JP4322107B2 - 燃料電池システム - Google Patents

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Description

本発明は、電解質をアノード電極とカソード電極とで挟んで構成される電解質・電極接合体が、一対のセパレータ間に配設される燃料電池を組み込む燃料電池システムに関する。
通常、固体電解質型燃料電池(SOFC)は、電解質に酸化物イオン導電体、例えば、安定化ジルコニアを用いており、この電解質の両側にアノード電極及びカソード電極を配設した電解質・電極接合体(単セル)を、セパレータ(バイポーラ板)によって挟持している。この燃料電池は、通常、単セルとセパレータとが所定数だけ積層された燃料電池スタックとして使用されている。
上記の燃料電池において、カソード電極に酸化剤ガス、例えば、主に酸素を含有するガスあるいは空気(以下、酸素含有ガスともいう)が供給されると、前記カソード電極と電解質との界面でこの酸化剤ガス中の酸素がイオン化(O2-)され、酸素イオンが電解質を通ってアノード電極側に移動する。アノード電極には、燃料ガス、例えば、主に水素を含有するガス(以下、水素含有ガスともいう)やCOが供給されているために、このアノード電極において、酸素イオン及び水素(又はCO)が反応して水(又はCO2)が生成される。その間に生じた電子は外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。
この種の燃料電池を複数積層した燃料電池スタックとして、例えば、特許文献1に開示されている燃料電池が知られている。この特許文献1は、図9に示すように、圧力容器1内に燃料電池スタック2が断熱材3に囲繞されて積層されており、前記燃料電池スタック2の上下締付板4a、4bが締付ボルト5により締め付けられている。
燃料電池スタック2の上下には、電流端子6a、6bが設けられ、前記電流端子6aは、電流ケーブル7に接続されるとともに、前記電流ケーブル7は、円筒状の締付ボルト5内に挿入されて電流取り出し口8aに接続されている。電流端子6bは、電流取り出し口8bに接続されており、前記電流取り出し口8bは、電流取り出し口8aに近接して配置されている。締付ボルト5には、電流ケーブル7を冷却するためにパージガスを供給するパージガス入口配管9が接続されている。
特許第3251919号公報(図1)
上記の燃料電池スタック2では、通常、酸化剤ガスを加熱するための熱交換器や燃料ガスを改質するための改質器等の流体部が設けられているが、特許文献1では、該流体部を圧力容器1内に良好に収容することができない。
しかも、電流ケーブル7が円筒状の締付ボルト5内に挿入されるとともに、前記締付ボルト5には、前記電流ケーブル7を冷却するためにパージガスを供給するパージガス入口配管9が接続されている。このため、構成が複雑化してコストが高騰するとともに、流体部のレイアウトが困難になるという問題がある。
本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単且つコンパクトな構成で、燃料電池から電気エネルギを有効に取り出すことができるとともに、レイアウトの自由度を高めることが可能な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、電解質を一対の電極で挟んで構成される電解質・電極接合体が、一対のセパレータ間に配設される燃料電池を備え、前記燃料電池が複数積層されて積層方向両端にエンドプレートが配設され、前記エンドプレート同士が締付部材により締め付けられる燃料電池スタックと、酸化剤ガスを前記燃料電池スタックに供給する前に加熱する熱交換器を含む流体部と、前記燃料電池スタック及び前記流体部が収容される筐体部とを備えている。
燃料電池スタックは、積層方向一端に配置される燃料電池の一方の電極に電気的に接続されるとともに、一方のエンドプレート側に設けられる第1出力端子と、前記積層方向他端に配置される前記燃料電池の他方の電極に締付部材を介して電気的に接続されるとともに、前記一方のエンドプレート側に設けられる第2出力端子とを設け、流体部は、前記他方のエンドプレート側に配設されている。
