JP5988367B2

JP5988367B2 - 燃料電池モジュール

Info

Publication number: JP5988367B2
Application number: JP2012217052A
Authority: JP
Inventors: 孝小野; 内　一隆; 一隆内
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2012-09-28
Filing date: 2012-09-28
Publication date: 2016-09-07
Anticipated expiration: 2032-09-28
Also published as: JP2014072036A

Description

本発明は、燃料電池モジュールに関する。

近年、次世代エネルギーとして、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燃料電池セルが知られている。さらに、複数の燃料電池セルを一列に配列し電気的に直列に接続してなるセルスタックを、ガスタンクに複数列となるように並列に設けたセルスタック装置を作製し、該セルスタック装置を収納容器内に収納してなる燃料電池モジュールが種々提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１０−２３１９１９号公報

近年、家庭用以外にも燃料電池の用途が検討されており、例えば、病院、ホテル、店舗等の業務用の燃料電池では、数ｋＷ以上の発電量が要求されているが、設置される場所や用途によって発電量が異なり、それぞれに対応した寸法の収納容器を作製し、それに発電量に応じた数の燃料電池セルを収容する必要があり、要求される発電量に対応する燃料電池モジュールを提供することが困難であった。

本発明は、要求される発電量に容易に対応できる燃料電池モジュールを提供することを目的とする。

本発明の燃料電池モジュールは、所定発電量の発電ユニットを複数積層してなり、複数の前記発電ユニットは、それぞれ収納容器内に、燃料ガスと酸素含有ガスとを用いて発電する複数の燃料電池セルをガスタンクに固定してなるセルスタック装置と、該セルスタック装置に酸素含有ガスを供給する酸素含有ガス供給板とを収容して構成されているとともに、前記複数の発電ユニットを構成する前記収納容器の外面には、前記燃料電池セルに燃料ガスを供給するための燃料ガス配管および前記燃料電池セルに酸素含有ガスを供給するための酸素含有ガス配管がそれぞれ設けられており、各発電ユニットにおいて、前記燃料ガス配管は、内部接続配管を介して前記ガスタンクに前記燃料ガスを供給し、前記酸素含有ガス配管は、内部接続配管を介して前記酸素含有ガス供給板に酸素含有ガスを供給しており、隣接する前記発電ユニットの前記燃料ガス配管同士、前記酸素含有ガス配管同士が連結されていることを特徴とする。

本発明の燃料電池モジュールは、要求される発電量に対応する発電ユニット数だけ積層し、隣接する発電ユニットの燃料ガス配管同士、酸素含有ガス配管同士を連結することにより燃料電池モジュールを構成できるため、要求される発電量の燃料電池モジュールを容易に提供することができる。

燃料電池モジュールを示す斜視図である。図１の燃料電池モジュールの分解斜視図である。発電ユニットを示すもので、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は概略側面図である。セルスタック装置を２行３列に配列した発電ユニットを示す概略平面図である。中央部に排ガス流路を有する燃料電池モジュールを示す斜視図である。

図１は、燃料電池モジュールの一形態を示している。燃料電池モジュールは、図１、２に示すように、所定発電量の発電ユニット１ａ、１ｂ、１ｃを３個積層して構成されている。各発電ユニット１ａ、１ｂ、１ｃは、図３に示すように、収納容器２内に、燃料ガスと酸素含有ガスとを用いて発電する複数の燃料電池セル３を具備する２個のセルスタック装置８を収容して構成されている。なお、図３は発電ユニット１ａを示すもので、（ａ）では、収納容器２の記載を省略している。

収納容器２の内部において、内部をガスが流通するガス流路を有する柱状の燃料電池セル３を立設させた状態で１列に配列し、隣接する燃料電池セル３間を集電部材（図示せず）を介して電気的に直列に接続してセルスタック５が構成され、このセルスタック５の燃料電池セル３のセル配列方向ｘにおける両端側からセルスタック５を挟み込むように、燃料電池セル３の発電により生じる電流を引き出すための電流引き出し部を有する端部集電部材９が配置されている。なお、セルスタック５を構成する燃料電池セル３および端部集電部材９の下端部側を、ガラスシール材等の絶縁性接合材（図示せず）によりガスタンク４に固定して収納容器２内に収納されている。

