JP4335336B2 - 燃料電池モジュール - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池の大容量化を図り、高性能・高耐久性並びに信頼性の高い燃料電池モジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の固体電解質燃料電池（ＳＯＦＣ：Solid Oxide Fuel Cells）の概略を図１４を用いて説明する。なお、図１４においてはモジュール本体は省略した状態を示している。
図１４に示すように、従来の平板型の固体電解質燃料電池は、両側に空気極と燃料極とを配してなる発電膜０１をインタコネクタ（図示せず）を介して縦方向に複数積層してなる一体構造の燃料電池スタック０２と、該燃料電池スタック０２の各々の発電膜に空気及び燃料を供給するガス供給マニホールド０３ａ，０３ｂ並びに排出ガス用の排出マニホールド０４ａ，０４ｂと、上記燃料電池スタック０２の上下端に設けられ、電気を集電する集電棒０５を具えた集電板０６とから構成してなる。
上記構成の電池モジュール内部を高温（８００℃〜１０００℃近傍）に保持し、発電膜の空気極に空気を燃料極に燃料を各々供給することで発電している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の燃料電池モジュールでは、燃料電池スタックの大型化に対応する場合、発電膜０１の積層枚数を多段にした高積層型のスタックとする必要がある。この際、例えば４０段の発電膜の積層枚数をその2.５倍以上の１００段とする場合には、以下のような問題がある。
▲１▼発電膜０１の積層枚数が増大する結果、燃料電池の故障確率が増大し、信頼性が低下する。
▲２▼発電膜０１の積層枚数が増大する結果、ガスの流量配分が均一とならず、電池性能が低下すると共に、局部発熱が増大し、ひいては発電膜の割れが生じる場合場合がある。
▲３▼発電膜０１の積層により積層下部側にスタックの自重がかかり、下層側に位置する発電膜の割れの発生確率が増大する。
▲４▼多段の大型スタックではガス供給及び排出マニホールドの大型化が必須となり、シール部分の増大並びにシール性能が低下するという問題がある。
▲５▼更に、ガスマニホールドは一般にセラミックス製であるので、大型化には問題がある。
【０００４】
本発明は、上記問題に鑑み、燃料電池の大容量化を図った場合であっても、高性能・高耐久性並びに信頼性の高い燃料電池モジュールを提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
前述した課題を解決する第１の発明に係る燃料電池モジュールは、
隔壁を配して内部を上下２室に区分けしてなるモジュール本体と、
上記モジュール本体の下部室内に設けられ、両面に空気極と燃料極とを設けた発電膜を起立した状態で複数列設してなる燃料電池スタックと、
上記燃料電池スタックの周囲に配されてなり、該燃料電池スタックに燃料及び空気を供給する燃料室及び空気室と、
上記モジュール本体の上部室内に設けられ、上記空気室へ供給する空気を加温する予熱器とを具備し、
上記燃料電池スタックが上記発電膜を所定枚数毎に分割した複数のサブスタックからなり、該サブスタック同士を接続する集電部材をさらに備え、
上記サブスタックが、セラミックス製のキャニスタ内部に収納される
ことを特徴とする。
また、前述した課題を解決する第２の発明に係る燃料電池モジュールは、
隔壁を配して内部を上下２室に区分けしてなるモジュール本体と、
上記モジュール本体の下部室内に設けられ、両面に空気極と燃料極とを設けた発電膜を起立した状態で複数列設してなる燃料電池スタックと、
上記燃料電池スタックの周囲に配されてなり、該燃料電池スタックに燃料及び空気を供給する燃料室及び空気室と、
上記モジュール本体の上部室内に設けられ、上記空気室へ供給する空気を加温する予熱器とを具備し、
上記燃料電池スタックが上記発電膜を所定枚数毎に分割した複数のサブスタックからなり、該サブスタック毎にそれぞれ設けられて、該サブスタック毎に上記燃料をそれぞれ直接供給するガス供給室を複数備えている
ことを特徴とする。
【０００７】
第３の発明に係る燃料電池モジュールは、
第１の発明において、
上記サブスタック毎にそれぞれ設けられて、該サブスタック毎に上記燃料をそれぞれ直接供給するガス供給室を複数備えている
ことを特徴とする。
【０００９】
第４の発明に係る燃料電池モジュールは、
第１の発明において、
上記キャニスタ内部にサブスタック同士を導電性の弾性部材で押圧しつつ収納してなる
ことを特徴とする。
【００１０】
第５の発明に係る燃料電池モジュールは、
第１の発明において、
上記サブスタック同士を接続する集電部材にリード線を各々設けてなる
ことを特徴とする。
【００１１】
第６の発明に係る燃料電池モジュールは、
第１の発明において、
上記キャニスタ内部に収納したサブスタックに供給するガス管をセラミックス継手を用いて接続してなる
ことを特徴とする。
【００１２】
第７の発明に係る燃料電池モジュールは、
第１の発明において、
上記各々のサブスタックにガスを供給するガス供給室を共通にしてなる
ことを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明による燃料電池モジュールの実施の形態を以下に説明するが、本発明はこれらの実施の形態に限定されるものではない。
【００１４】
本発明の実施の形態を図１〜図５を用いて説明する。
図１は燃料電池モジュールの概略図であり、図２は該モジュール内に配されるキャニスタの斜視図、図３は図２の横方向断面図、図４はキャニスタに収容されるスタック本体の斜視図、図５は図２の縦方向の一部断面図である。
図１に示すように、本実施の形態にかかる燃料電池モジュールは、架台１０に設けられた基部１１上に設けられてなり、水平方向に配した隔壁１２ａによって内部を上下２室に区分けしてなる断熱性のモジュール本体１２と、上記モジュール本体１２の下部室内に設けられ、空気極と燃料極とをその両面に配した発電膜を、起立した状態で複数列設してなる燃料電池スタック１３と、上記燃料電池スタック１３の周囲に配されてなり、該燃料電池スタック１３に下方（地側）から燃料１４及び左右方向から空気１５を供給する燃料室１６及び空気室１７と、上記モジュール本体１２の上部室内に設けられ、上記空気室１７へ供給する空気１５を燃料電池の発電温度（８００℃〜１０００℃近傍）まで加温する予熱器１８と、上記モジュール本体１２の下部側に設けられ、上記燃料室１６へ供給する燃料１４を上記発電温度まで加温する予熱器１９とからなるものである。
ここで、本実施の形態では、上記モジュール本体１２により区分けした上部室は外部から供給される空気１５を予熱する空気予熱室２０とし、下部室は燃料電池スタック１３を収納するスタック室２１としている。
【００１５】
また、本実施の形態では、モジュール本体１２の空気予熱室２０には別途導入されるバーナー用燃料２２により燃焼され、モジュール内部を効率よく昇温する昇温バーナー２３が設けられており、始動開始時等においてモジュール本体１２の内部を発電温度まで昇温させる。
【００１６】
上記スタック室２１の内部には、図２に示すような燃料電池スタック１３を収容する耐熱性の高いセラミックス製の箱型のキャニスタ２４が配されている。また、図３に示すように、上記キャニスタ２４の底部２４ａ側には溝部２５が形成されており、上記燃料電池スタック１３を構成する発電膜の燃料極側に下方（地側）から燃料１４を供給する燃料室１６が形成されている。該燃料室１６には、上記予熱器１９により予熱された燃料１４が供給されており、該予熱燃料１４が発電膜に供給され、電池反応を行った後の燃料排ガス２６はスタック１３の上方から排出される。
【００１７】
なお、排出された燃料排ガス２６は高温であるので、モジュール本体１２の内部を自己加熱する役割を果たすと共に、スタック室２１及び空気予熱室２０の内部を還元雰囲気下としている。
