JPWO2011148769A1 - 固体酸化物形燃料電池 - Google Patents
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Abstract
Description
このSOFCでは、発電単位として、例えば固体酸化物層の一方の側に燃料ガスに接する燃料極を設けるとともに、他方の側に酸化剤ガス(空気)と接する酸化剤極(空気極)を設けた発電セル(燃料電池セル)が使用されている。更に、所望の電圧を得るために、インターコネクタを介して複数の燃料電池セルを積層したスタック(燃料電池スタック)が開発されている。
また、上述した燃料電池スタックにおいては、発電に使用される燃料ガスや空気は、燃料電池セルの積層方向と直交する横方向から供給されて、燃料極や空気極の表面に沿って流れ、その後、使用に供された燃料ガスや空気は、同様に横方向から排出される構成となっている。
つまり、従来セパレータに接していた金属フレームに代えて、上述したガスシール部を配置することができる。
(4)本発明では、第4態様として、第3ガス流路は分岐点Aにて第1ガス流路から分岐する構成であって、第1ガス流路の分岐点Aより下流側における圧損指数(ΔPA1)が、第3ガス流路の分岐点Aより下流側における圧損指数(ΔPA3)より小さいように構成できる。
圧損指数=(流路の長さ/流路の円相当径)×(流速)2・・・・(1)
また、流速[m/s]は、流量[L/min]/(1000×60×流路断面積[m2])で表されるので、厚損指数は、下記式(2)で表現することができる。
×(流量[L/min]/(1000×60×流路断面積[m2])2・・(2)
なお、この圧損指数は、下記の周知のファニングの式(3)において、λ、γを係数とすることにより得られるものである。なお、下記配管は流路を示している。
但し、ΔP:圧力損失 [Pa]
λ :管摩擦係数
L :配管長さ [m]
D :配管径 [m]
γ :管内ガス密度[kg/m3]
V :管内流速 [m/s]
(5)本発明では、第5態様として、第2ガス流路は分岐点Bにて第3ガス流路から分岐する構成であって、第3ガス流路の前記分岐点Bより下流側における圧損指数(ΔPB3)が、第2ガス流路の分岐点Bより下流側における圧損指数(ΔPB2)より小さいように構成できる。
これにより、空気極側におけるショートを有効に防止できる。
(8)本発明では、第8態様として、絶縁部材の材料として、マイカ又はバーミキュライトを用いることができる。
(10)本発明では、第10態様として、ガスシール部として、第1ガス流路及び第2ガス流路、又は第3ガス流路が、プレス加工又はレーザ加工によって形成されたものを用いることができる。
つまり、従来セパレータに接していた金属フレームに代えて、上述したガスシール部を配置することができる。
(14)本発明では、第14態様として、ガスシール部の厚み方向の両側の少なくとも一方において、少なくとも第2ガス流路に対応する箇所に、絶縁部材を配置することができる。
これにより、空気極側におけるショートを有効に防止できる。
(17)本発明では、第17態様として、ガスシール部として、第1ガス流路及び第2ガス流路が、プレス加工又はレーザ加工によって形成されたものを用いることができる。
3、201、301、413、511…燃料電池セル
5…燃料電池スタック
33、205、305…燃料極
35、207、307…固体酸化物体
37、209、309…空気極
43、215、315、401、501、502…インターコネクタ
45、51、217、223、317、323…ガスシール部
47、219、319、407、505…セパレータ
49、221、321、409、507…燃料極フレーム
61、62、63、64、65、66、67、68、231、232、234、235、236、237、238、331332、333、334、335、336、337、338…挿通孔
71、72、73、74、81、82、83、84、91、92、93、94、101、102、103、104、251、252、253、254、261、262、263、264、341、342…貫通孔
77、105、241、267、345…切り欠き
325…絶縁フレーム
図1及び図2に示す様に、固体酸化物形燃料電池1は、燃料ガス(例えば水素)と酸化剤ガス(例えば空気)との供給を受けて発電を行う装置である。
・図3に分解して示す様に、前記燃料電池セル3は、いわゆる燃料極支持膜形タイプの板状の燃料電池セルであり、燃料ガス流路31側には、板状の燃料極(アノード)33が配置されるとともに、燃料極33の図3上側の表面には薄膜の固体電解質体(固体酸化物体)35が形成される。その固体酸化物体35の空気流路39側の表面には、薄膜の空気極(カソード)37が形成されている。なお、燃料極33と固体酸化物体35と空気極37とをセル本体41と称する。
