JP5811399B2 - 燃料電池装置 - Google Patents

Description

本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスにより発電を行う燃料電池装置に関する。

燃料ガス（水素含有ガス）と空気（酸素含有ガス、酸化剤ガス）とを用いて電力を得ることができる複数の単セル（燃料電池セル）をケーシング内に収容し、それら複数の単セルに燃料ガスと空気とを供給して発電する燃料電池装置が種々提案されている。このような燃料電池装置の一つとして、単セルの端部に集電キャップが設けられたものが提案されている（例えば、下記特許文献１参照）。下記特許文献１では、複数の燃料電池セルはそれぞれ、電解質層と、電解質層を挟んで内側に形成される内側電極と、内側電極とは反対側である外側に形成される外側電極と、を有している。更に、その端部において電解質層及び外側電極の一部が除去されることで内側電極の一部が露出しており、内側電極の露出部分を覆うように集電キャップが配置されている。

特開２００９−１４６６２３号公報

燃料電池装置は、発電時の発熱により内部の温度が７００度近くにまで上昇する。したがって、燃料電池装置では、起動時と停止時との温度差が大きくなる。このような温度差が生ずる燃料電池装置では、ケーシング内の燃料電池セルや集電キャップが高温環境下におかれ熱膨張することになる。また、複数の燃料電池セルは互いに電気的に接続されて燃料電池セル集合体を構成するものであるから、一の燃料電池セルを他の燃料電池セルに繋ぐための集電部材が配置される。この集電部材も上述した高温環境下におかれることから、熱膨張するものである。

集電部材は、一の燃料電池セルの集電キャップと他の燃料電池セルの外側電極とを繋ぐものであるから、一の燃料電池セルの外側電極とは接触しないように構成されることが求められる。集電キャップに接続された集電部材が、その集電キャップが取り付けられた燃料電池セルの外側電極に接触すれば、同一の燃料電池セルの内側電極と外側電極とを電気的に接続することになり短絡してしまうからである。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、燃料ガスと酸化剤ガスにより発電を行う燃料電池装置であって、発電時の高温環境下においても集電部材に起因した短絡が発生しない燃料電池装置を提供することにある。

上記課題を解決するために本発明に係る燃料電池装置は、燃料ガスと酸化剤ガスとにより発電する燃料電池装置であって、電気的に接続された複数の燃料電池セルを有し、当該燃料電池セルにおいて燃料ガスと酸化剤ガスとが反応することで発電する燃料電池セル集合体を備え、前記複数の燃料電池セルはそれぞれ、電解質層と、電解質層を挟んで内側に形成される内側電極と、前記内側電極とは反対側である外側に形成される外側電極と、を有すると共に、その端部において前記電解質層及び前記外側電極の一部が除去されることで前記内側電極の一部が露出しており、前記内側電極の露出部分を覆うように集電キャップが配置されると共に、一の燃料電池セルに配置された前記集電キャップと、他の燃料電池セルの前記外側電極とを繋ぐ集電部材とが配置され、前記集電キャップの外周面に、前記集電部材の接続箇所を位置決めするための位置決め部が設けられている。

本発明では、集電キャップの外周面に位置決め部を設けているので、集電部材を集電キャップの狙った位置に確実に配置することができる。従って、発電時の高温環境下において集電部材が熱膨張した場合であっても、集電キャップが取り付けられた燃料電池セルの外側電極に接触することを確実に防止することができ、内側電極と外側電極とが電気的に繋がってしまうことを防止できる。

また本発明に係る燃料電池装置では、前記位置決め部は、前記集電部材が前記一の燃料電池セルの前記外側電極に接触することを防止する突出部を有しており、前記突出部は、前記集電キャップの前記外側電極に臨む端部に設けられていることも好ましい。

この好ましい態様では、集電部材が熱膨張したとしても、突出部によって外側電極側に伸びることを防止できる。突出部は、集電キャップの外側電極に臨む端部に設けられ、外側に突出しているので、集電部材が突出部に乗り上げるように伸びたとしても、外側電極から離隔するように伸びるので、電気的な短絡を確実に防止できる。

また本発明に係る燃料電池装置では、前記突出部は、前記外側電極に近い方に形成される大径部と前記外側電極より遠い方に形成される小径部とを有するテーパ状に形成されていることも好ましい。