【００１８】
ここで、本実施の形態では、上記予熱器１９は基部１１の内部に設けた燃料排ガス２６を利用した燃料用熱交換器１９ａと、外部から空気を導入して燃料の部分燃焼により予熱する燃焼式予熱器１９ｂとから構成されており、燃料供給源からの燃料及び再利用する燃料１４を燃料電池の発電温度まで効率よく予熱している。
【００１９】
なお、本実施の形態では、モジュール本体外部には凝縮器２７が設けられており、回収された排気燃料ガス２６中の水蒸気を除去し、再度供給する際における燃料１４中の水蒸気含有量を低減させ、電池反応効率の向上を図るようにしている。
【００２０】
また、本実施の形態においては、キャニスタ２４に収容されるスタック１３の両側に設けた空気室１７には、図３に示すように、上記高温に予熱された空気１５が空気導入管２８を介して内部に供給されると共に、電池反応後の空気排ガス２９を空気排出管３０を介して空気用予熱室２０側へ送り、その後外部の空気供給源より導入される空気と熱交換した後、排ガス３１として外部に排出される。
ここで、本実施の形態では、外部から供給される空気を予熱する上記予熱器１８は、空気排ガス２９を利用した空気用熱交換器１８ａと、外部から別途燃料を導入して部分燃焼により予熱する燃焼式予熱器１８ｂとから構成されており、燃料電池の発電温度まで効率よく空気を予熱している。
【００２１】
また、上記セラミックス製のキャニスタ２４の側壁２４ｂ，２４ｃは、図１に示すように、上記モジュール本体１２内部を二分割する隔壁１２ａを支えるリブの役割も果たしている。
【００２２】
本発明では、上記スタック室２１の内部に配設される上記燃料電池スタック１３は、特に限定されるものではなく、従来のように多段に積層した発電膜を起立した状態とし、これを複数列設して横置状態のスタックとしたものを使用するようにしてもよい。
【００２３】
また、本発明ではより好ましくは、本実施の形態の図４に示すように、上記燃料電池スタック１３が、発電膜を起立した状態でインタコネクタを交互に介して少量（例えば５段）列設してなるサブスタック３２を構成し、該サブスタック３２同士を接続する集電部材（図示せず）を用いて、複数列（例えば１０列：32-1`32-10）交互に連結してなる貨車状横置スタック３４としたものを用いることができる。
この貨車状横置スタック３４とした場合には、各々のサブスタック３２に空気を供給する空気供給マニホールド３５ａ及び空気排出マニホールド３５ｂをサブスタック単位で各々形成することができるので、複数列を多段に設ける場合と比べて、例えば空気室等のようなマニホールド等の部材を大型化する必要がなくなる。また、貨車状横置スタック３４の両端部に位置するサブスタック３２−１，３２−１０には、集電棒３６を具えた集電板３７が各々設けられており、これらにより集電している。
なお、本実施の形態では、下部側に設けた燃料室１６は長手方向に設けた溝部２５によりガス供給室を共通にして部材の共用化並びに構成部品の低減化を図っているが、本発明はこれに限定されることはなく、個々のサブスタックに燃料ガスを供給するようにしてもよい。
【００２４】
このように、サブスタック３２を一単位として貨車状に複数連結することにより、多段で直列にしたものよりも、故障確率を低くすることができ、流配のアンバランスを低く抑えることができる。なお、本実施の形態では連結の数は１０段であるが、本発明では何等限定されるものではなく、容易に多段化が可能となる。つまり、適宜必要に応じて高信頼性が確保できる迄の連結段数にすることができ、燃料電池モジュールの大型化を図ることができる。また、多段化した場合であっても、各々の集電部材に設けたリード線５０により適宜所望量の電力を供給することも可能となる。
また、ガスマニホールドを従来の大型化のようなものを作製する必要がなくなり、発電膜５段分のガスマニホールドを製作すればよく、作製効率及び作製費用の低減並びにシール性能の低下を回避することができる。
また、横置スタックとすることにより、従来技術のように発電膜を多段に積層したスタックのような自重による制約を受けず、大容量化が図れる。
なお、本実施の形態ではサブスタック３２を５枚の発電膜を一単位としたが本発明はこれに限定されるものではなく、必要に応じて枚数を増大することができる。また連結するサブスタックの数も限定するものではなく、必要に応じて適宜増大することができる。
【００２５】
次に、貨車状横置スタック３４をキャニスタ２４の内部に収容する場合について説明する。
図５に示すように、上記キャニスタ２４の内部に収容される貨車状横置スタック３４の各サブスタック３２は、起立した状態でインタコネクタ４０を介して５列列設してなる発電膜４１がセラミックス製の枠体であるマニホールド４２ａ，４２ｂにより上下方向で一体に挾持されており、下部マニホールド４２ｂはキャニスタ底部２４ａ側にジルコニアペースト４３等のシール材によりシールされて固定されている。
【００２６】
また、上記サブスタック３２の両端部のインタコネクタ４０には、Ｎｉメッシュ４４及びニッケルペースト４５を用いて中間集電板４６と接合している。上記中間集電板４６同士は、図５及び図６に示すように、例えばセラミックスバネ４７等の弾力性を有する弾性部材で両者を接続すると共に、例えばニッケルの素線を編み込んだ集電帯４８で結線している。これにより、貨車状スタック３４をキャニスタ２４内に規制しつつ収納した場合、電池の運転温度（約１０００℃）において、キャニスタ２４内の熱伸びにより各単位スタック間の距離が増大した場合でも、セラミックスバネ４７の弾性力により、集電部品を抑えつける力を常にかけることができる。
また、キャニスタ２４の両端壁２４ｄ部の内側には、上記セラミックスバネ４７を収容する溝４９が形成されており、集電板３７に所定の押圧をかけている。これにより、キャニスタ２４内では、伸縮自在のセラミックスバネ４７によりサブスタック３２に所定の押圧力をかけつつ収容されていることとなる。
【００２７】
また、図７に示すように、サブスタック３２の並び方に偏りが生じた場合でも、セラミックスバネ４７等の弾性部材により、サブスタック３２と中間集電板４６とを密着させることができる。
この結果、サブスタック３２，３２をセラミックスバネ４７を介して集電部材で接続し、キャニスタ２４内に納めた構造とすることにより、熱膨張の伸びを吸収し、なおかつ一定荷重にてサブスタック同士を接続することが可能となる。
なお、弾性部材はセラミックスバネ４７に限定されるものではなく、例えば伸縮自在のニッケルファイバ等を例示することができる。
【００２８】
なお、端部集電板を所定圧で押圧する方法として、外部から所定の押圧をかけることでキャニスタ内部に整列させるようにしてもよい。
【００２９】
また、図５に示すように、中間集電板４６には電流バイパス用のリード線５０が設けられている。このリード線５０は例えばニッケル素線を編み込んだものや棒状のものを用いることができる。なお、スタック室２１内は排出された燃料排ガス２６により還元雰囲気下であるので、酸化されるおそれはない。
このリード線５０は、図２に示すように、キャニスタ２４の外部へ引き出されている。そして、これらのリード線５０を用いて、サブスタックの電位を常時測定することにより、仮にサブスタックの一単位が故障した場合でも、直ちにバイパス回路を形成することにより、故障したサブスタックを解列でき、運転の信頼性の向上を図ることができる。
【００３０】
このバイパス回路を形成する場合には、サブスタックの破壊を防止するためには、先ずバイパスする部分のサブスタックの箇所を検出し、バイパス回路を形成すると共に、直ちに当該サブスタックへの空気の供給を遮断する。この結果、当該サブスタックの抵抗値が上がり、所定の抵抗値になった時点でバイパス回路へ切替える。これにより、サブスタックの自己破壊が防止され、キャニスタ２４内で所定の押圧力でささえているスタック本体に影響を与えないこととなる。
