JP5197081B2

JP5197081B2 - セルスタック装置および燃料電池モジュール

Info

Publication number: JP5197081B2
Application number: JP2008070786A
Authority: JP
Inventors: 達宮地; 仁英大嶋
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2008-03-19
Filing date: 2008-03-19
Publication date: 2013-05-15
Anticipated expiration: 2028-03-19
Also published as: JP2009224299A

Description

本発明は、複数のセルが配列されたセルスタックと、該セルスタックを固定するマニホールドと、該マニホールドに連結されたガス供給管とを具備してなるセルスタック装置および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、燃料電池セルを複数個配列してなるセルスタック、およびそのセルスタックを収納容器内に収納した燃料電池モジュールが種々提案されている。

燃料電池セルの発電に用いる燃料ガスとしては水素が用いられ、水素ガスと酸素含有ガスとを収納容器内に供給し、酸素含有ガスを燃料電池セルの酸素側電極層に接触させ、かつ水素を燃料電池セルの燃料側電極層に接触させ、所定の電極反応を生じせしめることにより、発電が行われる。

従来、複数の燃料電池セルを一列に配列した状態で、それらの一端部（下端部）をシール材中に埋設してマニホールドに接合し、隣接する燃料電池セル間にそれぞれ集電部材を介装し燃料電池セルに接合して構成されているセルスタック装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

例えば、図８は従来のセルスタック装置の一例であり、複数の燃料電池セル５２を、一列に配列（複数の燃料電池セル５２を配列）してなるセルスタック５１の下端部（燃料電池セル５２の下端部）を、シール材６３中に埋設接合し、マニホールド６１にセルスタック５１が固定されており、マニホールド６１のセル配列方向ｘの一端には、ガス供給管６５が連結されている。隣接する燃料電池セル５２間には、それぞれ集電部材５３ａが介装されている。

燃料電池セル５２は中空平板状とされ、図８（ｂ）に示すように、一対の対向する平坦面をもつ柱状の導電性支持基板５８の一方の平坦面上に燃料側電極層５５、固体電解質層５６及び酸素側電極層５４が積層され、他方の平坦面上にインターコネクタ５７が設けられている。燃料電池セル５２は、複数のガス通路５９を有しており、ガス供給管６５により燃料ガスがマニホールド６１内に供給され、マニホールド６１から燃料電池セル５２のガス通路５９を通過する。一方、空気は、燃料電池セル５２の外側に供給される。これにより、燃料電池セル５２にて発電反応が生じることになる。
特開２００５−１９２４０号公報

しかしながら、図８に示すセルスタック装置では、ガス供給管６５はマニホールド６１のセル配列方向ｘの一端側に連結されており、ガス供給管６５から供給される燃料ガスは、ガス供給管６５の連結側の燃料電池セル５２には燃料ガスを十分に供給できるものの、反対側の破線で示す部分の燃料電池セル５２には、燃料ガスを十分に供給することができず、発電を十分に行うことができないという問題があった。

本発明は、複数の燃料電池セルにほぼ均一にガスを供給できるセルスタック装置および燃料電池モジュールを提供することを目的とする。

本発明のセルスタック装置は、複数の燃料電池セルを少なくとも一列に配列してなるセルスタックと、該セルスタックを固定するマニホールドと、前記燃料電池セルの配列方向の両側から燃料電池の動作に必要な２種類のガスのうちの一方のガスを供給するために前記マニホールドに連結された一対のガス供給管とを具備してなり、前記複数の燃料電池セルは、前記ガス供給管により前記マニホールド内に供給されたガスが通過すガス通路をそれぞれ有しているとともに、前記マニホールドは、前記燃料電池セルの配列方向に延びる仕切板により第１および第２マニホールド室に分割されており、前記燃料電池セルは、前記ガス通路に前記第１および第２マニホールド室からガスが供給されるように、前記第１および第２マニホールド室に跨って配置され、前記第１マニホールド室に第１ガス供給管が接続し、前記第２マニホールド室に第２ガス供給管が接続しており、前記仕切板には、前記第１および第２マニホールド室を流通させる流通孔が形成されていることを特徴とする。

