(57)【要約】【課題】部品単位でなく組み立てた状態で輸送することができる燃料電池モジュールおよびその輸送方法を提供する。【解決手段】複数の発電セル７とセパレータ１０を縦方向に交互に積層して構成した燃料電池スタック３と、この燃料電池スタック３の上面に載置されて発電セルおよびセパレータの積層方向に加重を付与する錘２４と、燃料電池スタックを収容するハウジング２を備えた燃料電池モジュールにおいて、ハウジング内の錘２４の上方に支持板３０を固定し、この支持板３０と錘２４との間に、常温時においてスプリング機能を有し、かつ運転時におけるハウジング内の温度において上記スプリング機能を喪失するスプリング３１を介装した。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の発電セルとセパレータを縦方向に交互に積層して構成した燃料電池スタックと、この燃料電池スタックの上面に載置されて上記発電セルおよびセパレータの積層方向に加重を付与する錘と、上記燃料電池スタックを収容するハウジングを備えた燃料電池モジュールにおいて、
上記ハウジング内の錘の上方に支持板を固定し、この支持板と上記錘との間に、常温時においてスプリング機能を有し、かつ運転時における上記ハウジング内の温度において上記スプリング機能を喪失するスプリングを介装したことを特徴とする燃料電池モジュール。
【請求項２】
上記スプリングは、上記支持板と上記錘との間に複数配設されているとともに、各々の上記スプリングは、上記運転時の温度において酸化により上記スプリング機能を喪失する金属からなることを特徴とする特徴とする請求項１に記載の燃料電池モジュール。
【請求項３】
上記スプリングは、上記運転時の温度において溶融することにより上記スプリング機能を喪失する合成樹脂からな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。
【請求項４】
複数の発電セルとセパレータを交互に縦方向に積層して燃料電池スタックを組み立て、当該燃料電池スタックを、ハウジング内に収容するとともに上記燃料電池スタックの上面に上記発電セルおよびセパレータの積層方向に加重を付与する錘を載置し、さらに上記ハウジング内の上記錘の上方に固定された支持板と上記錘との間に、常温時においてスプリング機能を有し、かつ運転時における上記ハウジング内の温度において上記スプリング機能を喪失するスプリングを介装した状態で、上記燃料電池モジュールを輸送することを特徴とする燃料電池モジュールの輸送方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電セルとセパレータを交互に複数積層した構造の燃料電池モジュールに関し、特に、輸送時における燃料電池スタックの固定構造、および輸送方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、酸化物イオン導電体からなる固体電解質層を両側から空気極層と燃料極層で挟み込んだ構造の発電セルを、セパレータ、集電体等の導電部材を介して多数積層した高出力型の平板積層型燃料電池が知られている。
このような平板積層型の燃料電池では、安定した発電性能を確保するために、積層された発電セル、セパレータ、集電体等の構成要素相互において、優れた密着性（電気的接触性）が要求されている。
【０００３】
そこで、本発明者等は、先に下記特許文献１において、発電に必要なセル面圧を確保するため、燃料電池スタックの上面に錘を配し、その荷重によって各構成要素を積層方向に圧接させる平板積層型の燃料電池の加重構造を提案した。
【０００４】
図４〜図７は、上記燃料電池の加重構造が採用された本発明者等の開発に係る固体酸化物形燃料電池の燃料電池モジュール１を示すもので、この燃料電池モジュール１は、箱形の内缶体２ａとこの内缶体２ａを断熱材１８を介して覆う箱形の外缶体２ｂとで構成されるハウジング２内に、複数の燃料電池スタック３が配設されたものである。
【０００５】
ここで、燃料電池スタック３は、平面視おいて縦横２列に配置されているとともに、それぞれが底部を架台２０に支持された状態で縦方向に２段積み上げられ、合計８基が一体的に配置されることにより、高出力型の燃料電池モジュール１が構成されている。
そして、上下に並ぶ燃料電池スタック３の各架台２０は、縦方向に配設された支持部材１３により連結・固定されているとともに、下段部の架台２０が複数の支柱２６にて内缶体２ａの底部１５に固定されている。
【０００６】
各々の燃料電池スタック３は、図５〜図７に示すように、固体電解質層４の両面に燃料極層５および空気極層６を配した発電セル７と、燃料極層５の外側の燃料極集電体８と、空気極層６の外側の空気極集電体９と、各集電体８、９の外側のセパレータ１０とを順番に縦方向に多数積層した四角柱状の積層体であり、固体電解質層４はイットリアを添加した安定化ジルコニア（ＹＳＺ）等で構成され、燃料極層５はＮｉ等の金属、あるいはＮｉ−ＹＳＺ等のサーメットで構成され、空気極層６はＬａＭｎＯ3、ＬａＣｏＯ3等で構成され、燃料極集電体８はＮｉ等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成され、空気極集電体９はＡｇ等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成され、セパレータ１０はステンレス等で構成されている。
