(57)【要約】【課題】多くのセルスタックを適切に支持する。【解決手段】複数のセルスタック５−１〜５−ｎを支持する管板２は、複数のセルスタック５−１〜５−ｎがそれぞれ貫通する複数の薄板孔２１−１〜２１−ｎが形成されている。管板２は、複数の薄板孔２１−１〜２１−ｎを形成する複数の薄板部分２２−１〜２２−ｎと、複数の薄板部分２２−１〜２２−ｎを囲むように配置され、複数の薄板部分２２−１〜２２−ｎの板厚より厚い厚板部分２３とから形成されている。このような管板２は、板厚が概ね均一に形成される他の管板に比較して、変形しにくい。このため、燃料電池モジュールは、管板２を用いて複数のセルスタック５−１〜５−ｎを支持することにより、複数のセルスタック５−１〜５−ｎを適切に支持することができ、より多くのセルスタックを適切に支持することができる。【選択図】図３
2015165454.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化性ガスとを電気化学的に反応させることにより発電する複数のセルスタックと、
前記複数のセルスタックを支持する管板とを備え、
前記管板は、
薄板部分と厚板部分とで構成され、
前記管板には前記複数のセルスタックが貫通する複数の薄板孔が形成され、
前記複数の薄板孔が前記薄板部分のみに形成され、
前記薄板部分の前記複数の薄板孔の周囲から所定の間隔で前記厚板部分の前記複数の厚板孔が構成され、
前記厚板部分の板厚は、前記複数の薄板部分の板厚より厚い燃料電池モジュール。
【請求項２】
前記管板は、薄板と厚板とが接合されることにより形成され、
前記複数の薄板部分は、前記薄板から形成され、
前記厚板部分は、前記薄板と前記厚板から形成される請求項１に記載される燃料電池モジュール。
【請求項３】
前記薄板を形成する材料は、前記厚板を形成する材料と熱膨張率の差が所定範囲内にあるとともに材質を異にする金属材料からなる請求項２に記載される燃料電池モジュール。
【請求項４】
請求項２〜請求項３のうちのいずれか一項に記載される燃料電池モジュールの製造方法であり、
拡散接合を用いて前記薄板と前記厚板とを接合することにより前記管板を作製し、
前記管板を用いて前記複数のセルスタックを支持する燃料電池モジュールの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池モジュールおよび燃料電池モジュールの製造方法関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、電気化学反応による発電方式を利用した発電装置であり、燃料側の電極である燃料極と、空気（酸化剤）側の電極である空気極と、これらの間にありイオンのみを通す電解質とにより構成されており、電解質の種類によって様々な形式が開発されている。このうち、例えば、固体酸化物形燃料電池（Ｓｏｌｉｄ  Ｏｘｉｄｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ：以下「ＳＯＦＣ」と呼ぶ）は、電解質としてジルコニアセラミックスなどのセラミックスが用いられ、都市ガス、天然ガス、石油、メタノール、石炭ガス化ガスなどを燃料として運転される燃料電池である。このＳＯＦＣは、イオン伝導率を高めるために作動温度が約７００〜１０００℃程度と高く、高効率な高温型燃料電池として知られている。
【０００３】
このようなＳＯＦＣにおいては、多孔性の基体管の表面に燃料電池セルが形成された円筒型の複数のセルスタックを備える固体酸化物形燃料電池が知られている。この複数のセルスタックは、板状の管板に形成された複数の孔にそれぞれ挿入されることにより、支持されている（特許文献１〜４参照。）。
【０００４】
図５は、上部管板の従来例を示している。従来例の上部管板１００は、薄板部分１０１と額縁１０２とから形成されている。薄板部分１０１は、板状であって、さらに、複数のセルスタックがそれぞれ挿入される複数の貫通孔１０３−１〜１０３−ｎが形成されている。額縁１０２は、薄板部分１０１の辺縁に形成されている。
【０００５】
額縁１０２は、図６に示されるように、板状部材１０４と板状部材１０５とが薄板部分１０１の辺縁を挟み、薄板部分１０１と溶接されることにより形成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第３７２７９０６号公報
【特許文献２】特許第４０４３４５７号公報
【特許文献３】特許第４８４８１７７号公報
