JP6498850B1 - 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 - Google Patents

Abstract

本開示のセルスタック装置は、予め定める配列方向に沿って配列された複数の燃料電池セルを備えるセルスタックと、セルの配列方向の両端に配置され、セルと電気的に接続される端部導電部材と、端部導電部材に接続され、セルスタックから離反する第１方向に延びる第１導電部と、第１導電部が貫通する貫通孔を有し、外形がセルスタック側からセルスタックから離反する側に向かって先細り形状とされた絶縁部とを有するバスバーと、を備える。

Description

本発明は、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に関する。

近年、次世代エネルギーとして、セルの一種である燃料電池セル（ＳＯＦＣ）を複数個配列してなる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や、該燃料電池モジュールを外装ケース内に収納してなる燃料電池装置が、種々提案されている。

また、近年、セルの一種として、固体酸化物形の電解質膜を備える電解セル（ＳＯＥＣ）を用いる高温水蒸気電解法も提唱されている。

特開２００７−５９３７７号公報

本開示のセルスタック装置は、予め定める配列方向に沿って配列された複数のセルを備えるセルスタックと、前記セルの配列方向の両端に配置され、前記セルと電気的に接続される端部導電部材と、前記端部導電部材に接続され、前記セルスタックから離反する第１方向に延びる第１導電部と、前記第１導電部が貫通する貫通孔を有し、外形が前記セルスタック側から前記セルスタックから離反する側に向かって先細り形状とされた絶縁部とを有するバスバーと、を備える。前記貫通孔は、前記セルスタックから離反する側の幅狭部と、前記セルスタック側の幅広部とを有する。

また、本開示の燃料電池モジュールは、前述のセルスタック装置と、該セルスタック装置を収容する収納容器と、を備える。

さらに、本開示の燃料電池装置は、前述の燃料電池モジュールと、該燃料電池モジュールの運転を行なうための補機と、前記燃料電池装置モジュールおよび前記補機を収容する外装ケースと、を備える。

本開示の目的、特色、および利点は、下記の詳細な説明と図面とから、より明確になるであろう。
実施形態のセルスタック装置の構成を示す側面図である。 実施形態のセルスタック装置のバスバーを示す斜視図である。 上記バスバーの側面図である。 上記バスバーの断面図である。 上記バスバーの第２導電部の構成を示す斜視図である。 上記バスバーの第１導電部の構成を示す斜視図である。 上記バスバーの絶縁部の構成を示す斜視図である。 実施形態の燃料電池モジュールの構成を示す側面図である。 実施形態の燃料電池装置の構成を示す斜視図である。

図１は、実施形態のセルスタック装置の構成を示す側面図である。図２は、実施形態のセルスタック装置の一部（バスバー）の構成を示す斜視図であり、図３は実施形態のバスバーの側面図、図４は実施形態のバスバーの断面図である。また、図５Ａは上記バスバーの第２導電部の斜視図、図５Ｂは上記バスバーの第１導電部の斜視図、図５Ｃは上記バスバーの絶縁部の斜視図である。なお、本明細書では、便宜的に、直交座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を定義するとともに、Ｚ軸方向の正側を上方として、上方または下方等の語を用いるものとする。

以降の図においては、主に固体酸化物形の燃料電池セルを用いて説明するが、電解セルに水蒸気と電圧とを付与して水蒸気を電気分解することにより、水素および酸素を生成する電解セルにも適用することができる。

実施形態のセルスタック装置１は、セルスタック２と、端部導電部材４と、バスバー５とを備える。

セルスタック装置１は、図１に示すように、複数のセル３を予め定める配列方向（Ｘ軸方向）に沿って配列してなるセルスタック２を備える。隣接するセル３間は、導電部材３２を介して、電気的に直列に接続される。セル３の下端は、絶縁性接着材３３によってマニホールド２０に固定される。また、配列方向（Ｘ軸方向）における最外方に位置するセル３に、導電部材を介して、端部導電部材４が接続される。

端部導電部材４は、図１に示すように、セル３の配列方向（Ｘ軸方向）におけるセルスタック２の両端に配置される。端部導電部材４は、セル３と電気的に接続されており、端部導電部材４を介して、セル３によって発電された電流を取り出す、またはセル３に水蒸気を電気分解するための電圧を付与することができる。

バスバー５は、端部導電部材４の端子部４ａに接続される。バスバー５は、図２に示すように、第１導電部６と絶縁部７とを有する。バスバー５は、収納容器内に収納されるセルスタック２と、収納容器外の電力変換装置または電力供給装置等（図示せず）とを電気的に接続する。

