JP5882870B2

JP5882870B2 - 燃料電池モジュール

Info

Publication number: JP5882870B2
Application number: JP2012212557A
Authority: JP
Inventors: 孝小野; 内　一隆; 一隆内
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2012-09-26
Filing date: 2012-09-26
Publication date: 2016-03-09
Anticipated expiration: 2032-09-26
Also published as: JP2014067613A

Description

本発明は、燃料電池モジュールに関し、特に、セルスタック装置を複数並列配置してなる燃料電池モジュールに関する。

近年、次世代エネルギーとして、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燃料電池セルが知られている。さらに、複数の燃料電池セルを１列に配列し電気的に直列に接続してなるセルスタックを、ガスタンクに複数列となるように並列に設けたセルスタック装置を作製し、該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が種々提案されている（例えば、特許文献１参照）。

この特許文献１では、セルスタック間に酸素含有ガス供給板が配置され、両側のセルスタックを構成する燃料電池セルに酸素含有ガスを供給している。

特開２０１０−２３１９１９号公報

近年、家庭用以外にも燃料電池の用途が検討されており、例えば、病院、ホテル、店舗等の業務用の燃料電池では、数ｋＷ以上の発電量が要求されている。

このように燃料電池の発電量が多くなると、一つの収納容器内に収納される燃料電池セル数が多くなり、収納容器における燃料電池セル以外の空間も広くなるため、燃料電池セルに酸素含有ガスを効率良く供給することが要求されている。

本発明は、燃料電池セルに酸素含有ガスを効率良く供給できる燃料電池モジュールを提供することを目的とする。

本発明の燃料電池モジュールは、複数の燃料電池セルを１列に立設してなるセルスタックと、複数の前記セルスタックが、前記燃料電池セルのセル配列方向が平行になるように並列配置され、かつ前記燃料電池セルに燃料ガスを供給するためのガスタンクとを具備す
るセルスタック装置を、該セルスタック装置におけるセル配列方向が平行になるように複数並列配置してなるとともに、前記セルスタック装置の配列方向の両端、および前記セルスタック装置間に、セル配列方向と平行になるようにかつ前記燃料電池セルの立設方向に沿って配置された酸素含有ガス供給板を有しており、前記酸素含有ガス供給板の下端は、前記ガスタンクの上面よりも下方に位置しており、前記酸素含有ガス供給板は、下部の側面であって下端よりも上方に酸素含有ガス供給孔を有しており、該酸素含有ガス供給孔は、前記ガスタンクの上面よりも上方に位置していることを特徴とする。

本発明の燃料電池モジュールは、セルスタック装置の配列方向の両端、およびセルスタック装置間に、セル配列方向と平行になるようにかつ燃料電池セルの立設方向に沿って配置された酸素含有ガス供給板を有するため、酸素含有ガス供給板を用いて供給された酸素含有ガスが、酸素含有ガス供給板間の燃料電池セルに確実に供給されるとともに、対向する酸素含有ガス供給板間を燃料電池セルの立設方向に流れ易くなり、燃料電池セルに酸素含有ガスを効率良く供給できる。

燃料電池モジュールを示すもので、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は概略側面図である。セルスタックを３列有するセルスタック装置を２個並列配置した燃料電池モジュールの概略側面図である。（ａ）は酸素含有ガス供給板がガスタンクよりも下方から上方に延びた燃料電池モジュールの概略側面図であり、（ｂ）は酸素含有ガス供給板の下端が、ガスタンクの上面よりも上方に位置する燃料電池モジュールの概略側面図である。セルスタック装置を構成する２つのセルスタック間に酸素含有ガス遮断板が配置された燃料電池モジュールの概略側面図である。酸素含有ガス流路規制板を有するセルスタック装置を２個並列配置した燃料電池モジュールを示すもので、（ａ）は概略側面図、（ｂ）は概略平面図である。セルスタック装置を２行３列に配列した燃料電池モジュールを示す概略平面図である。

図１は、燃料電池モジュールの一形態の一部を示している。燃料電池モジュールは、図１（ｂ）に示すように、収納容器２内に２個のセルスタック装置８を有するもので、図１（ａ）では、収納容器を省略している。

