JP6594496B1 - 燃料電池システム - Google Patents
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Abstract
Description
燃料電池システム100は、改質装置101,第1セルスタック装置102、水蒸気除去装置103、及び第2セルスタック装置104を備えている。
改質装置101は、第1セルスタック装置102に供給する水素含有ガスを生成する。詳細には、改質装置101は、水蒸気改質によって、原料ガス(例えばメタンガスなど)から水素含有ガスを生成する。なお、改質装置101は、水蒸気除去装置103によって除去された水蒸気を用いて原料ガスを改質する。例えば、改質装置101は、貯水タンクなどに貯められた水を気化器などで気化されることで生成される水蒸気を用いて、原料ガスを改質する。そして、この貯水タンクに貯められた水は、例えば、水蒸気除去装置103によって除去された水蒸気を凝縮したものとすることができる。
第1セルスタック装置102は、改質装置101の下流側に配置されている。第1セルスタック装置102は、改質装置101から供給される水素含有ガスを用いて発電する。なお、第1セルスタック装置102の詳細については後述する。
水蒸気除去装置103は、第1セルスタック装置102の下流側に配置されている。水蒸気除去装置103は、第1セルスタック装置102から排出された未反応の水素含有ガスから水蒸気を除去するように構成されている。例えば、水蒸気除去装置103は、水蒸気分離膜を有している。水蒸気分離膜としては、例えば、Nafion、又はモルデナイト膜などを例示することができる。
第2セルスタック装置104は、水蒸気除去装置103の下流側に配置されている。第2セルスタック装置104は、水蒸気除去装置103によって水蒸気が除去された水素含有ガスを用いて発電するように構成されている。なお、第2セルスタック装置104の基本的な構成は第1セルスタック装置102と同じであるため、詳細な説明を省略する。
図2に示すように、第1セルスタック装置102は、マニホールド2と、複数の燃料電池セル10とを備えている。
マニホールド2は、燃料電池セル10にガスを供給するように構成されている。また、マニホールド2は、燃料電池セル10から排出されたガスを回収するように構成されている。マニホールド2は、ガス供給室21とガス回収室22とを有している。ガス供給室21にはガス供給管201が接続されており、ガス回収室22にはガス回収管202が接続されている。ガス供給室21には、ガス供給管201を介して燃料ガスが供給される。また、ガス回収室22内の燃料ガスは、ガス回収管202を介してマニホールド2から回収される。
図2に示すように、燃料電池セル10は、マニホールド2から上方に延びている。詳細には、燃料電池セル10は、基端部111がマニホールド2に取り付けられている。本実施形態では、燃料電池セル10の基端部111は下端部を意味し、燃料電池セル10の先端部112は上端部を意味する。
支持基板4は、マニホールド2から上下方向に延びている。詳細には、支持基板4は、マニホールド2から上方に延びている。支持基板4は、扁平状であり、基端部41と先端部42とを有している。基端部41及び先端部42は、支持基板4の長さ方向(x軸方向)における両端部である。本実施形態では、支持基板4の基端部41は下端部を意味し、支持基板4の先端部42は上端部を意味する。
複数の発電素子部5が、支持基板4の第1主面45及び第2主面46に支持されている。各発電素子部5は、支持基板4の長さ方向(x軸方向)に配列されている。詳細には、各発電素子部5は、支持基板4上において、基端部41から先端部42に向かって互いに間隔をあけて配置されている。すなわち、各発電素子部5は、支持基板4の長さ方向(x軸方向)に沿って、間隔をあけて配置されている。なお、各発電素子部5は、後述する電気的接続部9によって、互いに直列に接続されている。
