JP6749051B2 - セルスタック装置、燃料電池モジュール及び燃料電池装置 - Google Patents

Description

本発明は、セルスタック装置、燃料電池モジュール及び燃料電池装置に関する。

近年、次世代エネルギーとして、燃料ガス（水素含有ガス）と酸素含有ガス（空気）とを用いて電力を得ることができるセルの１種である燃料電池セルがマニホールドに複数配列されてなるセルスタック装置を収納容器内に収納してなる燃料電池モジュールや、燃料電池モジュールを外装ケース内に収納してなる燃料電池装置が種々提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

特許文献１に示すセルスタック装置は、セルスタックの上方に、燃料電池セルの配列方向に延びる筒状の改質器が配置されている。改質器は、水を気化して水蒸気を生成する気化部と、該気化部で発生した水蒸気を用いて原燃料ガスを水蒸気改質する改質部とを具備している。原燃料ガス供給管が、気化部に接続され、気化部で発生した水蒸気と原燃料ガスとが混合されて、改質部に供給され、この改質部で原燃料ガスが改質され、燃料ガス供給管を通してマニホールドに供給される。なお、発電で使用されなかった燃料ガス及び酸素含有ガスを燃焼させた燃焼熱を利用することにより改質反応が促進される。

特開２０１１−２９１１５号公報

高温下では、燃料電池セルの配列方向に延びる筒状の改質器が主に燃料電池セルの配列方向に膨張する。これに伴い、改質器とマニホールドを繋ぐ燃料ガス供給管のマニホールドに接続される部分に応力が集中し、クラックが発生する可能性があった。

すなわち、セルスタック装置、燃料電池モジュール及び燃料電池装置の耐久性が低下するおそれがあった。

本発明のセルスタック装置は、内部にガス流路を有する柱状の燃料電池セルを複数個立設させた状態で配列して電気的に接続してなるセルスタックと、前記燃料電池セルの下端を固定するとともに前記燃料電池セルの前記ガス流路に燃料ガスを供給するためのマニホールドと、前記セルスタックの上方に前記燃料電池セルの配列方向に延びて配置され、前記燃料ガスを生成する筒状の改質器と、前記改質器と前記マニホールドとを繋ぎ、前記燃料ガスを前記改質器から前記マニホールドに供給するための燃料ガス供給管とを備え、該燃料ガス供給管は、前記マニホールドから離間して、かつ前記マニホールド側に設けられた応力緩和部を有し、該応力緩和部は、前記燃料ガス供給管の厚みが薄い部分であって、かつ前記燃料ガス供給管の外表面が凹んでいる部分であることを特徴とする。

本発明の燃料電池モジュールは、収納容器内に上記セルスタック装置を収納してなることを特徴とする。

本発明の燃料電池装置は、燃料電池モジュールと、該燃料電池モジュールを作動させるための補機とを、外装ケース内に収納してなることを特徴とする。

本発明のセルスタック装置によれば、燃料ガス供給管のうちマニホールドに接続される部分にかかる応力を緩和でき、クラックが発生することを抑制できる。

すなわち、セルスタック装置、燃料電池モジュール及び燃料電池装置の耐久性を向上することができる。

本発明のセルスタック装置の一例を示す外観斜視図である。 図（ａ）~（ｃ）は、それぞれセルスタック装置における応力緩和部の例を示す垂直方向の断面図である。 図（ａ）~（ｄ）は、それぞれセルスタック装置における応力緩和部の例を示す水平方向の断面図である。 本発明のセルスタック装置の他の実施形態における応力緩和部付近を拡大した断面図である。 本発明のセルスタック装置の一例を示すもので、（ａ）はセルスタック装置の外観斜視図であり、（ｂ）は図（ａ）の破線円部分の拡大断面図である。 本発明の燃料電池モジュールの一例を示し、セルスタック装置を収納容器の後方に引き出した状態を示す外観斜視図である。 本発明の燃料電池装置の一例を概略的に示す分解斜視図である。