また、燃料電池スタックは、他方のエンドプレート側に、すなわち、筐体部内の流体部が配設されている側に、排ガスを排出することが好ましく、さらに、前記筐体部は、多重壁構造であることが好ましい。
さらにまた、締付部材は、燃料電池の外周部又は中央部を積層方向に沿って締め付ける締付ボルトを備えることが好ましい。また、流体部は、燃料ガスを燃料電池スタックに供給する前に改質するための改質器を備えることが好ましい。
本発明では、流体部が他方のエンドプレート側に配設されるとともに、燃料電池スタックから電気エネルギを取り出す第1及び第2出力端子が一方のエンドプレート側に配設されるため、配線や配管等に影響されることがなく、燃料電池スタックを配置することができる。これにより、燃料電池スタック及び流体部のレイアウトの自由度が有効に向上する。
しかも、燃料電池スタックの他方の電極と第2出力端子とは、締付部材を介して電気的に接続されており、電気エネルギの取り出しを、簡単な構成で確実に行うことが可能になる。
図1は、本発明の実施形態に係る燃料電池10が矢印A方向に複数積層された燃料電池スタック12の概略斜視説明図であり、図2は、前記燃料電池スタック12が筐体14内に収容された本発明の実施形態に係る燃料電池システム16の一部断面説明図である。
燃料電池10は、固体電解質型燃料電池であり、設置用の他、車載用等の種々の用途に用いられている。燃料電池10は、図3及び図4に示すように、例えば、安定化ジルコニア等の酸化物イオン導電体で構成される電解質(電解質板)20の両面に、カソード電極22及びアノード電極24が設けられた電解質・電極接合体26を備える。電解質・電極接合体26は、円板状に形成される。
燃料電池10は、一組のセパレータ28間に複数、例えば、8個の電解質・電極接合体26を挟んで構成される。セパレータ28間には、このセパレータ28の中心部である燃料ガス供給連通孔36と同心円上に8個の電解質・電極接合体26が配列される。
セパレータ28は、図3に示すように、互いに積層される第1及び第2プレート30、32と、前記第1及び第2プレート30、32間に配設される第3プレート34とを備える。第1〜第3プレート30、32及び34は、例えば、ステンレス合金等の板金で構成され、前記第3プレート34の両面に、前記第1プレート30と前記第2プレート32とが、例えば、ろう付けにより接合される。
第1プレート30は、中央部に燃料ガス供給連通孔36を形成する第1小径端部38を備える。この第1小径端部38から外方に等角度間隔ずつ離間して放射状に延在する複数の橋架部40を介して比較的大径な第1円板部42が一体的に設けられる。第1円板部42は、電解質・電極接合体26のアノード電極24と略同一寸法に設定されている。
各第1円板部42には、電解質・電極接合体26のアノード電極24に接触する面に多数の第1凸部44が外周縁部近傍から中心部にわたって設けられるとともに、前記第1円板部42の外周縁部には、前記第1凸部44を周回して略リング状凸部46が設けられる。第1凸部44及び略リング状凸部46は、集電部を構成する。第1円板部42の中央には、アノード電極24の略中央部に向かって燃料ガスを供給するための燃料ガス導入口48が形成される。なお、第1凸部44は、略リング状凸部46と同一平面内に複数の凹部を形成することによって構成してもよい。
第2プレート32は、波状外周部50を備え、前記波状外周部50の各円弧状部分には、内方に突出する橋架部54を介して比較的大径な第2円板部56が一体的に設けられる。第2円板部56は、第1プレート30の第1円板部42と同様に等角度間隔ずつ離間して8個設けられる。各第2円板部56には、電解質・電極接合体26のカソード電極22に接触する面に、図6に示すように、複数の第2凸部58が設けられる。第2凸部58は、集電部を構成する。第2円板部56の中央部には、酸化剤ガスをカソード電極22の略中央部に向かって供給するための酸化剤ガス導入口60が形成される(図3参照)。