・以下に、燃料電池セル3を構成する各部材について、更に詳細に説明する。なお、燃料電池セル3の平面形状は正方形であるので、燃料電池セル3を構成する各部材の平面形状も正方形である。
前記図1に示す様に、ボルト11〜18及びナット19は、燃料電池スタック5を分離可能に一体に結束して固定するための連結部材である。
<空気の流路>
前記空気導入管23から燃料電池スタック5内に導入された空気は、図6Aに空気極37側から内部を見た状態を示す様に、第4ボルト14が挿通される第4挿通孔64(第1ガス流路)を介して、各部材の長方形の第2貫通孔72、82、92、102によって構成される空間111(第1ガス流路)に導入される。
その後、燃料電池セル3内にて発電に寄与した残余の空気は、同図左側の細径の切り欠き77(第2ガス流路)を介して、各部材の長方形の第4貫通孔74、84、94、104によって構成される空間113(第1ガス流路)に排出される。
前記燃料ガス導入管21から燃料電池スタック5内に導入された燃料ガスは、図6Bに燃料極33側から内部を見た状態を示す様に、第2ボルト12が挿通される第2挿通孔62(第1ガス流路)を介して、各部材の長方形の第1貫通孔71、81、91、101によって構成される空間115(第1ガス流路)に導入される。
その後、燃料電池セル3内にて発電に寄与した残余の燃料ガスは、同図下側の細径の切り欠き105(第2ガス流路)を介して、各部材の長方形の第3貫通孔73、83、93、103によって構成される空間117(第1ガス流路)に排出される。
本実施例では、ガスシール部45、51に、第1ガス流路及び第2ガス流路が形成されている。これによって、従来必要であった空気極37側の(流路形成のための数段分の)金属フレームを省略することが可能である。また、インターコネクタ43にも第2ガス流路となる複雑な流路を形成する必要性が無くなるので、インターコネクタ43の厚みを薄くすることができる。
本実施例は、ガスシール部に第1ガス流路及び第2ガス流路を設けるとともに、セパレータ及び燃料極フレームに第1ガス流路と第2ガス流路とを連通する第3ガス流路を設けたものである。
図7に示す様に、本実施例の固体酸化物形燃料電池を構成する燃料電池セル201は、前記実施例1と同様に、燃料ガス流路203側に燃料極205が配置されるとともに、燃料極205の図7上側の表面に固体酸化物体207が形成され、固体酸化物体207の空気流路213側の表面に空気極209が形成されている。なお、燃料極205と固体酸化物体207と空気極209とをセル本体211と称する。
この切り欠き241は、ガスシール部217を板厚方向に貫通するように形成されているとともに、左右の辺の中点を結ぶ線を中心とする線対称に形成されている。また、切り欠き241は、開口部239から左右方向の外側に伸びているが、その先端は、(後述する第3ガス流路を構成する)セパレータ219の左右の第2、第4貫通孔252、254と重なる位置まで形成されている。
なお、前記切り欠き267は、開口部265から外側に伸びているが、その先端は、(第3ガス流路を構成する)前記燃料極フレーム221の上下の第1、第3貫通孔261、263と重なる位置まで形成されている。
<空気の流路>
図9Aに空気極209側から内部を見た状態を示す様に示す様に、外部から固体酸化物形燃料電池内に導入された空気は、第4挿通孔234(第1ガス流路)を介して、セパレータ219の第2貫通孔252(第3ガス流路)に導入される。
その後、燃料電池セル201内にて発電に寄与した残余の空気は、同図左側の細径の切り欠き241(第2ガス流路)を介して、セパレータ219の第4貫通孔254(第3ガス流路)に排出される。
<燃料ガスの流路>
図9Bに燃料極205側から内部を見た状態を示す様に、外部から固体酸化物形燃料電池内に導入された燃料ガスは、第2挿通孔232(第1ガス流路)を介して、燃料極フレーム221の第1貫通孔261(第3ガス流路)に導入される。
その後、燃料電池セル201内にて発電に寄与した残余の燃料ガスは、同図下側の細径の切り欠き267(第2ガス流路)を介して、燃料極フレーム221の第3貫通孔263(第3ガス流路)に排出される。
c)次に、第1〜第3ガス流路における圧力の関係について説明する。
・図10に模式的に示す様に、本実施例では、固体酸化物形燃料電池の積層方向において、第3ガス流路は分岐点Aにて第1ガス流路から分岐する構成であり、第1ガス流路の分岐点Aより下流側における圧損指数(ΔPA1)が、第3ガス流路の分岐点Aより下流側における圧損指数(ΔPA3)より小さくなるように設定されている。
前記図10に示す様に、ガスの流量が第1ガス流路の末端部とその末端部に一番近い第3ガス流路に、1:1の割合で流れるケースを考える。
第3ガス流路の長さ(配管長) 30mm
第3ガス流路の断面積 30mm2
第3ガス流路の円相当径 0.003090m
第3ガス流路の流量 3.33L/min