図１〜７を用いて、セルスタック装置、燃料電池モジュール及び燃料電池装置について説明する。

図１は、本実施形態のセルスタック装置の一例を示す外観斜視図である。なお、以降の図において同一の部材については同一の番号を付するものとする。

図１に示すセルスタック装置１においては、内部を燃料ガスが一端から他端に流通するガス流路（図示せず）を有する燃料電池セル２を立設させた状態で一列に配列し、隣接する燃料電池セル２間が導電部材（図示せず）を介して電気的に直列に接続されているとともに、燃料電池セル２の下端をシール材９でマニホールド３に固定してなるセルスタック４を１つ備えてなる。以下、燃料電池セル２の説明をする。

図１において、燃料電池セル２は、一対の対向する平坦面をもつ柱状の導電性支持基板（以下、支持基板と略す場合がある）の一方の平坦面上に内側電極層、固体電解質層及び外側電極層を順次積層してなる柱状（中空平板状等）からなる。この導電性支持基板には、内部をガス流れるガス流路が設けられている。内側電極層を燃料側電極層とし、外側電極層を空気側電極層として説明する。なお、内側電極層を空気側電極層とし、外側電極層を燃料側電極層として、ガス流路に酸素含有ガスを流す構成の燃料電池セル２としてもよい。また、支持基板は燃料側電極層を兼ねるものとし、その表面に固体電解質層及び空気側電極層を順次積層して燃料電池セル２を構成することもできる。

また、燃料電池セル２の他方の平坦面上にはインターコネクタが設けられており、インターコネクタの外面（上面）にはＰ型半導体層が設けられている。Ｐ型半導体層を介して、導電部材をインターコネクタに接続させることにより、両者の接触がオーミック接触となり、電位降下を少なくし集電性能の低下を有効に回避することが可能となる。

燃料側電極層は、一般的に公知のものを使用することができ、多孔質の導電性セラミックス、例えば希土類元素酸化物が固溶しているＺｒＯ_２（安定化ジルコニアと称し、部分
安定化も含むものとする）とＮｉ及び／又はＮｉＯとから形成することができる。

固体電解質層は、燃料側電極層、空気側電極層間の酸化物イオンの橋渡しをする電解質としての機能を有していると同時に、燃料ガスと酸素含有ガスとのリークを防止するためにガス遮断性を有することが必要とされ、３〜１５モル％の希土類元素酸化物が固溶したＺｒＯ_２から形成される。なお、上記特性を有する限りにおいては、他の材料等を用いて形成してもよい。

空気側電極層は、一般的に用いられるものであれば特に制限はなく、例えば、いわゆるＡＢＯ_３型のペロブスカイト型酸化物からなる導電性セラミックスから形成することができる。空気側電極層はガス透過性を有していることが必要であり、開気孔率が２０〜５０％の範囲にあることが好ましい。

支持基板としては、燃料ガスを燃料側電極層まで透過するためにガス透過性であること、さらには、インターコネクタを介して集電するために導電性であることが要求される。したがって、支持基板としては、導電性セラミックスやサーメット等を用いることができる。燃料電池セル２を作製するにあたり、燃料側電極層又は固体電解質層との同時焼成により支持基板を作製する場合においては、鉄族金属成分と特定希土類酸化物とから支持基板を形成してもよい。また、燃料電池セル２において、柱状（中空平板状）の支持基板は、立設方向に細長く延びる板状片であり、平坦な両面と半円形状の両側面を有する。また、支持基板は、ガス透過性を備えるために開気孔率が３０％以上、特に３５〜５０％の範囲にあるのが好適であり、そしてまたその導電率は３００Ｓ／ｃｍ以上、特に４４０Ｓ／ｃｍ以上であるのが好ましい。また、支持基板の形状は柱状であればよく、円筒状であってもよい。

Ｐ型半導体層としては、遷移金属ペロブスカイト型酸化物からなる層を例示することができる。具体的には、インターコネクタを構成する材料よりも電子伝導性が大きいもの、例えば、ＢサイトにＭｎ、Ｆｅ、Ｃｏなどが存在するＬａＭｎＯ_３系酸化物、ＬａＦｅＯ_３系酸化物、ＬａＣｏＯ_３系酸化物などの少なくとも一種からなるＰ型半導体セラミックスを使用することができる。このようなＰ型半導体層の厚みは、一般に、３０〜１００μｍの範囲にあることが好ましい。