【００３１】
本発明の燃料電池モジュールに使用する発電膜は、空気供給溝や燃料供給溝を形成してなるものや、発電膜に凹凸を形成した構造（ディンプル）としたもの等の公知の平板型発電膜を使用することができ、何等限定されるものではない。
【００３２】
図８は本実施の形態にかかる発電膜の一例を示しており、複数枚列設したサブスタック３２の断面図であり、（Ａ）は図９のＡ−Ａ線断面図であり、（Ｂ）は図９のＢ−Ｂ線断面図である。
図８に示すように、発電膜４０として、略全面に凸部ディンプル部４０ａと凹部ディンプル部４０ｂとを複数形成させた固体電解質の成形体を用い、固体電解質の片面に空気極及び他の片面に燃料極を形成したものを使用した。
図８（Ａ）は空気供給口を燃料供給側の１／２長さの下半分だけ開放しており、該開口部から空気を供給している。ただし、本発明では開口部は１／２に限定されるものではなく、適宜最適な長さとすればよい。一方、図８（Ｂ）は下部（地側）に設けた燃料室１６から供給された燃料１４の全量を導入すると共に、反応後には、上方（天側）から排気燃料２６を排出している。
【００３３】
図９は空気極側の空気の流れを示しており、図９（Ａ）は図４の第２，４，６，８，１０番目のサブスタックの空気流れを示し、図９（Ｂ）は図４の第１，３，５，７，９番目のサブスタックの空気流れを示している。なお、図９においてはディンプル形状を省略している。
図９（Ａ）に示す場合では、図中右下に設けた空気導入口７１から空気１５が内部に導入されると共に、図中左上に設けた空気排出口７２から空気排ガス２９が排出されている。
一方図９（Ｂ）に示す場合では、図中左下に設けた空気導入口７１から空気１５が内部に導入されると共に、図中右上に設けた空気排出口７２から空気排ガス２９が排出されている。
本実施の形態では、サブスタック毎に空気の流れを逆向きとしているので、スタック本体では全体として温度分布が均一化され、電池反応が活発化される。
【００３４】
なお、本実施の形態ではサブスタック毎に空気の供給の向きを逆としているが、本発明はこれに限定されず、サブスタック単位においても、各空気極へ交互に空気を供給するようにしてもよい。
【００３５】
次に、本発明の燃料電池モジュールの空気供給用の配管の接続方法について説明する。
本発明ではスタック本体をキャニスタ内部に収納しており、該スタック本体には空気室が設けられている。該空気室には空気予熱室２０からの空気が供給されるが、空気予熱室２０の配管は金属であり、一方のスタック室２１のキャニスタ２４側の配管はセラミックス製であるので、異種材料の接続となる。
従来においては、異種配管同士を焼嵌めにより接続していたが、温度変化があった場合には、キャニスタ２４側の空気配管に直接影響があり、問題であった。また、キャニスタ２４はセラミックス製であるので、キャニスタ側の空気配管に傾きがある場合に、芯合せが困難であった。
【００３６】
そこで、本発明では、セラミックス継手を組み合わせることで、異種材料の配管を良好に接続している。図１０に本実施の形態にかかるセラミックス継手を用いた異種材料の配管構造の概略を示す。
【００３７】
図１０に示すように、金属配管８１とセラミックス配管８２との接続は、セラミックス配管８２の外径よりやや大きな内径を有する第１のセラミックス継手８３と、該セラミックス継手８３の開口部に形成された内溝８３ａに嵌合する第２のセラミックス継手８４と、第２のセラミックス継手８４の内筒側に嵌合すると共に金属配管８１の外径と略同一の内径を有する第３のセラミックス継手８５とから構成してなり、セラミックス配管８２と第１の継手８３、第１の継手８３と第２の継手８４、第２の継手８４と第３の継手８５とは所定の接合箇所を各々ジルコニアペースト８６で接合してなり、第３の継手８５内に金属配管８１を挿入し、熱膨張率を利用して焼きばめにより両者を継ぐようにしている。
【００３８】
継手の材質はセラミックス製であれば特に限定されるものではないが、例えばジルコニアを例示することができる。
【００３９】
なお、この継手の接続方法は、燃料電池の配管のみに限定して適用されるものではなく、その他金属と当該金属以外の異種材料を継ぐ場合に適用することができる。
【００４０】
この結果、金属配管８１とセラミックス配管８２とが直接接続されていないので、高温時における配管の熱伸びによる荷重がスタックにかかることがなくなる。また、セラミックス配管８２が傾いた場合であっても、接続が可能となり、セラミックス配管やキャニスタ等の製造精度の許容係数を大きくすることができる。また、セラミックス継手のジルコニアペースト８６部分近傍を切断するだけで容易に切り離しすることができ、据え付け並びに取り外しが容易となる。
さらに、セラミックス継手８３，８４，８５の熱膨張率を等しくすることで、高温時における継手同士の熱応力の発生を防止することができる。
【００４１】
次に、燃料電池は高温で作動するので、本発明の燃料電池モジュールの熱伸びによる配管の吸収構造について説明する。
図１１に金属配管の熱伸び吸収機構の概略を示す。
図１１に示すように、例えば燃料室に供給する燃料１４は燃料供給配管９１により供給されているが、上述した図５に示すように、サブスタック３２の位置はキャニスタ２４内の所定箇所に固定されている。よってサブスタック３２の燃料マニホールド４２ｂが固定されているので、燃料を溜めておくヘッダ９０との連結部分の上記燃料供給配管９１や上記燃料供給配管９１から分枝される配管９２の所定箇所に金属ベローズ９３を配して、熱伸びを吸収している。
【００４２】
本発明の燃料電池モジュールでは、サブスタックを連結するようにしたので、上述した以外に、以下のような作用・効果を奏する。
図１２はサブスタックを一体に構成するための枠体の概略図である。
本実施の形態のように発電膜100を起立状態として所定の枚数毎にサブスタック101とし、このサブスタック101を集電部材102を介して接続して連結スタック103とすることで、図１２（Ａ）に示すように、供給する供給ガスのガスマニホールド104を小型化することができる。この結果、単に発電膜100を多段に設けたスタックとした図１３（Ｂ）に示す場合のように、多段のスタック用の大型マニホールド111のように大型化する必要がなくなる。
また、サブスタック毎にマニホールド104でシールされるので、発電膜の端部が不揃いであっても、小型のマニホールド104との隙間が小さくなり、シール性能が向上する。これに対して、大型マニホールド111で多数の発電膜を一度にシールする場合には、発電膜100の端部の不揃いな場合、すき間112が大きくなり、この結果シール性が低下し、信頼性が低下する。
【００４３】
図１３はサブスタックとする場合とサブスタックとしない場合における供給ガスの流量の関係を示す。
図１３（Ａ）に示すように、本発明のように発電膜100を起立状態として所定の枚数毎にサブスタック101とし、このサブスタック101を集電部材102を介して接続して貨車状連結スタック103とすることで、一部に供給ガス105の流量が増加する場合には、当該増加した箇所のガス供給流量を調整することで、電池性能を平坦化させることができる。
これに対し、図１３（Ｂ）に示すように、大型マニホールド111を用いてスタックに供給ガス105を一度に導入する場合には、圧損の高い部分があると、電池性能が低下する。
よって、本発明のようにサブスタックとすることで流配アンバランスを制御することができる。
【００４４】
このように、サブスタックを一単位とすることにより、従来の積層型の固体電解質燃料電池では得られないような作用・効果を奏すると共に、サブスタック化とすることで、輸送，発電装置内における組み込みが簡易となる。さらに、大容量化の場合にはキャニスタのブロック毎に取扱うこともできる。
【００４５】
【発明の効果】
