JP6615299B1 - 燃料電池装置 - Google Patents
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Abstract
Description
図1に示すように、燃料電池装置100は、マニホールド2と、複数の燃料電池セル10と、燃料処理器70とを備えている。また、図2に示すように、燃料電池装置100は、ハウジング80、熱交換器81、ガスセンサ82を備えている。また、燃料電池装置100は、第1空気供給経路P1、第2空気供給経路P2、燃料ガス供給経路P3、オフガス供給経路P4、原料ガス供給経路P5、及び水蒸気供給経路P6をさらに備えている。
図3に示すように、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、燃料処理器70から燃料ガスが供給される。ガス回収室22は、各燃料電池セル10にて使用された燃料ガスを回収する。
図5は、セルスタック装置の断面図を示している。なお、セルスタック装置は、複数の燃料電池セル10とマニホールド2とから構成されている。図5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。燃料電池セル10は、基端部101がマニホールド2に取り付けられている。すなわち、マニホールド2は、各燃料電池セル10の基端部101を支持している。燃料電池セル10の基端部101は、例えば、接合材などによって、マニホールド2に固定されている。本実施形態では、燃料電池セル10の基端部101は下端部を意味し、燃料電池セル10の先端部102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。また、第1主面45に配置された発電素子部5と第2主面46に配置された発電素子部5とは、支持基板4の基端部41又は先端部42などにおいて、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。
図2に示すように、ハウジング80は、マニホールド2及び燃料電池セル10を収容する。ハウジング80は、例えば、断熱材によって構成することができる。ハウジング80は、特に限定されるものではないが、直方体状に形成されている。
燃料処理器70は、マニホールド2のガス供給室21に供給される燃料ガスを生成する。例えば、燃料処理器70は、改質器である。燃料処理器70は、原料ガス(天然ガス、液化石油ガス、灯油など)を改質して燃料ガス(水素含有ガス)を生成する。例えば、下記(1)式及び(2)式に示すように、都市ガスの主成分であるメタン(CH4)及び水蒸気から、燃料ガス(水素含有ガス)を生成する。なお、燃料ガスには、水素の他に、一酸化炭素、及び二酸化炭素が含まれている。
CH4+2H2O→4H2+CO2 ・・・(1)
CH4+H2O→3H2+CO ・・・(2)
第1空気供給経路P1は、ハウジング80へ空気を供給する。詳細には、第1空気供給経路P1は、熱交換器81を経由してからハウジング80へ空気を供給する。第1空気供給経路P1によってハウジング80内へ供給された空気は、燃料電池セル10の発電に用いられる。第1空気供給経路P1は、例えば、ハウジング80内において、燃料電池セル10の上方から燃料電池セル10に向かって下方に空気を供給する。
熱交換器81は、第1空気供給経路P1内を流れる空気と、空気排出経路P7内を流れる空気とを熱交換させる。詳細には、空気排出経路P7内を流れる空気の熱によって第1空気供給経路P1内を流れる空気が加熱される。
ガスセンサ82は、空気排出経路P7に設置されている。詳細には、ガスセンサ82は、熱交換器81よりも下流において、空気排出経路P7に設置されている。ガスセンサ82は、燃料ガスに含まれるいずれかのガスを検出するように構成されている。なお、本実施形態では、ガスセンサ82は、燃料ガスに含まれる一酸化炭素を検出する。すなわち、ガスセンサ82はCOセンサであり、空気排出経路P7内を流れる空気中に含まれる一酸化炭素を検出する。ガスセンサ82が一酸化炭素を検出したとき、例えば、燃料電池装置100を制御する制御装置(図示省略)が報知音を鳴らしたり報知画面を表示させたりして、燃料電池セル10の故障を使用者に報知することができる。
上述したように構成された燃料電池装置100では、燃料処理器70によって生成された燃料ガスをマニホールド2のガス供給室21に供給するとともに、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(3)式に示す化学反応が起こり、燃料極6において下記(4)式に示す化学反応が起こり、電流が流れる。
(1/2)・O2+2e−→O2− …(3)
H2+O2−→H2O+2e− …(4)
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、ガスセンサ82は一酸化炭素を検出するCOセンサとして構成されているが、これに限定されない。例えば、ガスセンサ82は、燃料ガス中に含まれる水素を検出する水素センサであってもよいし、燃料ガス中に含まれる二酸化炭素を検出する二酸化炭素センサであってもよい。
上記実施形態では、ガスセンサ82は、熱交換器81よりも下流に配置されていたが、熱交換器81よりも上流に配置されていてもよい。