インターコネクタは、ランタンクロマイト系のペロブスカイト型酸化物（ＬａＣｒＯ_３系酸化物）、もしくは、ランタンストロンチウムチタン系のペロブスカイト型酸化物（ＬａＳｒＴｉＯ_３系酸化物）が好適に使用される。これらの材料は、導電性を有し、かつ燃料ガス（水素含有ガス）及び酸素含有ガス（空気等）と接触しても還元も酸化もされない。また、インターコネクタは支持基板に形成されたガス流路を流通する燃料ガス、及び支持基板の外側を流通する酸素含有ガスのリークを防止するために緻密質でなければならず、９３％以上、特に９５％以上の相対密度を有していることが好ましい。

そして、燃料電池セル２を電気的に接続するために介装される導電部材、セルスタック４の最も外側に位置する導電部材及び端部導電部材１０は、弾性を有する金属又は合金からなる部材あるいは金属繊維又は合金繊維から成るフェルトに所要の表面処理を加えた部材から構成することができる。

図１で示すように、燃料電池セル２の一端（図１における下側の端部）は枠体３Ａで囲まれており、枠体３Ａの内側に充填されたシール材９で燃料電池セル２の一端の外周が固定されている。つまり、セルスタック４は、枠体３Ａの内側に複数の燃料電池セル２を一列に並べ、各燃料電池セル２を、導電部材（図示せず）を介して接続して収容し、シール材９で枠体３Ａに接着されている。また、シール材９は、耐熱性かつ絶縁性を有している
材料を用いることが好ましく、例えばガラス等を用いることができる。

セルスタック４の燃料電池セル２の配列方向における最も外側に位置する燃料電池セル２には、当該燃料電池セル２の外側に配置された導電部材を介して端部導電部材１０が接続されている。

ここで、端部導電部材１０は、平板形状を有していてもよい。これによって、端部導電部材１０は、広い面積で、導電部材から電流を取り出すことができるとともに、燃料電池セル２の変形を抑えることができる。

端部導電部材１０は、セルスタック４の外側に突出する導電部１１を有している。この導電部１１は、マニホールド３と離間している。なお、図には示していないが、端部導電部材１０の外側に、セルスタック４の周囲に配置された断熱材との接触や外部からの衝撃に対して、端部導電部材１０及びセルスタック４を保護する目的で、保護カバーを設けてもよい。

この構成の組立てにおいては、セルスタック４の一端をシール材９で枠体３Ａに接着し、その後で別途、枠体３Ａを板状体３Ｂに接合することが可能である。

また、セルスタック４の上方には、燃料電池セル２の配列方向に延びて配置され、燃料電池セル２に供給する燃料ガスを生成するための筒状の改質器５を備えている。

図１に示す改質器５においては、原燃料供給管６を介して供給される天然ガスや灯油等の原燃料を改質して燃料ガスを生成する。なお、改質器５は、効率のよい改質反応である水蒸気改質を行うことができる構造とすることが好ましく、水を気化させるための気化部５Ａと、原燃料を燃料ガスに改質するための改質触媒（図示せず）が配置された改質部５Ｂとを備えている。そして、改質器５で生成された燃料ガスは、燃料ガス供給管７を介してマニホールド３に供給され、マニホールド３より燃料電池セル２の内部に設けられた燃料ガス流路に供給される。なお、燃料ガス供給管７は、マニホールド３に設けられた接続口３Ｃに接続されている。

また、上述の構成のセルスタック装置１においては、燃料電池セル２における燃料ガス流路より排出される発電に使用されなかった燃料ガスと酸素含有ガスとを燃料電池セル２の上端と改質器５との間で燃焼させることにより、燃料電池セル２の温度を上昇・維持させることができる。あわせて、燃料電池セル２（セルスタック４）の上方に配置された改質器５を温めることができ、改質器５で効率よく改質反応を行なうことができる。

