JP6655216B1 - 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及び図3に示すように、燃料電池装置100は、ハウジング80、及び一対のバスバー801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4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6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6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。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6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及び図3に示すように、ハウジング80は、マニホールド2及び複数の燃料電池セル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、直方体状に形成されている。
バスバー801は、燃料電池セル10から電流を取り出すように構成されている。バスバー801は、配列方向(z軸方向)の端部に配置された燃料電池セル10と電気的に接続されている。詳細には、バスバー801は、燃料電池セル10の先端部に配置された発電素子部5と電気的に接続されている。バスバー801は、発電素子部5と直接接続されていてもよいし、電気的接続部9を介して発電素子部5と接続されていてもよい。
図2に示すように、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。
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。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。
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、ハウジング80内に空気などの酸素を含む酸素含有ガスを供給し、燃料電池セル10を酸素含有ガスに曝す。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、外側壁部832は第2貫通孔834を有していたが、これに限定されない。例えば、図9に示すように、外側壁部832は第2貫通孔834を有していなくてもよい。この場合、バスバー801は、内側壁部831の第1貫通孔833を貫通し、内側壁部831と外側壁部832との間を介して側方からハウジング80の外部へと延びる。
上記実施形態では、本発明の貫通壁をハウジング80の天壁83に適用しているが、本発明の貫通壁は、ハウジング80の天壁83以外の壁に適用することもできる。例えば、図10に示すように、本発明の貫通壁をハウジング80の側壁82に適用してもよい。ハウジング80が直方体状の場合、4つある側壁82のうち、1つの側壁82が本発明の貫通壁の一例となっている。この側壁82は、上記実施形態の天壁83と同様に、第1貫通孔823を有する内側壁部821と、第2貫通孔824を有する外側壁部822とを有している。
上記実施形態では、ハウジング80の底壁81、側壁82、及び天壁83のうち、いずれか1つの壁に本発明の貫通壁を適用しているが、これに限定されない。例えば、ハウジング80の底壁81、側壁82、及び天壁83のうち、複数の壁に対して本発明の貫通壁を適用してもよい。例えば、側壁82と天壁83との両方に、本発明の貫通壁を適用してもよい。この場合、一対のバスバー801のうち、一方が側壁82を貫通し、他方が天壁83を貫通する。
上記実施形態では、貫通壁は内側壁部831と外側壁部832との二重構造となっているが、これに限定されず、2重以上の多重構造とすることができる。例えば、外側壁部832の外側面に第2外側壁部を隣接させるなどして、3重構造などとすることができる。
上記実施形態では、貫通壁の一例である天壁83は、側壁82上に載置されているが、これに限定されない。例えば、図11に示すように、貫通壁の一例である天壁83は、側壁82の間に配置されていてもよい。すなわち、天壁83は、側壁82によって囲まれる空間の上端部に嵌合していてもよい。
上記実施形態では、貫通壁は、内側壁部831と外側壁部832とを積層している構造であるが、これに限定されない。例えば、図12に示すように、側壁82によって囲まれる空間の上端部に内側壁部831を嵌め込んでもよい。すなわち、内側壁部831は、側壁82の間に配置されている。外側壁部832は、側壁82の上端面に載置されている。このように構成することで、より断熱性能を向上させることができる。
図13に示すように、外側壁部832は内側面に凹部を有していてもよい。そして、この外側壁部832の凹部内に内側壁部831が嵌合していてもよい。なお、図14に示すように、内側壁部831が外側面に凹部を有しており、この内側壁部831の凹部内に外側壁部832が嵌合していてもよい。
