JP6867209B2

JP6867209B2 - セルスタック装置、モジュールおよびモジュール収容装置

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Publication number: JP6867209B2
Application number: JP2017065415A
Authority: JP
Inventors: 謙介井村
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2017-03-29
Filing date: 2017-03-29
Publication date: 2021-04-28
Anticipated expiration: 2037-03-29
Also published as: JP2018170118A

Description

本発明は、セルスタック装置、モジュールおよびモジュール収容装置に関する。

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複数配列されてなるセルスタック装置が知られている。当該セルスタック装置においては、燃料ガス又は酸素含有ガスの一方がセルの内部に設けられたガス流路を流通し、燃料ガス又は酸素含有ガスの他方がセルの外部を流通する。セルの内部及びセルの外部を通り抜けた余剰の其々の反応ガスはセルスタック装置の上方で燃焼される。また、上述の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。）。

特開２０１３−１５７１９１号公報

しかし、従来のセルスタック装置においては、燃料ガスと酸素含有ガスとが混合しにくく、余剰の反応ガスの燃焼を安定して行うことができないおそれがあった。

それゆえ、本発明は、余剰の反応ガスを効率良く燃焼することができるセルスタック装置、それを備えるモジュールおよびモジュール収容装置を提供することにある。

本開示のセルスタック装置は、内部に長手方向に沿って第一反応ガスを流通させるための１つ又は複数のガス流路を有する柱状のセルと、複数個の該セルが配列されてなり、かつ該セルの間に第二反応ガスが流通するセルスタックと、前記セルの下端部を固定し、かつ前記セルの前記ガス流路に第一反応ガスを導入させるマニホールドと、を備え、前記ガス流路は上端に開口部を有しており、少なくとも一つの該開口部における開口面の法線方向が、隣接して配列された前記セルの方向に傾いており、１つ以上の前記セルは、前記開口部が、前記配列方向における一端側の第一方向に開口面の法線方向が傾いている第一開口部と、前記配列方向における他端側の第二方向に開口面の法線方向が傾いている第二開口部と、を有することを特徴とする。

また、本開示のモジュールは、上述のセルスタック装置を、収納容器内に収納してなることを特徴とする。

さらに、上述のモジュールと、該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。

本開示のセルスタック装置は、燃料ガスと酸素含有ガスとを効率よく混合させることができるため、効率良く余剰の反応ガスを燃焼することができる。ひいては、効率良く余剰の反応ガスを燃焼できるモジュール及びモジュール収容装置を提供することができる。

本実施形態のセルの一例を示すもので、（ａ）は横断面図、（ｂ）は空気極側から見た側面図であり、（ｃ）はインターコネクタ側から見た側面図である。（ａ）は本実施形態のセルスタック装置の一例を示す斜視図であり、（ｂ）は（ａ）の側面側の断面図である。セルスタック装置の側面側の拡大断面図である。他の実施形態におけるセルスタック装置の側面側の拡大断面図である。本実施形態のセルスタック装置の一例を備えるモジュールを示す外観斜視図である。本実施形態のモジュール収容装置の一例を概略的に示す分解斜視図である。

図１〜６を用いて、セル、セルスタック装置、モジュールおよびモジュール収容装置について説明する。

（セル）
以下において、セルスタックを構成するセルとして固体酸化物形の燃料電池セルの例を用いて説明する。

図１は、セルの実施形態の一例を示すもので、（ａ）は横断面図、（ｂ）は空気極側から見た側面図であり、（ｃ）はインターコネクタ側から見た側面図である。なお、この図面において、セル１の各構成の一部を拡大して示している。

図１に示す例において、セル１は中空平板型で、細長い板状である。図１（ｂ）に示すように、セル１の全体を側面から見た形状は、例えば、長さ方向Ｌの辺の長さが５〜５０ｃｍで、この長さ方向に直交する幅方向Ｗの長さが１〜１０ｃｍの長方形状である。このセル１の全体の厚さは１〜５ｍｍである。