上記実施形態では、ガスセンサ82は検出対象のガスの有無を検出したが、ガスセンサ82はこれに限定されず、例えば、検出対象のガスの濃度を検出してもよい。この場合、例えば、制御装置は、ガスセンサ82によって検出されたガスの濃度が所定の閾値以上か否か判断し、ガス濃度が所定の濃度以上と判断した場合、報知音を鳴らしたり、報知画面を表示させたりしてもよい。
上記実施形態では、燃料処理器70は、改質器によって構成されているが、これに限定されない。例えば、燃料処理器70は、改質器に加えて、CO変性器及びCO浄化器などを有していてもよい。CO変性器は、改質器で発生した一酸化炭素および水から二酸化炭素及び水素を生成するように構成されている。また、CO浄化器は、改質器で発生した一酸化炭素に酸素を加えて、二酸化炭素へ変化させるように構成されている。
上記実施形態では、燃料処理器70はマニホールド2の下方に配置されているが、燃料処理器70の配置はこれに限定されない。例えば燃料処理器70は燃料電池セル10の側方に配置されていてもよいし、燃料電池セル10の上方に配置されていてもよい。
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8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、燃料電池装置100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。
図9に示すように、支持基板4は、第1支持基板4aと第2支持基板4bとに分かれていてもよい。この場合、第1支持基板4aに第1ガス流路43が形成され、第2支持基板4bに第2ガス流路44が形成される。
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、燃料電池セル10はマニホールド2から上方に延びるように構成されているが、これに限定されない。例えば、燃料電池セル10は、マニホールド2から下方に延びていてもよい。この場合、燃料処理器70は、例えば、マニホールド2の上方に配置される。
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。また、上記実施形態の燃料電池セル10は、いわゆる円筒平板形であるが、円筒形、又は平板形などであってもよい。
21 ガス供給室
22 ガス回収室
10 燃料電池セル
43 第1ガス流路
44 第2ガス流路
70 燃料処理器
80 ハウジング
81 熱交換器
82 ガスセンサ
P1 第1空気供給経路
P3 燃料ガス供給経路
P4 オフガス供給経路
P7 空気排出経路
Claims (5)
- 燃料電池セルと、
ガス供給室及びガス回収室を有するマニホールドと、
前記マニホールド及び前記燃料電池セルを収容するハウジングと、
バーナを有し、前記ガス供給室に供給される燃料ガスを生成する燃料処理器と、
前記ハウジング内へ空気を供給する第1空気供給経路と、
前記燃料処理器から前記ガス供給室へ燃料ガスを供給する燃料ガス供給経路と、
前記ガス回収室から前記バーナへ燃料ガスのオフガスを供給するオフガス供給経路と、
前記ハウジングから空気を排出する空気排出経路と、
前記空気排出経路に設置され、前記燃料ガスに含まれるいずれかのガスを検出するガスセンサと、
前記第1空気供給経路内を流れる空気と前記ハウジングから排出される空気とを熱交換させるように構成された熱交換器と、
を備え、
前記ガスセンサは、前記空気排出経路内の一酸化炭素を検出するCOセンサである、
燃料電池装置。
- 燃料電池セルと、
ガス供給室及びガス回収室を有するマニホールドと、
前記マニホールド及び前記燃料電池セルを収容するハウジングと、
バーナを有し、前記ガス供給室に供給される燃料ガスを生成する燃料処理器と、
前記ハウジング内へ空気を供給する第1空気供給経路と、
前記燃料処理器から前記ガス供給室へ燃料ガスを供給する燃料ガス供給経路と、
前記ガス回収室から前記バーナへ燃料ガスのオフガスを供給するオフガス供給経路と、
前記ハウジングから空気を排出する空気排出経路と、
前記空気排出経路に設置され、前記燃料ガスに含まれるいずれかのガスを検出するガスセンサと、
前記第1空気供給経路内を流れる空気と前記ハウジングから排出される空気とを熱交換させるように構成された熱交換器と、
を備え、
前記燃料電池セルは、
前記ガス供給室と連通し、前記燃料電池セルの基端部から先端部に延びる少なくとも1つの第1ガス流路と、
前記ガス回収室と連通し、前記燃料電池セル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、
を有する、
燃料電池装置。
- 前記ガスセンサは、前記熱交換器よりも下流に配置される、
請求項1または2に記載の燃料電池装置。
- 前記ガスセンサは、前記空気排出経路内の一酸化炭素を検出するCOセンサである、
請求項2に記載の燃料電池装置。
- 前記燃料電池セルは、
前記ガス供給室と連通し、前記燃料電池セルの基端部から先端部に延びる少なくとも1つの第1ガス流路と、
前記ガス回収室と連通し、前記燃料電池セル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、
を有する、
請求項1に記載の燃料電池装置。
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