以上述べたように、第１の発明に係る燃料電池モジュールによれば、隔壁を配して内部を上下２室に区分けしてなるモジュール本体と、上記モジュール本体の下部室内に設けられ、両面に空気極と燃料極とを設けた発電膜を起立した状態で複数列設してなる燃料電池スタックと、上記燃料電池スタックの周囲に配されてなり、該燃料電池スタックに燃料及び空気を供給する燃料室及び空気室と、上記モジュール本体の上部室内に設けられ、上記空気室へ供給する空気を加温する予熱器とを具備するので、発電膜の積層枚数が増大してもガスの流量配分が均一となり、電池性能が良好に維持できる。また、従来のような発電膜の積層により積層下部側にスタックの自重がかかることがなく、発電膜の割れの発生確率が皆無となる。
この結果、発電膜を増大しても燃料電池の故障なく良好に発電を維持でき、発電の信頼性が向上する。
上記燃料電池スタックが上記発電膜を所定枚数毎に分割した複数のサブスタックからなり、該サブスタック同士を接続する集電部材をさらに備えるので、例えばマニホールド等の部材を小型化することができ、燃料電池の大型化に対応した場合でも、製造費用の増大がなく、しかもシール部分も少ないので、シール性能が低下するという問題もなくなる。さらに、取り扱いが容易であるので、輸送，発電装置内における組み込みが簡易となる。また、段数を無限に増大することが容易となり、燃料電池の大型化に対応することができる。
上記サブスタックが、セラミックス製のキャニスタ内部に収納されるので、スタックの周囲を防護することができると共に、モジュール本体のリブの役割も兼ねることができ、モジュール本体の製造費用の低廉を図ることができる。
第２の発明に係る燃料電池モジュールによれば、隔壁を配して内部を上下２室に区分けしてなるモジュール本体と、上記モジュール本体の下部室内に設けられ、両面に空気極と燃料極とを設けた発電膜を起立した状態で複数列設してなる燃料電池スタックと、上記燃料電池スタックの周囲に配されてなり、該燃料電池スタックに燃料及び空気を供給する燃料室及び空気室と、上記モジュール本体の上部室内に設けられ、上記空気室へ供給する空気を加温する予熱器とを具備し、上記燃料電池スタックが上記発電膜を所定枚数毎に分割した複数のサブスタックからなり、該サブスタック毎にそれぞれ設けられて、該サブスタック毎に上記燃料をそれぞれ直接供給するガス供給室を複数備えているので、発電膜の積層枚数が増大してもガスの流量配分が均一となり、電池性能が良好に維持できる。また、従来のような発電膜の積層により積層下部側にスタックの自重がかかることがなく、発電膜の割れの発生確率が皆無となる。
この結果、発電膜を増大しても燃料電池の故障なく良好に発電を維持でき、発電の信頼性が向上する。
さらに、供給状態を監視することで異常に対応でき、部分的な圧力変動があった場合でも直ちに対応することができ、発電の信頼性が向上する。
【００４７】
第３の発明に係る燃料電池モジュールによれば、第１の発明において、上記サブスタック毎にそれぞれ設けられて、該サブスタック毎に上記燃料をそれぞれ直接供給するガス供給室を複数備えているので、供給状態を監視することで異常に対応でき、部分的な圧力変動があった場合でも直ちに対応することができ、発電の信頼性が向上する。
【００４９】
第４の発明に係る燃料電池モジュールによれば、第１の発明において、上記キャニスタ内部にサブスタック同士を導電性の弾性部材で押圧しつつ収納してなるので、キャニスタ内の熱伸びにより各単位スタック間の距離が増大した場合でも、導電性の弾性部材の弾性力により、集電部品を抑えつける力を常にかけることができる。
【００５０】
第５の発明に係る燃料電池モジュールによれば、第１の発明において、上記サブスタック同士を接続する集電部材にリード線を各々設けてなるので、仮にサブスタックの一単位が故障した場合でも、直ちにバイパス回路を形成することにより、故障したサブスタックの劣化を防止することができ、運転の信頼性の向上を図ることができる。
【００５１】
第６の発明に係る燃料電池モジュールによれば、第１の発明において、上記キャニスタ内部に収納したサブスタックに供給するガス管をセラミックス継手を用いて接続してなるので、例えば金属配管とセラミックス配管とが直接接続されていないので、高温時における配管の熱伸びによる荷重がスタックにかかることはない。また、セラミックス配管が傾いた場合であっても、接続が可能となり、製造精度の許容係数を大きくすることができる。
【００５２】
第７の発明に係る燃料電池モジュールによれば、第１の発明において、上記各々のサブスタックにガスを供給するガス供給室を共通にしてなるので、燃料電池モジュールの構成部品を減らすことができ、燃料電池の製造費用の低廉を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態にかかる燃料電池モジュールの概略図である。
【図２】燃料電池モジュール内に配されるキャニスタの斜視図である。
【図３】図２の横方向断面図である。
【図４】キャニスタに収容されるスタック本体の斜視図である。
【図５】図２の縦方向の一部断面図である。
【図６】中間集電部材の斜視図である。
【図７】サブスタック同士の接続状態図である。
【図８】本実施の形態にかかる発電膜の一例であり、（Ａ）は図９のＡ−Ａ線断面図であり、（Ｂ）は図９のＢ−Ｂ線断面図である。
【図９】空気極側の空気の流れの状態を示す図である。
【図１０】セラミックス継手の概略図である。
【図１１】配管構造の概略図である。
【図１２】発電膜の接合状態の概略図である。
【図１３】発電膜への供給ガスの供給状態の概略図である。
【図１４】従来技術の積層構造の燃料電池の概略図である。
【符号の説明】
１０ 架台
１１ 基部
１２ａ 隔壁
１２ モジュール本体
１３ 燃料電池スタック
１４ 燃料
１５ 空気
１６ 燃料室
１７ 空気室
１８ 予熱器
１９ 予熱器
２０ 空気予熱室
２１ スタック室
３２ サブスタック
３４ 貨車状横置スタック
３５ａ 空気供給マニホールド
３５ｂ 空気排出マニホールド
３６ 集電棒
３７ 集電板
４０ インタコネクタ
４１ 発電膜
４２ａ，４２ｂ マニホールド
４３ ジルコニアペースト
４４ Ｎｉメッシュ
４５ ニッケルペースト
４６ 中間集電板
４７ セラミックスバネ
４８ 集電帯
４９ 溝
５０ リード線
８１ 金属配管
８２ セラミックス配管
８３ 第１のセラミックス継手
８４ 第２のセラミックス継手
８５ 第３のセラミックス継手
８６ ジルコニアペースト
９０ ヘッダ
９１ 燃料供給配管
９２ 分枝配管
９３ 金属ベローズ
100 発電膜
101 サブスタック
102 集電部材
103 連結スタック
104 ガスマニホールド
105 供給ガス
111 大型マニホールド
112 すき間
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池の大容量化を図り、高性能・高耐久性並びに信頼性の高い燃料電池モジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の固体電解質燃料電池（ＳＯＦＣ：Solid Oxide Fuel Cells）の概略を図１４を用いて説明する。なお、図１４においてはモジュール本体は省略した状態を示している。
図１４に示すように、従来の平板型の固体電解質燃料電池は、両側に空気極と燃料極とを配してなる発電膜０１をインタコネクタ（図示せず）を介して縦方向に複数積層してなる一体構造の燃料電池スタック０２と、該燃料電池スタック０２の各々の発電膜に空気及び燃料を供給するガス供給マニホールド０３ａ，０３ｂ並びに排出ガス用の排出マニホールド０４ａ，０４ｂと、上記燃料電池スタック０２の上下端に設けられ、電気を集電する集電棒０５を具えた集電板０６とから構成してなる。