従って、前記式(2)より、圧損指数(ΔPA3)は、33.2となる。
第1ガス流路の断面積 120mm2
第1ガス流路の円相当径 0.01236m
第1ガス流路の流量 3.33L/min
従って、前記式(2)より、圧損指数(ΔPA1)は、0.069となる。
・また、図11に模式的に示す様に、本実施例では、前記積層方向と垂直の平面方向において、第2ガス流路は分岐点Bにて第3ガス流路から分岐する構成であり、第3ガス流路の分岐点Bより下流側における圧損指数(ΔPB3)が、第2ガス流路の分岐点Bより下流側における圧損指数(ΔPB2)より小さくなるように設定されている。
前記図11に示す様に、ガスの流量が第3ガス流路の末端部とその末端部に一番近い第2ガス流路に、1:1の割合で流れるケースを考える。
第2ガス流路の長さ(配管長) 20mm
第2ガス流路の断面積 2.5mm2
第2ガス流路の円相当径 0.001784m
第2ガス流路の流量 1.67L/min
従って、前記式(2)より、圧損指数(ΔPA2)は、1390となる。
第3ガス流路の断面積 15mm2
第3ガス流路の円相当径 0.004370m
第3ガス流路の流量 1.67L/min
従って、前記式(2)より、圧損指数(ΔPA3)は、14.18となる。
d)本実施例では、ガスシール部217、223に、第1ガス流路及び第2ガス流路が形成されるとともに、ガスシール部217、223に隣接するセパレータ219及び燃料極フレーム221に、第1ガス流路と第2ガス流路とを連通する第3ガス流路が形成されている。つまり、ガスシール部217、223においては、第1ガス流路と第1ガス流路とが連通しないように構成されている。本実施例によっても、前記実施例1と同様な効果を奏する。
本実施例は、ガスシール部に第1ガス流路及び第2ガス流路を設けるとともに、セパレータ及び燃料極フレームに第1ガス流路と第2ガス流路とを連通する第3ガス流路を設け、更に、ガスシール部に隣接して絶縁部材を配置したものである。
図12に示す様に、本実施例の固体酸化物形燃料電池を構成する燃料電池セル301は、前記実施例2と同様に、燃料ガス流路303側に燃料極305が配置されるとともに、燃料極305の図12上側の表面に固体酸化物体307が形成され、固体酸化物体307の空気流路313側の表面に空気極309が形成されている。なお、燃料極305と固体酸化物体307と空気極309とをセル本体311と称する。
[実験例]
次に、本発明の効果を確認するために行った実験例について説明する。
(1)比較例1
図14に示す様に、フェライト系ステンレスからなる厚み0.3〜2.0mmのインターコネクタ401、マイカからなる厚み0.2〜1.0mmのガスシール部(但し第2ガス流路はない)403、フェライト系ステンレスからなる厚み0.3〜1.5mmの第2ガス流路が形成された空気極フレーム405、フェライト系ステンレスからなる厚み0.02〜0.30mmのセパレータ407、フェライト系ステンレスからなる厚み1.0〜3.0mmの第2ガス流路が形成された燃料極フレーム409、マイカからなる厚み0.2〜1.0mmのガスシール部(但し第2ガス流路はない)411等を備えた燃料電池セル413を18段用いて、比較例1の固体酸化物形燃料電池を作製した。
この比較例1では、空気極フレーム405が増えた分、スタック厚みが増加し、発電時におけるスタック中央と側端部との温度分布差が、実施例1に比べて大きくなった。
また、スタックの起動開始から定格温度に達するまでの時間も、実施例1に比べて増加した。
(2)比較例2
図16に示す様に、フェライト系ステンレスからなる厚み0.8〜2.5mmのインターコネクタ501、502、マイカからなる厚み0.2〜1.0mmのガスシール部(但し第2ガス流路はない)503、フェライト系ステンレスからなる厚み0.02〜0.30mmのセパレータ505、フェライト系ステンレスからなる厚み0.5〜2.0mmの燃料極フレーム507、マイカからなる厚み0.2〜1.0mmのガスシール部(但し第2ガス流路はない)509等を備えた燃料電池セル511を18段用いて、比較例2の固体酸化物形燃料電池を作製した。
この比較例2では、インターコネクタ501、502に流路を形成しなければならないため、インターコネクタ501、502の厚みが増えた分、スタック厚みが増加し、発電時におけるスタック中央と側端部との温度分布差が、実施例1に比べて大きくなった。
また、スタックの起動開始から定格温度に達するまでの時間も、実施例1に比べて増加した。
以上、本発明の実施例について説明したが、本発明は、前記実施例に限定されるものではなく、種々の態様を採ることができる。
Claims (17)
- 酸化剤ガスに接する空気極側と燃料ガスに接する燃料極側とをセパレータで分離した板状の発電セルを、インターコネクタを介して積層した燃料電池スタックを備えるとともに、前記酸化剤ガスと燃料ガスとをそれぞれ前記積層方向に流す積層ガス流路を備えた固体酸化物形燃料電池であって、