第１導電部６は、導電性を有し、セルスタック２から離反する第１方向（Ｘ軸正方向）に延びる。第１導電部６は、端部導電部材４に電気的に接続される。第１導電部６は、図１〜３に示すように、第１方向に一直線状に延びる、略矩形板状の基部８を有する。

基部８の、セルスタック２側の一端に、第１方向に交差する方向に突出する突出部９が設けられる。突出部９は、基部８に連なる第１突出部９ａと、第１突出部９ａにほぼ直角に屈曲して連なる第２突出部９ｂとを有する。第２突出部９ｂは、平板状であり、厚み方向に貫通する孔９ｃが設けられている（図５Ｂ参照）。なお、第１突出部９ａを設けずに、基部８に直接、第２突出部９ｂが設けてもよい。

絶縁部７は、絶縁性を有する絶縁材料からなり、第１方向に延びる。絶縁部７は、第１導電部６が貫通する貫通孔１０を有する。貫通孔１０は、絶縁部７を第１方向に沿って貫通する。貫通孔１０には、第１導電部６の基部８が挿通される。基部８のセルスタック２側の一端、およびセルスタック２から離反する側の他端は、絶縁部７から露出する。これにより、第１導電部６と端部導電部材４との電気的接続の状態、および第１導電部６と収納容器外の電力変換装置または電力供給装置等との接続状態が目視で確認できる。

絶縁部７は、後記するように、収納容器の壁を貫通する孔にフランジを介して取り付けられ、収納容器の内外に延びる。これにより、収納容器の内部空間が気密封止されるとともに、第１導電部６と収納容器とが電気的に絶縁される。

絶縁部７の外形は、図２および図５Ｃに示すように、セルスタック２側からセルスタック２から離反する側に向かって先細り形状とされる。すなわち、絶縁部７は、外形が収納容器内から収納容器外に向かって細くなる形状である。これにより、絶縁部７の、収納容器外に位置する側の端部（セルスタック２から離反する側の端部）の熱引きを抑制することができるので、収納容器内の温度を高温に維持することができ、ひいては、セルスタック装置１の運転効率を向上させることができる。

実施形態では、図２に示すように、絶縁部７が延びる方向（Ｘ軸方向）に視たときの絶縁部７の外形を、セルスタック２側で略円形状とし、セルスタック２から離反する側で略小判形とすることによって、絶縁部７を先細り形状としている。絶縁部７は、セルスタック２から離反するにつれて細くなっていればよく、絶縁部７のセルスタック２側の外形、およびセルスタック２から離反する側の外形は、長円形状、楕円形状、矩形状等であってもよく、その他の形状であってもよい。絶縁部７を構成する絶縁材料としては、例えば、セラミック材料、ガラス材料等を用いることができる。

貫通孔１０は、図４に示すように、セルスタック２から離反する側の幅狭部１０ａと、セルスタック２側の幅広部１０ｂとを有しており、幅広部１０ｂの上下方向の幅が、幅狭部１０ａの上下方向の幅よりも大きい。これにより、セルスタック装置１の製造時に、第１導電部６の基部８を幅広部１０ｂ側から貫通孔１０に挿入すれば、貫通孔１０に基部８を挿通する作業が容易になる。

幅広部１０ｂには、第１導電部６を取り囲む充填材１１が充填されている。これにより、幅広部１０ｂにおける貫通孔１０の内面と第１導電部６との隙間を塞ぐことができる。ひいては、収納容器の気密性を向上させることが可能になるとともに、第１導電部６から絶縁部７が脱落することを抑制できる。充填材１１としては、例えば、ガラスシール材等の絶縁性接着材を用いることができる。なお、充填材１１は、幅狭部１０ａにも充填されていてもよい。

絶縁部７は、図４に示すように、第１導電部６の第１方向（Ｘ軸正方向）への移動を規制する規制部１２を有する。実施形態では、図４に示すように、幅広部１０ｂと幅狭部１０ａとの境界部において、貫通孔１０の上下方向の幅が縮小された部位が設けられ、この部位が規制部１２である。また、第１導電部６は、幅方向に突出する一対の突起６ａを有し、一対の突起６ａは、規制部１２に当接可能に構成される。このような構成によれば、セルスタック装置１の製造時に、第１導電部６の一対の突起６ａを規制部１２に当接させることにより、絶縁部７に対する第１導電部６の挿入位置、挿入深さ等を正確かつ容易に位置決めできる。

