JP2006269409A - 固体酸化物形燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】各発電セルに供給させるガス量を均等化し、電池出力の安定化と出力効率の向上を図る。
【解決手段】燃料電池スタック１内を貫通して積層方向に延設された反応ガス導入用のマニホールド１７を備え、当該マニホールド１７が連通するセパレータ８のガス通路１１を通して各発電セルに反応用ガスを供給するように構成した平板積層型燃料電池において、マニホールド１７とセパレータ８のガス通路１１とが、ガス流の絞り機構１９により積層方向において連通している。
【選択図】図４

Description

本発明は、内部マニホールド方式の平板積層型の固体酸化物形燃料電池における各発電セルへの反応用ガスの分配構造に関するものである。

近年、燃料の有する化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する燃料電池は、高効率でクリーンな発電装置として注目されている。特に、固体酸化物形燃料電池は、発電効率が高く、且つ、排熱を有効に利用できるなどの多くの利点を有することから、第三世代の発電用燃料電池として研究開発が進めらている。 この固体酸化物形燃料電池は、酸化物イオン導電体から成る固体電解質層を両側から空気極層（カソード）と燃料極層（アノード）で挟み込んだ積層構造を有し、発電時には、反応用ガスとして空気極層側に酸化剤ガス（酸素) が、また燃料極層側に燃料ガス (Ｈ₂、ＣＯ、ＣＨ₄等) が供給される。空気極層と燃料極層は、反応用ガスが固体電解質層との界面に到達することができるよう、何れも多孔質の層とされている。

発電セル内において、空気極層側に供給された酸素は、空気極層内の気孔を通って固体電解質層との界面近傍に到達し、この部分で空気極層から電子を受け取って酸化物イオン（Ｏ^2-）にイオン化される。この酸化物イオンは、燃料極層に向かって固体電解質層内を拡散移動する。燃料極層との界面近傍に到達した酸化物イオンは、この部分で、燃料ガスと反応して反応生成物（Ｈ₂Ｏ、ＣＯ₂等）を生じ、燃料極層に電子を放出する。電極反応で生じた電子は、別ルートの外部負荷にて起電力として取り出すことができる。

平板積層型の固体酸化物形燃料電池は、これら発電セルとセパレータを交互に多数積層してスタック化すると共に、その両端より積層方向に荷重を掛けてスタックの各構成要素を相互に圧接・密着させることにより構成されている。
上記セパレータは、発電セル間を電気的に接続すると同時に発電セルに対して反応用ガスを供給する機能を有し、内部に燃料ガスを燃料極層側に誘導する燃料ガス通路と酸化剤ガスを空気極層側に誘導する酸化剤ガス通路とを備えている。

外部反応用ガスをセパレータに供給するためのガス導入形態として、燃料電池スタックの外周に外部マニホールドを設け、多数の接続管を介して各セパレータに各ガスを供給する方式と、各セパレータの周縁部にガス孔を設け、このガス孔から各ガス通路を通して各発電セルの各電極面に燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給するようにした内部マニホールド方式（特許文献１参照）とが知られている。内部マニホールドでは、上下に積層されるセパレータのガス孔同士は、各セパレータ間に介在されたリング状の絶縁性ガスケット（スペーサ）によって連通されている。
特開平７−２０１３５３号公報

ところで、内部マニホールド方式の平板積層型燃料電池では、構造上、各反応用ガスは各マニホールドの一端側より導入され、各マニホールド内を積層方向に流通する過程で各セパレータのガス孔より各セパレータ内に分配・供給される形態を採る場合が多い。