図３においては、燃料電池セル３として、内部を水素含有ガス（燃料ガス）が長手方向に流通するガス流路を有する中空平板型で、支持体の表面に、燃料側電極層、固体電解質層および酸素側電極層を順に設けてなる固体酸化物形の燃料電池セル３を例示している。燃料電池セル３は、図３（ｂ）の長さ方向（立設方向）の略全体に燃料側電極層、固体電解質層および酸素側電極層が重畳した発電部が形成されている。

なお、燃料電池セル３としては、上記以外に、例えば円筒状、平板状の燃料電池セルを用いることもできる。この場合において、端部集電部材９の形状は適宜変更することができる。

さらに、燃料電池セル３の発電で使用する燃料ガスを得るために、天然ガスや灯油等の原燃料を改質して燃料ガスを生成するための改質器（図示せず）をセルスタック５（燃料電池セル３）の上方に配置することもできるが、燃料電池モジュールとは別個に改質器を設け、この改質器から燃料電池モジュールに燃料ガスを供給することもできる。燃料ガスは、ガス流通管によりガスタンク４に供給され、ガスタンク４を介して燃料電池セル３の内部に設けられたガス流路に供給される。

図３においては、１つのガスタンク４上にセルスタック５を２つ並置しているスタック装置８を示している。なお、各セルスタック５は、燃料電池セル３のセル配列方向ｘが互いに平行になるように並列配置され、セルスタック５の同じ側における電流引き出し部１２同士を導電性の連結部材１１で連結することで、２つのセルスタック５を並列に連結した構成となっている。なお、セルスタック５を３つ以上並列配置する場合も同様に、セルスタック５の同じ側における電流引き出し部１２同士を連結部材１１にて接続する構成とすることができる。

また、各セルスタック装置８は、図３（ａ）に示したように、４つの連結部材１１の中心位置に電流引出棒１３ａがそれぞれ接続されており、電流引出棒１３ａの上下端は、収納容器２の底面と上面に露出している。これらの電流引出棒１３ａは、発電ユニット１ａに発電ユニット１ｂを積層する際に、発電ユニット１ｂの電流引出棒１３ｂに連結される。

なお各燃料電池セル３間および燃料電池セル３の配列方向における端部と端部集電部材９との間には集電部材が配置され（燃料電池セル３間の集電部材は図示せず）、それにより各燃料電池セル３が電気的に直列に接続されている。

また、図３に示したように、セルスタック装置８を、該セルスタック装置８におけるセル配列方向ｘが平行になるように複数並列配置してなるとともに、セルスタック装置８の両端およびセルスタック装置８間に、酸素含有ガス供給板１４を有している。すなわち、図３（ａ）では、酸素含有ガス供給板１４が、２つのセルスタック装置８の左右にそれぞれ配置されているとともに、２つのセルスタック装置８間に配置されている。

これらの酸素含有ガス供給板１４は、セル配列方向ｘと平行になるように配置されている。また、酸素含有ガス供給板１４は、燃料電池セル３の長さ方向のほぼ全域に沿って配置されている。すなわち、酸素含有ガス供給板１４は、高さが、燃料電池セル３よりも高く、長さがスタック５よりも長い矩形板形状とされている。

酸素含有ガス供給板１４は、内部に酸素含有ガスが流れる流路（図示せず）を有しており、酸素含有ガス供給板１４の下端は、ガスタンク４の上面よりも下方に位置している。酸素含有ガス供給板１４の下端は、ガスタンク４の上面よりも下方に位置する必要はなく、ガスタンク４の上面よりも上方にあっても良い。この場合、セルスタック装置８間の間隔を狭めることができるので、発電ユニット１の小型化を図ることができる。

酸素含有ガス供給板１４の下部の側面には、セルスタック５の下部に対応するように複数の酸素含有ガス供給孔を有しており、セルスタック装置８の列を挟むような位置に配置された両端の酸素含有ガス供給板１４には、一方の側面に酸素含有ガス供給孔が形成され、セルスタック装置８間に配置された酸素含有ガス供給板１４には、両方の側面に酸素含有ガス供給孔が形成され、図３（ｂ）の矢印で示す方向に酸素含有ガスが供給されるように構成されている。

また、例えば、収納容器２の上壁から酸素含有ガス供給板１４が下方に延設されており、収納容器の上壁の一部に形成された酸素含有ガス供給路１６と３つの酸素含有ガス供給板１４の流路とが連通している。

このような燃料電池モジュールでは、酸素含有ガス供給板１４を用いて、酸素含有ガス供給板１４間のセルスタック５を構成する燃料電池セル３に酸素含有ガスを供給するため、供給された酸素含有ガスが酸素含有ガス供給板１４間の燃料電池セル３に確実に供給され、対向する酸素含有ガス供給板１４間をセルの立設方向（上方）に流れ易くなり、燃料電池セル３の長さ方向に効率良く酸素含有ガスを供給できる。