図１に示すように、セル１は、導電性支持基板２（以下、支持基板２と略す場合がある）、素子部およびインターコネクタ６を有している。支持基板２は、一対の対向する平坦面ｎ１、ｎ２を有しており、柱状である。素子部は、支持基板２の一方の平坦面ｎ１上に設けられている。素子部は、燃料極３、固体電解質層４及び空気極５を有している。また、図１に示す例においては、セル１の他方の平坦面ｎ２上にはインターコネクタ６が設けられている。

また、図１（ｂ）に示す例のように、空気極５はセル１の下端まで延びていない。セル１の下端部では、固体電解質層４が表面に露出している。また、図１（ｃ）に示す例のでは、インターコネクタ６はセル１の下端まで延びているが、下端に設けられていなくてもよい。セル１の下端部では、インターコネクタ６および固体電解質層４が表面に露出している。

以下、セル１を構成する各構成部材について説明する。

支持基板２は、ガスが流れるガス流路２ａが内部にセル１の長手方向に沿って設けられている。図１においては６つのガス流路２ａが設けられた例を示しているが、ガス流路２ａが１つであってもよい。なお、ガス流路２ａを流れるガスを以下で第一反応ガスという場合がある。本実施形態においては、第一反応ガスは燃料ガスである。支持基板２としては、燃料ガスを燃料極３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６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。支持基板２は、例えば、鉄族金属成分と無機酸化物からなる。例えば、鉄族金属成分はＮｉおよび／またはＮｉＯであって、無機酸化物は特定の希土類元素酸化物である。なお、各ガス流路２ａの上端には開口部２ａ１が設けられている。

燃料極３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および／またはＮｉＯとから形成することができる。この希土類酸化物としては例えばＹ_２Ｏ_３等が用いられる。

固体電解質層４は、燃料極３、空気極５間の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。この希土類元素酸化物としては例えばＹ_２Ｏ_３等が用いられる。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。

空気極５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。例えば、ＡサイトにＳｒとＬａが共存する複合酸化物が好ましい。例としては、Ｌａ_ｘＳｒ_１−ｘＣｏ_ｙＦｅ_１−ｙＯ_３、Ｌａ_ｘＳｒ_１−ｘＭｎＯ_３、Ｌａ_ｘＳｒ_１−ｘＦｅＯ_３、Ｌａ_ｘＳｒ_１−ｘＣｏＯ_３等が挙げられる。なお、ｘは０＜ｘ＜１、ｙは０＜ｙ＜１である。空気極５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。

インターコネクタ６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）および酸素含有ガス（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６は支持基板２に形成されたガス流路２ａを流通する燃料ガス、および支持基板２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。

（セルスタック装置）
次に、上述したセルを用いた本実施形態に係るセルスタック装置について図２〜４を用いて説明する。

図２（ａ）は本実施形態のセルスタック装置の一例を示す斜視図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）の側面側の断面図である。図３は、セルスタック装置の側面側の拡大断面図である。図４は、他の実施形態におけるセルスタック装置の側面側の拡大断面図である。

セルスタック装置１０は、配列された複数個のセル１を有するセルスタック１８と、マニホールド７とを備える。

図２に示すように、マニホールド７は、支持体７ａと、ガスタンク７ｂとを備えている。

支持体７ａは、複数個のセル１の一端が挿入される一又は複数の挿入口１７を有している。複数個のセル１の一端と挿入口１７の内壁とは、シール材８で接合されている。

ガスタンク７ｂは、挿入口１７を介して複数個のセル１に反応ガスを供給するための開口部を有しており、開口部の周囲に凹溝７１が設けられている。支持体７ａの一端部は、ガスタンク７ｂの凹溝７１に充填された接合材７２によりガスタンク７ｂと接合されている。

図２に示す例においては、支持体７ａと、ガスタンク７ｂとで形成される内部空間に燃料ガスが貯留される。ガスタンク７ｂにはガス流通管１２が設けられており、後述する改質器１３で生成された燃料ガスが、このガス流通管１２を介してマニホールド７に供給され、その後マニホールド７よりセル１の内部のガス流路２ａに供給される。