図１に示す燃料電池モジュールにおいては、収納容器２の内部に、内部をガスが流通するガス流路を有する柱状の燃料電池セル３を立設させた状態で１列に配列し、隣接する燃料電池セル３間を集電部材（図示せず）を介して電気的に直列に接続してセルスタック５が構成され、このセルスタック５の燃料電池セル３のセル配列方向ｘにおける両端側からセルスタック５を挟み込むように、燃料電池セル３の発電により生じる電流を引き出すための電流引き出し部を有する端部集電部材９が配置されている。なお、セルスタック５を構成する燃料電池セル３および端部集電部材９の下端部側を、ガラスシール材等の絶縁性接合材（図示せず）により、燃料電池セル３に燃料ガスを供給するためのガスタンク４に固定して収納容器２内に収納する。

さらに図１においては、燃料電池セル３として、内部を水素含有ガス（燃料ガス）が長手方向に流通するガス流路を有する中空平板型で、支持体の表面に、燃料側電極層、固体電解質層および酸素側電極層を順に設けてなる固体酸化物形の燃料電池セル３を例示している。燃料電池セル３は、図１（ｂ）の長さ方向（立設方向）の略全体に燃料側電極層、固体電解質層および酸素側電極層が重畳した発電部が形成されている。

なお、燃料電池セル３としては、上記以外に、例えば円筒状、平板状の燃料電池セルを用いることもできる。この場合において、端部集電部材９の形状は適宜変更することができる。

さらに図１においては、燃料電池セル３の発電で使用する燃料ガスを得るために、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ための改質器（図示せず）をセルスタック５（燃料電池セル３）の上方に配置することもできるが、燃料電池モジュールとは別個に改質器を設け、この改質器から燃料電池モジュールに燃料ガスを供給することもできる。燃料ガスは、ガス流通管によりガスタンク４に供給され、ガスタンク４を介して燃料電池セル３の内部に設けられたガス流路に供給される。

図１においては、１つのガスタンク４上にセルスタック５を２つ並置しているセルスタック装置８を示している。なお、各セルスタック５は、燃料電池セル３のセル配列方向ｘが互いに平行になるように並列配置され、セルスタック５の同じ側における電流引き出し
部１２同士を導電性の連結部材１１を連結することで、２つのセルスタック５を直列に連結した構成となっている。なお、セルスタック５を３つ以上並列配置する場合も同様に、セルスタック５の同じ側における電流引き出し部１２同士を連結部材１１にて接続する構成とすることができる。なお、セルスタック５を並列接続しても良く、直列と並列を混在させても良い。

また、セルスタック装置８同士は、図１（ａ）に示したように、それぞれの隣接する電流引き出し部１２同士を連結部材１１にて接続することで、４つのセルスタック５が直列に接続されている。

なお、各燃料電池セル３間および燃料電池セル３の配列方向における端部と端部集電部材９との間には、集電部材が配置され（燃料電池セル３間の集電部材は図示せず）、それにより各燃料電池セル３が電気的に直列に接続されている。燃料電池セル３の発電により得られる電流（電圧）は、燃料電池セル３のセル配列方向ｘの端部に配置された集電部材を介して端部集電部材１２により接続される。

そして、本形態の燃料電池モジュールは、図１に示したように、セルスタック装置８を、該セルスタック装置８におけるセル配列方向ｘが平行になるように複数並列配置してなるとともに、セルスタック装置８の配列方向の両端、およびセルスタック装置８間に、酸素含有ガス供給板１４を有している。すなわち、図１（ａ）では、酸素含有ガス供給板１４が、２つのセルスタック装置８の左右にそれぞれ配置されているとともに、２つのセルスタック装置８間に配置されている。

これらの酸素含有ガス供給板１４は、セル列と平行になるように配置されている。また、酸素含有ガス供給板１４は、燃料電池セル３の長さ方向のほぼ全域に沿って配置されている。すなわち、酸素含有ガス供給板１４は、高さが、燃料電池セル３よりも高く、長さがスタック５よりも長い矩形板形状とされている。

酸素含有ガス供給板１４は、内部に酸素含有ガスが流れる流路（図示せず）を有しており、酸素含有ガス供給板１４の下端は、ガスタンク４の上面よりも下方に位置している。

酸素含有ガス供給板１４の下部の側面には、セルスタック５の下部に対応するように複数の酸素含有ガス供給孔を有しており、セルスタック装置８の列を挟むような位置に配置された両端の酸素含有ガス供給板１４には、一方の側面に酸素含有ガス供給孔が形成され、セルスタック装置８間に配置された酸素含有ガス供給板１４には、両方の側面に酸素含有ガス供給孔が形成され、図１（ｂ）の矢印で示す方向に酸素含有ガスが供給されるように構成されている。

酸素含有ガス供給板１４の下端は、ガスタンク４の上面よりも下方に位置しているため、酸素含有ガス供給孔を酸素含有ガス供給板１４の下端よりも上方に形成して、燃料電池セル３の下端部に十分にかつ確実に酸素含有ガスを供給することが可能となる。