第3プレート34は、中央部に燃料ガス供給連通孔36を形成する第2小径端部62を備え、この第2小径端部62から放射状に8本の橋架部66が延在するとともに、各橋架部66の先端には、比較的大径な第3円板部70が一体的に設けられる。各第3円板部70には、橋架部66の延長線上に橋架部68が設けられ、全ての橋架部68が波状外周部64に一体的に連結される。第3円板部70は、第1及び第2円板部42、56と同一直径に設定される。
図3に示すように、第3プレート34の第1プレート30に向かう面において、第2小径端部62には、燃料ガス供給連通孔36に連通して複数のスリット72が放射状に形成され、このスリット72には、前記第2小径端部62を周回してろう材の流れを防止するための凹部74が連通する。燃料ガス供給連通孔36からスリット72を介して橋架部66及び第3円板部70の面内に燃料ガス通路76が形成される。
第3円板部70の第1プレート30に向かう面には、複数の第3凸部78が面内全面にわたって形成され、この第3凸部78は、燃料ガス通路76の一部を構成する。
図5に示すように、第3プレート34の第2プレート32に向かう面において、波状外周部64には、各第3円板部70に対応して空気取り込み用の複数のスリット80が形成されるとともに、ろう材の流れを防止するための凹部82が前記波状外周部64の形状に沿って周回形成される。
図6に示すように、第1プレート30が第3プレート34にろう付けされると、各橋架部40、66が接合されて燃料ガス通路部材が構成されるとともに、この燃料ガス通路部材内には、燃料ガス通路76を構成する燃料ガス分配通路76aが形成される。この燃料ガス通路76は、第1及び第3円板部42、70間に該第1円板部42を挟んでアノード電極24の電極面を覆い、且つ燃料ガスが供給されることにより前記第1円板部42を前記アノード電極24に圧接可能な燃料ガス圧力室86を構成する。
第2プレート32が第3プレート34にろう付け固定されることにより、図7に示すように、橋架部54、68が接合されて酸化剤ガス通路部材が構成されるとともに、この酸化剤ガス通路部材内には、酸化剤ガス通路84を構成する酸化剤ガス分配通路84aが形成される。
酸化剤ガス通路84は、第2円板部56を挟んでカソード電極22の電極面を覆い、且つ酸化剤ガスが供給されることにより前記第2円板部56を前記カソード電極22に圧接可能な酸化剤ガス圧力室88を構成する。図3に示すように、セパレータ28内には、使用済みの燃料ガス及び酸化剤ガスを、排ガスとして積層方向に排出するための排ガス通路87が形成される。
各セパレータ28間には、図6に示すように、燃料ガス供給連通孔36をシールするための絶縁シール89aが設けられるとともに、図7に示すように、波状外周部50、64間には、絶縁シール89bが設けられる。絶縁シール89a、89bは、例えば、マイカ材やセラミック材で形成されている。
図1及び図2に示すように、燃料電池スタック12は、複数の燃料電池10の積層方向両端に円板状のエンドプレート90a、90bを配置する。エンドプレート90aは、絶縁されており、中心部に燃料ガス供給口92が形成され、この燃料ガス供給口92が各燃料電池10の燃料ガス供給連通孔36に連通する。
エンドプレート90a、90bには、燃料ガス供給連通孔36及び酸化剤ガス供給連通孔60の近傍に位置し、矢印A方向に積層された電解質・電極接合体26とセパレータ28とに締め付け荷重を付与する締付手段93が設けられる。
締付手段93は、燃料ガス供給口92(燃料ガス供給連通孔36)を挟んでエンドプレート90aに形成される2個のボルト挿入口94aと、波状外周部50、64の外方近傍に位置して前記エンドプレート90aに形成される8個のボルト挿入口96aとを備える。ボルト挿入口94aは、燃料電池スタック12の排ガス通路87内に配置される。
エンドプレート90bは、導電部材で構成されている。図2に示すように、このエンドプレート90bの中央部には、接続端子部100が軸方向に膨出形成されるとともに、前記接続端子部100を挟んで2個のボルト挿入口94bが形成される。各ボルト挿入口94a、94bは、同軸上に設けられており、2本の締付ボルト102が挿入されて前記締付ボルト102の先端にナット104が螺合する。締付ボルト102は、エンドプレート90a、90bと電気的に絶縁されている。接続端子部100は、導線114を介して第1出力端子112aに電気的に接続される。