各セル１はマニホールド７側からセル１の長手方向に沿ってそれぞれ突出し且つ複数のセル１がスタック状に整列するように、各セル１の長手方向の一端がシール材８で支持体７ａに固定されている。また、図２に示す例ではシール材８によってセル１の一端同士も接合されている。

図２に示す例においては、複数個のセル１が２列設けられており、各列がそれぞれ支持体７ａに固定されている。この場合、ガスタンク７ｂの上面には２つの貫通孔が設けられている。この貫通孔のそれぞれに、挿入孔１７を合わせるように各支持体７ａが設けられる。結果、１つのガスタンク７ｂと、２つの支持体７ａとで内部空間が形成される。

挿入孔１７の形状は、例えば、上面視で長円形状である。挿入孔１７は、例えば、セル１の配列方向において、２つの端部導電部材９ｂの間の距離よりも長ければよい。また、この挿入孔１７の幅は、例えば、セル１の幅方向Ｗの長さよりも長ければよい。

図２に示すように、挿入孔１７の内壁とセル１の外面との間、および、セル１同士の間に、隙間が存在している。

図２に示すように、挿入孔１７とセル１の一端との接合部において、固化されたシール材８が前記隙間に充填されている。これにより、挿入孔１７と複数個のセル１の一端とがそれぞれ接合・固定され、また、セル１の一端同士が接合されている。各セル１のガス流路２ａの一端は、マニホールド７の内部空間と連通している。

シール材８、接合材７２は、非晶質ガラス等でも構成されてもよいが、結晶化ガラスで構成されていてもよい。結晶化ガラスとしては、例えば、ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３系、ＳｉＯ_２−ＣａＯ系、ＭｇＯ−Ｂ_２Ｏ_３系が採用され得るが、ＳｉＯ_２−ＭｇＯ系のものがよい。

また、図２（ｂ）に示す例のように、隣接するセル１の間には、隣接するセル１の間（より詳細には、一方のセル１の燃料極３と他方のセル１の空気極５）を電気的に直列に接続するための導電部材９ａが介在している。なお、図２（ａ）では、導電部材９ａの図示を省略している。

また、図２（ｂ）に示す例のように、複数個のセル１の配列方向における最も外側に位置するセル１に、端部導電部材９ｂが接続されている。この端部導電部材９ｂは、セルスタック５の外側に突出する導電部１１を有している。導電部１１は、セル１の発電により生じた電気を集電して外部に引き出す機能を有する。なお、図２（ａ）では、端部導電部材９ｂの図示を省略している。

以上、説明した燃料電池のセルスタック装置１０を稼働させる際には、高温（例えば、６００〜８００℃）の燃料ガス（水素含有ガス）及び酸素含有ガス（空気）を流通させる。燃料ガスは、マニホールド７の内部空間へ導入され、その後、挿入孔１７を介して複数個のセル１のガス流路２ａにそれぞれ導入される。各ガス流路２ａを通過した燃料ガスは、その後、各ガス流路２ａの開口部２ａ１から外部に排出される。空気は、隣接するセル１間の隙間に沿って、セル１の長手方向に沿って流れる。なお、セル１間の隙間に沿って、セル１の外部に流れる酸素含有ガスを第二反応ガスという場合がある。さらに、セル１
の内部及びセル１の間から排出され、発電に使用されなかった余剰の其々の反応ガスは、セルスタック装置の上方で燃焼される。

ところで、従来のセルスタック装置においては、ガス流路の開口部から排出される第一反応ガスはセルの配列方向に向かって流れにくい構成のため、燃料ガスと酸素含有ガスとが混合しにくく、効率よく余剰の反応ガスの燃焼を行うことができないおそれがあった。

そこで、本実施形態のセルスタック装置１０においては、図３に示すように、少なくとも一つの開口部２ａ１における開口面の法線方向が、隣接して配列されたセル１の方向に傾いている。