ところで、セル３は高温で動作するため、収納容器の壁部、セルスタック２等に熱による膨張や収縮（以下、纏めて熱変形という。）が発生し易い。特に、セル３が燃料ガスと酸素含有ガスとを用いて発電を行う燃料電池セルである場合、発電時には、収納容器内の温度が５００〜８００℃程度となるため、セルスタック２の高さ方向（Ｚ軸方向）、セル３の配列方向（Ｘ軸方向）およびセル３の幅方向（Ｙ軸方向）の全ての方向に熱変形が発生する場合がある。このような熱変形は、収納容器とバスバー５との取り付け部分におけるシール性等に悪影響を及ぼし、セルスタック装置１の運転効率を低下させることがある。セルスタック装置１の運転効率の低下を抑制するために、バスバー５に熱変形を吸収できる構成を設けてもよい。

熱変形を吸収できるバスバー５の構成として、第１導電部６と端部導電部材４とを、可撓性および耐熱性に優れた線材を用いて接続する構成があるが、高温環境下で耐久性を有する線材は高価であり、セルスタック装置１の高コスト化を招いてしまう。第１導電部６と端部導電部材４とを、薄い導電部材または細い導電部材を用いて接続する構成もあるが、そのような構成は、バスバー５の電気抵抗を増大させるため、バスバー５における電力損失をもたらし、ひいては、セルスタック装置１の運転効率を低下させてしまう。あるいは、バスバー５を機械的に強固なものにして、バスバー５の変形を抑制することも考えられるが、機械的に強固なバスバー５は、セルスタック２の根元に熱応力を加え、セルスタック２を損傷させるおそれがある。

実施形態では、バスバー５に熱変形を吸収できる構成を持たせるために、例えば図２に示すように、第１導電部６と端部導電部材４とを、導電性を有する帯状板材を屈曲させてなる第２導電部１３を介して、電気的および機械的に接続される。

第２導電部１３は、端部導電部材４の端子部４ａに電気的および機械的に接続される第１部分１４と、第１部分１４に連なり、第１導電部６に電気的および機械的に接続される第２部分１５とを有する。

第１部分１４は、第１接続部１４ａと、第１直線部１４ｂと、第２直線部１４ｃと、第１屈曲部１４ｄとを有する。

第１接続部１４ａは、平板状であり、厚み方向に貫通する孔１４ｅが設けられている。図示しないが、第１接続部１４ａと端部導電部材４とは、例えば、第１接続部１４ａの孔１４ｅおよび端部導電部材４の孔４ｂを貫通するボルトと、このボルトに螺合するナットとによって固定することができる。

第１直線部１４ｂは、第１接続部１４ａに連なり、一直線状に傾斜して延びる。第１直線部１４ｂは、例えば図５Ａに示すように、セルスタック２の高さ方向（Ｚ軸方向）に延びつつ、セルスタック２から離反する方向（Ｘ軸正方向）に延びている。第２直線部１４ｃは、セルスタック２の高さ方向（Ｚ軸方向）に、一直線状に延びる。第２直線部１４ｃの下端は、第１接続部１４ａよりも下方に位置する。第１屈曲部１４ｄは、第１直線部１４ｂの一端と第２直線部１４ｃの一端とを接続する。実施形態では、図２に示すように、第１屈曲部１４ｄは、セル３の幅方向（Ｙ軸方向）に視たときに、屈曲しているが、第１屈曲部１４ｄは、第１直線部１４ｂの一端と第２直線部１４ｃの一端との間にほぼ一直線状に延びていてもよい。

第２導電部１３の第１部分１４は、図３および図５Ａに示すように、下方に開放する凹状、すなわち逆凹状に曲折する。これにより、第１直線部１４ｂおよび第２直線部１４ｃの第１屈曲部１４ｄ寄りの基端部に対して、各遊端部が近接し、または離反する方向に容易に曲げ変形させることができるので、セルスタック２の高さ方向（Ｚ軸方向）およびセル３の配列方向（Ｘ軸方向）における熱変形を吸収することができる。

第２導電部１３の第２部分１５は、第２接続部１５ａと、第３直線部１５ｂと、第２屈曲部１５ｃとを有する。

第２接続部１５ａは、平板状であり、厚み方向に貫通する孔１５ｄが設けられている。図示しないが、第２接続部１５ａと第１導電部６とは、例えば、第２接続部１５ａの孔１５ｄおよび第１導電部６の孔９ｃを貫通するボルトと、このボルトに螺合するナットとによって固定することができる。