そして、本形態では、各発電ユニット１ａ、１ｂ、１ｃを構成する収納容器２の外面には、図２に示すように、燃料電池セル３に燃料ガスを供給するための燃料ガス配管２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、燃料電池セル３に酸素含有ガスを供給するための酸素含有ガス配管２３ａ、２３ｂ、２３ｃおよび収納容器２からの排ガスを導出するための排ガス配管２５ａ、２５ｂ、２５ｃがそれぞれ設けられており、図１に示したように、隣接する発電ユニット１ａ、１ｂ、１ｃの燃料ガス配管２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、酸素含有ガス配管２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、排ガス配管２５ａ、２５ｂ、２５ｃ同士が、図示しない連結部材で連結され、一本の燃料ガス配管２１、酸素含有ガス配管２３、排ガス配管２５を構成している。

燃料ガス配管２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、酸素含有ガス配管２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、排ガス配管２５ａ、２５ｂ、２５ｃは、Ｔ字状をなしており、収納容器２内に接続される内
部接続配管と、この内部接続配管に接続され上下方向に延びる上下接続配管とを具備しており、上下接続配管の上下端は開口している。下側の収納容器２における上下接続配管の上端に、上側の収納容器２における上下接続配管の下端が、図示しない連結部材で接続されている。

また、上記したように、収納容器２における４本の電流引出棒１３ａ、１３ｂ、１３ｃの上下端は、収納容器２の底面と上面に露出しており、これらの電流引出棒１３ａ、１３ｂ、１３ｃは、下側の収納容器２における電流引出棒１３ａ、１３ｂ、１３ｃの上端が、上側の収納容器２における電流引出棒１３ａ、１３ｂ、１３ｃの下端に、図示しない連結部材でそれぞれ接続されている。燃料電池モジュールの下面に露出した電流引出棒１３は絶縁体で覆われている。電流は、燃料電池モジュールの上面の電流引出棒１３から引き出される。

このような燃料電池モジュールでは、燃料ガス配管２１、酸素含有ガス配管２３の下端に、外部からそれぞれ燃料ガス、酸素含有ガスが供給され、各発電ユニット１ａ、１ｂ、１ｃの燃料ガス配管２１ａ、２１ｂ、２１ｃの内部接続配管を介して、セルスタック装置８のガスタンク４に燃料ガスが供給され、燃料電池セル３のガス流路に供給され、各発電ユニット１ａ、１ｂ、１ｃの酸素含有ガス配管２３ａ、２３ｂ、２３ｃの内部接続配管を介して、収納容器２の上壁に形成された酸素含有ガス供給路１６、酸素含有ガス供給板１４を介して燃料電池セル３の外面に酸素含有ガスが供給される。燃料ガス配管２１、酸素含有ガス配管２３の上端は封止されている。

また、排ガス配管２５の下端は封止され、各発電ユニット１ａ、１ｂ、１ｃにおける収納容器２内の排ガスが排ガス配管２５ａ、２５ｂ、２５ｃを介して合流し、排ガス配管２５の上端から排ガスが放出されるようになっている。

このような燃料電池モジュールでは、発電ユニット１ａ、１ｂ、１ｃを構成する収納容器２の上面に、発電ユニット１ａ、１ｂ、１ｃを構成する収納容器２の下面を嵌め合わせ、燃料ガス配管２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、酸素含有ガス配管２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、排ガス配管２５ａ、２５ｂ、２５ｃ同士を連結することで容易に作製することができる。従って、要求される発電量に応じて発電ユニット１の積層数を変更することにより、客先の要求する発電量の燃料電池モジュールを容易に提供することができる。

また、１種の発電ユニット１を量産し、複数積層することで、多様な発電量に対応する燃料電池モジュールを作製できるため、コストを低減できる。

なお、上記形態では、セルスタック５を２列有するセルスタック装置８を用いて燃料電池モジュールを構成した形態について説明したが、セルスタック５を３列以上有するセルスタック装置８を用いて燃料電池モジュールを構成することもできる。さらに、上記形態では、セルスタック装置８を２個配置した発電ユニット１ａ、１ｂ、１ｃを用いたが、セルスタック装置８は３個以上であっても良いことは勿論である。図４に、セルスタック装置８を６個配置した発電ユニット１を示した。複数のセルスタック装置８からの電流引き出しについては、並列、直列、直並列等で接続して引き出すことができる。