本発明のセルスタック装置では、一対のガス供給管により、セル配列方向の両側から燃料電池の動作に必要な２種類のガスのうちの一方のガスが供給されるため、マニホールドのセル配列方向両端部に前記一方のガスを十分に供給することができ、マニホールドのセル配列方向両端部に位置する燃料電池セルに十分に前記一方のガスを供給でき、複数の燃料電池セルに前記一方のガスをほぼ均一に供給することができ、発電量を向上できる。また、マニホールドのセル配列方向両端部に位置する燃料電池セルの発電量が増加するため、マニホールドのセル配列方向両端部に位置する燃料電池セルの温度が上昇し、セルスタックのセル配列方向における均熱化を図ることができる。

また、本発明のセルスタック装置は、前記複数の燃料電池セルはガス通路を有しており、前記ガス供給管により前記マニホールド内に供給されたガスが前記複数の燃料電池セルの前記ガス通路を通過することを特徴とする。このようなセルスタック装置では、中空状の燃料電池セルに対して、本発明を有効に用いることができる。

また、本発明のセルスタック装置は、前記マニホールドが、前記燃料電池セルの配列方向に延びる仕切板により第１および第２マニホールド室に分割されており、前記燃料電池セルは、前記ガス通路に前記第１および第２マニホールド室からガスが供給されるように、前記第１および第２マニホールド室に跨って配置され、前記第１マニホールド室に第１ガス供給管が接続し、前記第２マニホールド室に第２ガス供給管が接続していることを特徴とする。

本発明のセルスタック装置では、第１マニホールド室と第２マニホールド室を通過するガスの流れは逆方向となり、燃料電池セルのガス通路には、例えば、第１マニホールド室の第１ガス供給管側の圧力の高いガスと、第２マニホールド室の第１ガス供給管側の圧力の低いガスが供給されるため、燃料電池セルへのガス供給を均一化することができる。

さらに、本発明のセルスタック装置は、前記仕切板には、前記第１および第２マニホールド室を流通させる流通孔が形成されていることを特徴とする。このようなセルスタック装置では、ガス圧力の高い部分から、仕切板の流通孔を介してガス圧力の低い部分へガスが流れ、マニホールド内のガス圧力をほぼ一定とすることができ、燃料電池セルへのガス供給をさらに均一化できる。

本発明の燃料電池モジュールは、上記セルスタック装置を収納容器に収納してなることを特徴とする。このような燃料電池モジュールでは、複数の燃料電池セルへのガス供給をほぼ均一化できるため、燃料電池モジュールとして発電量を向上できるとともに、セルスタックのセル配列方向における均熱化を図ることができ、燃料電池セルの破損を抑制することができ、長期信頼性に優れた燃料電池モジュールを得ることができる。

本発明のセルスタック装置は、一対のガス供給管により、マニホールド内のセル配列方向の両側から燃料電池の動作に必要な２種類のガスのうちの一方のガスが供給されるため、マニホールドのセル配列方向両端部に前記一方のガスを十分に供給することができ、マニホールドのセル配列方向両端部に位置する燃料電池セルに十分に前記一方のガスを供給でき、複数の燃料電池セルに前記一方のガスをほぼ均一に供給することができ、発電量を向上できる。

図１は、セルスタック１を有するセルスタック装置１０を示し、（ａ）はセルスタック装置１０を概略的に示す側面図、（ｂ）は、（ａ）のセルスタック装置１０の一部拡大断面図を示している。また、図１中のセルスタック装置１０上方の矢印ｘは、燃料電池セルのセル配列方向を示している。

ここで、図１において、セルスタック１は、支持基板８上に、燃料側電極層５、固体電解質層６および酸素側電極層４を積層してなる燃料電池セル２を、配列（一列に配列）して構成され、この状態で、燃料電池セル２の一端部がシール材１３に埋設接合している。このセルスタック１は、その燃料電池セル２の下端部がシール材１３で接合された状態で、上面が開口したマニホールド本体１１に接合固定されている。