ところが、係る形態では、各マニホールドにおいて、導入ガスの入口側（上流側）と奥側（下流側）とでは、ガス圧に差（マニホールドの長さ方向に対する圧力損失のバラツキ）が生じており、よって、入口側の圧力が高く、奥側の圧力が低下する傾向にある。このため、ガス流中で上流に位置する発電セルへのガス流入量が増大すると共に、反対に下流に位置する発電セルへのガス流入量が減少してしまう。
その結果、各発電セルの導入ガスの流量配分が不均一となり、ガス供給量の不足する下流側の発電セルにあっては電圧が低下し、スタック全体として電池性能の低下を来す結果となる。この現象は、スタックの積層数が増大するに伴って顕著になる。

本発明は、このような問題に鑑み成されたもので、燃料電池スタックの内部マニホールドより各発電セルに流れるガス量を均等化することにより、電池出力の安定化と出力効率の向上を図った固体酸化物形燃料電池を提供することを目的としている。

すなわち、請求項１に記載の本発明は、発電セルと反応用ガスの通路を備えたセパレータを交互に複数積層して燃料電池スタックを構成すると共に、前記燃料電池スタック内を貫通して積層方向に延設された反応ガス導入用のマニホールドを備え、当該マニホールドが連通するセパレータのガス通路を通して各発電セルに反応用ガスを供給するように構成した平板積層型燃料電池において、前記マニホールドと前記セパレータのガス通路とが、ガス流の絞り機構により連通していることを特徴としている。

また、請求項２に記載の本発明は、請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池において、前記ガス流の絞り機構が、前記セパレータを積層方向に貫通する貫通孔で構成されることを特徴としている。

また、請求項３に記載の本発明は、請求項１または請求項２の何れかに記載の固体酸化物形燃料電池において、前記貫通孔を前記ガス通路より細く形成したことを特徴としている。

また、請求項４に記載の本発明は、請求項１から請求項３までの何れかに記載の固体酸化物形燃料電池において、前記マニホールドの両側より前記反応用ガスを導入することを特徴としている。

本発明によれば、マニホールドとセパレータとをガス流の絞り機構（貫通孔）により連通させ、マニホールド内の圧力損失に比較してこのガス流の絞り機構における圧力損失を大きくし、下流部における圧力損失のバラ付きを低減したので、ガス流中において下流に位置する発電セルへのガス流入量の減少を回避し、スタック積層方向のどの発電セルに対しても均等に反応用ガスを分配することが可能となり、各発電セルの発電性能が均一化される。これにより、電池出力の安定化と出力効率の向上を図ることができる。
この場合、貫通孔はガス通路より細く形成しているので、セパレータの貫通孔とガス通路の連通部分で導入ガスの無駄な圧力損失は生じず、マニホールドより貫通孔に導入された反応用ガスが効率良くセパレータのガス通路に供給されるようになる。

また、本発明によれば、マニホールドの両側より反応用ガスを供給することにより、反応用ガスをマニホールドの一方側より供給する場合に比べ、マニホールドの下流部における圧力損失のバラ付きを軽減することことができ、これにより、より効率的な反応用ガスの等流配を実現することができる。

以下、図面に基づいて本発明の実施形態を説明する。
図１は本発明が適用された平板積層型の固体酸化物形燃料電池スタックの構成を示し、図２は本発明に係る単セルの構成を示し、図３、図５はセパレータのガス導入部分の構造を示し、図４、図６は燃料電池スタックにおけるマニホールドとセパレータのガス導入部分の構造を示している。

図１、図２に示すように、平板積層型の固体酸化物形燃料電池スタック１は、固体電解質層２の両面に燃料極層３と空気極層４を配した発電セル５と、燃料極層３の外側に配した燃料極集電体６と、空気極層４の外側に配した空気極集電体７と、各集電体６、７の外側に配したセパレータ８とで構成される単セル１０を多数積層してスタック化すると共に、上下両端より積層方向にボルト締め等により荷重を掛けてスタックの各構成要素を相互に圧接・密着させることにより構成されている。