エンドプレート90bには、エンドプレート90aのボルト挿入口96aと同軸上に8個のボルト挿入口96bが形成される。各ボルト挿入口96a、96bに締付ボルト(締付部材)106が挿入され、前記締付ボルト106の先端にナット108が螺合する。締付ボルト106は、エンドプレート90aに電気的に接続される一方、エンドプレート90bとは電気的に絶縁される。締付ボルト106の頭部は、導線110を介して第2出力端子112bに電気的に接続される。
第1出力端子112aは、電解質・電極接合体26の一方の極、例えば、アノード電極24に電気的に接続されるとともに、第2出力端子112bは、前記電解質・電極接合体26の他方の極、例えば、カソード電極22に電気的に接続される。
第1及び第2出力端子112a、112bは、一方のエンドプレート90b側に設けられるとともに、互いに近接し且つ平行して筐体14に固定される。筐体14内には、第1及び第2出力端子112a、112bの間に位置して空気供給口116が形成されるとともに、他方のエンドプレート90a側には、排気口118が設けられる。
排気口118に近接して燃料ガス供給口120が形成され、この燃料ガス供給口120は、必要に応じて改質器122を介して燃料ガス供給連通孔36に連通する。改質器122の外方には、酸化剤ガスを燃料電池スタック12に供給する前に加熱する熱交換器124が配置される。改質器122及び熱交換器124は、流体部125を構成する。筐体14内には、多重壁構造、例えば、二重壁構造部126が設けられ、この二重壁構造部126内に燃料電池スタック12が収容される。
このように構成される燃料電池スタック12の動作について、以下に説明する。
燃料電池10を組み付ける際には、先ず、図3に示すように、セパレータ28を構成する第1プレート30が第3プレート34の一方の面に接合されるとともに、第2プレート32が前記第3プレート34の他方の面に接合される。このため、セパレータ28内には、第3プレート34に仕切られて燃料ガス供給連通孔36に連通する燃料ガス通路76と、スリット80に連通する酸化剤ガス通路84とが独立して形成される(図4参照)。
さらに、第1及び第3円板部42、70間には、燃料ガス圧力室86が形成される一方、第2及び第3円板部56、70間には、酸化剤ガス圧力室88が形成される(図8参照)。
次いで、リング状の絶縁シール89aが、燃料ガス供給連通孔36を周回して第1プレート30又は第3プレート34に設けられる(図6参照)。一方、第2プレート32の波状外周部50又は第3プレート34の波状外周部64には、波形状の絶縁シール89bが設けられる(図7参照)。
これにより、セパレータ28が構成され、前記セパレータ28間には、8個の電解質・電極接合体26が挟持されて燃料電池10が得られる。図3に示すように、各セパレータ28は、互いに対向する第1及び第2円板部42、56間に電解質・電極接合体26が配置され、各アノード電極24の中央部に燃料ガス導入口48が配置される一方、各カソード電極22の中央部に酸化剤ガス導入口60が配置される。
上記の燃料電池10が矢印A方向に複数積層され、積層方向両端にエンドプレート90a、90bが配置される。エンドプレート90a、90bの各ボルト挿入口94a、94bには、締付ボルト102が挿入され、前記締付ボルト102の先端にナット104が螺合する。同様に、エンドプレート90a、90bの各ボルト挿入口96a、96bには、締付ボルト106が挿入され、前記締付ボルト106の先端にナット108が螺合する。これによって、積層されたセパレータ28と電解質・電極接合体26とは、締付手段93を介して締め付け保持され、燃料電池スタック12が構成される(図1参照)。
燃料電池スタック12は、筐体14内に収容される。図2に示すように、筐体14内には、方のエンドプレート90a側に流体部125を構成する熱交換器124が配設されるとともに、方のエンドプレート90側に第1及び第2出力端子112a、112bが配設される。この筐体14内には、流体部125を構成する改質器122が、必要に応じて熱交換器124に近接して他方のエンドプレート90a側に配設される。