この好ましい態様では、突出部がテーパ状に形成され、外側電極に近い方が大径部となっているので、集電部材が突出部に乗り上げるように伸びたとしても、円滑にテーパ状部分に乗り上げさせることができる。従って、集電部材を外側電極から離隔させ、電気的な短絡を確実に防止できる。

本発明によれば、燃料ガスと酸化剤ガスにより発電を行う燃料電池装置であって、発電時の高温環境下においても集電部材に起因した短絡が発生しない燃料電池装置を提供することができる。

本発明の実施形態における燃料電池モジュールの外観を示す斜視図である。 図１の中央近傍における断面図であって、図１のＡ方向から見た断面を示す断面図である。 図１の中央近傍における断面図であって、図１のＢ方向から見た断面を示す断面図である。 図１のケーシングから一部の外板を取り除いた状態を示す斜視図である。 図２に相当する模式図であって、発電用空気及び燃焼ガスの流れを示す模式図である。 図３に相当する模式図であって、発電用空気及び燃焼ガスの流れを示す模式図である。 本実施形態に用いられる燃料電池セルユニットを示す部分断面図である。 本実施形態における燃料電池セルスタックの構成を示す斜視図である。 図８に示す燃料電池セルスタックの一部を拡大して示す側面図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。

本発明の実施形態である燃料電池モジュール（燃料電池装置）について、図１を参照しながら説明する。図１に示す燃料電池モジュール２は、固体電解質形燃料電池装置の一部を構成するものである。固体電解質形燃料電池装置は、燃料電池モジュール２と、補機ユニット（図示せず）とを備える。

図１においては、燃料電池モジュール２の高さ方向をｙ軸方向としている。このｙ軸に直交する平面に沿ってｘ軸及びｚ軸を定義し、燃料電池モジュール２の短手方向に沿った方向をｘ軸方向とし、燃料電池モジュール２の長手方向に沿った方向をｚ軸方向としている。図２以降において図中に記載しているｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸は、図１におけるｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸を基準としている。また、ｚ軸の負方向に沿った方向をＡ方向とし、ｘ軸の正方向に沿った方向をＢ方向としている。

燃料電池モジュール２は、燃料電池セル（詳細は後述する）を収容するケーシング５６と、ケーシング５６の上部に設けられている熱交換器２２とを備える。ケーシング５６の内部は密封空間となっている。ケーシング５６には、被改質ガス供給管６０と、水供給管６２とが繋げられている。一方、熱交換器２２には、発電用空気導入管７４と、燃焼ガス排出管８２とが繋げられている。

被改質ガス供給管６０は、ケーシング５６の内部に都市ガスといった改質用の被改質ガスを供給する管路である。水供給管６２は、被改質ガスを水蒸気改質する際に用いられる水を供給する管路である。発電用空気導入管７４は、改質後の燃料ガスと発電反応を起こさせるための発電用空気（酸化剤ガス）を供給する管路である。燃焼ガス排出管８２は、発電反応後の燃料ガスを燃焼した結果生じる燃焼ガスを排出する管路である。

続いて、図２〜図４を参照しながら、燃料電池モジュール２の内部について説明する。図２は、燃料電池モジュール２をその中央近傍において図１のＡ方向から見た断面図である。図３は、燃料電池モジュール２をその中央近傍において図２のＢ方向から見た断面図である。図４は、図１に示す燃料電池モジュール２から燃料電池セル集合体を覆うケーシング５６の一部を取り外した状態を示す斜視図である。

図２〜図４に示すように、燃料電池モジュール２の燃料電池セル集合体１２は、ケーシング５６により、全体が覆われている。図４に示すように、燃料電池セル集合体１２は、全体としてＢ方向よりＡ方向の方が長いほぼ直方体形状であり、改質器２０側の上面、燃料ガスタンク６８（ガスマニホールド）側の下面、図４のＡ方向に沿って延びる長辺側面と、図４のＢ方向に沿って延びる短辺側面と、を備えている。

本実施形態の場合、水供給管６２から供給される水を蒸発させるための蒸発混合器（図に明示しない）は、改質器２０の内部に設けられている。蒸発混合器は、燃焼ガスにより加熱され、水を水蒸気にすると共に、この水蒸気と、被改質ガスである燃料ガス（都市ガス）と空気とを混合するためのものである。