また、隣接する燃料電池セル２間には集電部材３ａが介装され、燃料電池セル２の配列方向ｘの両側から端部集電部材３ｂを介して燃料電池セルスタック１を挟持するように一対の保持部材１２が設けられ、これらの保持部材１２は、燃料電池セル２に燃料ガスを供給するマニホールド１１に立設して固着されている。なお、保持部材１２の下部（下端部）も、燃料電池セル２と同様に、シール材等によりマニホールド１１に固着されている。

本発明のセルスタック１は、複数の燃料電池セル２を、集電部材３ａにより電気的に直列に接続して構成される。

本実施形態において、燃料電池セル２は中空平板状とされ、一対の対向する平坦面をもつ柱状の導電性支持基板８の一方の平坦面上に燃料側電極層５、固体電解質層６及び酸素側電極層４が積層され、他方の平坦面上にインターコネクタ７が設けられている。なお燃料電池セル２を構成する各部材については、後に詳述する。燃料電池セル２の導電性支持基板８には複数のガス通路９が、燃料電池セル２の長さ方向に形成されている。

燃料電池セル２の一端部は、図２に示すように、シール材１３中に埋設接合され、これが、マニホールド１１の開口における上蓋となる。尚、燃料電池セルはマニホールドに立設する必要は必ずしもなく、例えば、マニホールドから横方向に延びるように配置されていても良い。

そして、本発明では、マニホールド１１のセル配列方向の両側に、燃料ガスを供給するためのガス供給管１５ａ、１５ｂがそれぞれ連結されており、マニホールド１１内に、セル配列方向両側から燃料ガスが供給されて、複数の燃料電池セル２のガス通路９を流れるように構成されている。

このようなセルスタック装置では、マニホールド１１のセル配列方向ｘの両側に、ガス供給管１５ａ、１５ｂをそれぞれ連結したため、マニホールド１１のセル配列方向ｘの両端部に圧力の高いガスを十分に供給することができ、マニホールド１１のセル配列方向ｘ両端部に位置する燃料電池セル２のガス通路９に、十分に燃料ガスを供給し、発電させることができ、発電量を向上できるとともに、マニホールド１１のセル配列方向ｘ両端部に位置する燃料電池セル２の発電量が増加するため、この部分の燃料電池セル２の反応熱も増加し、マニホールド１１のセル配列方向ｘ両端部に位置する燃料電池セル２の温度が向上し、セルスタック１のセル配列方向ｘにおける均熱化を図ることができる。

また、図１に示すように、マニホールド１１のセル配列方向ｘ両側から燃料ガスが供給され、マニホールド１１中央部にて衝突するため、セル配列方向ｘ中央部における燃料電池セル２に燃料ガスを十分に供給することができ、セル配列方向ｘ中央部における燃料電池セル２を冷却する効果があり、さらにセル配列方向における均熱化を図ることができる。

ここで、セルスタック１を構成する他の部材について、以下に説明する。

集電部材３ａおよび端部集電部材３ｂは、弾性を有する金属または合金からなる部材或いは金属繊維または合金繊維から成るフェルトに表面処理を加えた部材から構成することができるが、本発明においては、集電部材３ａおよび端部集電部材３ｂは、間隔の異なる燃料電池セル２を電気的に接続するために、弾性を有する合金からなる部材とするのがより好ましい。

酸素側電極層４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セラミックから形成することができる。酸素側電極層４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％以上、特に３０〜５０％の範囲にあることが好ましい。
燃料側電極層５は、多孔質の導電性セラミック、例えば希土類元素が固溶しているＺｒＯ_２（安定化ジルコニアを称する）とＮｉおよび／またはＮｉＯとから形成することができる。

固体電解質層６は、電極間の電子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。インターコネクタ７は、導電性セラミックから形成することができるが、燃料ガス（水素等）および酸素含有ガス（空気等）と接触するため、耐還元性及び耐酸化性を有することが必要であり、それゆえ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）が好適に使用される。インターコネクタ７は導電性支持基板８に形成された燃料ガス通路９を通る燃料ガスおよび導電性支持基板８の外側を流動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。

導電性支持基板８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。導電性支持基板８には、これを長さ方向に貫通する複数個（図１（ｂ）においては６個）のガス通路９が形成されている。導電性支持基板８は燃料ガスを燃料側電極層５まで透過するためにガス透過性であることが要求され、例えば多孔質の導電性セラミックやサーメット等を用いることができる。