第３直線部１５ｂは、第２接続部１５ａにほぼ直角に屈曲して連なり、セルスタック２の高さ方向（Ｚ軸方向）に、一直線状に延びる。第３直線部１５ｂは、第１直線部１４ｂおよび第２直線部１４ｃからセル３の幅方向（Ｙ軸方向）に離間して位置する。また、第３直線部１５ｂは、第１面（一方主面）１５ｅの法線方向が、セル３の配列方向（Ｘ軸方向）に直交するように設ける。第２屈曲部１５ｃは、例えば図２および図５Ａに示すように、セル３の配列方向（Ｘ軸方向）およびセル３の幅方向（Ｙ軸方向）に延び、第２直線部１４ｃの下端と第３直線部１５ｂの下端とを接続しており、第１屈曲部１４ｄとは異なる方向に屈曲する。

上記構成の第２部分１５によれば、第３直線部１５ｂは、第２屈曲部１５ｃ寄りの基端部に対して、第２接続部１５ａに連なる遊端部が、セル３の幅方向（Ｙ軸方向）に容易に変形することができる。これにより、第２部分１５は、セル３の幅方向（Ｙ軸方向）における熱変形を吸収することができる。また、セル３の幅方向（Ｙ軸方向）において、第３直線部１５ｂと第１直線部１４ｂおよび第２直線部１４ｃとが離間しているので、第３直線部１５ｂがセル３の幅方向（Ｙ軸方向）に変形した際の第１導電部６と第２導電部１３との衝突を抑制できる。

バスバー５は、セル３の幅方向（Ｙ軸方向）に視て屈曲する第１屈曲部１４ｄと、セルスタック２の高さ方向（Ｚ軸方向）に視て屈曲する第２屈曲部１５ｃとを有する。このように、バスバー５が、互いに直交する方向に屈曲する複数の屈曲部を有することにより、セルスタック２の高さ方向（Ｚ軸方向）、セル３の配列方向（Ｘ軸方向）およびセル３の幅方向（Ｙ軸方向）の全ての方向における熱変形を吸収することができる。

第１導電部６および第２導電部１３は、第１導電部６の厚みが、第２導電部１３の厚みよりも大きくなるように構成されていてもよい。第１導電部６の厚みを、第２導電部１３の厚みよりも大きくすることにより、第１導電部６の電気抵抗を小さくし、バスバー５と、外部の電力変換装置または電力供給装置等（図示せず）との間における電力損失を抑制することができる。また、第２導電部１３の厚みを、第１導電部６の厚みよりも小さくすることにより、第２導電部１３の曲げ剛性を低下させることができ、熱変形に追従し易い第２導電部１３とすることができる。なお、第１導電部６の厚みは、例えば、１〜４ｍｍであり、第２導電部１３の厚みは、例えば、０．５〜２ｍｍである。

上記のように、バスバー５は、ほぼ一直線状に延びる第１導電部６と、屈曲部を有する第２導電部１３とが分離可能に構成される。このような構成によれば、セルスタック装置１の製造時に、絶縁部７の貫通孔１０の内面と第１導電部６との隙間に充填材１１を充填した後に、第１導電部６および絶縁部７の組立体と、第２導電部１３とを接続することができ、ひいては、作業性を向上させることができる。

上記構成のバスバー５は、セルスタック２の高さ方向（Ｚ軸方向）、セル３の配列方向（Ｘ軸方向）およびセル３の幅方向（Ｙ軸方向）の全ての方向における熱変形を効果的に吸収することができる。それゆえ、実施形態のセルスタック装置１によれば、バスバー５による熱変形を抑制して、運転効率を向上させることができる。また、実施形態のセルスタック装置１によれば、運転中に生じる熱変形をバスバー５に吸収させ、セルスタック２の破損、収納容器とバスバー５との取り付け部分におけるシール性の悪化等を抑制することができるので、信頼性および耐久性に優れたセルスタック装置１を提供することができる。

図６は、収納容器内に上記のセルスタック装置１を収納してなる実施形態の燃料電池モジュール１６の構成を示す側面図である。実施形態の燃料電池モジュール１６は、セル３の一種である燃料電池セル３を複数個配列してなるセルスタック装置１を備える。セルスタック装置１の上方には、セル３に供給する燃料ガスを生成するための改質器１７が配置される。

改質器１７においては、原燃料供給管１８を介して供給される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。改質器１７にて生成された燃料ガスは、ガス流通管１９を介してマニホールド２０に供給され、マニホールド２０より燃料電池セル３に供給される。

セルスタック装置１のバスバー５は、第２導電部１３が、端部導電部材４の端子部４ａに接続され、絶縁部７が、フランジ２２を介して収納容器２３の壁部に取り付けられる。

ここで、従来のセルスタック装置においては、収納容器の内外に延びるバスバーの導電部を取り囲む絶縁部（碍子）の熱引きによって収納容器内の温度が低下し、セルスタック装置の運転効率が低下する場合があった。