上記構成の電池モジュール内部を高温（８００℃〜１０００℃近傍）に保持し、発電膜の空気極に空気を燃料極に燃料を各々供給することで発電している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の燃料電池モジュールでは、燃料電池スタックの大型化に対応する場合、発電膜０１の積層枚数を多段にした高積層型のスタックとする必要がある。この際、例えば４０段の発電膜の積層枚数をその2.５倍以上の１００段とする場合には、以下のような問題がある。
▲１▼発電膜０１の積層枚数が増大する結果、燃料電池の故障確率が増大し、信頼性が低下する。
▲２▼発電膜０１の積層枚数が増大する結果、ガスの流量配分が均一とならず、電池性能が低下すると共に、局部発熱が増大し、ひいては発電膜の割れが生じる場合場合がある。
▲３▼発電膜０１の積層により積層下部側にスタックの自重がかかり、下層側に位置する発電膜の割れの発生確率が増大する。
▲４▼多段の大型スタックではガス供給及び排出マニホールドの大型化が必須となり、シール部分の増大並びにシール性能が低下するという問題がある。
▲５▼更に、ガスマニホールドは一般にセラミックス製であるので、大型化には問題がある。
【０００４】
本発明は、上記問題に鑑み、燃料電池の大容量化を図った場合であっても、高性能・高耐久性並びに信頼性の高い燃料電池モジュールを提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
前述した課題を解決する第１の発明に係る燃料電池モジュールは、
隔壁を配して内部を上下２室に区分けしてなるモジュール本体と、
上記モジュール本体の下部室内に設けられ、両面に空気極と燃料極とを設けた発電膜を起立した状態で複数列設してなる燃料電池スタックと、
上記燃料電池スタックの周囲に配されてなり、該燃料電池スタックに燃料及び空気を供給する燃料室及び空気室と、
上記モジュール本体の上部室内に設けられ、上記空気室へ供給する空気を加温する予熱器とを具備し、
上記燃料電池スタックが上記発電膜を所定枚数毎に分割した複数のサブスタックからなり、該サブスタック同士を接続する集電部材をさらに備え、
上記サブスタックが、セラミックス製のキャニスタ内部に収納される
ことを特徴とする。
また、前述した課題を解決する第２の発明に係る燃料電池モジュールは、
隔壁を配して内部を上下２室に区分けしてなるモジュール本体と、
上記モジュール本体の下部室内に設けられ、両面に空気極と燃料極とを設けた発電膜を起立した状態で複数列設してなる燃料電池スタックと、
上記燃料電池スタックの周囲に配されてなり、該燃料電池スタックに燃料及び空気を供給する燃料室及び空気室と、
上記モジュール本体の上部室内に設けられ、上記空気室へ供給する空気を加温する予熱器とを具備し、
上記燃料電池スタックが上記発電膜を所定枚数毎に分割した複数のサブスタックからなり、該サブスタック毎にそれぞれ設けられて、該サブスタック毎に上記燃料をそれぞれ直接供給するガス供給室を複数備えている
ことを特徴とする。
【０００７】
第３の発明に係る燃料電池モジュールは、
第１の発明において、
上記サブスタック毎にそれぞれ設けられて、該サブスタック毎に上記燃料をそれぞれ直接供給するガス供給室を複数備えている
ことを特徴とする。
【０００９】
第４の発明に係る燃料電池モジュールは、
第１の発明において、
上記キャニスタ内部にサブスタック同士を導電性の弾性部材で押圧しつつ収納してなる
ことを特徴とする。
【００１０】
第５の発明に係る燃料電池モジュールは、
第１の発明において、
上記サブスタック同士を接続する集電部材にリード線を各々設けてなる
ことを特徴とする。
【００１１】
第６の発明に係る燃料電池モジュールは、
第１の発明において、
上記キャニスタ内部に収納したサブスタックに供給するガス管をセラミックス継手を用いて接続してなる
ことを特徴とする。
【００１２】
第７の発明に係る燃料電池モジュールは、
第１の発明において、
上記各々のサブスタックにガスを供給するガス供給室を共通にしてなる
ことを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明による燃料電池モジュールの実施の形態を以下に説明するが、本発明はこれらの実施の形態に限定されるものではない。
【００１４】
本発明の実施の形態を図１〜図５を用いて説明する。
図１は燃料電池モジュールの概略図であり、図２は該モジュール内に配されるキャニスタの斜視図、図３は図２の横方向断面図、図４はキャニスタに収容されるスタック本体の斜視図、図５は図２の縦方向の一部断面図である。
図１に示すように、本実施の形態にかかる燃料電池モジュールは、架台１０に設けられた基部１１上に設けられてなり、水平方向に配した隔壁１２ａによって内部を上下２室に区分けしてなる断熱性のモジュール本体１２と、上記モジュール本体１２の下部室内に設けられ、空気極と燃料極とをその両面に配した発電膜を、起立した状態で複数列設してなる燃料電池スタック１３と、上記燃料電池スタック１３の周囲に配されてなり、該燃料電池スタック１３に下方（地側）から燃料１４及び左右方向から空気１５を供給する燃料室１６及び空気室１７と、上記モジュール本体１２の上部室内に設けられ、上記空気室１７へ供給する空気１５を燃料電池の発電温度（８００℃〜１０００℃近傍）まで加温する予熱器１８と、上記モジュール本体１２の下部側に設けられ、上記燃料室１６へ供給する燃料１４を上記発電温度まで加温する予熱器１９とからなるものである。
ここで、本実施の形態では、上記モジュール本体１２により区分けした上部室は外部から供給される空気１５を予熱する空気予熱室２０とし、下部室は燃料電池スタック１３を収納するスタック室２１としている。
【００１５】
また、本実施の形態では、モジュール本体１２の空気予熱室２０には別途導入されるバーナー用燃料２２により燃焼され、モジュール内部を効率よく昇温する昇温バーナー２３が設けられており、始動開始時等においてモジュール本体１２の内部を発電温度まで昇温させる。
【００１６】
上記スタック室２１の内部には、図２に示すような燃料電池スタック１３を収容する耐熱性の高いセラミックス製の箱型のキャニスタ２４が配されている。また、図３に示すように、上記キャニスタ２４の底部２４ａ側には溝部２５が形成されており、上記燃料電池スタック１３を構成する発電膜の燃料極側に下方（地側）から燃料１４を供給する燃料室１６が形成されている。該燃料室１６には、上記予熱器１９により予熱された燃料１４が供給されており、該予熱燃料１４が発電膜に供給され、電池反応を行った後の燃料排ガス２６はスタック１３の上方から排出される。
【００１７】
なお、排出された燃料排ガス２６は高温であるので、モジュール本体１２の内部を自己加熱する役割を果たすと共に、スタック室２１及び空気予熱室２０の内部を還元雰囲気下としている。
【００１８】
ここで、本実施の形態では、上記予熱器１９は基部１１の内部に設けた燃料排ガス２６を利用した燃料用熱交換器１９ａと、外部から空気を導入して燃料の部分燃焼により予熱する燃焼式予熱器１９ｂとから構成されており、燃料供給源からの燃料及び再利用する燃料１４を燃料電池の発電温度まで効率よく予熱している。
【００１９】
なお、本実施の形態では、モジュール本体外部には凝縮器２７が設けられており、回収された排気燃料ガス２６中の水蒸気を除去し、再度供給する際における燃料１４中の水蒸気含有量を低減させ、電池反応効率の向上を図るようにしている。
【００２０】
また、本実施の形態においては、キャニスタ２４に収容されるスタック１３の両側に設けた空気室１７には、図３に示すように、上記高温に予熱された空気１５が空気導入管２８を介して内部に供給されると共に、電池反応後の空気排ガス２９を空気排出管３０を介して空気用予熱室２０側へ送り、その後外部の空気供給源より導入される空気と熱交換した後、排ガス３１として外部に排出される。