図３は、本発明の参考例の形態を示すもので、この形態では、マニホールド１９は、セル配列方向ｘに延びる仕切板２１により第１マニホールド室１９ａ、第２マニホールド室１９ｂに分割されており、燃料電池セル２は、図３に一点鎖線で示すように、燃料電池セル２のガス通路９に第１、第２マニホールド室１９ａ、１９ｂからのガスが供給されるように、第１、第２マニホールド室１９ａ、１９ｂに跨って配置されている。

すなわち、燃料電池セル２の３つのガス通路９が第１マニホールド室１９ａとつながっており（以下、連通するという場合がある）、燃料電池セル２の他の３つのガス通路９が第２マニホールド室１９ｂと連通している。

第１ガス供給管１５ａと第２ガス供給管１５ｂとは、マニホールド１１のセル配列方向ｘの対向する側に設けられ、第１マニホールド室１９ａには第１ガス供給管１５ａが接続されて連通し、第２マニホールド室１９ｂには第２ガス供給管１５ｂが接続されて連通している。

このようなセルスタック装置では、第１マニホールド室１９ａと第２マニホールド室１９ｂを通過するガスの流れは逆方向であり、例えば、第１マニホールド室１９ａの第１ガス供給管１５ａ側に配置された燃料電池セル２のガス通路９には、第１マニホールド室１９ａの第１ガス供給管１５ａ側の高い圧力のガスと、第２マニホールド室１９ｂの第１ガス供給管１５ａ側の低い圧力のガスとが供給されるため、セル配列方向ｘにおける燃料電池セルへのガス供給を均一化できる。これにより、マニホールド１１のセル配列方向ｘ両端部に位置する燃料電池セル２の発電量が増加するため、反応熱も増加し、マニホールド１１のセル配列方向ｘ両端部に位置する燃料電池セル２の温度が向上し、セルスタック１のセル配列方向ｘにおける均熱化を図ることができる。

図４は、本発明の一例の形態を示すもので、この形態では、図３のセルスタック装置の仕切板２１に、第１、第２マニホールド室１９ａ、１９ｂを流通させる流通孔２３a、２
３ｂが形成されている。このようなセルスタック装置では、第１マニホールド室１９ａと
第２マニホールド室１９ｂを通過するガスの流れは逆方向であり、第１、第２マニホールド室１９ａ、１９ｂのガス圧力の高い部分から、仕切板２１の流通孔２３a、２３ｂを介
してガス圧力の低い部分へガスが流れ、マニホールド１９内のガス圧力をほぼ一定とすることができ、燃料電池セルへのガス供給をさらに均一化できる。

本発明の燃料電池モジュールは、上述したセルスタック装置を収納容器内に収納してなるもので、ガス供給管１５ａ、１５ｂを介して燃料ガスがマニホールド１９に供給され、燃料電池セル２のガス通路９を介して、燃料電池セル２の上方に放出されるとともに、燃料電池セル２の外部に酸素含有ガス、例えば空気が供給され、燃料電池セルの上方に放出され、例えば余剰の燃料ガスが燃焼される。そして、燃料側電極層５、固体電解質層６及び酸素側電極層４が重畳した部分で発電が行われることになる。

このような燃料電池モジュールでは、燃料電池セル２へのガス供給をほぼ均一化できるため、燃料電池モジュールとして発電量を向上できるとともに、セルスタックのセル配列方向ｘにおける均熱化を図ることができ、燃料電池セルの破損を抑制することができ、長期信頼性を向上できる。

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。

例えば、図５に示すように、都市ガス等の改質する改質器２５をセルスタック１の上方に配置し、セルスタック１の熱により改質器２５を加熱し、改質するタイプのセルスタック装置とすることにより、温度の高い燃料ガスを、マニホールドのセル配列方向ｘの両側から導入することができ、両側の燃料電池セル２を加熱できるとともに、セル配列方向ｘ中央部ではガスが熱交換され、セル配列方向ｘの両側よりも低い温度となった燃料ガスが、セル配列方向ｘ中央部の燃料電池セル２に供給され、中央部の燃料電池セル２を冷却でき、セル配列方向ｘにおけるセルスタック１の均熱化をさらに図ることができる。尚、改質器２５をセルスタック１の上方に配置する場合だけでなく、セルスタック１の側方や下方に配置した場合でも、ある程度の効果を有する。