また、例えば、収納容器２の上壁から酸素含有ガス供給板１４が下方に延設されており、収納容器の上壁の一部に形成された酸素含有ガス供給路１６と３つの酸素含有ガス供給板１４の流路とが連通している。なお、収納容器２の側壁から酸素含有ガス供給板１４が延設される場合であっても良い。

このような燃料電池モジュールでは、酸素含有ガス供給板１４を用いて、酸素含有ガス供給板１４間のセルスタック５を構成する燃料電池セル３に酸素含有ガスを供給するため、供給された酸素含有ガスが酸素含有ガス供給板１４間の燃料電池セル３に確実に供給さ
れ、対向する酸素含有ガス供給板１４間をセルの立設方向（上方）に流れ易くなり、数ｋＷ以上の発電量が要求される業務用の燃料電池モジュールであっても、燃料電池セル３の長さ方向に効率良く酸素含有ガスを供給できる。

なお、図１では、セルスタック５を２列有するセルスタック装置８を用いて燃料電池モジュールを構成した形態について説明したが、図２に示すように、セルスタック５を３列有するセルスタック装置８を用いて燃料電池モジュールを構成することもできる。さらに、セルスタック５を４列以上有するセルスタック装置を用いることもできる。

また、図１では、収納容器２の上壁から酸素含有ガス供給板１４が垂直方向に下方に延設されている場合について説明したが、図３（ａ）に示すように、ガスタンク４の下方に、例えば収納容器２の下壁に酸素含有ガス供給路１８を有しており、この酸素含有ガス供給路１８と３つの酸素含有ガス供給板１９の流路とが連通し、酸素含有ガス供給板１４が上方に向けて延設されている場合であっても良い。この図３（ａ）においても、酸素含有ガス供給板１９が、燃料電池セル３の長さ方向のほぼ全域に沿って配置されている。なお、酸素含有ガス供給孔は、燃料電池セル３の下端部に供給できるような位置に形成されている。

さらに、図１では、酸素含有ガス供給板１４の下端が、ガスタンク４の上面よりも下方に位置する場合について説明したが、図３（ｂ）に示すように、酸素含有ガス供給板１４の下端が、ガスタンク４の上面よりも上方に位置するように構成することもできる。この場合には、セルスタック装置８同士の間隔を狭めることができるため、小型の燃料電池モジュールを得ることができる。

図４では、燃料電池モジュールの他の形態を示すもので、この燃料電池モジュールでは、セルスタック装置８の配列方向の両端、およびセルスタック装置８間に、酸素含有ガス供給板１４を有しているとともに、セルスタック５間には、収納容器２の上壁から酸素含有ガス遮断板２１が延設されている。この酸素含有ガス遮断板２１は、その下端が、ガスタンク４の上面と所定間隔を置いて位置するように、収納容器２の上壁から延設されており、燃料電池セル３の立設方向のほぼ全域に沿って、かつ、セル配列方向ｘに沿って配置されている。

図１（ｂ）の燃料電池モジュールでは、対向する一対の酸素含有ガス供給板１４から、中央の２列のセルスタック５に酸素含有ガスが供給されるため、２列のセルスタック５に供給される酸素含有ガスの供給量が不安定になるおそれがあるが、図４に示す燃料電池モジュールでは、セルスタック装置８における２つのセルスタック５間に酸素含有ガス遮断板２１を有するため、一方の酸素含有ガス供給板１４からは一方のセルスタック５のみに酸素含有ガスを供給できるため、セルスタック５に一定の酸素含有ガスを安定して確実に供給できる。

また、図５はさらに他の形態を示すもので、セル配列方向ｘの両端に、かつセルスタック装置８の複数のセルスタック５を挟んで設けられた酸素含有ガス流路規制板２３を有している。この酸素含有ガス流路規制板２３は、セル配列方向ｘと直交するように配置されており、酸素含有ガス供給板１４と酸素含有ガス流路規制板２３とで、酸素含有ガスの流路を規制している。なお、酸素含有ガス流路規制板２３は、セル配列方向ｘと直交しない場合であっても、ある程度の流路規制効果を有する。