単セル１０の構成要素の内、固体電解質層２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３はＮｉ、Ｃｏ等の金属あるいはＮｉ−ＹＳＺ、Ｃｏ−ＹＳＺ等のサーメットで構成され、空気極層４はＬａＭｎＯ₃、ＬａＣｏＯ₃等で構成され、燃料極集電体６はＮｉ基合金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７はＡｇ基合金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８はステンレス等で構成されている。

上記セパレータ８は、厚さ２〜３ｍｍのステンレス板で構成され、発電セル５間を電気的に接続すると共に、発電セル５に対して反応用ガスを供給する機能を有し、内部に燃料ガスをセパレータ８の縁部から導入してセパレータ８の燃料極集電体６に対向する面のほぼ中央部１１ａから吐出する燃料ガス通路１１と、酸化剤ガスをセパレータ８の縁部から導入してセパレータ８の空気極集電体７に対向する面のほぼ中央１２ａから吐出する酸化剤ガス通路１２を有している。

また、セパレータ８の左右縁部には、板厚方向に貫通する一対のガス孔１３、１４が設けてあり、一方のガス孔１３は燃料ガス通路１１に、他方のガス孔１４は酸化剤ガス通路１２に連通し、各々のガス孔１３、１４からこれらのガス通路１１、１２を通して各発電セル５の各電極面に燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給できるようになっている。尚、上下に積層されるセパレータ８のガス孔同士は、それぞれリング状の絶縁性ガスケット１５、１６にて連結されている。

各々のガスケット１５、１６がそれぞれセパレータ８の各ガス孔１３、１４を介して積層方向に連結される（スタック化される）ことにより、スタック内部を積層方向に延びる燃料ガス用の管状マニホールド１７と酸化剤ガス用の管状マニホールド１８が形成される。これらマニホールド１７、１８には外部から供給される燃料ガスと酸化剤ガスが流通し、各ガスが各セパレータ８のガス孔１３、１４より後述する絞り機構１９を介し、各ガス通路１１、１２を通して各発電セル５の各電極に分配・供給されるようになっている。
本実施形態では、図１に示すように、各マニホールド１７、１８の両側より燃料ガスおよび酸化剤ガス（空気）が供給されるように、スタック両端の端板８ａ、８ｂの側部に外部配管（図示せず）が接続されている。

また、セパレータ８には、図３、図４に示すように、ほぼ円形の各ガス孔１３の近傍において、ガス通路１１を板厚方向に貫通する貫通孔１９（ガス流の絞り機構）が設けられており、セパレータ８の内部において貫通孔１９とガス通路１１が連通されていることにより、燃料ガス用マニホールド１７とセパレータ８のガス通路１１とが、積層方向（貫通孔１９の上下両端側）において連通するようになっている。

この貫通孔１９の径は燃料ガス用マニホールド１７の径に比べて極めて小さく、例えば、マニホールド径の約１５φに対して０．８φ程度に設定されており、この絞り機構において圧力損失が生じ得るように構成されている。且つ、この貫通孔１９の径（０．８φ）は、例えば、流路断面が３×１．５ｍｍ程度の断面長方形の燃料ガス通路１１よりも小さく設定されており、貫通孔１９と燃料ガス通路１１の連通部分において、マニホールドからの導入ガスに無駄な圧力損失が生じないようになっている。
これにより、図４中の矢印で示すように、燃料ガス用マニホールド１７より貫通孔１９内に導入された燃料ガスは効率良くセパレータ８の燃料ガス通路１１に供給されるようになる。尚、貫通孔１９によるこのガス流の絞り機構の構造は、酸化剤ガス用マニホールド１８についても同様に適用可能である。

このように、ガス流の絞り機構による圧力損失を大きいものにして、下流部における各マニーホールド１７、１８内の圧力損失のバラ付きを軽減することにより、ガス流中で下流に位置する発電セル５へのガス流入量の減少（バラ付き）を回避し、スタック積層方向のどの発電セル５へも均等に反応用ガスを分配すること（等流配）が可能となり、各発電セルの発電性能が均一化される。これにより、電池出力の安定化と出力効率の向上を図ることができる。
因みに、本実施形態では、セパレータのガス孔とガス通路の間にガス流の絞り機構を設けない構造に比べ、下流側における圧力損失のバラ付きが１５％から５％と著しく低減している。