そこで、筐体14に設けられている燃料ガス供給口120から燃料ガス(例えば、水素含有ガス)が供給されるとともに、前記筐体14の空気供給口116から酸化剤ガスである酸素含有ガス(以下、空気ともいう)が供給される。燃料ガスは、改質器122を通って燃料電池スタック12の燃料ガス供給連通孔36に供給され、積層方向(矢印A方向)に移動しながら各燃料電池10を構成するセパレータ28内の燃料ガス分配通路76aに導入される(図6参照)。
燃料ガスは、燃料ガス分配通路76aに沿って移動し、燃料ガス通路76に沿って第1及び第3円板部42、70間に形成された燃料ガス圧力室86に導入され、複数の第3凸部78間を移動して第1円板部42の中央部に形成される燃料ガス導入口48に導入される。
燃料ガス導入口48は、各電解質・電極接合体26のアノード電極24の中心位置に対応して設けられている。このため、燃料ガスは、図8に示すように、燃料ガス導入口48からアノード電極24に供給され、該アノード電極24内を中心部から外周部に向かって流動する。
一方、各燃料電池10の外周側から供給される酸化剤ガスは、各セパレータ28の外周部に形成されているスリット80を介して酸化剤ガス通路84に供給される(図7参照)。この酸化剤ガス通路84に供給された酸化剤ガスは、第2及び第3円板部56、70間の酸化剤ガス圧力室88に送られた後、酸化剤ガス導入口60から電解質・電極接合体26のカソード電極22の中心部に導入され、前記カソード電極22の外周に向かって流動する(図8参照)。
従って、電解質・電極接合体26では、アノード電極24の中心部から外周部に向かって燃料ガスが供給されるとともに、カソード電極22の中心部から外周部に向かって酸化剤ガスが供給される(図8参照)。その際、酸素イオンが電解質20を通ってアノード電極24に移動し、化学反応により発電が行われる。
ここで、各燃料電池10は、矢印A方向(積層方向)に電気的に直列に接続されており、図2に示すように、一方の極は、導電性のエンドプレート90bに設けられた接続端子部100から導線114を介して第1出力端子112aに接続される。他方の極は、締付ボルト106から導線110を介して第2出力端子112bに接続される。このため、第1及び第2出力端子112a、112b間に電気エネルギを取り出すことができる。
一方、各電解質・電極接合体26の外周に移動した反応後の燃料ガス及び酸化剤ガスが混在する排ガスは、セパレータ28内に形成される排ガス通路87を介して積層方向に移動し、筐体14の排気口118から外部に排出される。
この場合、本実施形態では、燃料電池スタック12の一方の電極(例えば、アノード電極24)に電気的に接続される第1出力端子112aは、一方のエンドプレート90b側に設けられるとともに、前記燃料電池スタック12の他方の電極(例えば、カソード電極22)に締付ボルト106を介して電気的に接続される第2出力端子112bは、前記一方のエンドプレート90b側に設けられている。
すなわち、第1及び第2出力端子112a、112bは、一方のエンドプレート90b側に設けられるとともに、他方のエンドプレート90a側には、流体部125が配設されている。このため、一方のエンドプレート90b側には、配線や配管等に影響されることがなく、燃料電池スタック12を配置することができる。
これにより、燃料電池スタック12及び流体部125のレイアウトの自由度が有効に向上するという効果が得られる。しかも、燃料電池スタック12の他方の電極と第2出力端子112bとは、締付部材である締付ボルト106を介して電気的に接続されており、電気エネルギの取り出しを、簡単な構成で確実に行うことが可能になる。
その際、締付ボルト106は、燃料電池スタック12の外周縁部に設けられており、前記燃料電池スタック12の外周から供給される酸化剤ガスの流れによって前記締付ボルト106を冷却することができる。このため、締付ボルト106を保護しながら、電気抵抗を下げることが可能になり、発電効率の向上が容易に図られる。