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、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14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。
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。
上記実施形態では、燃料電池セル10は、燃料ガスのオフガスをマニホールド2のガス回収室22に排出しているが、これに限定されない。例えば、従来の燃料電池セルのように、燃料電池セル10は、燃料ガスのオフガスを先端から排出し、燃料電池セル10の上方でオフガスを燃焼させてもよい。
上記実施形態では、一対の第1貫通孔833間の距離d1は、一対の第2貫通孔834間の距離d2よりも小さくなるように設計されているが、この距離d1と距離d2の関係はこれに限定されるものではない。例えば、図16に示すように、一対の第1貫通孔833間の距離d1は、一対の第2貫通孔834間の距離d2よりも大きくてもよい。この場合、距離d2に対する距離d1の割合(d1/d2)は、1.1〜10程度である。
上記実施形態では、一対のバスバー801は、第1貫通孔833を貫通した後、互いに遠ざかる方向に折り曲げられているが、一対のバスバー801の構成はこれに限定されない。例えば、図16のように、一対のバスバー801は、第1貫通孔833を通過した後、互いに近付く方向に折り曲げられていてもよい。また、図17に示すように、一対のバスバー801は、第1貫通孔833を貫通した後、同じ方向に折り曲げられていてもよい。この場合、例えば、一対の第1貫通孔833間の距離d1は、一対の第2貫通孔834間の距離d2と略同じとすることができる。
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
80 ハウジング
81 底壁
82 側壁
83 天壁
831 内側壁部
832 外側壁部
833 第1貫通孔
834 第2貫通孔
801 バスバー
Claims (12)
- 燃料電池セルと、
前記燃料電池セルを収容するハウジングと、
前記燃料電池セルから電流を取り出すバスバーと、
を備え、
前記バスバーは、前記ハウジングを貫通して外部へと延びており、
前記ハウジングは、前記バスバーが貫通する貫通壁を有し、
前記貫通壁は、前記バスバーが貫通する第1貫通孔を含む内側壁部と、前記第1貫通孔を塞ぐように前記内側壁部の外側面に隣接する外側壁部と、を有し、
前記外側壁部は、前記バスバーが貫通する第2貫通孔を有し、
前記第2貫通孔は、前記内側壁部に塞がれる、
燃料電池装置。
- 前記ハウジングは、底壁、側壁、及び天壁を有し、
前記天壁は、前記貫通壁によって構成される、
請求項1に記載の燃料電池装置。
- 前記ハウジングは、断熱材によって構成される、
請求項1又は2に記載の燃料電池装置。
- 前記外側壁部は、前記内側壁部よりも厚い、
請求項1から3のいずれかに記載の燃料電池装置。
- 前記燃料電池セルに燃料ガスを供給するマニホールドをさらに備える、
請求項1から4のいずれかに記載の燃料電池装置。
- 前記マニホールドは、ガス供給室及びガス回収室を有するとともに、前記燃料電池セルの基端部を支持し、
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5に記載の燃料電池装置。
- 互いに間隔をあけて配置される複数の燃料電池セルと、
前記複数の燃料電池セルを収容するハウジングと、
前記複数の燃料電池セルから電流を取り出す一対のバスバーと、
を備え、
前記一対のバスバーは、前記ハウジングを貫通して外部へと延びており、
前記ハウジングは、前記一対のバスバーが貫通する貫通壁を有し、
前記貫通壁は、前記各バスバーが貫通する一対の第1貫通孔を含む内側壁部と、前記一対の第1貫通孔を塞ぐように前記内側壁部の外側面に隣接する外側壁部と、を有し、
前記外側壁部は、前記各バスバーが貫通する一対の第2貫通孔を有し、
前記一対の第2貫通孔は、前記内側壁部に塞がれる、
燃料電池装置。
- 前記一対の第1貫通孔間の距離は、前記一対の第2貫通孔間の距離よりも小さい、
請求項7に記載の燃料電池装置。
- 前記一対の第1貫通孔間の距離は、前記一対の第2貫通孔間の距離よりも大きい、
請求項7に記載の燃料電池装置。
- 前記一対のバスバーは、前記第1貫通孔を貫通した後、互いに遠ざかる方向に折れ曲がる、
請求項7に記載の燃料電池装置。
- 前記一対のバスバーは、前記第1貫通孔を貫通した後、互いに近付く方向に折れ曲がる、
請求項7に記載の燃料電池装置。
- 前記一対のバスバーは、前記第1貫通孔を貫通した後、互いに同じ方向に折れ曲がる、
請求項7に記載の燃料電池装置。
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