この構成により、セル１のガス流路２ａから排出される第一反応ガスの一部を、第二反応ガスが流れるセル１間へと流すことが可能となる。また、同様にセル１間に流れる第二反応ガスの一部を、第一反応ガスが流れるセル１側へと流すことが可能となる。それゆえ、第一反応ガスと第二反応ガスとを効率良く混合できるため、効率良く余剰の反応ガスを燃焼することができる。

図４に示すように、開口部２ａ１は、配列方向ｘにおける一端側の第一方向に開口面の法線方向が傾いている第一開口部２ａ２と、配列方向ｘにおける他端側の第二方向に開口面の法線方向が傾いている第二開口部２ａ３と、を有していてもよい。

この構成により、セル１の配列方向ｘの両側へと第一反応ガスの一部を流すことができるため、より効率良く第一反応ガスと第二反応ガスとを混合でき、余剰の反応ガスをより効率良く燃焼させることができる。

「開口面」とは、開口部２ａ１の縁により囲まれた面であり、平面でもよく、曲面でもよい。

図４で示す実施形態においては、ガス流路２ａより排出される余剰の反応ガスを燃焼させるにあたり、着火部材３０がセルスタック装置１０の上方に設けられていてもよい。なお、着火部材３０としては、例えば着火ヒーターやバーナー等、適宜使用することができる。

また、図４で示すように、セル１の少なくとも１つの開口部２ａ１における開口面の法線方向は、着火部材３０側に傾いていてもよい。

この構成により、着火部材３０側おいて第一反応ガスと第二反応ガスとを効率良く混合させることができ、余剰の反応ガスへの着火が容易となる。

また、着火部材３０がセルの中央部に位置する場合には、着火部材３０の直下に存在するセル１の開口部２ａ１は第一開口部２ａ２と第二開口部２ａ３とを有していてもよい。

図５で示すように本実施形態におけるセルスタック装置１０は、セルスタック２の上方に、セル１に供給する燃料ガスを生成するための改質器１３がセルの配列方向ｘに延びて配置されていてもよい。図５に示す改質器１３においては、原燃料供給管１６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１３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１３ａ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１３ｂとを備えている。なお、水が気化する際の吸熱反応により気化部１３ａ近傍の温度は、改質部１３ｂ近傍の温度より低くなる。そして、改質器
１３で生成された燃料ガスは、ガス流通管１２を介してマニホールド７に供給され、マニホールド７よりセル１の内部に設けられたガス流路に供給される。

図５で示すような改質器１３を備えるセルスタック装置１０においては、気化部１３ａの直下に設けられた少なくとも１つのセル１のうちの少なくとも１つの開口部２ａ１における開口面の法線方向が、隣接して配列されたセル１の方向に傾いていてもよい。

この構成により、気化部１３ａの直下において第一反応ガスと第二反応ガスとを効率良く混合及び燃焼させることができるため、気化部１３ａを効率良く暖めることができる。すなわち、気化部１３ａ近傍と改質部１３ｂ近傍の温度の均一化を図れる。また、言い換えれば、気化部１３ａ近傍において余剰の反応ガスに点火された火が失火することを抑制することができる。

（モジュール）
次に、上述したセルスタック装置を用いた本発明の実施形態に係るモジュールについて図５を用いて説明する。図５は、本実施形態のセルスタック装置の一例を備えるモジュールを示す外観斜視図である。

図５に示すように、モジュール２０は、収納容器１４内に、セルスタック装置１０を収納してなる。セルスタック装置１０の上方には、セル１に供給する燃料ガスを生成するための改質器１３が配置されている。

また図５においては、収納容器１４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１０を後方に取り出した状態を示している。

また、上述の構成のモジュール２０においては、通常発電時においては、上記燃焼やセル１の発電に伴い、モジュール２０内の温度は５００〜１０００℃程度となる。

このようなモジュール２０においては、上述したように、ガスリークの発生を抑制したセルスタック装置１０を収納してなることにより、ガスリークの発生を抑制したモジュール２０とすることができる。