ところで、高温時には、燃料電池セル２の配列方向に延びる筒状の改質器５が主に燃料電池セル２の配列方向に膨張する。これに伴い、改質器５とマニホールド３を繋ぐ燃料ガス供給管７のうち、マニホールド３の接続口３Ｃに接続される部分（以下、応力集中部という。）に応力が集中し、クラックが発生する可能性があった。すなわち、セルスタック装置１の耐久性が低下するおそれがあった。

それゆえ、本実施形態のセルスタック装置１においては、図２に示すように、燃料ガス供給管７は、マニホールド３から離間して、かつマニホールド３側に設けられた応力緩和部７Ａを有している構成としている。この構成によれば、応力緩和部７Ａによって応力を吸収して緩和させるとともに、応力緩和部７Ａがマニホールド３から離間していることで応力集中部への応力集中を低減させることができるので、当該部分にクラックが発生することを抑制できる。すなわち、セルスタック装置１の耐久性を向上することができる。

ここで「マニホールド３側」とは、燃料ガス供給管７全長の中央よりマニホールド３側（下端側）をいう。この構成により、応力緩和部７Ａによって応力をより吸収して緩和させることが可能となるため、応力集中部に加わる応力をより低減させることができる。さらに、応力緩和部７Ａは、燃料ガス供給管７の全長を８等分した場合における最もマニホールド３側（下端側）の区間に設けられていることがより好ましい。

また「応力緩和部７Ａ」とは、燃料ガス供給管７の他の部分よりも変形しやすい部分をいう。応力緩和部７Ａが変形することで応力を吸収し、応力集中部へ加わる応力を緩和することができる。具体的な例を図２により以下で説明する。

図２（ａ）で示す応力緩和部７Ａは、燃料ガス供給管７の外径及び内径が他の部分より小さくなっている。なお、管の厚みは他の部分と同一である。図２（ｂ）で示す応力緩和部７Ａは、燃料ガス供給管７の内表面が凹んでおり、かつ管の厚みが薄くなっている。図２（ｃ）で示す応力緩和部７Ａは、燃料ガス供給管７の外表面が凹んでおり、かつ管の厚みが薄くなっている。なお、図２（ａ）乃至（ｃ）において破線で囲まれた部分が応力集中部である。

応力緩和部７Ａの変形をより促すためには図２（ｃ）の実施形態に係る応力緩和部７Ａを設けることが好ましい。また、流体の制御容易性の観点からも、内径が比較的一様な図２（ｃ）の実施形態にかかる応力緩和部７Ａとすることが好ましい。

図３の（ａ）〜（ｄ）は、それぞれセルスタック装置１における応力緩和部７Ａの例を示す水平方向の断面図である。

図３（ａ）は図２（ｃ）の応力緩和部７ＡのＡ−Ａ線断面図であり、本実施形態の応力緩和部７Ａは、変形をより促す観点から燃料ガス供給管７の全周に渡って設けられている。

図３（ｂ）で示す応力緩和部７Ａは、燃料ガス供給管７の全周に渡って設けられており、かつ厚みが全周に渡って不均一に構成されている。すなわち、一つの応力緩和部７Ａの中でより変形を促しやすい部分（以下、変形起点部７Ｂという。）が設けられている。この構成により、応力緩和部７Ａの変形をより促すことができる。

図３（ｃ）で示す応力緩和部７Ａは、燃料ガス供給管７の全周に渡って設けられており、かつ改質器５の燃料電池セルの配列方向に沿って燃料ガス供給管７Ａが変形を促すような位置に変形起点部７Ｂが設けられている。この構成により、応力緩和部７Ａの変形をさらに促すことができる。

一方、応力緩和部７Ａは必ずしも全周に渡って設けられている必要はなく、図３（ｄ）で示す応力緩和部７Ａのように、一部のみに設けられていてもよい。なお、改質器５の燃料電池セルの配列方向に沿って燃料ガス供給管７Ａが変形を促すように応力緩和部７Ａを設けることが好ましい。