【０００７】
また、各燃料電池スタック３においては、セパレータ１０の外周部分が、上下端板２１ａ、２１ｂによりタイロッド２２にて上下より締め付けられて固定されている。そして、この燃料電池スタック３は、下端板２１ｂが架台２０に固定されることにより当該架台２０上に立設されている。
【０００８】
他方、各々のセパレータ１０は、中央部分がアーム部を介して上記外周部分に対して上下方向に相対変位可能に形成されており、この中央部分に上記発電セル７、燃料極集電体８および空気極集電体９が配置されている。そして、この中央部分に対応する上端板２１ａの中央には、丸孔２３が穿設されており、当該丸孔２３内に、円柱状の錘２４が載置されている。この結果、錘２４による荷重によって、燃料電池スタック３の構成要素が積層方向に圧接されることで、各発電セル７において発電に必要なセル面圧が確保されるようになっている。
【０００９】
なお、内缶体２ａ内には、燃料電池スタック３の他、外部から供給される燃料ガスや空気を予熱するための複数の熱交換機１１が燃料電池スタック３の上部近傍や周部近傍に配設されており、内部缶体２ａの天壁には、缶内の排ガスを排出するための排気口１４が設けられている。
【特許文献１】特開２００７−０７３３５９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ところで、上記燃料電池スタック３においては、錘２４が、その荷重によって発電性能を確保すべく、燃料電池スタック３の上面に拘束されない状態で単に載置されているために、振動等による各構成要素の横ずれ等を防止する構造とはなっていない。このため、組み立てた燃料電池スタック３の上面に錘２４を載置した状態で輸送すると、輸送時の振動等により集電体８、９、発電セル７に横ずれが生じたり、あるいは当該燃料電池スタック３から脱落したりする虞があった。
【００１１】
また、錘２４は、上方への変位も拘束されていないために、上記輸送時の振動等に起因する錘２４の上下方向への振動により、上記構成要素に衝撃が作用し、この結果最も機械的強度に劣る発電セル７に割れを生じる虞もあった。
【００１２】
そこで、上記錘２４に代えて、弾性力によって上記振動を吸収し得るスプリングを用い、当該スプリングによって燃料電池スタック３の上面から加重を作用させることも考えられるが、一般に上記スプリングは、高温になるほど弾性係数が小さくなる傾向にあるために、特に６００℃以上の高温度で運転を行うこの種の燃料電池にあっては、発電時に発電セル７と集電体８、９等の構成要素間に、所望の密着性が得られなくなるという問題点を生じてしまう。
【００１３】
このため、従来は、燃料電池モジュール１を設置場所に据え付ける場合には、燃料電池スタック３を部品単位で輸送し、上記設置場所において燃料電池に組み立てるようにしていた。このように、従来の輸送は、輸送先の設置場所において燃料電池の組み立てを行うという不合理な作業を伴うことから、個々の部品の搬送や上記設置場所における組み立ておよび据え付けに多大な時間を要し、極めて効率の悪いものであった。
【００１４】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたもので、部品単位でなく組み立てた状態で輸送することができる燃料電池モジュールおよびその輸送方法を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、複数の発電セルとセパレータを縦方向に交互に積層して構成した燃料電池スタックと、この燃料電池スタックの上面に載置されて上記発電セルおよびセパレータの積層方向に加重を付与する錘と、上記燃料電池スタックを収容するハウジングを備えた燃料電池モジュールにおいて、上記ハウジング内の錘の上方に支持板を固定し、この支持板と上記錘との間に、常温時においてスプリング機能を有し、かつ運転時における上記ハウジング内の温度において上記スプリング機能を喪失するスプリングを介装したことを特徴とするものである。
【００１６】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、上記スプリングが、上記支持板と上記錘との間に複数配設されているとともに、各々の上記スプリングが、上記運転時の温度において酸化により上記スプリング機能を喪失する金属からなることを特徴とするものである。
【００１７】
他方、請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、上記スプリングが、上記運転時の温度において溶融することにより上記スプリング機能を喪失する合成樹脂からなることを特徴とするものである。
【００１８】