【特許文献４】特許第４９０８７６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
固体酸化物形燃料電池においては、設備の容積及び設置面積の増加を招くことなく発電効率を向上させるために、発電室内により多くのセルスタックを集積することが望まれることから、さらに多くのセルスタックを支持するための強度確保が必要とされる。また、固体酸化物形燃料電池の構造において、燃料極側の燃料ガスと、空気極側の酸化剤（空気）を分離して供給し、かつ、メンテナンスに適した構造とする必要がある。
【０００８】
本発明は上記問題を解決するためになされたもので、発電室内に集積される複数のセルスタックを適切に支持する燃料電池モジュールおよび燃料電池モジュールの製造方法を提供することにある。
また、本発明の他の課題は、複数のセルスタックを強固に支持する燃料電池モジュールおよび燃料電池モジュールの製造方法を提供することにある。
さらに、本発明の他の課題は、複数のセルスタックを強固に支持すると共に気密性を確保した燃料電池モジュールおよび燃料電池モジュールの製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明による燃料電池モジュールは、燃料ガスと酸化性ガスとを電気化学的に反応させることにより発電する複数のセルスタックと、前記複数のセルスタックを支持する管板とを備え、前記管板は、薄板部分と、厚板部分とで構成され、前記管板には前記複数のセルスタックが貫通する複数の厚板孔が形成され、複数の薄板孔は前記薄板部分のみによって形成され、前記薄板部分の前記複数の薄板孔の周囲から所定の間隔で前記厚板部分の前記複数の厚板孔が構成され、前記複数の薄板孔を形成する前記薄板部分以外は前記厚板部分で構成され、前記厚板部分の板厚は、前記複数の薄板部分の板厚より厚い。
【００１０】
このような管板構造とすることで、従来の管板に比較して、強度が増し変形を抑制することができる。また、本発明の燃料電池モジュールによれば、セルスタックを貫通させる孔部のみを薄板とし、それ以外の部分を厚板とする構成とし、複数のセルスタックを支持することにより、従来の管板を用いて複数のセルスタックが支持される他の燃料電池モジュールに比較して、複数のセルスタックを適切に支持することができ、より多くのセルスタックを適切に支持することができる。
【００１１】
前記管板は、薄板と厚板とが接合されることにより形成することもできる。このとき、前記薄板部分は、前記薄板から形成されている。前記厚板部分は、前記薄板と前記厚板から形成されている。
【００１２】
このような管板とされることで、薄板部分を厚板から削り出す加工により形成する作業が不要となり、耐熱性と強度を有する管板を作製することができる。また、薄板部分においてセルスタックを貫通して支持する箇所においては、滑らかに曲がる曲面を有し、セルスタックを支持している。このような燃料電池モジュールは、耐熱性と強度を有する管板を用いることで、セルスタックの支持本数を増やし、面積当たりの出力を増加させることで、燃料電池モジュールのコンパクト化が実現できる。
【００１３】
前記薄板を形成する材料は、前記厚板を形成する材料と熱膨張率の差が所定範囲にあるとともに材質を異にする金属材料からなる。
【００１４】
このような管板は、薄板と厚板とが異なる材料から形成されることにより、薄板と厚板とが同一の１種の材料から形成される従来の管板に比較して、適切な属性（強度・曲げ剛性・耐熱性）を有するように形成することができる。
【００１５】
本発明による燃料電池モジュールの製造方法は、本発明による燃料電池モジュールを作製する方法であり、拡散接合を用いて前記薄板と前記厚板とを接合することにより前記管板を作製することを備えている。
【００１６】
このように作製された管板は、薄板と厚板とが拡散接合されることにより、薄板と厚板とが強固に接合され、適切に作製される。このような燃料電池モジュールの製造方法により作製された燃料電池モジュールは、薄板と厚板とが強固に接合されることにより、メンテナンスの際に再溶接等の熱処理を行っても、薄板と厚板とが剥離する不具合が発生しにくく、管板の着脱を容易に行なうことが可能となる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明による燃料電池モジュールおよび燃料電池モジュールの製造方法は、複数のセルスタックを強固に支持することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】燃料電池モジュールを示す断面図である。