電気的接続部9は、隣り合う発電素子部5を電気的に接続するように構成されている。電気的接続部9は、インターコネクタ91及び空気極集電膜92を有する。インターコネクタ91は、第2凹部612内に配置されている。詳細には、インターコネクタ91は、第2凹部612内に埋設(充填)されている。インターコネクタ91は、電子伝導性を有する緻密な材料から構成される焼成体である。インターコネクタ91は、支持基板4よりも緻密である。例えば、インターコネクタ91の気孔率は、0〜7%程度である。インターコネクタ91は、例えば、LaCrO3(ランタンクロマイト)から構成され得る。或いは、(Sr,La)TiO3(ストロンチウムチタネート)から構成されてもよい。インターコネクタ91の厚さは、例えば、10〜100μmである。
図5に示すように、連通部材3は、支持基板4の先端部42に取り付けられている。そして、連通部材3は、第1ガス流路43と第2ガス流路44とを連通させる連通流路30を有している。詳細には、連通流路30は、各第1ガス流路43と各第2ガス流路44とを連通する。連通流路30は、各第1ガス流路43から各第2ガス流路44まで延びる空間によって構成されている。連通部材3は、支持基板4に接合されていることが好ましい。また、連通部材3は、支持基板4と一体的に形成されていることが好ましい。連通流路30の数は、第1ガス流路43の数よりも少ない。本実施形態では、一本の連通流路30のみによって、複数の第1ガス流路43と複数の第2ガス流路44とが連通されている。
上述したように構成された第1セルスタック装置102では、マニホールド2のガス供給室21に水素ガスなどの燃料ガスを供給するとともに、燃料電池セル10を空気などの酸素を含むガスに曝す。すると、空気極8において下記(1)式に示す化学反応が起こり、燃料極6において下記(2)式に示す化学反応が起こり、電流が流れる。
(1/2)・O2+2e−→O2− …(1)
H2+O2−→H2O+2e− …(2)
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。
上記実施形態では、第1ガス流路43と第2ガス流路44とは、連通部材3が有する連通流路30によって連通されていたが、この構成に限定されない。例えば、図7に示すように、支持基板4が、内部に連通流路30を有していてもよい。この場合、第1セルスタック装置102は、連通部材3を備えていなくてもよい。この支持基板4内に形成された連通流路30によって、第1ガス流路43と第2ガス流路44とが連通されている。
各第1ガス流路43の流路断面積は、互いに異なっていてもよい。また、各第2ガス流路44の流路断面積は、互いに異なっていてもよい。また、第1ガス流路43の流路断面積は、第2ガス流路44の流路断面積と実質的に同じであってもよいし、第2ガス流路44の流路断面積よりも小さくてもよい。
上記実施形態では、第2ガス流路44の数は、第1ガス流路43の数と同じであったが、第2ガス流路44の数はこれに限定されない。例えば、図8に示すように、第2ガス流路44の数は、第1ガス流路43の数よりも少なくてもよい。
第1ガス流路43は、その長さ方向(x軸方向)において、均一な流路断面積を有していなくてもよい。特に、第1ガス流路43の流路断面積は、燃料ガス濃度が低くなる先端部42に近付くほど小さくなっていてもよい。また、第2ガス流路44は、その長さ方向(x軸方向)において、均一な流路断面積を有していなくてもよい。特に、第2ガス流路44の流路断面積は、燃料ガス濃度が低くなる基端部41に近付くほど小さくなっていてもよい。この構成によれば拡散性が向上し界面近傍に存在するNiがNiOに変化することを抑制することができる。
上記実施形態では、第1及び第2ガス流路43,44は、円形状の断面を有しているが、第1及び第2ガス流路43,44の断面形状は、矩形状や楕円形状であってもよい。
上記実施形態では、支持基板4は、複数の第1ガス流路43を有しているが、1つの第1ガス流路43のみを有していてもよい。同様に、支持基板4は、複数の第2ガス流路44を有しているが、1つの第2ガス流路44のみを有していてもよい。
上記実施形態では、第1主面45に配置された各発電素子部5は、互いに直列に接続されているが、第1主面45に配置された各発電素子部5の全てが直列に接続されている必要は無い。なお、第2主面46に配置された各発電素子部5についても同様である。
燃料電池セル10において、第1主面45に形成された各発電素子部5と第2主面46に形成された各発電素子部5との間は、互いに電気的に接続されていなくてもよいし、複数の箇所で電気的に接続されていてもよい。