さらに、請求項４に記載の発明は、燃料電池モジュールの輸送方法に係る発明であって、複数の発電セルとセパレータを交互に縦方向に積層して燃料電池スタックを組み立て、当該燃料電池スタックを、ハウジング内に収容するとともに上記燃料電池スタックの上面に上記発電セルおよびセパレータの積層方向に加重を付与する錘を載置し、さらに上記ハウジング内の錘の上方に固定された支持板と上記錘との間に、常温時においてスプリング機能を有し、かつ運転時における上記ハウジング内の温度において上記スプリング機能を喪失するスプリングを介装した状態で、上記燃料電池モジュールを輸送することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１９】
請求項１〜３に記載の発明または請求項４に記載の発明によれば、ハウジング内に固定した支持板と、燃料電池スタックの上面に載置された錘との間に、常温時においてスプリング機能を有し、かつ運転時における上記ハウジング内の温度において上記スプリング機能を喪失するスプリングを介装しているために、運転前の常温時においては、当該スプリングによって、燃料電池スタックを構成する発電セルやセパレータの密着度を高めることができる。
【００２０】
これにより、上記ハウジング内に上記燃料電池スタックを組み込んだ状態で搬送しても、水平方向の振動等によって燃料電池スタックの上記構成要素に横ずれが生じたり、あるいは脱落したりすることを防止することができる。なお、常温時においては、上記発電セルに運転時よりも大きな圧縮荷重を加えても、割れを生じる虞はない。
【００２１】
また、搬送中にハウジングに上下方向の振動が生じた場合にも、錘の上下動を上記スプリングによって吸収することができ、よって上記燃料電池スタックの構成要素に衝撃が加わって、発電セルが破損する等の虞もない。
この結果、従来のように、燃料電池を部品単位で輸送する必要が無いために、予め組み立てた状態で安全に輸送することができ、よって組み立て、搬送および据え付け作業の合理化を図ることが可能になる。
【００２２】
しかも、上記スプリングは、運転時におけるハウジング内の温度において、上記スプリング機能を喪失するために、運転中においては、燃料電池スタックには従来と同様に錘のみの加重が作用することになる。このため、運転時に上記燃料電池スタックに作用する加重が変化して発電動作を阻害する虞がなく、よって据え付け時に、ハウジングを開けて内部に組み込まれている上記スプリングを取り外す必要がなく、搬送されたままの状態で据え付けて運転を開始することができる。
【００２３】
ここで、固体電解質層としてジルコニア系セラミックスを用いる固体酸化物形の燃料電池の運転温度は、一般に６００℃〜１０００℃の範囲であることが知られている。このため、上記スプリングとしては、常温時においてスプリング機能を有するものの、当該燃料電池の運転時におけるハウジング内の温度においてスプリング機能を喪失するものを用いる必要がある。
【００２４】
このようなスプリングの素材としては、上記条件を満たす金属や合成樹脂を用いることができる。さらに、上記金属としては、鉄が好適である。
また、上記スプリングの素材として金属を用いた場合に、上記運転時の温度によってスプリング機能を喪失する要因としては、高温時における弾性係数の低下によるもの、および上記高温時に酸化されて金属組成が変移することによるものが挙げられる。
【００２５】
そこで、請求項２に記載の発明のように、金属製のスプリングを、支持板と錘との間に複数配設するとともに、各々のスプリングの径を小さくして上記運転温度において酸化により上記スプリング機能を喪失するようにすれば、確実に運転時において上記スプリングから燃料電池スタックに作用する荷重をゼロにすることができる。
【００２６】
また、請求項３に記載の発明のように、上記スプリングとして、上記運転温度において溶融することにより上記スプリング機能を喪失する合成樹脂によって構成しても、同様の作用効果を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
図１および図２は、本発明に係る燃料電池モジュールの一実施形態における１組の燃料電池スタックの取付部分を示すものである。なお、上記燃料電池スタック自体の構成および当該燃料電池スタックが組み込まれている燃料電池モジュール全体の構成については、図４に示したものと同一であるために、同一符号を付してその説明を簡略化する。
図１および図２において、この燃料電池スタック３は、図４に示した上下２段の燃料電池スタックのうちの上段のものである。
【００２８】
この燃料電池スタック３も、図７に示したものと同様に、固体電解質層４の両面に燃料極層５および空気極層６を配した発電セル７と、燃料極層５の外側の燃料極集電体８と、空気極層６の外側の空気極集電体９と、各集電体８、９の外側のセパレータ１０とを順番に縦方向に多数積層した外観略四角柱状に形成されている。
【００２９】