被改質ガス供給管６０及び水供給管６２は、ケーシング５６の内部に導かれた後、共に改質器２０に繋がれている。より具体的には、図３に示すように、改質器２０の上流端である図中右側の端部に繋がれている。

改質器２０は、燃料電池セル集合体１２の上方に形成された燃焼室１８の更に上方に配置されている。したがって、改質器２０は、発電反応後の残余の燃料ガス及び空気による燃焼熱によって熱せられ、蒸発混合器としての役割と、改質反応を起こす改質器としての役割とを果たすように構成されている。

改質器２０の下流端（図３の左端）には、燃料供給管６６の上端が接続されている。この燃料供給管６６の下端側６６ａは、燃料ガスタンク６８内に入り込むように配置されている。

図２〜図４に示すように、燃料ガスタンク６８は、燃料電池セル集合体１２の真下に設けられている。燃料ガスタンク６８は、４個の固定部材３０（詳細は後述する）を用いて、ケーシング底板５６ａの上面に固定されている。なお、固定部材３０は４個である必要はない。固定部材３０の個数や配置場所は、燃料ガスタンク６８の大きさや重量等を勘案して任意に設定することができる。

また、燃料ガスタンク６８内に挿入された燃料供給管６６の下端側６６ａの外周には、長手方向（Ａ方向）に沿って複数の小穴（図示せず）が形成されている。改質器２０で改質された燃料ガスは、これら複数の小穴（図示せず）によって燃料ガスタンク６８内に長手方向に均一に供給されるようになっている。燃料ガスタンク６８に供給された燃料ガスは、燃料電池セル集合体１２を構成する各燃料電池セルユニット１６の内側にある燃料ガス流路（詳細は後述する）内に供給され、燃料電池セルユニット１６内を上昇して、燃焼室１８に至るようになっている。

続いて、発電用空気を燃料電池モジュール２の内部へ供給するための構造を、図２〜図４及び図５，図６を参照しながら説明する。図５は、図２に対応する模式図であって、発電用空気及び燃焼ガスの流れを示す図である。図は６、図３に対応する模式図であって、同様に発電用空気及び燃焼ガスの流れを示す図である。これらの図に示すように、改質器２０の上方に、熱交換器２２が設けられている。熱交換器２２には、複数の燃焼ガス配管７０と、この燃焼ガス配管７０の周囲に形成された発電用空気流路７２とが設けられている。

熱交換器２２の上面における一端側（図３における右端）には、発電用空気導入管７４が取り付けられている。この発電用空気導入管７４により、発電用空気流量調整ユニット（図示しない）から、発電用空気が、熱交換器２２内に導入されるようになっている。

熱交換器２２の上側の他端側（図３における左端）には、図２に示すように、発電用空気流路７２の出口ポート７６ａが一対形成されている。この出口ポート７６ａは、一対の連絡流路７６につながっている。さらに、燃料電池モジュール２のケーシング５６の幅方向（Ｂ方向：短辺側面方向）の両側の外側には、発電用空気供給路７７が形成されている。

したがって、発電用空気供給路７７には、発電用空気流路７２の出口ポート７６ａ及び連絡流路７６から、発電用空気が供給されるようになっている。この発電用空気供給路７７は、燃料電池セル集合体１２の長手方向に沿って形成されている。さらに、その下方側であり且つ燃料電池セル集合体１２の下方側に対応する位置に、発電室１０内の燃料電池セル集合体１２の各燃料電池セルユニット１６に向けて発電用空気を吹き出すための複数の吹出口７８ａ，７８ｂが形成されている。これらの吹出口７８ａ，７８ｂから吹き出された発電用空気は、各燃料電池セルユニット１６の外側に沿って、下方から上方へ流れるようになっている。

続いて、燃料ガスと発電用空気とが燃焼して生成される燃焼ガスを排出するための構造を説明する。燃料電池セルユニット１６の上方で発生した燃焼ガスは、燃焼室１８内を上昇し、整流板２１に至る。整流板２１には、図６に示すように、開口２１ａが設けられており、開口２１ａ内に燃焼ガスが導かれる。この開口２１ａを通った燃焼ガスは、熱交換器２２の他端側に至る。熱交換器２２内には、燃焼室１８で燃料ガスと発電用空気が燃焼して生成された燃焼ガスを排出するための複数の燃焼ガス配管７０が設けられている。これらの燃焼ガス配管７０の下流端側には、燃焼ガス排出管８２が接続され、燃焼ガスが外部に排出されるようになっている。