図４で示す実施形態におけるセルスタック装置は、当該燃料ガス供給管７とマニホールド３の外側表面とを接合する接合部８を有し、当該接合部８の少なくとも一部の外表面は断面視において燃料ガス供給管７側に向けて円弧状とされている。この構成により、応力集中部の強度を向上できると共に、当該部分にかかる応力を上部へ分散させることができる。

なお「マニホールド３の外側表面」とは、マニホールド３外部に漂う酸素含有ガスに晒
されている表面をいう。また「接合部８の外表面」とは、接合部８外部に漂う酸素含有ガスに晒されている表面をいう。

さらに、図４で示す実施形態においては応力緩和部７Ａが接合部８の上部に連続して設けられている。この構成により、応力集中部にかかる応力を応力緩和部７Ａに分散させることができる。

また、接合部８と応力緩和部７Ａとが同一材料から構成されていることが好ましい。なお、同一材料とは、完全に同一である場合に限らず、主成分が同一である場合も含むものとする。この構成により、接合部８と応力緩和部７Ａ付近の接合強度の向上を図れる。なお、当該場合においては、マニホールド３における接続口３Ｃの径より外側に位置し、マニホールド３の外側表面に接合されている部位を接合部８と特定することができる。

本実施形態における接合部８は、冶金的接合法を用いてマニホールド３の外側表面と燃料ガス供給管７とを接合することにより設けることができる。冶金的接合法とは、融接、圧接又はろう接によって接合する方法である。融接の例としては、レーザー溶接、プラズマアーク溶接、イナートガスアーク溶接、マグ溶接又はガス溶接などが挙げられる。また、圧接の例としては、超音波溶接、摩擦溶接又は爆発溶接などが挙げられる。

ここで、接合部８の上部に連続して応力緩和部７Ａを設け、かつ接合部８と応力緩和部７Ａとを同一部材とできる点から融接法を用いることが好ましい。具体的には、応力緩和部７Ａを設けたい部分の燃料ガス供給管７を溶解させ、溶けた材料をマニホールド３側（下端側）に流し込み、マニホールド３の外側表面と接合することで、接合部８と応力緩和部７Ａとを同一部材にて設けることができる。なお、この場合、燃料ガス供給管７の溶解した部分が応力緩和部７Ａとなり、この溶解してマニホールド３側に広がった部分が接合部８となる。

図５（ａ）はセルスタック装置１Ａの外観斜視図であり、（ｂ）は図５（ａ）の破線円部分の拡大断面図である。図５で示す実施形態においては、燃料ガス供給管７がマニホールド３の枠体３Ａの側面における外側表面に接続されている。この構成によっても、燃料ガス供給管７のうちの応力集中部に応力が集中することを抑制し、クラックの発生を抑制することができる。

なお、一列のセルスタック４の上方に直線状の改質器５を備えるセルスタック装置１についての説明を上述したが、本発明はこれに限定されるものでなく、二列以上のセルスタック４に対してＵ字形状や蛇行形状を有する改質器５が備えられたセルスタック装置１にも適用することができる。

また図６においては、収納容器２１の一部（前後面）を取り外し、内部に収納されるセルスタック装置１を後方に取り出した状態を示している。ここで、図６に示した燃料電池モジュール２０においては、セルスタック装置１を、収納容器２１内にスライドして収納することが可能である。

図７は、外装ケース内に図６で示した燃料電池モジュール２０と、燃料電池モジュール２０を動作させるための補機（図示せず）とを収納してなる本実施形態の燃料電池装置３０の一例を示す分解斜視図である。なお、図７においては一部構成を省略して示している。

図７に示す燃料電池装置３０は、支柱３１と外装板３２から構成される外装ケース内を仕切板３３により上下に区画し、その上方側を上述した燃料電池モジュール２０を収納す
るモジュール収納室３４とし、下方側を燃料電池モジュール２０を動作させるための補機を収納する補機収納室３５として構成されている。なお、補機収納室３５に収納する補機を省略して示している。

また、仕切板３３には、補機収納室３５の空気をモジュール収納室３４側に流すための空気流通口３６が設けられており、モジュール収納室３４を構成する外装板３２の一部に、モジュール収納室３４内の空気を排気するための排気口３７が設けられている。