【図２】管板を示す平面図である。
【図３】管板を示す断面図である。
【図４】管板の一部を示す斜視断面図である。
【図５】比較例の管板を示す平面図である。
【図６】比較例の管板を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明の実施形態として、燃料電池モジュールの構成を示す。その燃料電池モジュール１０は、図１に示されているように、上部蓋１−１と下部蓋１−２と上部管板２と下部管板３と複数のセルスタック５−１〜５−ｎ（ｎ＝２，３，４，…、ｎは２以上の自然数）とを備えている。燃料ガス供給室６は、上部蓋１−１と上部管板２により形成されている。燃料ガス排出室７は、下部蓋１−２と下部管板３により形成されている。燃料ガス供給室６と燃料ガス排出室７とで挟まれる発電室８は、複数のセルスタック５−１〜５−ｎの発電部分であって、酸化剤ガス供給口１４と酸化剤ガス排出口１５を備えている。
【００２０】
燃料ガス供給室６と燃料ガス排出室７は、発電室８に対して気密性を確保して形成されている。燃料ガスは、上部管板２と下部管板３に固定されている複数のセルスタック５−１〜５−ｎを介して燃料ガス供給室６から燃料ガス排出室７に流れている。複数のセルスタック５−１〜５−ｎは、上部管板２と下部管板３に対して、高い気密性（シール性）を確保して保持され、燃料ガスが発電室８に漏れないようにしている。同様に、発電室８に供給される酸化剤ガスが燃料ガス供給室６と燃料ガス排出室７に漏れることがないようにしている。つまり、燃料ガス供給室６と燃料ガス排出室７が発電室８に対して気密性を確保するように、複数のセルスタック５−１〜５−ｎが上部管板２と下部管板３に対して固定されている。
【００２１】
上部管板２は、板状に形成されている。上部管板２は、燃料ガス供給室６と発電室８とを隔てるように、発電室８の上部に配置されている。上部管板２は上部蓋１−１と周縁部で溶接等により気密に固定されている。下部管板３は、板状に形成されている。下部管板３は、燃料ガス排出室７と発電室８とを隔てるように、発電室８の下部に配置されている。下部管板３は下部蓋１−２と周縁部で溶接等により気密に固定されている。
【００２２】
複数のセルスタック５−１〜５−ｎは、それぞれ、円筒形の基体の表面に固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ；Ｓｏｌｉｄ  Ｏｘｉｄｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）の発電素子を有し、基体内部にガスの流路となる空間を有している。複数のセルスタック５−１〜５−ｎは、上部が燃料ガス供給室６に開放されるように配置され、かつ、下部が燃料ガス排出室７に開放されるように配置され、上部管板２と下部管板３とにより支持されている。
【００２３】
図２は、管板を示す平面図であって、ここでは上部管板２を例に説明する。上部管板２は、複数のセルスタック５−１〜５−ｎに対応する複数の薄板孔２１−１〜２１−ｎが形成されている。図３は、管板を示す断面図であって、ここでは上部管板２と複数のセルスタック５−１〜５−ｎが固定支持されている構造を例に説明する。複数のセルスタック５−１〜５−ｎのうちの任意のセルスタック５−ｉ（ｉ＝１，２，３，…，ｎ、ｎは２以上の自然数）は、図３に示されるように、複数の厚板孔３４−１〜３４−ｎ（ｎは２以上の自然数）および複数の薄板孔２１−１〜２１−ｎのうちのセルスタック５−ｉに対応する厚板孔３４−ｉおよび薄板孔２１−ｉに挿入されることにより、上部管板２に固定されている。
【００２４】
上部管板２は、薄板のみで構成される複数の薄板部分２２−１〜２２−ｎと薄板と厚板が接合している厚板部分２３とから形成されて、複数の薄板孔２１−１〜２１−ｎの周辺に複数の薄板部分２２−１〜２２−ｎが形成されている。複数の薄板部分２２−１〜２２−ｎは、板厚が０．５ｍｍであるように形成されている。
【００２５】
厚板部分２３は、上部管板２のうちの複数の薄板部分２２−１〜２２−ｎを除く領域に形成される。すなわち、複数の薄板部分２２−１〜２２−ｎのうちの２つの薄板部分を結ぶ線が必ず厚板部分２３に重なるように、形成されている。厚板部分２３は、板厚が３．０ｍｍであるように形成されている。
【００２６】