続いて、図７を参照しながら燃料電池セルユニット１６について説明する。図７は、本実施形態の燃料電池セルユニット１６を示す部分断面図である。

図７に示すように、燃料電池セルユニット１６は、燃料電池セル８４と、この燃料電池セル８４の上下方向端部にそれぞれ接続された内側電極端子８６とを備えている。

燃料電池セル８４は、上下方向に延びる管状構造体であり、内部に燃料ガス流路８８を形成する円筒形の内側電極層９０と、円筒形の外側電極層９２と、内側電極層９０と外側電極層９２との間にある電解質層９４とを備えている。この内側電極層９０は、燃料ガスが通過する燃料極であり、（−）極となり、一方、外側電極層９２は、空気と接触する空気極であり、（＋）極となっている。

燃料電池セルユニット１６の上端側と下端側に取り付けられた内側電極端子８６は、同一構造であるため、ここでは、上端側に取り付けられた内側電極端子８６について具体的に説明する。内側電極層９０の上部９０ａは、電解質層９４と外側電極層９２に対して露出された外周面９０ｂと上端面９０ｃとを備えている。内側電極端子８６は、導電性のシール材９６を介して内側電極層９０の外周面９０ｂと接続され、さらに、内側電極層９０の上端面９０ｃとは直接接触することにより、内側電極層９０と電気的に接続されている。内側電極端子８６の中心部には、内側電極層９０の燃料ガス流路８８と連通する燃料ガス流路９８が形成されている。

内側電極層９０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。

電解質層９４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。

外側電極層９２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。

続いて、図８を参照しながら燃料電池セルスタック１４について説明する。図８は、本発実施形態の燃料電池セルスタック１４を示す斜視図である。

図８に示すように、燃料電池セルスタック１４は、１６本の燃料電池セルユニット１６を備え、これらの燃料電池セルユニット１６の下端側及び上端側が、それぞれ、セラミック製の燃料ガスタンク上板６８ａ及び上支持板１００により支持されている。これらの燃料ガスタンク上板６８ａ及び上支持板１００には、内側電極端子８６が貫通可能な貫通穴がそれぞれ形成されている。

さらに、燃料電池セルユニット１６には、集電体１０２及び外部端子１０４が取り付けられている。この集電体１０２は、燃料極である内側電極層９０に取り付けられた内側電極端子８６と、隣接する燃料電池セルユニット１６の空気極である外側電極層９２の外周面とを電気的に接続するものである。

さらに、燃料電池セルスタック１４の端に位置する２個の燃料電池セルユニット１６の上側端及び下側端の内側電極端子８６には、それぞれ外部端子１０４が接続されている。これらの外部端子１０４は、隣接する燃料電池セルスタック１４の端にある燃料電池セルユニット１６の外部端子１０４に接続され、１６０本の燃料電池セルユニット１６の全てが直列接続されるようになっている。

続いて、内側電極端子８６（集電キャップ）の詳細な形態について、図９を参照しながら説明する。図９は、２本の燃料電池セルユニット１６を取り出して描いた拡大側面図である。説明の便宜上、一方の燃料電池セルユニット１６を一の燃料電池セルユニット１６ａとし、他方の燃料電池セルユニット１６を他の燃料電池セルユニット１６ｂとしている。

内側電極端子８６には、位置決め部８６ａが設けられている。位置決め部８６ａは、外側電極層９２側の端部に形成されている。集電体１０２（集電部材）は、位置決め部８６ａよりも先端側の内側電極端子８６に取り付けられている。

このように、集電キャップである内側電極端子８６の外周面に位置決め部８６ａを設けているので、集電部材である集電体１０２を内側電極端子８６の狙った位置に確実に配置することができる。従って、発電時の高温環境下において集電体１０２が熱膨張した場合であっても、内側電極端子８６が取り付けられた燃料電池セルユニット１６ａの外側電極層９２に接触することを確実に防止することができ、内側電極と外側電極とが電気的に繋がってしまうことを防止できる。