ここで、本実施の形態では、外部から供給される空気を予熱する上記予熱器１８は、空気排ガス２９を利用した空気用熱交換器１８ａと、外部から別途燃料を導入して部分燃焼により予熱する燃焼式予熱器１８ｂとから構成されており、燃料電池の発電温度まで効率よく空気を予熱している。
【００２１】
また、上記セラミックス製のキャニスタ２４の側壁２４ｂ，２４ｃは、図１に示すように、上記モジュール本体１２内部を二分割する隔壁１２ａを支えるリブの役割も果たしている。
【００２２】
本発明では、上記スタック室２１の内部に配設される上記燃料電池スタック１３は、特に限定されるものではなく、従来のように多段に積層した発電膜を起立した状態とし、これを複数列設して横置状態のスタックとしたものを使用するようにしてもよい。
【００２３】
また、本発明ではより好ましくは、本実施の形態の図４に示すように、上記燃料電池スタック１３が、発電膜を起立した状態でインタコネクタを交互に介して少量（例えば５段）列設してなるサブスタック３２を構成し、該サブスタック３２同士を接続する集電部材（図示せず）を用いて、複数列（例えば１０列：32-1`32-10）交互に連結してなる貨車状横置スタック３４としたものを用いることができる。
この貨車状横置スタック３４とした場合には、各々のサブスタック３２に空気を供給する空気供給マニホールド３５ａ及び空気排出マニホールド３５ｂをサブスタック単位で各々形成することができるので、複数列を多段に設ける場合と比べて、例えば空気室等のようなマニホールド等の部材を大型化する必要がなくなる。また、貨車状横置スタック３４の両端部に位置するサブスタック３２−１，３２−１０には、集電棒３６を具えた集電板３７が各々設けられており、これらにより集電している。
なお、本実施の形態では、下部側に設けた燃料室１６は長手方向に設けた溝部２５によりガス供給室を共通にして部材の共用化並びに構成部品の低減化を図っているが、本発明はこれに限定されることはなく、個々のサブスタックに燃料ガスを供給するようにしてもよい。
【００２４】
このように、サブスタック３２を一単位として貨車状に複数連結することにより、多段で直列にしたものよりも、故障確率を低くすることができ、流配のアンバランスを低く抑えることができる。なお、本実施の形態では連結の数は１０段であるが、本発明では何等限定されるものではなく、容易に多段化が可能となる。つまり、適宜必要に応じて高信頼性が確保できる迄の連結段数にすることができ、燃料電池モジュールの大型化を図ることができる。また、多段化した場合であっても、各々の集電部材に設けたリード線５０により適宜所望量の電力を供給することも可能となる。
また、ガスマニホールドを従来の大型化のようなものを作製する必要がなくなり、発電膜５段分のガスマニホールドを製作すればよく、作製効率及び作製費用の低減並びにシール性能の低下を回避することができる。
また、横置スタックとすることにより、従来技術のように発電膜を多段に積層したスタックのような自重による制約を受けず、大容量化が図れる。
なお、本実施の形態ではサブスタック３２を５枚の発電膜を一単位としたが本発明はこれに限定されるものではなく、必要に応じて枚数を増大することができる。また連結するサブスタックの数も限定するものではなく、必要に応じて適宜増大することができる。
【００２５】
次に、貨車状横置スタック３４をキャニスタ２４の内部に収容する場合について説明する。
図５に示すように、上記キャニスタ２４の内部に収容される貨車状横置スタック３４の各サブスタック３２は、起立した状態でインタコネクタ４０を介して５列列設してなる発電膜４１がセラミックス製の枠体であるマニホールド４２ａ，４２ｂにより上下方向で一体に挾持されており、下部マニホールド４２ｂはキャニスタ底部２４ａ側にジルコニアペースト４３等のシール材によりシールされて固定されている。
【００２６】
また、上記サブスタック３２の両端部のインタコネクタ４０には、Ｎｉメッシュ４４及びニッケルペースト４５を用いて中間集電板４６と接合している。上記中間集電板４６同士は、図５及び図６に示すように、例えばセラミックスバネ４７等の弾力性を有する弾性部材で両者を接続すると共に、例えばニッケルの素線を編み込んだ集電帯４８で結線している。これにより、貨車状スタック３４をキャニスタ２４内に規制しつつ収納した場合、電池の運転温度（約１０００℃）において、キャニスタ２４内の熱伸びにより各単位スタック間の距離が増大した場合でも、セラミックスバネ４７の弾性力により、集電部品を抑えつける力を常にかけることができる。
また、キャニスタ２４の両端壁２４ｄ部の内側には、上記セラミックスバネ４７を収容する溝４９が形成されており、集電板３７に所定の押圧をかけている。これにより、キャニスタ２４内では、伸縮自在のセラミックスバネ４７によりサブスタック３２に所定の押圧力をかけつつ収容されていることとなる。
【００２７】
また、図７に示すように、サブスタック３２の並び方に偏りが生じた場合でも、セラミックスバネ４７等の弾性部材により、サブスタック３２と中間集電板４６とを密着させることができる。
この結果、サブスタック３２，３２をセラミックスバネ４７を介して集電部材で接続し、キャニスタ２４内に納めた構造とすることにより、熱膨張の伸びを吸収し、なおかつ一定荷重にてサブスタック同士を接続することが可能となる。
なお、弾性部材はセラミックスバネ４７に限定されるものではなく、例えば伸縮自在のニッケルファイバ等を例示することができる。
【００２８】
なお、端部集電板を所定圧で押圧する方法として、外部から所定の押圧をかけることでキャニスタ内部に整列させるようにしてもよい。
【００２９】
また、図５に示すように、中間集電板４６には電流バイパス用のリード線５０が設けられている。このリード線５０は例えばニッケル素線を編み込んだものや棒状のものを用いることができる。なお、スタック室２１内は排出された燃料排ガス２６により還元雰囲気下であるので、酸化されるおそれはない。
このリード線５０は、図２に示すように、キャニスタ２４の外部へ引き出されている。そして、これらのリード線５０を用いて、サブスタックの電位を常時測定することにより、仮にサブスタックの一単位が故障した場合でも、直ちにバイパス回路を形成することにより、故障したサブスタックを解列でき、運転の信頼性の向上を図ることができる。
【００３０】
このバイパス回路を形成する場合には、サブスタックの破壊を防止するためには、先ずバイパスする部分のサブスタックの箇所を検出し、バイパス回路を形成すると共に、直ちに当該サブスタックへの空気の供給を遮断する。この結果、当該サブスタックの抵抗値が上がり、所定の抵抗値になった時点でバイパス回路へ切替える。これにより、サブスタックの自己破壊が防止され、キャニスタ２４内で所定の押圧力でささえているスタック本体に影響を与えないこととなる。
【００３１】
本発明の燃料電池モジュールに使用する発電膜は、空気供給溝や燃料供給溝を形成してなるものや、発電膜に凹凸を形成した構造（ディンプル）としたもの等の公知の平板型発電膜を使用することができ、何等限定されるものではない。
【００３２】
図８は本実施の形態にかかる発電膜の一例を示しており、複数枚列設したサブスタック３２の断面図であり、（Ａ）は図９のＡ−Ａ線断面図であり、（Ｂ）は図９のＢ−Ｂ線断面図である。
図８に示すように、発電膜４０として、略全面に凸部ディンプル部４０ａと凹部ディンプル部４０ｂとを複数形成させた固体電解質の成形体を用い、固体電解質の片面に空気極及び他の片面に燃料極を形成したものを使用した。
図８（Ａ）は空気供給口を燃料供給側の１／２長さの下半分だけ開放しており、該開口部から空気を供給している。ただし、本発明では開口部は１／２に限定されるものではなく、適宜最適な長さとすればよい。一方、図８（Ｂ）は下部（地側）に設けた燃料室１６から供給された燃料１４の全量を導入すると共に、反応後には、上方（天側）から排気燃料２６を排出している。
【００３３】