図２に示される上部管板２の一部分を拡大した構造は図４に示される。上部管板２は、薄板３１と厚板３２とから形成され、薄板３１は、例えばハステロイ（登録商標）に例示される高ニッケル鋼等の比較的強度が高い材料から形成され、板厚が０．５ｍｍである板から形成されている。薄板３１は、複数の薄板孔２１−１〜２１−ｎが形成されている。厚板３２は、薄板３１よりも比較的強度が低い材料（例えばＳＵＳ３０４等）から形成され、板厚が３．０ｍｍである板から形成されている。上部管板２は、拡散接合を用いて薄板３１と厚板３２とを接合することにより作製されている。厚板３２は、さらに、複数の厚板孔３４−１〜３４−ｎが形成されている。複数の厚板孔３４−１〜３４−ｎは、薄板孔２１−ｉの径より大きくなるように形成されている。薄板３１に形成されている複数の薄板孔２１−１〜２１−ｎは、厚板３２に形成されている複数の厚板孔３４−１〜３４−ｎの同心円上に重ねられている。このような厚板部分２３の存在により上部管板２の変形量は所定の許容範囲以内となり強固に複数のセルスタック５−１〜５−ｎを支持することが可能となる。
【００２７】
なお、複数の薄板部分２２−１〜２２−ｎの板厚は、０．５ｍｍ以外の板厚に置換することができる。複数の薄板部分２２−１〜２２−ｎの板厚としては、０．２ｍｍ〜０．７ｍｍに含まれる板厚が例示される。下限値は、水蒸気酸化腐食により板厚減肉限界から規定される。上限値は、嵌合組立時のセルの折損防止により規定される。さらに、厚板部分２３の板厚は、３．０ｍｍ以外の板厚に置換することができる。厚板部分２３の板厚としては、２ｍｍ〜５ｍｍに含まれる板厚が例示される。上下限値は、カートリッジ構造に必要とされる剛性を考慮して決定され、下限値は、現セル本数のカートリッジ剛性を保持するように規定され、上限値は、カートリッジサイズにて許容可能な剛性から規定される。
【００２８】
下部管板３は、上部管板２と同様に形成されている。すなわち、下部管板３は、複数のセルスタック５−１〜５−ｎに対応する複数の薄板孔が形成された板状に形成され、薄板孔の周辺は板厚が０．５ｍｍである薄板部分と、複数の薄板部分を除く領域に、板厚が３．０ｍｍである厚板部分を有するように構成が形成されている。
【００２９】
下部管板３も、上部管板２と同様にして、拡散接合を用いて薄板と厚板とを接合することにより作製することもできる。下部管板３は、薄板に形成された複数の薄板孔２１−１〜２１−ｎが、厚板に形成された複数の厚板孔３４−１〜３４−ｎと同心円上に位置するように重ねられ、薄板３１と厚板３２とを拡散接合を用いて作製される。燃料電池モジュール１０は、溶接により上部蓋１−１と下部蓋１−２とにそれぞれ接合された上部管板２と下部管板３とにより複数のセルスタック５−１〜５−ｎが支持されることにより作製される。
【００３０】
燃料電池は、燃料電池モジュール１０の燃料ガス供給口１１を介して燃料ガスを燃料ガス供給室６に供給し、酸化剤ガス供給口１４を介して酸化剤ガスを発電室８に供給する。燃料ガス供給室６に供給された燃料ガスは、複数のセルスタック５−１〜５−ｎの内部の流路を流れ、燃料ガス排出室７に供給され、燃料ガス排出口１２を介して燃料電池モジュール１０の外部に排気される。発電室８に供給された酸化剤ガスは、複数のセルスタック５−１〜５−ｎに形成された燃料電池セルの発電に使用された後、酸化剤ガス排出口１５を介して燃料電池モジュール１０の外部に排気される。
燃料ガス供給室６、燃料ガス排出室７と発電室８は、それぞれに流れるガスが交わらないように上部管板２または下部管板３を介して、気密性が保持されるように隣接して配置されている。
例えば、複数のセルスタック５−１〜５−ｎと複数の薄板部分２２−１〜２２−ｎの接触部分はシール構造を具備して気密性を保持している。
【００３１】
以下、シール構造の一例を示す。セルスタックと薄板との間に介設されるシール層と、シール層と薄板との間に介設される第１リングと、薄板の一部分であり第１リングと薄板との間に介設される第２リングとを備えている。シール層はセルスタック及び第１リングに対して接着性がある。第２リングはセルスタックの中心線方向に滑らかに曲がる曲面を有している。曲面は第１リングに対して圧力的に面接触又は線接触している。曲面は、薄板を曲げて形成されている。
【００３２】
複数のセルスタック５−１〜５−ｎは、セルスタックの内部に燃料ガスが流れ、発電室８に酸化剤ガスが流れることにより、燃料ガスと酸化性ガスとを電気化学的に反応させ、発電している。
【００３３】