酸素含有ガス流路規制板２３は、その下端が、ガスタンク４の上面と所定間隔を置いて位置するように、収納容器２の上壁から延設されており、燃料電池セル３の立設方向のほぼ全域に沿って配置されている。酸素含有ガス流路規制板２３の上端は、収納容器２との
接合部を除いて、収納容器２の上壁との間に所定間隔の酸素含有ガス導出空間２５を有しており、酸素含有ガス供給板１４と酸素含有ガス流路規制板２３とで形成された酸素含有ガスの流路を、下方から上方に流れた酸素含有ガスが、酸素含有ガス導出空間２５から導出されるように構成されている。

このような燃料電池モジュールでは、酸素含有ガス供給板１４から供給された酸素含有ガスが、酸素含有ガス供給板１４と酸素含有ガス流路規制板２３とで形成された酸素含有ガスの流路を通過するため、数ｋＷ以上の発電量が要求される業務用の燃料電池モジュールであっても、燃料電池セル３に十分に安定して供給することができ、酸素含有ガスを燃料電池セル３に効率良く供給できる。

図６は、セルスタック装置８を２行３列に配列した燃料電池モジュールを示すもので、この燃料電池モジュールでは、図５に示したように、酸素含有ガス流路規制板２３は、その下端が、ガスタンク４の上面と所定間隔を置いて位置するように、収納容器２の上壁から延設されており、酸素含有ガス供給板１４と酸素含有ガス流路規制板２３とで酸素含有ガスの流路を形成している。なお、図５（ｂ）および図６では、燃料電池セル３の一部を省略している。

そして、この燃料電池モジュールでは、酸素含有ガス供給板１４と酸素含有ガス流路規制板２３とで囲まれている空間には、酸素含有ガス供給板１４から酸素含有ガスが供給され、酸素含有ガス供給板１４と酸素含有ガス流路規制板２３とで囲まれていない空間には、別途の酸素含有ガスを供給する酸素含有ガス供給手段を有している。

このような酸素含有ガス供給手段としては、酸素含有ガス供給板３１を用いることができ、この酸素含有ガス供給板３１は、例えば、収納容器２の下壁に形成された酸素含有ガス供給流路から、セルスタック装置８間を、上方に向けて延設されている。酸素含有ガス供給板３１からは、酸素含有ガス供給板１４から供給される酸素含有ガスとは異なる成分、温度、量の酸素含有ガスを供給可能とされている。

このような燃料電池モジュールでは、酸素含有ガス供給板１４からの酸素含有ガスを、燃料電池セル３の発電用として用いる一方で、酸素含有ガス供給板３１からの酸素含有ガスを、例えば、収納容器２内の温度調整用として用いることができ、酸素含有ガス供給板１４とは異なる成分、供給量、温度の酸素含有ガスを供給制御することができ、これにより、燃料電池モジュールを発電量等に応じて最適運転状態とすることが可能となる。

なお、酸素含有ガス供給板１４を、２行のセルスタック装置８の配列方向両端と、セルスタック間にそれぞれ配置したが、図６における上下２つの酸素含有ガス供給板１４を１つの酸素含有ガス供給板１４で構成しても良い。

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。

２：収納容器
３：燃料電池セル
４：ガスタンク
５：セルスタック
８：セルスタック装置
１４、１９：酸素含有ガス供給板
２１：酸素含有ガス遮断板
２３：酸素含有ガス流路規制板

Claims

複数の燃料電池セルを１列に立設してなるセルスタックと、複数の前記セルスタックが、前記燃料電池セルのセル配列方向が平行になるように並列配置され、かつ前記燃料電池セルに燃料ガスを供給するためのガスタンクとを具備するセルスタック装置を、該セルスタック装置におけるセル配列方向が平行になるように複数並列配置してなるとともに、前記セルスタック装置の配列方向の両端、および前記セルスタック装置間に、セル配列方向と平行になるようにかつ前記燃料電池セルの立設方向に沿って配置された酸素含有ガス供給板を有しており、
前記酸素含有ガス供給板の下端は、前記ガスタンクの上面よりも下方に位置しており、
前記酸素含有ガス供給板は、下部の側面であって下端よりも上方に酸素含有ガス供給孔を有しており、
該酸素含有ガス供給孔は、前記ガスタンクの上面よりも上方に位置していることを特徴とする燃料電池モジュール。
前記セルスタック装置における前記セルスタックは２列であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池モジュール。
前記セルスタック装置における前記セルスタック間には、酸素含有ガス遮断板が配置されていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池モジュール。
セル配列方向の両端に、かつ前記セルスタック装置の複数のセルスタックを挟んで設けられた酸素含有ガス流路規制板を有するとともに、前記酸素含有ガス供給板と前記酸素含有ガス流路規制板とで、酸素含有ガスの流路を規制していることを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれかに記載の燃料電池モジュール。