これに対して、上記構成を有する実施形態の燃料電池モジュール１６によれば、バスバー５による熱引きを抑制して、発電効率を向上させることができる。また、実施形態の燃料電池モジュール１６によれば、収納容器２３の壁部、セルスタック２、端部導電部材４等に生じる熱変形をバスバー５に吸収させることができるので、信頼性および耐久性に優れた燃料電池モジュール１６とすることができる。

図７は、外装ケース内に、上記の燃料電池モジュール１６と、燃料電池モジュールの運転を行うための補機とを収納してなる、実施形態の燃料電池装置２４の構成を概略的に示す斜視図である。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に示す燃料電池装置２４は、支柱２５と外装板２６とから構成される外装ケース内を仕切板２７により上下に区画し、その上方側が、燃料電池モジュール１６を収納するモジュール収納室２８とされ、下方側が、燃料電池モジュール１６の運転を行うための補機類を収納する補機収納室２９として構成される。なお、図７では、補機収納室２９に収納する補機類は省略して図示している。

また、仕切板２７には、補機収納室２９の空気をモジュール収納室２８側に流すための空気流通口３０が設けられており、モジュール収納室２８を構成する外装板２６の一部に、モジュール収納室２８内の空気を排気するための排気口３１が設けられる。

実施形態の燃料電池装置２４は、上述したようなセルスタック装置１を含む燃料電池モジュール１６を外装ケース内に収納することにより、発電効率を向上した燃料電池装置２４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。

さらに、本開示は、その精神または主要な特徴から逸脱することなく、他のいろいろな形態で実施できる。したがって、前述の実施形態はあらゆる点で単なる例示に過ぎず、本開示の範囲は請求の範囲に示すものであって、明細書本文には何ら拘束されない。さらに、請求の範囲に属する変形や変更は全て本開示の範囲内のものである。

１ セルスタック装置
２ セルスタック
３ セル（燃料電池セル）
４ 端部導電部材
５ バスバー
６ 第１導電部
７ 絶縁部
８ 基部
９ 突出部
１０ 貫通孔
１１ 充填材
１２ 規制部
１３ 第２導電部
１４ 第１部分
１５ 第２部分
１６ 燃料電池モジュール
２３ 収納容器
２４ 燃料電池装置

Claims (9)

1. 予め定める配列方向に沿って配列された複数のセルを備えるセルスタックと、
   前記セルの配列方向の両端に配置され、前記セルと電気的に接続される端部導電部材と、
   前記端部導電部材に接続され、前記セルスタックから離反する第１方向に延びる第１導電部と、
   前記第１導電部が貫通する貫通孔を有し、外形が前記セルスタック側から前記セルスタックから離反する側に向かって先細り形状とされた絶縁部とを有するバスバーと、
   を備え、
   前記貫通孔は、前記セルスタックから離反する側の幅狭部と、前記セルスタック側の幅広部とを有するセルスタック装置。
2. 少なくとも前記幅広部に、前記第１導電部を取り囲む充填材を含む、請求項１に記載のセルスタック装置。
3. 前記絶縁部は、前記第１導電部の前記第１方向への移動を規制する規制部を有し、
   前記第１導電部は、前記規制部に当接可能であって、幅方向に突出する一対の突起を有する、請求項１または２に記載のセルスタック装置。
4. 前記バスバーは、導電性を有する帯状板材を屈曲させてなる第２導電部をさらに有し、
   該第２導電部は、前記第１導電部と前記端部導電部材との間に配置されて、これら第１導電部と端部導電部材とを電気的に接続する、請求項１〜３のいずれか１つに記載のセルスタック装置。
5. 前記第１導電部の厚みは、前記第２導電部の厚みより大きい、請求項４に記載のセルスタック装置。
6. 前記第２導電部は、互いに異なる方向に屈曲する複数の屈曲部を有する、請求項４または５に記載のセルスタック装置。
7. 前記複数の屈曲部それぞれの屈曲方向は、互いに直交する方向である、請求項６に記載のセルスタック装置。
8. 請求項１〜７のいずれか１つに記載のセルスタック装置と、該セルスタック装置を収容する収納容器と、を備える燃料電池モジュール。
9. 請求項８に記載の燃料電池モジュールと、該燃料電池モジュールの運転を行なうための補機と、前記燃料電池装置モジュールおよび前記補機を収容する外装ケースと、を備える燃料電池装置。

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