また、ガス流の絞り機構の別の実施例として、図５、図６に示すように、燃料ガス用マニホールド１７とセパレータ８の燃料ガス通路１１とを貫通孔１９により横方向（マニホールドと交差する方向）に連通させる構成としても良い。この場合も、上記実施例と同様、貫通孔１９の径は燃料ガス用マニホールド１７の径に比べて極めて小さく設定されて、この絞り機構において圧力損失が生じ得るように構成されていると共に、この貫通孔１９の径は燃料ガス通路１１よりも小さく設定されて、貫通孔１９と燃料ガス通路１１の連通部分において、マニホールドからの導入ガスに無駄な圧力損失が生じないようになっている。
尚、本構成のガス流の絞り機構の構造も上記同様、酸化剤ガス用マニホールド１８に適用可能であることは勿論である。

また、本実施形態では、マニホールドの両端より反応用ガスを供給することにより、反応用ガスをマニホールドの一方側より供給する場合に比べてマニホールド内の下流側における圧力損失のバラツキを軽減することができ、これにより、より効率的なガスの等流配を実現している。加えて、本実施形態では、図１に示すように、各マニホールドの両端部において、これとほぼ直交する横方向より外部反応用ガスを導入して導入ガスを入口部分で折流した後、マニホールドに沿って積層方向に流通させる形態を採っており、この入口部分における導入ガスの折流による整流効果もマニホールドによる等流配の実現に大きく貢献している。このような反応用ガスの供給形態はスタックの積層数が多いほど効果的である。

以上、本発明のガス流の絞り機構１９は、燃料ガス用マニホールド１７および酸化剤ガス用マニホールド１８の双方に適用可能であるが、燃料ガス供給側の等流配については、燃料電池の発電性能や効率に大きく影響することから、本発明は少なくとも燃料ガス供給側に適用されることが重要である。

本発明に係る平板積層型の固体酸化物形燃料電池スタックの構成を示す図。 本発明に係る単セルの構成を示す図。 セパレータのガス導入部分の構造を示す要部斜視図。 燃料電池スタックにおける燃料ガス用マニホールドとセパレータのガス導入部分の構造を示す要部縦断面図。 セパレータのガス導入部分の図３とは別の構造を示す要部斜視図。 燃料電池スタックにおける燃料ガス用マニホールドとセパレータのガス導入部分の図４とは別の構造を示す要部縦断面図。

符号の説明

1 燃料電池スタック
5 発電セル
8 セパレータ
１１、１２ ガス通路
１７、１８ マニホールド
１９ ガス流の絞り機構（貫通孔）

Claims (4)

1. 発電セルと反応用ガスの通路を備えたセパレータを交互に複数積層して燃料電池スタックを構成すると共に、前記燃料電池スタック内を貫通して積層方向に延設された反応ガス導入用のマニホールドを備え、当該マニホールドが連通するセパレータのガス通路を通して各発電セルに反応用ガスを供給するように構成した固体酸化物形燃料電池において、
   前記マニホールドと前記セパレータのガス通路とが、ガス流の絞り機構により連通していることを特徴とする固体酸化物形燃料電池。
2. 前記ガス流の絞り機構が、前記セパレータを積層方向に貫通する貫通孔で構成されることを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池。
3. 前記貫通孔を前記ガス通路より細く形成したことを特徴とする請求項１または請求項２の何れかに記載の固体酸化物形燃料電池。
4. 前記マニホールドの両側より前記反応用ガスを導入することを特徴とする請求項１から請求項３までの何れかに記載の固体酸化物形燃料電池。

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