位置決め部８６ａは、集電体１０２一の燃料電池セルユニット１６ａの外側電極に接触することを防止する突出部となるように形成され、突出部である位置決め部８６ａは、内側電極端子８６の外側電極に臨む端部に設けられている。

集電体１０２が熱膨張したとしても、突出部として形成されている位置決め部８６ａによって外側電極側に伸びることを防止できる。突出部として形成されている位置決め部８６ａは、内側電極端子８６の外側電極に臨む端部に設けられ、外側に突出しているので、集電体１０２が突出部に乗り上げるように伸びたとしても、外側電極から離隔するように伸びるので、電気的な短絡を確実に防止できる。

突出部として形成されている位置決め部８６ａは、外側電極に近い方に形成される大径部８６ａａと外側電極より遠い方に形成される小径部８６ａｂとを有するテーパ状に形成されている。

突出部である位置決め部８６ａがテーパ状に形成され、外側電極に近い方が大径部８６ａａとなっているので、集電体１０２が位置決め部８６ａに乗り上げるように伸びたとしても、円滑にテーパ状部分に乗り上げさせることができる。そのため、テーパ状部分に乗り上げた集電体１０２はテーパ状部分に誘導され確実に外側電極から離隔するように伸びるので、電気的な短絡をより確実に防止できる。さらに、集電体１０２が収縮する際にはテーパ状部分に誘導されて元の位置に位置決めされるので、繰り返しの伸縮があっても外側電極との電気的な短絡をより確実に防止できる。

２：燃料電池モジュール（燃料電池装置）
１０：発電室
１２：燃料電池セル集合体
１４：燃料電池セルスタック
１６：燃料電池セルユニット
１８：燃焼室
２０：改質器
２１：整流板
２１ａ：開口
２２：熱交換器
３０：固定部材
３１：溶接部
３２ａ：ひずみ許容部（連結部）
３２ｂ：Ｌ字部（連結部）
３２ｃ：ストッパー部（連結部）
３３：ボルト固定部
３４、３５、３６：ボルト
５６：ケーシング
５６ａ：ケーシング底板
６０：被改質ガス供給管
６２：水供給管
６６：燃料供給管
６６ａ：下端側
６８：燃料ガスタンク（ガスマニホールド）
６８ａ：燃料ガスタンク上板
６８ｂ：燃料ガスタンク側板
７０：燃焼ガス配管
７２：発電用空気流路
７４：発電用空気導入管
７６：連絡流路
７６ａ：出口ポート
７７：発電用空気供給路
７８ａ，７８ｂ：吹出口
８２：燃焼ガス排出管
８４：燃料電池セル
８６：内側電極端子
８８：燃料ガス流路
９０：内側電極層
９０ａ：上部
９０ｂ：外周面
９０ｃ：上端面
９２：外側電極層
９４：電解質層
９６：シール材
９８：燃料ガス流路
１００：上支持板
１０２：集電体
１０４：外部端子

Claims (1)

1. 燃料ガスと酸化剤ガスとにより発電する燃料電池装置であって、
   電気的に接続された複数の燃料電池セルを有し、当該燃料電池セルにおいて燃料ガスと酸化剤ガスとが反応することで発電する燃料電池セル集合体を備え、
   前記複数の燃料電池セルはそれぞれ、電解質層と、電解質層を挟んで内側に形成される内側電極と、前記内側電極とは反対側である外側に形成される外側電極と、を有すると共に、その端部において前記電解質層及び前記外側電極の一部が除去されることで前記内側電極の一部が露出しており、
   前記内側電極の露出部分を覆うように集電キャップが配置されると共に、一の燃料電池セルに配置された前記集電キャップと、他の燃料電池セルの前記外側電極とを繋ぐ集電部材とが配置され、
   前記集電キャップに形成され、前記集電キャップの外周面で且つ前記集電キャップの前記外側電極に臨む端部に設けられ、前記集電部材が前記一の燃料電池セルの前記外側電極に接触することを防止する突出部を有し、
   前記突出部は、前記外側電極に近い方に形成される大径部と前記外側電極より遠い方に形成される小径部とを有するテーパ状に形成されていることを特徴とする燃料電池装置。

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