また、上記形態では、マニホールド１１、１９に一列に配列したセルスタック１を設けたが、図６に示すように、一つのマニホールドに２列のセルスタック１を設けた場合であっても、上記と同様の効果を得ることができる。

さらに、上記形態では、中空平板型の燃料電池セルを用いたセルスタック装置について説明したが、円筒型の燃料電池セルであっても上記と同様な効果を得ることができる。さらに、平板型の燃料電池セル、例えば、図７に示すような平板型の燃料電池セルを用いたセルスタック装置であっても、上記と同様な効果を得ることができる。

すなわち、図７のセルスタック装置は、円盤状の燃料電池セル２７が複数配列されてスタック２８が構成されており、円盤状の燃料電池セル２７の中央部には、スタック２８を貫通するようにマニホールド２９が設けられている。このマニホールド２９には、セル配列方向ｘの両側にガス供給管３１が設けられ、マニホールド２９のセル配列方向ｘの両側からガスが供給され、燃料電池セル２７に対して放射状にガスが供給されるように構成されている。このようなセルスタックであっても、マニホールド２９のセル配列方向ｘ両端部に位置する燃料電池セル２７に十分に燃料ガスを供給することができる。

また、マニホールド１１のセル配列方向ｘの両端面にガス供給管１５ａ、１５ｂをそれぞれ連結した例について説明したが、本発明は、マニホールド内のセル配列方向ｘの両側からガスを供給できるような構成であれば良い。例えば、マニホールド１１のセル配列方向ｘの両端部の側面にガス供給管をそれぞれ連結し、セル配列方向ｘの両側からガスが供給できるような構成とすることができる。

本発明のセルスタック装置の一例を示すもので、（ａ）はセルスタック装置を概略的に示す側面図、（ｂ）は、（ａ）の一部拡大断面図である。セルスタックを示す概略断面図である。マニホールドに仕切板を配置した本発明の参考例の形態を示す断面図である。マニホールドの仕切板に流通孔を形成した本発明の一例の形態を示す断面図である。セルスタック上方に改質器を配置したセルスタック装置を概略的に示す側面図である。マニホールドに二列のセルスタックを設けた断面図である。円盤状の燃料電池セルに本発明を適用した場合の側面図である。従来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を概略的に示す側面図、（ｂ）は（ａ）の一部拡大断面図である。

符号の説明

１、２８：セルスタック
２、２７：燃料電池セル
９：燃料ガス通路
１０：セルスタック装置
１１、２６、２９：マニホールド
１５ａ、３１ａ：第１ガス供給管
１５ｂ、３１ｂ：第２ガス供給管
１９ａ：第１マニホールド室
１９ｂ：第２マニホールド室
２１：仕切板
２３ａ、２３ｂ：流通孔
ｘ：セル配列方向

Claims

複数の燃料電池セルを少なくとも一列に配列してなるセルスタックと、該セルスタックを固定するマニホールドと、前記燃料電池セルの配列方向の両側から燃料電池の動作に必要な２種類のガスのうちの一方のガスを供給するために前記マニホールドに連結された一対のガス供給管とを具備してなり、前記複数の燃料電池セルは、前記ガス供給管により前記マニホールド内に供給されたガスが通過すガス通路をそれぞれ有しているとともに、前記マニホールドは、前記燃料電池セルの配列方向に延びる仕切板により第１および第２マニホールド室に分割されており、前記燃料電池セルは、前記ガス通路に前記第１および第２マニホールド室からガスが供給されるように、前記第１および第２マニホールド室に跨って配置され、前記第１マニホールド室に第１ガス供給管が接続し、前記第２マニホールド室に第２ガス供給管が接続しており、前記仕切板には、前記第１および第２マニホールド室を流通させる流通孔が形成されていることを特徴とするセルスタック装置。
請求項１に記載のセルスタック装置を収納容器に収納してなることを特徴とする燃料電池モジュール。