JP6692969B2 - 燃料電池装置 - Google Patents
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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、燃料ガス供給管P1(図7参照)と、オフガス供給管P2(図7参照)と、を備えている。
図2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4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4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。
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4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7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)
燃料ガス供給管P1は、燃料処理器70とマニホールド2とを連結する。詳細には、燃料処理器70の上面と、マニホールド2の底面とを連結する。燃料ガス供給管P1は、燃料処理器70で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。
オフガス供給管P2は、燃料処理器70とマニホールド2とを連結する。オフガス供給管P2は、マニホールド2のガス回収室22からのオフガスを、燃料処理器70に供給する。
燃料処理器70は、燃料ガス供給管P1及びオフガス供給管P2を支持する第1部材75を含む。第1部材75は、燃料ガス供給管P1及びオフガス供給管P2を直接支持してもよく、別の部材を介して間接的に支持してもよい。詳細には、燃料ガス供給管P1は、燃料処理器70の筐体の上面に直接支持されている。オフガス供給管P2はバーナ721に連結されており、バーナ721は筐体の上面に連結されている。すなわち、オフガス供給管P2は、バーナ721を介して支持されている。このため、本実施形態の第1部材75は、燃料処理器70の筐体の上面を構成する天板部である。
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、第1部材75は、燃料ガス供給管P1を直接支持するとともに、オフガス供給管P2を間接的に支持しているが、これに限定されない。例えば、第1部材75は、燃料ガス供給管P1及びオフガス供給管P2を直接支持してもよい。この場合、燃料処理器70における燃料ガス供給管P1及びオフガス供給管P2が連結される連結箇所は、同一平面上(例えば図7における燃料処理器70の上面)に位置してもよい。また、燃料処理器70及びマニホールド2において燃料ガス供給管P1及びオフガス供給管P2が連結される平面(例えば図7における燃料処理器70の上面、及びマニホールド2の底面)は、互いに平行であってもよい。
上記実施形態では、マニホールド2の底面に、燃料ガス供給管P1及びオフガス供給管P2が連結されているが、燃料ガス供給管P1及びオフガス供給管P2の連結位置はこれに限定されない。例えば、燃料ガス供給管P1及びオフガス供給管P2の少なくとも一方は、マニホールド2の側面に形成されていてもよいし、マニホールド2の上面に形成されていてもよい。本変形例の場合、マニホールド2の第2部材25は、燃料ガス供給管P1及びオフガス供給管P2を支持する側面または上面を構成する部材である。
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、燃料電池セル10が延びる方向に延びているが、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が延びる方向と交差する方向(y軸方向又はz軸方向)に延びていてもよい。詳細には、燃料電池セル10が上下方向に延びる場合、燃料処理器70は水平方向に延びていてもよい。この場合、例えば、燃料ガス供給管P1及びオフガス供給管P2は、燃料処理器70の側端面に連結されている。本変形例の燃料処理器70の第2部材は、側端面を構成する側壁である。
上記実施形態では、燃料処理器70は、マニホールド2の底面と対向するよう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の側面および主面の少なくとも一方と対向するように配置されていてもよい。このとき、燃料処理器70の一部が燃料電池セル10の先端面103よりも上方に配置されていてもよい。
上記実施形態では、マニホールド本体部23の幅方向(y軸方向)において、燃料処理器70の中心軸がマニホールド2の仕切板24と実質的に一致するように配置されているが、これに限定されない。例えば、マニホールド本体部23の幅方向(y軸方向)において、燃料処理器70の中心軸がガス供給室21側に寄っていてもよいし、ガス回収室22側に寄っていてもよい。
上記実施形態のマニホールド2は、ガス供給室21及びガス回収室22を有しているが、これに限定されない。例えば、マニホールドは、複数のマニホールド部を有していてもよい。この場合、第1マニホールド部がガス供給室を有し、第2マニホールド部がガス回収室を有する。また、上記実施形態のマニホールド2は、燃料電池セル10の基端部を支持しているが、これに限定されない。このため、本発明は、いわゆる平板型の燃料電池にも適用可能である。
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。また、マニホールド2の底面は上方を向いている。
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
25 第2部材
10 燃料電池セル
70 燃料処理器
75 第1部材
P1 燃料ガス供給管
P2 オフガス供給管
Claims (3)
- 燃料電池セルと、
ガス供給室及びガス回収室を有し、前記燃料電池セルを支持するマニホールドと、
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、
前記燃料処理器と前記マニホールドとを連結し、前記燃料ガスを前記ガス供給室に供給する燃料ガス供給管と、
前記燃料処理器と前記マニホールドとを連結し、前記ガス回収室からのオフガスを前記燃料処理器に供給するオフガス供給管と、
を備え、
前記燃料ガス供給管と前記オフガス供給管とは、前記マニホールド部材から前記燃料処理器までの間で交差することがなく、
前記燃料処理器は、前記燃料ガス供給管及び前記オフガス供給管を支持する第1部材を含み、
前記マニホールドは、前記燃料ガス供給管及び前記オフガス供給管を支持する第2部材を含み、
前記第2部材は、前記マニホールドにおいて前記燃料電池セルを支持する面と反対側の面に設けられ、
前記第1部材と前記第2部材とは、対向し、
前記第1部材を構成する材料の熱膨張係数は、前記第2部材を構成する材料の熱膨張係数よりも大きい、
燃料電池装置。
- 前記燃料処理器は、前記マニホールドの底面と対向するように配置される、
請求項1に記載の燃料電池装置。
- 前記燃料ガス供給管及びオフガス供給管は、前記マニホールドの底面に連結される、
請求項2記載の燃料電池装置。
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