図９は空気極側の空気の流れを示しており、図９（Ａ）は図４の第２，４，６，８，１０番目のサブスタックの空気流れを示し、図９（Ｂ）は図４の第１，３，５，７，９番目のサブスタックの空気流れを示している。なお、図９においてはディンプル形状を省略している。
図９（Ａ）に示す場合では、図中右下に設けた空気導入口７１から空気１５が内部に導入されると共に、図中左上に設けた空気排出口７２から空気排ガス２９が排出されている。
一方図９（Ｂ）に示す場合では、図中左下に設けた空気導入口７１から空気１５が内部に導入されると共に、図中右上に設けた空気排出口７２から空気排ガス２９が排出されている。
本実施の形態では、サブスタック毎に空気の流れを逆向きとしているので、スタック本体では全体として温度分布が均一化され、電池反応が活発化される。
【００３４】
なお、本実施の形態ではサブスタック毎に空気の供給の向きを逆としているが、本発明はこれに限定されず、サブスタック単位においても、各空気極へ交互に空気を供給するようにしてもよい。
【００３５】
次に、本発明の燃料電池モジュールの空気供給用の配管の接続方法について説明する。
本発明ではスタック本体をキャニスタ内部に収納しており、該スタック本体には空気室が設けられている。該空気室には空気予熱室２０からの空気が供給されるが、空気予熱室２０の配管は金属であり、一方のスタック室２１のキャニスタ２４側の配管はセラミックス製であるので、異種材料の接続となる。
従来においては、異種配管同士を焼嵌めにより接続していたが、温度変化があった場合には、キャニスタ２４側の空気配管に直接影響があり、問題であった。また、キャニスタ２４はセラミックス製であるので、キャニスタ側の空気配管に傾きがある場合に、芯合せが困難であった。
【００３６】
そこで、本発明では、セラミックス継手を組み合わせることで、異種材料の配管を良好に接続している。図１０に本実施の形態にかかるセラミックス継手を用いた異種材料の配管構造の概略を示す。
【００３７】
図１０に示すように、金属配管８１とセラミックス配管８２との接続は、セラミックス配管８２の外径よりやや大きな内径を有する第１のセラミックス継手８３と、該セラミックス継手８３の開口部に形成された内溝８３ａに嵌合する第２のセラミックス継手８４と、第２のセラミックス継手８４の内筒側に嵌合すると共に金属配管８１の外径と略同一の内径を有する第３のセラミックス継手８５とから構成してなり、セラミックス配管８２と第１の継手８３、第１の継手８３と第２の継手８４、第２の継手８４と第３の継手８５とは所定の接合箇所を各々ジルコニアペースト８６で接合してなり、第３の継手８５内に金属配管８１を挿入し、熱膨張率を利用して焼きばめにより両者を継ぐようにしている。
【００３８】
継手の材質はセラミックス製であれば特に限定されるものではないが、例えばジルコニアを例示することができる。
【００３９】
なお、この継手の接続方法は、燃料電池の配管のみに限定して適用されるものではなく、その他金属と当該金属以外の異種材料を継ぐ場合に適用することができる。
【００４０】
この結果、金属配管８１とセラミックス配管８２とが直接接続されていないので、高温時における配管の熱伸びによる荷重がスタックにかかることがなくなる。また、セラミックス配管８２が傾いた場合であっても、接続が可能となり、セラミックス配管やキャニスタ等の製造精度の許容係数を大きくすることができる。また、セラミックス継手のジルコニアペースト８６部分近傍を切断するだけで容易に切り離しすることができ、据え付け並びに取り外しが容易となる。
さらに、セラミックス継手８３，８４，８５の熱膨張率を等しくすることで、高温時における継手同士の熱応力の発生を防止することができる。
【００４１】
次に、燃料電池は高温で作動するので、本発明の燃料電池モジュールの熱伸びによる配管の吸収構造について説明する。
図１１に金属配管の熱伸び吸収機構の概略を示す。
図１１に示すように、例えば燃料室に供給する燃料１４は燃料供給配管９１により供給されているが、上述した図５に示すように、サブスタック３２の位置はキャニスタ２４内の所定箇所に固定されている。よってサブスタック３２の燃料マニホールド４２ｂが固定されているので、燃料を溜めておくヘッダ９０との連結部分の上記燃料供給配管９１や上記燃料供給配管９１から分枝される配管９２の所定箇所に金属ベローズ９３を配して、熱伸びを吸収している。
【００４２】
本発明の燃料電池モジュールでは、サブスタックを連結するようにしたので、上述した以外に、以下のような作用・効果を奏する。
図１２はサブスタックを一体に構成するための枠体の概略図である。
本実施の形態のように発電膜100を起立状態として所定の枚数毎にサブスタック101とし、このサブスタック101を集電部材102を介して接続して連結スタック103とすることで、図１２（Ａ）に示すように、供給する供給ガスのガスマニホールド104を小型化することができる。この結果、単に発電膜100を多段に設けたスタックとした図１３（Ｂ）に示す場合のように、多段のスタック用の大型マニホールド111のように大型化する必要がなくなる。
また、サブスタック毎にマニホールド104でシールされるので、発電膜の端部が不揃いであっても、小型のマニホールド104との隙間が小さくなり、シール性能が向上する。これに対して、大型マニホールド111で多数の発電膜を一度にシールする場合には、発電膜100の端部の不揃いな場合、すき間112が大きくなり、この結果シール性が低下し、信頼性が低下する。
【００４３】
図１３はサブスタックとする場合とサブスタックとしない場合における供給ガスの流量の関係を示す。
図１３（Ａ）に示すように、本発明のように発電膜100を起立状態として所定の枚数毎にサブスタック101とし、このサブスタック101を集電部材102を介して接続して貨車状連結スタック103とすることで、一部に供給ガス105の流量が増加する場合には、当該増加した箇所のガス供給流量を調整することで、電池性能を平坦化させることができる。
これに対し、図１３（Ｂ）に示すように、大型マニホールド111を用いてスタックに供給ガス105を一度に導入する場合には、圧損の高い部分があると、電池性能が低下する。
よって、本発明のようにサブスタックとすることで流配アンバランスを制御することができる。
【００４４】
このように、サブスタックを一単位とすることにより、従来の積層型の固体電解質燃料電池では得られないような作用・効果を奏すると共に、サブスタック化とすることで、輸送，発電装置内における組み込みが簡易となる。さらに、大容量化の場合にはキャニスタのブロック毎に取扱うこともできる。
【００４５】
【発明の効果】
以上述べたように、第１の発明に係る燃料電池モジュールによれば、隔壁を配して内部を上下２室に区分けしてなるモジュール本体と、上記モジュール本体の下部室内に設けられ、両面に空気極と燃料極とを設けた発電膜を起立した状態で複数列設してなる燃料電池スタックと、上記燃料電池スタックの周囲に配されてなり、該燃料電池スタックに燃料及び空気を供給する燃料室及び空気室と、上記モジュール本体の上部室内に設けられ、上記空気室へ供給する空気を加温する予熱器とを具備するので、発電膜の積層枚数が増大してもガスの流量配分が均一となり、電池性能が良好に維持できる。また、従来のような発電膜の積層により積層下部側にスタックの自重がかかることがなく、発電膜の割れの発生確率が皆無となる。
この結果、発電膜を増大しても燃料電池の故障なく良好に発電を維持でき、発電の信頼性が向上する。
上記燃料電池スタックが上記発電膜を所定枚数毎に分割した複数のサブスタックからなり、該サブスタック同士を接続する集電部材をさらに備えるので、例えばマニホールド等の部材を小型化することができ、燃料電池の大型化に対応した場合でも、製造費用の増大がなく、しかもシール部分も少ないので、シール性能が低下するという問題もなくなる。さらに、取り扱いが容易であるので、輸送，発電装置内における組み込みが簡易となる。また、段数を無限に増大することが容易となり、燃料電池の大型化に対応することができる。
