置１０（２００）において、正極端子１９Ａ（２２２）および保持部材１４（２３０）は、同じ電位である。これにより、セルスタック装置１０（２００）の耐久性を向上させることができる。
また、実施形態に係るセルスタック装置１０（２００）において、正極端子１９Ａ（２２２）の電位は、保持部材１４（２３０）の電位よりも低い。これにより、セルスタック装置１０（２００）の耐久性を向上させることができる。
また、実施形態に係るセルスタック装置１０（２００）において、正極端子１９Ａ（２２２）は、接地電位３１に接続される。そして、実施形態に係るセルスタック装置１０（２００）は、正極端子１９Ａ（２２２）と接地電位３１との間に、ノイズを低減するノイズ低減部３２が位置する。これにより、ＰＣＳ１０１において安定して直流電力を交流電力に変換することができる。
また、実施形態に係るモジュール８０は、収納容器８１内に上記に記載のセルスタック装置１０（２００）を収納して構成される。これにより、耐久性が高いモジュール８０とすることができる。
また、実施形態に係るモジュール収容装置９０は、外装ケース内に、上記に記載のモジュール８０と、かかるモジュール８０の運転を行うための補機とを収容して構成される。これにより、耐久性が高いモジュール収容装置９０とすることができる。
今回開示された実施形態は全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。実に、上記した実施形態は多様な形態で具現され得る。また、上記の実施形態は、添付の請求の範囲及びその趣旨を逸脱することなく、様々な形態で省略、置換、変更されてもよい。
１、２０１ セル
１０、２００ セルスタック装置
１１、１１Ａ、１１Ｂ、２１０ セルスタック
１２ 固定部材
１３、２４０ 固定材
１４、２３０ 保持部材
１５ 保持体
１６ ガスタンク
１９Ａ、２２２ 正極端子
１９Ｂ、２２３ 負極端子
３１ 接地電位
３２ ノイズ低減部
３３ 電池
８０ モジュール
９０ モジュール収容装置

Claims (6)

  1. 複数個のセルが積層されて構成されるセルスタックと、
    前記セルを保持する保持部材と、
    前記セルスタックが発電した電力を外部に出力する場合に正極として機能する正極端子と、
    を備え、
    前記正極端子の電位は、前記保持部材の電位以下である
    セルスタック装置。
  2. 前記正極端子および前記保持部材は、同じ電位である
    請求項１に記載のセルスタック装置。
  3. 前記正極端子の電位は、前記保持部材の電位よりも低い
    請求項１に記載のセルスタック装置。
  4. 前記正極端子は、接地電位に接続され、
    前記正極端子と前記接地電位との間に、ノイズを低減するノイズ低減部が位置する
    請求項１〜３のいずれか一つに記載のセルスタック装置。
  5. 収納容器内に請求項１〜４のいずれか一つに記載のセルスタック装置を収納して構成される、モジュール。
  6. 外装ケース内に、請求項５に記載のモジュールと、該モジュールの運転を行うための補機とを収容して構成される、モジュール収容装置。
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