上記実施形態では、各発電素子部5は、第1主面45と第2主面46との両面に配置されているが、どちらか一方の面のみに配置されていてもよい。
各燃料電池セル10の幅は、互いに異なっていてもよい。また、各発電素子部5の幅は、互いに異なっていてもよい。例えば、ある支持基板4に形成された各発電素子部5の幅と、別の支持基板4に形成された各発電素子部5の幅とは、異なっていてもよい。
実施形態では、連通部材3は多孔質であるが、連通部材3は金属によって構成されていてもよい。具体的には、連通部材3は、Fe−Cr合金、Ni基合金、又はMgO系セラミックス材料(支持基板4と同じ材料でも良い)などによって構成することができる。
上記実施形態では、連通部材3の連通流路30は空間によって構成されていたが、連通部材3の連通流路30の構成はこれに限定されない。例えば、図9に示すように、連通部材3の連通流路30は、連通部材3内に形成された複数の気孔によって構成することができる。
上記実施形態のマニホールド2では、1つのマニホールド本体部23を仕切板24で仕切ることによって、ガス供給室21とガス回収室22とを画定しているが、マニホールド2の構成はこれに限定されない。例えば、2つのマニホールド本体部23によってマニホールド2を構成することもできる。この場合、1つのマニホールド本体部23がガス供給室21を有し、別のマニホールド本体部23がガス回収室22を有している。
上記実施形態の燃料電池セル10は、各発電素子部5が支持基板4の長さ方向(x軸方向)に配列されている、いわゆる横縞型の燃料電池セルであるが、燃料電池セル10の構成はこれに限定されない。例えば、燃料電池セル10は、支持基板4の第1主面45に1つの発電素子部5が支持された、いわゆる縦縞型の燃料電池セルであってもよい。この場合、支持基板4の第2主面46に一つの発電素子部5が支持されていてもよいし、支持されていなくてもよい。
21 :ガス供給室
22 :ガス回収室
3 :連通部材
30 :連通流路
4 :支持基板
41 :基端部
42 :先端部
43 :第1ガス流路
44 :第2ガス流路
5 :発電素子部
10 :燃料電池セル
100 :燃料電池システム
101 :改質装置
102 :第1セルスタック装置
103 :水蒸気除去装置
104 :第2セルスタック装置
Claims (3)
- 水蒸気改質によって原料ガスから水素含有ガスを生成する改質装置と、
前記改質装置から供給される水素含有ガスを用いて発電する第1セルスタック装置と、
前記第1セルスタック装置から排出された未反応の水素含有ガスから水蒸気を除去する水蒸気除去装置と、
前記水蒸気除去装置によって水蒸気が除去された水素含有ガスを用いて発電する第2セルスタック装置と、
を備え、
前記改質装置は、前記水蒸気除去装置によって除去された水蒸気を用いて前記原料ガスを改質し、
前記第1セルスタック装置及び前記第2セルスタック装置の少なくとも一方は、ガス供給室及びガス回収室を有するマニホールドと、前記マニホールドから延びる燃料電池セルと、を有し、
前記燃料電池セルは、前記マニホールドから延びる多孔質の支持基板と、前記支持基板に支持される発電素子部と、を有し、
前記支持基板は、前記ガス供給室と連通し且つ前記支持基板の基端部から先端部に延びる複数の第1ガス流路と、前記ガス回収室と連通し且つ前記支持基板の基端部から先端部に延びて前記燃料電池セルの先端部において前記第1ガス流路と連通する少なくとも1つの第2ガス流路と、を有し、
隣り合う前記第1ガス流路と前記第2ガス流路との間のピッチは、隣り合う前記第1ガス流路間のピッチよりも大きい、
燃料電池システム。
- 前記支持基板は、前記支持基板の先端部において前記第1ガス流路と前記第2ガス流路を連通する連通流路をさらに有する、
請求項1に記載の燃料電池システム。
- 前記燃料電池セルは、前記支持基板の先端部に取り付けられる連通部材をさらに有し、
前記連通部材は、前記第1ガス流路と前記第2ガス流路とを連通する連通流路を有する、
請求項1に記載の燃料電池システム。
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