また、図１、２では、各発電ユニット１ａ、１ｂ、１ｃを構成する収納容器２の外面に排ガス配管２５ａ、２５ｂ、２５ｃを設け、これらを連結して排ガス配管２５を構成した形態について説明したが、例えば、図５に示すように、各発電ユニット１ａ、１ｂ、１ｃを構成する収納容器２の中央部には、発電ユニット１が積層される方向（上下方向）に貫通する貫通穴からなる排ガス流路２９ａ、２９ｂ、２９ｃをそれぞれ有しており、隣接する発電ユニット１ａ、１ｂ、１ｃの排ガス流路２９ａ、２９ｂ、２９ｃ同士が連結され、
排ガス流路２９を構成しても良い。

すなわち、収納容器２の中央部を貫通する貫通穴の側面には、収納容器２内から排ガスを導出する排ガス孔（図示せず）が形成されており、この排ガス孔から排ガスが排ガス流路２９ａ、２９ｂ、２９ｃにそれぞれ流れ込み、合流して、燃料電池モジュールの上方へ放出するようになっている。

この形態では、セルスタック装置８は、収納容器２内において、排ガス流路２９ａ、２９ｂ、２９ｃの周囲に環状に配置されることになる。

このような燃料電池モジュールでは、排ガス流路２９が燃料電池モジュールの中央部に存在するため、排ガスの熱を有効に利用することができるとともに、排ガス配管２５ａ、２５ｂ、２５ｃを不要とすることができ、製造コストを低減できる。

以上、本発明について詳細に説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明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。

例えば、上記形態では、発電ユニット１を３つ積層した形態について説明したが、２つ積層してもよく、４つ以上積層しても良いことは勿論である。

１、１ａ、１ｂ、１ｃ：発電ユニット
２：収納容器
３：燃料電池セル
４：ガスタンク
５：セルスタック
８：セルスタック装置
１３、１３ａ、１３ｂ、１３ｃ：電流引出棒
１４：酸素含有ガス供給板
２１、２１ａ、２１ｂ、２１ｃ：燃料ガス配管：
２３、２３ａ、２３ｂ、２３ｃ：酸素含有ガス配管
２５、２５ａ、２５ｂ、２５ｃ：排ガス配管
２９、２９ａ、２９ｂ、２９ｃ：排ガス流路

Claims

所定発電量の発電ユニットを複数積層してなり、複数の前記発電ユニットは、それぞれ収納容器内に、燃料ガスと酸素含有ガスとを用いて発電する複数の燃料電池セルをガスタンクに固定してなるセルスタック装置と、該セルスタック装置に酸素含有ガスを供給する酸素含有ガス供給板とを収容して構成されているとともに、前記複数の発電ユニットを構成する前記収納容器の外面には、前記燃料電池セルに燃料ガスを供給するための燃料ガス配管および前記燃料電池セルに酸素含有ガスを供給するための酸素含有ガス配管がそれぞれ設けられており、
各発電ユニットにおいて、前記燃料ガス配管は、内部接続配管を介して前記ガスタンクに前記燃料ガスを供給し、前記酸素含有ガス配管は、内部接続配管を介して前記酸素含有ガス供給板に酸素含有ガスを供給しており、
隣接する前記発電ユニットの前記燃料ガス配管同士、前記酸素含有ガス配管同士が連結されていることを特徴とする燃料電池モジュール。
前記複数の発電ユニットを構成する前記収納容器の外面には、前記収納容器からの排ガスを導出するための排ガス配管がそれぞれ設けられており、隣接する前記発電ユニットの前記排ガス配管同士が連結されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池モジュール。
前記複数の発電ユニットを構成する前記収納容器の中央部には、前記発電ユニットが積層される方向に貫通する貫通穴からなり、かつ該貫通穴の側面に各前記発電ユニット内の排ガスを導出する排ガス孔が設けられてなる排ガス流路をそれぞれ有しており、隣接する前記発電ユニットの前記排ガス流路同士が連結されているとともに、前記セルスタック装置が前記排ガス流路の周囲に環状に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池モジュール。
前記複数の発電ユニットは、前記複数の燃料電池セルで発電した電流を引き出すための電流引出棒をそれぞれ有しており、前記複数の発電ユニットの電流引出棒同士が連結されていることを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれかに記載の燃料電池モジュール。