さらに、排ガスは、他方のエンドプレート90a側から排気口118を介して外部に排出される。従って、配線を高温の排ガス雰囲気に曝すことがなく、前記配線の耐久性を向上させるとともに、電流の抵抗値を低減することができる。しかも、流体部125は、排ガスからの排熱を利用することが可能になり、熱効率が有効に向上する。
さらにまた、筐体14は、多重壁構造、例えば、二重壁構造部126を設けており、この二重壁構造部126内に燃料電池スタック12が収容されている。このため、二重壁構造部126により断熱性が向上し、熱効率を良好に高めることが可能になる。その他にも、筐体14を密封状態に保持することが可能になり、シール性及び断熱性を向上させることできるという利点がある。
燃料電池が複数積層された燃料電池スタックの概略斜視説明図である。 前記燃料電池スタックが筐体内に収容された本発明の実施形態に係る燃料電池システムの一部断面説明図である。 前記燃料電池を構成するセパレータの分解斜視説明図である。 前記燃料電池のガス流れ状態を示す一部分解斜視説明図である。 前記セパレータを構成する第3プレートの面の説明図である。 前記燃料電池の中心部の拡大断面図である。 前記燃料電池の外周縁部の拡大断面図である。 前記燃料電池の動作を説明する概略断面説明図である。 特許文献1の燃料電池の断面説明図である。
符号の説明
10…燃料電池 12…燃料電池スタック
20…電解質 22…カソード電極
24…アノード電極 26…電解質・電極接合体
28…セパレータ 30、32、34…プレート
36…燃料ガス供給連通孔 40、54、66、68…橋架部
42、56、70…円板部 44、58、78…凸部
46…略リング状凸部 48…燃料ガス導入口
60…酸化剤ガス導入口 76…燃料ガス通路
84…酸化剤ガス通路 87…排ガス通路
90a、90b…エンドプレート 93…締付手段
94a、94b、96a、96b…ボルト挿入口
100…接続端子部 102、106…締付ボルト
110、114…導線 112a、112b…出力端子
116…空気供給口 118…排気口
120…燃料ガス供給口 122…改質器
124…熱交換器 125…流体部
126…二重壁構造部

Claims (5)

  1. 電解質を一対の電極で挟んで構成される電解質・電極接合体が、一対のセパレータ間に配設される燃料電池を備え、前記燃料電池が複数積層されて積層方向両端にエンドプレートが配設され、前記エンドプレート同士が締付部材により締め付けられる燃料電池スタックと、
    酸化剤ガスを前記燃料電池スタックに供給する前に加熱する熱交換器を含む流体部と、
    前記燃料電池スタック及び前記流体部が収容される筐体部と、
    を備え、
    前記燃料電池スタックは、前記積層方向一端に配置される前記燃料電池の一方の電極に電気的に接続されるとともに、一方のエンドプレート側に設けられる第1出力端子と、
    前記積層方向他端に配置される前記燃料電池の他方の電極に前記締付部材を介して電気的に接続されるとともに、前記一方のエンドプレート側に設けられる第2出力端子と、
    を設け、
    前記流体部は、前記他方のエンドプレート側に配設されることを特徴とする燃料電池システム。
  2. 請求項1記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池スタックは、前記流体部が配設される前記他方のエンドプレート側に排ガスを排出することを特徴とする燃料電池システム。
  3. 請求項1又は2記載の燃料電池システムにおいて、前記筐体部は、多重壁構造であることを特徴とする燃料電池システム。
  4. 請求項1乃至3のいずれか1項に記載の燃料電池システムにおいて、前記締付部材は、前記燃料電池の外周部又は中央部を積層方向に沿って締め付ける締付ボルトを備えることを特徴とする燃料電池システム。
  5. 請求項1乃至4のいずれか1項に記載の燃料電池システムにおいて、前記流体部は、燃料ガスを前記燃料電池スタックに供給する前に改質するための改質器を備えることを特徴とする燃料電池システム。
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