上記サブスタックが、セラミックス製のキャニスタ内部に収納されるので、スタックの周囲を防護することができると共に、モジュール本体のリブの役割も兼ねることができ、モジュール本体の製造費用の低廉を図ることができる。
第２の発明に係る燃料電池モジュールによれば、隔壁を配して内部を上下２室に区分けしてなるモジュール本体と、上記モジュール本体の下部室内に設けられ、両面に空気極と燃料極とを設けた発電膜を起立した状態で複数列設してなる燃料電池スタックと、上記燃料電池スタックの周囲に配されてなり、該燃料電池スタックに燃料及び空気を供給する燃料室及び空気室と、上記モジュール本体の上部室内に設けられ、上記空気室へ供給する空気を加温する予熱器とを具備し、上記燃料電池スタックが上記発電膜を所定枚数毎に分割した複数のサブスタックからなり、該サブスタック毎にそれぞれ設けられて、該サブスタック毎に上記燃料をそれぞれ直接供給するガス供給室を複数備えているので、発電膜の積層枚数が増大してもガスの流量配分が均一となり、電池性能が良好に維持できる。また、従来のような発電膜の積層により積層下部側にスタックの自重がかかることがなく、発電膜の割れの発生確率が皆無となる。
この結果、発電膜を増大しても燃料電池の故障なく良好に発電を維持でき、発電の信頼性が向上する。
さらに、供給状態を監視することで異常に対応でき、部分的な圧力変動があった場合でも直ちに対応することができ、発電の信頼性が向上する。
【００４７】
第３の発明に係る燃料電池モジュールによれば、第１の発明において、上記サブスタック毎にそれぞれ設けられて、該サブスタック毎に上記燃料をそれぞれ直接供給するガス供給室を複数備えているので、供給状態を監視することで異常に対応でき、部分的な圧力変動があった場合でも直ちに対応することができ、発電の信頼性が向上する。
【００４９】
第４の発明に係る燃料電池モジュールによれば、第１の発明において、上記キャニスタ内部にサブスタック同士を導電性の弾性部材で押圧しつつ収納してなるので、キャニスタ内の熱伸びにより各単位スタック間の距離が増大した場合でも、導電性の弾性部材の弾性力により、集電部品を抑えつける力を常にかけることができる。
【００５０】
第５の発明に係る燃料電池モジュールによれば、第１の発明において、上記サブスタック同士を接続する集電部材にリード線を各々設けてなるので、仮にサブスタックの一単位が故障した場合でも、直ちにバイパス回路を形成することにより、故障したサブスタックの劣化を防止することができ、運転の信頼性の向上を図ることができる。
【００５１】
第６の発明に係る燃料電池モジュールによれば、第１の発明において、上記キャニスタ内部に収納したサブスタックに供給するガス管をセラミックス継手を用いて接続してなるので、例えば金属配管とセラミックス配管とが直接接続されていないので、高温時における配管の熱伸びによる荷重がスタックにかかることはない。また、セラミックス配管が傾いた場合であっても、接続が可能となり、製造精度の許容係数を大きくすることができる。
【００５２】
第７の発明に係る燃料電池モジュールによれば、第１の発明において、上記各々のサブスタックにガスを供給するガス供給室を共通にしてなるので、燃料電池モジュールの構成部品を減らすことができ、燃料電池の製造費用の低廉を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態にかかる燃料電池モジュールの概略図である。
【図２】燃料電池モジュール内に配されるキャニスタの斜視図である。
【図３】図２の横方向断面図である。
【図４】キャニスタに収容されるスタック本体の斜視図である。
【図５】図２の縦方向の一部断面図である。
【図６】中間集電部材の斜視図である。
【図７】サブスタック同士の接続状態図である。
【図８】本実施の形態にかかる発電膜の一例であり、（Ａ）は図９のＡ−Ａ線断面図であり、（Ｂ）は図９のＢ−Ｂ線断面図である。
【図９】空気極側の空気の流れの状態を示す図である。
【図１０】セラミックス継手の概略図である。
【図１１】配管構造の概略図である。
【図１２】発電膜の接合状態の概略図である。
【図１３】発電膜への供給ガスの供給状態の概略図である。
【図１４】従来技術の積層構造の燃料電池の概略図である。
【符号の説明】
１０ 架台
１１ 基部
１２ａ 隔壁
１２ モジュール本体
１３ 燃料電池スタック
１４ 燃料
１５ 空気
１６ 燃料室
１７ 空気室
１８ 予熱器
１９ 予熱器
２０ 空気予熱室
２１ スタック室
３２ サブスタック
３４ 貨車状横置スタック
３５ａ 空気供給マニホールド
３５ｂ 空気排出マニホールド
３６ 集電棒
３７ 集電板
４０ インタコネクタ
４１ 発電膜
４２ａ，４２ｂ マニホールド
４３ ジルコニアペースト
４４ Ｎｉメッシュ
４５ ニッケルペースト
４６ 中間集電板
４７ セラミックスバネ
４８ 集電帯
４９ 溝
５０ リード線
８１ 金属配管
８２ セラミックス配管
８３ 第１のセラミックス継手
８４ 第２のセラミックス継手
８５ 第３のセラミックス継手
８６ ジルコニアペースト
９０ ヘッダ
９１ 燃料供給配管
９２ 分枝配管
９３ 金属ベローズ
100 発電膜
101 サブスタック
102 集電部材
103 連結スタック
104 ガスマニホールド
105 供給ガス
111 大型マニホールド
112 すき間
Claims (7)
- 隔壁を配して内部を上下２室に区分けしてなるモジュール本体と、
上記モジュール本体の下部室内に設けられ、両面に空気極と燃料極とを設けた発電膜を起立した状態で複数列設してなる燃料電池スタックと、
上記燃料電池スタックの周囲に配されてなり、該燃料電池スタックに燃料及び空気を供給する燃料室及び空気室と、
上記モジュール本体の上部室内に設けられ、上記空気室へ供給する空気を加温する予熱器とを具備し、
上記燃料電池スタックが上記発電膜を所定枚数毎に分割した複数のサブスタックからなり、該サブスタック同士を接続する集電部材をさらに備え、
上記サブスタックが、セラミックス製のキャニスタ内部に収納される
ことを特徴とする燃料電池モジュール。 - 隔壁を配して内部を上下２室に区分けしてなるモジュール本体と、
上記モジュール本体の下部室内に設けられ、両面に空気極と燃料極とを設けた発電膜を起立した状態で複数列設してなる燃料電池スタックと、
上記燃料電池スタックの周囲に配されてなり、該燃料電池スタックに燃料及び空気を供給する燃料室及び空気室と、
上記モジュール本体の上部室内に設けられ、上記空気室へ供給する空気を加温する予熱器とを具備し、
上記燃料電池スタックが上記発電膜を所定枚数毎に分割した複数のサブスタックからなり、該サブスタック毎にそれぞれ設けられて、該サブスタック毎に上記燃料をそれぞれ直接供給するガス供給室を複数備えている
ことを特徴とする燃料電池モジュール。 - 請求項１において、
上記サブスタック毎にそれぞれ設けられて、該サブスタック毎に上記燃料をそれぞれ直接供給するガス供給室を複数備えている
ことを特徴とする燃料電池モジュール。 - 請求項１において、
上記キャニスタ内部にサブスタック同士を導電性の弾性部材で押圧しつつ収納してなる
ことを特徴とする燃料電池モジュール。 - 請求項１において、
上記サブスタック同士を接続する集電部材にリード線を各々設けてなる
ことを特徴とする燃料電池モジュール。 - 請求項１において、
上記キャニスタ内部に収納したサブスタックに供給するガス管をセラミックス継手を用いて接続してなる
ことを特徴とする燃料電池モジュール。 - 請求項１において、
上記各々のサブスタックにガスを供給するガス供給室を共通にしてなる
ことを特徴とする燃料電池モジュール。
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