JP6731525B2 - 燃料電池装置、及びセルスタック装置 - 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から第1側に延びている。なお、本実施形態では、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)
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、燃料ガス供給管P5を介して燃料処理器70の第1排出部73とマニホールド2のガス供給室21とが連結しているが、燃料ガス供給管P5の設置を省略してもよい。すなわち、燃料処理器70の第1排出部73とマニホールド2にガス供給室21とが直接連結されていてもよい。
上記実施形態では、マニホールド2の底面に、ガス供給口211及びガス排出口221が形成されているが、ガス供給口211及びガス排出口221の形成位置はこれに限定されない。例えば、ガス供給口211及びガス排出口221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。
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の第1排出部73はマニホールド2側に開口しているが、これに限定されない。例えば、図8に示すように、第1排出部73は、マニホールド2と反対側に開口していてもよい。この場合、燃料ガス供給管P5は、第1排出部73から折り返してマニホールド2に向かうように折り曲げられている。
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、図9に示すように、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、第1排出部73は、交差する方向に開口している。すなわち、第1排出部73は、燃料処理器70が延びる方向に開口している。なお、図10に示すように、第1排出部73は、マニホールド2側に開口していてもよい。すなわち、第1排出部73は、燃料処理器70の外周面に形成されていてもよい。
上記実施形態では、燃料処理器70の第2排出部74が下方を向いているが、これに限定されない。例えば、図9、図10に示すように、第2排出部74は、水平方向を向いていてもよい。この場合、第2排出部74に接続される排気管P6を下方に向けることが好ましい。この排気管P6が水平面となす角度は3度以上であることが好ましい。
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、図11に示すように、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、図12に示すように、ガス回収室22側に寄っていてもよい。なお、燃料処理器70の中心軸は、燃料電池セル10の配列方向(z軸方向)において、マニホールド2の中心から外れていてもよい。例えば、燃料処理器70の中心軸は、燃料電池セル10の配列方向(z軸方向)において、マニホールド2の中心Cよりも第1端部201側に配置されていてもよいし、マニホールド2の中心Cよりも第2端部202側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13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14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、図15に示すように、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、第1側は下側となり、第2側は上側となり、燃料処理器70は、マニホールド2の上方に配置される。ここで、燃料処理器70は、燃料処理器70の第1排出部73はマニホールド2側に開口しているが、変形例4と同様に、第1排出部73はマニホールド2と反対側に開口していてもよい。
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
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
72 燃焼部
73 第1排出部
74 第2排出部
Claims (9)
- 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上方に延びる燃料電池セルと、
生成した燃料ガスを前記ガス供給室へと排出する第1排出部を有し、前記マニホールドの下方に配置され、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、
前記燃料処理器の第1排出部と前記マニホールドのガス供給室とを連結する燃料ガス供給管と、
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、
を有し、
前記燃料処理器は、上下方向に延び、
前記第1排出部は、前記マニホールド側に開口する、
燃料電池装置。
- 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上方に延びる燃料電池セルと、
生成した燃料ガスを前記ガス供給室へと排出する第1排出部を有し、前記マニホールドの下方に配置され、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、
前記燃料処理器の第1排出部と前記マニホールドのガス供給室とを連結する燃料ガス供給管と、
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、
を有し、
前記燃料処理器は、上下方向と交差する方向に延びる、
燃料電池装置。
- 前記第1排出部は、前記交差する方向に開口する、
請求項2に記載の燃料電池装置。
- 前記燃料処理器は、前記ガス回収室からのオフガスを燃焼する燃焼部と、前記燃焼部からのガスを排出する第2排出部と、を有し、
前記第2排出部は、水平面よりも下方を向く、
請求項1から3のいずれかに記載の燃料電池装置。
- 前記燃料処理器は、前記ガス回収室からのオフガスを燃焼する燃焼部と、前記燃焼部からのガスを排出する第2排出部と、前記第2排出部から延びる排気管と、を有し、
前記排気管は、水平面よりも下方を向く、
請求項1から3のいずれかに記載の燃料電池装置。
- 前記燃料電池セルは、互いに間隔をあけて配置される複数の燃料電池セルを含み、
前記ガス供給室及び前記ガス回収室は、前記燃料電池セルの配列方向に延び、
前記マニホールドは、前記ガス供給室の底面にガス供給口を有するとともに、前記ガス回収室の底面にガス排出口を有し、
前記ガス供給口は、前記マニホールドの中心よりも前記配列方向の第1端部側に配置されており、
前記ガス排出口は、前記マニホールドの中心よりも前記配列方向の第2端部側に配置される、
請求項1から5のいずれかに記載の燃料電池装置。
- 前記燃料電池セルは、1つの支持基板を有し、
前記第1ガス流路及び前記第2ガス流路は、前記支持基板に形成される、
請求項1から6のいずれかに記載の燃料電池装置。
- 請求項1からの7のいずれかに記載の燃料電池装置に用いられるセルスタック装置であって、
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上方に延び、互いに間隔をあけて配置される複数の燃料電池セルと、
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、
を有し、
前記ガス供給室及び前記ガス回収室は、前記燃料電池セルの配列方向に延び、
前記マニホールドは、前記ガス供給室の底面にガス供給口を有するとともに、前記ガス回収室の底面にガス排出口を有し、
前記ガス供給口は、前記マニホールドの中心よりも前記配列方向の第1端部側に配置されており、
前記ガス排出口は、前記マニホールドの中心よりも前記配列方向の第2端部側に配置される、
セルスタック装置。
- 前記複数の燃料電池セルのそれぞれは、1つの支持基板を有し、
前記第1ガス流路及び前記第2ガス流路は、前記支持基板に形成される、
請求項8に記載のセルスタック装置。
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JP2018152750 | 2018-08-14 | ||
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JP2018189060 | 2018-10-04 |
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JP2020061357A JP2020061357A (ja) | 2020-04-16 |
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Family Applications (1)
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JP2019127701A Active JP6731525B2 (ja) | 2018-08-14 | 2019-07-09 | 燃料電池装置、及びセルスタック装置 |
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2019
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