そして、この燃料電池スタック３の上面の中央部分に、下方に積層されている上記発電セル７、燃料極集電体８および空気極集電体９に所定の加重を付与するための錘２４が載置されており、この錘２４による荷重によって、燃料電池スタック３の構成要素が積層方向に圧接されることで、各発電セル７において発電時に必要なセル面圧が確保されるようになっている。
【００３０】
また、燃料電池スタック３においても、セパレータ１０の外周部分と上記錘２４が載置されている中央部分とが、アーム部を介して相対的に上下方向に相対変位可能に形成されている。そして、この燃料電池スタック３の下面には、下端板２１ｂが配設されるとともに、当該燃料電池スタック３の上方に、上端板（支持板）３０が配置されており、上記外周部分が、上下端板３０、２１ｂによりタイロッド２２を介して積層方向に締め付けられることにより固定されている。
【００３１】
そしてさらに、上端板３０の下面と錘２４の上面との間には、複数本（図では８本）のスプリング３１が幾分圧縮された状態で介装されている。ここで、スプリング３１は、鉄製のものであって、この燃料電池モジュールの運転時におけるハウジング２内の高温雰囲気下において、内部まで酸化されることによりスプリング機能を喪失する外径寸法に形成されている。また、これらスプリング３１は、錘２４の外周に沿って等間隔をおいた位置に配置されている。なお、図４に示した下段の燃料電池スタック３については、上方の架台２０を支持板として、当該架台２０と錘２４との間に上記スプリング３１を介装してもよい。
【００３２】
上記構成からなる燃料電池モジュールによれば、ハウジング２内に固定した上端板３０あるいは架台２０と、燃料電池スタック２の上面に載置された錘２４との間に、常温時においてスプリング機能を有し、かつ運転時におけるハウジング２内の温度において酸化されることによりスプリング機能を喪失する複数本のスプリング３１を介装しているために、運転前の常温時においては、これらスプリング３１の弾性によって、燃料電池スタック３を構成する発電セル７やセパレータ１０の密着度を高めることができる。
【００３３】
これにより、ハウジング２内に燃料電池スタック３を組み込んで燃料電池モジュールを完成させ、そのままの状態で搬送した場合においても、水平方向の振動等によって燃料電池スタック３の上記構成要素に横ずれが生じたり、あるいは脱落したりすることを防止することができる。
【００３４】
また、上記搬送中に、ハウジング２に上下方向の振動が生じた場合にも、錘２４の上下動をスプリング３１の弾性によって吸収することができる。このため、燃料電池スタック３の上記構成要素に衝撃が加わって、最も脆性が大きい発電セル７に破損が生じる等の虞もない。
この結果、従来のように、燃料電池を部品単位で輸送する必要が無いために、組み立てた状態で安全に輸送することができ、よって組み立て、搬送および据え付け作業の合理化を図ることができる。
【００３５】
しかも、スプリング３１は、運転時におけるハウジング内の温度において酸化され、上記スプリング機能を喪失するために、運転中においては、燃料電池スタック３には従来と同様に錘２４のみの加重が安定的に作用することになる。このため、運転時に燃料電池スタック３に作用する加重が変化して発電動作を阻害する虞がなく、よって据え付け時には、ハウジング２を開けて内部に組み込まれているスプリング３１を取り外す必要がないために、搬送されたままの状態で据え付けて運転を開始することができる。
【００３６】
なお、上記実施の形態においては、上端板３０または上方の架台２０と錘２４との間に、鉄製のスプリング３１を複数本（本実施形態においては８本）介装した場合についてのみ説明したが、これに限定されるものではなく、例えば図３に示すように、上端板３０または上方の架台２０の中央と錘２４の中央との間に、１本のスプリング３２を介装することもできる。
【００３７】
ここで、上記スプリング３２は、鉄等の金属によって構成することもできるが、上記運転時の温度において溶融することにより上記スプリング機能を喪失する合成樹脂によって構成しても、同様の作用効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明に係る固体酸化物形燃料電池モジュールの一実施形態における要部を示す正面図である。
【図２】図１の平面図である。
【図３】本発明の他の実施形態を示す要部の正面図である。
【図４】本発明者等が開発した燃料電池モジュールの全体を示す縦断面図である。
【図５】図４の燃料電池スタックの取付部分を示す正面図である。
【図６】図５の平面図である。
【図７】図４の燃料電池スタックの構成要素を示す縦断面した概略構成図である。
【符号の説明】
【００３９】
１  燃料電池モジュール
２  ハウジング
３  燃料電池スタック
７  発電セル
１０  セパレータ
２０  架台（支持板）
３０  上端板（支持板）
３１、３２  スプリング
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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