（モジュール収容装置）
図６は、外装ケース内に図５で示したモジュール２０と、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モジュール収容装置の一例を示す分解斜視図である。なお、図６においては一部構成を省略して示している。

図６に示すモジュール収容装置４０は、支柱４１と外装板４２から構成される外装ケース内を仕切板４３により上下に区画し、その上方側を上述したモジュール２０を収納するモジュール収納室４４とし、下方側のモジュール２０を動作させるための補機を収納する補機収納室４５として構成されている。なお、補機収納室４５に収納する補機を省略して示している。

また、仕切板４３には、補機収納室４５の空気をモジュール収納室４４側に流すための空気流通口４６が設けられており、モジュール収納室４４を構成する外装板４２の一部に、モジュール収納室４４内の空気を排気するための排気口４７が設けられている。

このようなモジュール収容装置４０においては、上述したように、ガスリークの発生を抑制したモジュール２０をモジュール収納室４４に収納し、モジュール２０を動作させるための補機を補機収納室４５に収納して構成されることにより、ガスリークの発生を抑制
したモジュール収容装置４０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。

また、上記実施形態のセルでは、燃料極と空気極とを入れ替えて、内側電極を空気極とし、外側電極を燃料極としてもよい。この場合、燃料ガスと空気とが入れ替えられたガスの流れが採用される。

また、支持基板は燃料極を兼ねるものとし、その表面に固体電解質層および空気極を順次積層してセルを構成してもよい。

また、支持体上に酸素極層、固体電解質層、燃料極層を有する発電素子部が複数形成された、いわゆる横縞型のセルスタックを複数組み合わせてなる横縞型バンドルにも適用することができる。さらに、一つのガス流路を有するいわゆる円筒型のセルスタックにも適用することができる。

１：セル
２ａ：ガス流路
２ａ１：開口部
７：マニホールド
１０：セルスタック装置
１３：改質器
１４：収納容器
１８：セルスタック
２０：モジュール
４０：モジュール収容装置

Claims

内部に長手方向に沿って第一反応ガスを流通させるための１つ又は複数のガス流路を有する柱状のセルと、
複数個の該セルが配列されてなり、かつ該セルの間に第二反応ガスが流通するセルスタックと、
前記セルの下端部を固定し、かつ前記セルの前記ガス流路に第一反応ガスを導入させるマニホールドと、を備え、
前記ガス流路は上端に開口部を有しており、
少なくとも一つの該開口部における開口面の法線方向が、隣接して配列された前記セルの方向に傾いており、
１つ以上の前記セルは、
前記開口部が、
前記配列方向における一端側の第一方向に開口面の法線方向が傾いている第一開口部と、
前記配列方向における他端側の第二方向に開口面の法線方向が傾いている第二開口部と、を有することを特徴とするセルスタック装置。
前記セルスタックの上方に設けられ、前記反応ガス流路から排出された余剰の反応ガスを燃焼させるための着火部材をさらに備え、
前記セルの少なくとも１つの前記開口部における開口面の法線方向は、前記着火部材側に傾いてい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。
前記セルスタックの上方に設けられ、かつ前記マニホールドと接続され、原燃料ガスと水とが供給されて改質反応により燃料ガスを生成するための改質器と、をさらに備え、
該改質器は、前記セルの配列方向に延びており、かつ
水蒸気を発生させる気化部と、
該気化部で発生した水蒸気を原燃料ガスと反応させて燃料ガスを生成する改質部と、を有し、
前記気化部の直下に設けられた少なくとも１つの前記セルのうちの少なくとも１つの前記開口部における開口面の法線方向が、隣接して配列された前記セルの方向に傾いていることを特徴とする請求項１又は２に記載のセルスタック装置。
請求項３に記載のセルスタック装置を、収納容器内に収納してなることを特徴とするモジュール。
請求項４に記載のモジュールと、該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モジュール収容装置。