前記空気極側及び燃料極側の少なくとも一方において、前記インターコネクタと前記セパレータとの間に、板状のガスシール部を配置して積層するとともに、
前記ガスシール部は、前記積層方向に貫通して前記積層ガス流路の一部を構成する第1ガス流路と、前記ガスシール部の面方向に沿って延びる第2ガス流路と、を有し、
且つ、前記ガスシール部においては、前記第1ガス流路と前記第2ガス流路とは連通しておらず、
さらに、前記ガスシール部の厚み方向の両側の少なくとも一方に積層される部材に、前記第1ガス流路と前記第2ガス流路とを連通する第3ガス流路を有することを特徴とする固体酸化物形燃料電池。 - 前記ガスシール部は、前記セパレータに接してい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。
- 前記ガスシール部に形成される第2ガス流路は、前記ガスシール部を厚み方向から見た場合に、前記第1ガス流路を中心にして左右対称に形成されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の固体酸化物形燃料電池。
- 前記第3ガス流路は分岐点Aにて前記第1ガス流路から分岐する構成であって、
前記第1ガス流路の前記分岐点Aより下流側における圧損指数(ΔPA1)が、前記第3ガス流路の前記分岐点Aより下流側における圧損指数(ΔPA3)より小さいことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の固体酸化物形燃料電池。 - 前記第2ガス流路は分岐点Bにて前記第3ガス流路から分岐する構成であって、
前記第3ガス流路の前記分岐点Bより下流側における圧損指数(ΔPB3)が、前記第2ガス流路の前記分岐点Bより下流側における圧損指数(ΔPB2)より小さいことを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の固体酸化物形燃料電池。 - 前記ガスシール部の厚み方向の両側の少なくとも一方において、少なくとも前記第2ガス流路に対応する箇所に、絶縁部材を配置したことを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の固体酸化物形燃料電池。
- 前記絶縁部材を、前記空気極側に配置したことを特徴とする請求項6に記載の固体酸化物形燃料電池。
- 前記絶縁部材を、マイカ又はバーミキュライトにより構成したことを特徴とする請求項6又は7に記載の固体酸化物形燃料電池。
- 前記ガスシール部を、マイカ又はバーミキュライトにより構成したことを特徴とする請求項1〜8のいずれか1項に記載の固体酸化物形燃料電池。
- 前記ガスシール部の前記第1ガス流路及び前記第2ガス流路、又は前記第3ガス流路は、プレス加工、若しくはレーザ加工によって形成されることを特徴とする請求項1〜9のいずれか1項に記載の固体酸化物形燃料電池。
- 酸化剤ガスに接する空気極側と燃料ガスに接する燃料極側とをセパレータで分離した板状の発電セルを、インターコネクタを介して積層した燃料電池スタックを備えるとともに、前記酸化剤ガスと燃料ガスとをそれぞれ前記積層方向に流す積層ガス流路を備えた固体酸化物形燃料電池であって、
前記空気極側及び燃料極側の少なくとも一方において、前記インターコネクタと前記セパレータとの間に、板状のガスシール部を配置して積層するとともに、
前記ガスシール部は、前記積層方向に貫通して前記積層ガス流路の一部を構成する第1ガス流路と、該第1ガス流路と連通するとともに面方向に沿って延びる第2ガス流路と、を有し、
且つ、前記ガスシール部を、マイカ又はバーミキュライトにより構成したことを特徴とする固体酸化物形燃料電池。 - 前記ガスシール部は、前記セパレータに接していることを特徴とする請求項11に記載の固体酸化物形燃料電池。
- 前記ガスシール部に形成される第2ガス流路は、前記ガスシール部を厚み方向から見た場合に、前記第1ガス流路を中心にして左右対称に形成されていることを特徴とする請求項11又は12に記載の固体酸化物形燃料電池。
- 前記ガスシール部の厚み方向の両側の少なくとも一方において、少なくとも前記第2ガス流路に対応する箇所に、絶縁部材を配置したことを特徴とする請求項11〜13のいずれか1項に記載の固体酸化物形燃料電池。
- 前記絶縁部材を、前記空気極側に配置したことを特徴とする請求項14に記載の固体酸化物形燃料電池。
- 前記絶縁部材を、マイカ又はバーミキュライトにより構成したことを特徴とする請求項14又は15に記載の固体酸化物形燃料電池。
- 前記ガスシール部の前記第1ガス流路及び前記第2ガス流路は、プレス加工、若しくはレーザ加工によって形成されることを特徴とする請求項11〜16のいずれか1項に記載の固体酸化物形燃料電池。
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