このような燃料電池装置３０においては、上述したように、長期信頼性の向上した燃料電池モジュール２０をモジュール収納室３４に収納し、燃料電池モジュール２０を動作させるための補機を補機収納室３５に収納して構成されることにより、長期信頼性の向上した燃料電池装置３０とすることができる。

以上、本発明について詳細に説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更、改良等が可能である。

上述の例ではいわゆる縦縞型と呼ばれるセルを用いて説明したが、一般に横縞型と呼ばれる複数の発電素子部を支持基板上に設けてなる横縞型のセル又はいわゆる円筒型のセルを用いることもできる。

１：セルスタック装置
２：燃料電池セル
３：マニホールド
３Ａ：枠体
３Ｂ：板状体
３Ｃ：接続口
４：セルスタック
５：改質器
５Ａ：気化部
５Ｂ：改質部
６：原燃料供給管
７：燃料ガス供給管
７Ａ：応力緩和部
７Ｂ：変形起点部
８：接合部
２０：燃料電池モジュール
３０：燃料電池装置

Claims (8)

1. 内部にガス流路を有する柱状の燃料電池セルを複数個立設させた状態で配列して電気的に接続してなるセルスタックと、
   前記燃料電池セルの下端を固定するとともに前記燃料電池セルの前記ガス流路に燃料ガスを供給するためのマニホールドと、
   前記セルスタックの上方に前記燃料電池セルの配列方向に延びて配置され、前記燃料ガスを生成する筒状の改質器と、
   前記改質器と前記マニホールドとを繋ぎ、前記燃料ガスを前記改質器から前記マニホールドに供給するための燃料ガス供給管とを備え、
   該燃料ガス供給管は、
   前記マニホールドから離間して、かつ前記マニホールド側に設けられた応力緩和部を有し、該応力緩和部は、前記燃料ガス供給管の厚みが薄い部分であって、かつ前記燃料ガス供給管の外表面が凹んでいる部分であることを特徴とするセルスタック装置。
2. 前記応力緩和部は、前記燃料ガス供給管の全周に渡って設けられており、かつ前記応力緩和部における前記燃料ガス供給管の厚みが全周に渡って不均一であることを特徴とする請求項１に記載のセルスタック装置。
3. 内部にガス流路を有する柱状の燃料電池セルを複数個立設させた状態で配列して電気的に接続してなるセルスタックと、
   前記燃料電池セルの下端を固定するとともに前記燃料電池セルの前記ガス流路に燃料ガスを供給するためのマニホールドと、
   前記セルスタックの上方に前記燃料電池セルの配列方向に延びて配置され、前記燃料ガスを生成する筒状の改質器と、
   前記改質器と前記マニホールドとを繋ぎ、前記燃料ガスを前記改質器から前記マニホールドに供給するための燃料ガス供給管とを備え、
   該燃料ガス供給管は、
   前記マニホールドから離間して、かつ前記マニホールド側に設けられた応力緩和部を有し、該応力緩和部は、前記燃料ガス供給管の全周に渡って設けられており、かつ前記応力緩和部における前記燃料ガス供給管の厚みが全周に渡って不均一であることを特徴とするセルスタック装置。
4. 前記燃料ガス供給管と前記マニホールドの外側表面とを接合する接合部を有し、該接合部の少なくとも一部の外表面は断面視において前記燃料ガス供給管に向けて円弧状とされ
   ていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のうち何れかに記載のセルスタック装置。
5. 前記応力緩和部は前記接合部の上部に連続して設けられていることを特徴とする請求項４に記載のセルスタック装置。
6. 前記接合部と前記応力緩和部とが同一材料であることを特徴とする請求項５に記載のセルスタック装置。
7. 収納容器内に請求項１乃至請求項６のうち何れかに記載のセルスタック装置を収納してなることを特徴とする燃料電池モジュール。
8. 請求項７に記載の燃料電池モジュールと、該燃料電池モジュールを作動させるための補機とを、外装ケース内に収納してなることを特徴とする燃料電池装置。

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