本発明の管板によれば、上部管板２または下部管板３は、複数の薄板孔２１−１〜２１−ｎの間に板厚が厚い厚板部分２３が形成されていることにより、図５、６に示される従来例の上部管板１００に比較して、強度が高く、複数のセルスタック５−１〜５−ｎの支持本数を増やして集積化しても支持強度を維持することができる。このため、燃料電池モジュール１０を備える燃料電池は、セルスタックをより多く集積することにより、設置面積、設置体積に対する発電量を向上させることができ、コンパクト化を実現することができる。
【００３４】
また、燃料電池モジュール１０は、一部のセルスタックに異常が見つかった場合など、他のセルスタックと交換をすることがある。このとき、上部蓋１−１と上部管板２、下部蓋１−２と下部管板３との溶接部分を取り外し、さらに、セルスタックを交換した後、上部蓋１−１と上部管板２、下部蓋１−２と下部管板３は再度接合される。辺縁のみが溶接により接合されている従来例の上部管板１００では再溶接を複数回繰り返すと、辺縁の溶接により接合されている部分の剥離が発生しやすく補修が困難で、メンテナンス前の状態に戻すことができなかった。本発明では上部管板２と下部管板３は、薄板３１と厚板３２とが拡散接合されているため、上部蓋１−１、下部蓋１−２を取り外し、再度溶接を行うことを複数回繰り返した場合でも、溶接の熱による薄板３１と厚板３２との剥離が発生しにくい。このため、燃料電池モジュール１０は、辺縁のみが溶接により接合されている従来例の上部管板１００に比較して、メンテナンス後であってもメンテナンス前の状態に確実に戻すことが可能となる。
【００３５】
なお、上部管板２の厚板３２は、例えば薄板３１を形成する高ニッケル鋼から形成することもできる。この場合も、上部管板２は、厚板部分が形成されていることにより、複数のセルスタック５−１〜５−ｎを強固に上部蓋１−１に支持することができる。また、ＳＵＳ３０４等は、一般的に、高ニッケル鋼より安価に入手することができる。このため、燃料電池モジュール１０は、上部管板２の厚板３２が例えばＳＵＳ３０４から形成されることにより、厚板３２が高ニッケル鋼から形成される燃料電池モジュールに比較して、より低コストで作製することができる。
また、下部管板３も上部管板２と同様の構成とすることが可能であり、その場合においても複数のセルスタック５−１〜５−ｎを強固に下部蓋１−２に支持することができる。
【００３６】
なお、薄板３１と厚板３２とは、上部管板２が適切に複数のセルスタック５−１〜５−ｎを支持することができるときに、すなわち、上部管板２が所定の属性（強度・曲げ剛性・耐熱性、たとえば、５５０℃での降伏応力が２５０ＭＰａ以上、熱膨張係数が７〜１５×１０−６ｍｍ／ｍｍ程度）を有するように形成されるときに、ＳＵＳ３０４、高ニッケル鋼と異なる他の材料から形成されることもできる。この場合も、上部管板は、厚板部分が形成されていることにより、複数のセルスタック５−１〜５−ｎを強固に上部蓋１−１に支持することができる。
また、下部管板３も上部管板２と同様の構成とすることが可能であり、その場合においても複数のセルスタック５−１〜５−ｎを強固に下部蓋１−２に支持することができる。
【００３７】
なお、上部管板２および下部管板３は、溶接と異なる他の方法により形成される他の管板に置換されることもできる。その管板としては、切削により厚板部分と薄板部分とが形成されるものが例示される。このような管板も、厚板部分が形成されていることにより、複数のセルスタック５−１〜５−ｎを強固に上部蓋１−１と下部蓋１−２とに支持することができる。
【符号の説明】
【００３８】
１−１  ：上部蓋
１−２  ：下部蓋
２  ：上部管板
３  ：下部管板
５−１〜５−ｎ：複数のセルスタック
６  ：燃料ガス供給室
７  ：燃料ガス排出室
８  ：発電室
１０：燃料電池モジュール
１１：燃料ガス供給口
１２：燃料ガス排出口
１４：酸化剤ガス供給口
１５：酸化剤ガス排出口
２１−１〜２１−ｎ：複数の薄板孔
２２−１〜２２−ｎ：複数の薄板部分
２３：厚板部分
３１：薄板
３２：厚板
３４−１〜３４−ｎ：複数の厚板孔
【図１】
2015165454.tif 000003
【図２】
2015165454.tif 000004
【図３】
2015165454.tif 000005
【図４】
2015165454.tif 000006
【図５】
2015165454.tif 000007
【図６】
2015165454.tif 000008