JP2005216642A

JP2005216642A - 固体電解質型燃料電池

Info

Publication number: JP2005216642A
Application number: JP2004020788A
Authority: JP
Inventors: Norio Doi; 宣男土井; Yoshihisa Shimizu; 嘉久清水; Takeshi Miura; 健三浦; Terushi Nakamura; 昭史中村
Original assignee: Chugoku Electric Power Co Inc; Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd
Current assignee: Chugoku Electric Power Co Inc; Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd
Priority date: 2004-01-29
Filing date: 2004-01-29
Publication date: 2005-08-11

Abstract

【課題】固体電解質型燃料電池のモジュールを複数段積層して構成されるスタック構造の固体電解質型燃料電池において、各モジュールへのガス供給を均等に配分可能な構造を提供すること。
【解決手段】固体電解質型燃料電池１００は、３段に積層されたモジュール３０ａ、３０ｂ、３０ｃからなるスタック構造をしており、各モジュール３０ａ、３０ｂ、３０ｃへのガス供給は、ガス溜りとして機能する供給マニホールド１０を介して行われ、ガスが均等に配分される。各モジュール３０ａ〜３０ｃからのガスの排出は、ガス溜りとして機能する排出マニホールド２０を介して行われる。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体電解質型燃料電池に関し、詳細には、ガスの均等分配流路を備えた積層構造の平板型固体電解質型燃料電池に関する。

固体電解質型燃料電池［固体酸化物型燃料電池（Solid Oxidｅ Fuel
Cell）とも呼ばれる］として、平板積層型の固体電解質型燃料電池が知られている（例えば、特許文献１）。これは集電体とガスセパレータとによって電池の最小単位である単セルをユニット化し、このユニットを電気的接続可能な状態に複数積層してモジュールを形成したものである。このモジュールへの燃料ガスおよび酸化材ガスの供給は、それぞれ１箇所の導入部で行われ、各ユニットに対しては各単セルの端部でガス流れを折り返すことによって順次各単セルのガス流路にガスを流通させ、燃料ガスおよび酸化材ガスそれぞれ１箇所の出口から排出する構成となっている。各モジュールへ供給する燃料ガス・酸化材ガスの流量は、電池性能を左右し、燃料を効率的に利用したり、モジュールを適切に冷却したりする観点から、厳密に制御する必要がある。このためモジュールへのガス流量の制御には、マスフロー制御器を配備する必要があった。

特開平９−１２９２５１号公報

上記モジュールを、さらに複数段積層してスタックを構成することにより、さらに大きな電池出力を獲得できる。しかし、電池出力を高める目的で、モジュールを複数段積層してスタックを構成した場合、各モジュールへ供給する燃料ガスおよび酸化材ガスを均等に配分する必要がある。この目的は、モジュール毎にマスフロー制御器などの流量制御手段を配備することによって実現可能であるが、１つのスタックにおけるモジュール数が多くなるとコスト上昇や配管設備の複雑化を招き、到底現実的、実用的な方法とは言い難い。

本発明の課題は、固体電解質型燃料電池のモジュールを複数段積層して構成されるスタック構造の固体電解質型燃料電池において、各モジュールへのガス供給を均等に配分可能な構造を提供することにある。

本発明の第１の態様は、固体電解質膜を介して燃料側電極および酸素側電極を配置してなる単セルと、集電体と、ガスセパレータと、を含むように単位ユニットが構成され、該単位ユニットを電気的接続可能に複数積層してモジュールが構成されており、前記モジュールをさらに複数段積層したスタック構造を有する固体電解質型燃料電池であって、燃料ガスおよび酸化材ガスのそれぞれについて、前記各モジュールへのガス導入側に、共通ガス供給部が設けられており、該共通ガス供給部から前記複数段の各モジュールへガスを均等配分して供給するように構成したことを特徴とする、固体電解質型燃料電池である。

モジュールを複数段積層したスタック構造の固体電解質型燃料電池では、モジュール毎のガス流量を同じに制御しなければならない。本発明では、このようなスタック構造の固体電解質型燃料電池において、共通ガス供給部を設けるという簡易な構成で、各モジュールへのガスの均一な配分が実現するという効果が得られる。そして、共通ガス供給部を設けることによって、モジュール毎に流量制御手段を配備する必要がなくなり、装置の小型化、簡素化が図られる。

本発明の第２の態様は、第１の態様において、前記共通ガス供給部と各モジュールとの連通路にガス供給絞りを設けたことを特徴とする、固体電解質型燃料電池である。

第２の態様では、共通ガス供給部と各モジュールとの連通路にガス供給絞りを設けることによって、より均一なガス配分が可能なる。

本発明の第３の態様は、第１または第２の態様において、前記共通ガス供給部へガスを導入するガス流れ方向上流側の流路に流量制御手段を設置したことを特徴とする、固体電解質型燃料電池である。

この第３の態様では、流量制御手段により共通ガス供給部へのガス導入量を制御することにより、必要十分な量のガスを供給して効率の良く電気エネルギーを取出すことが可能になる。

本発明の第４の態様は、第１から第３のいずれかの態様において、前記各モジュールからのガス排出側に、共通ガス排出部を設けたことを特徴とする、固体電解質型燃料電池である。

第４の態様では、各モジュールからのガス排出側に、共通ガス排出部を設けたので、すべてのモジュールにおいて排出ガス側の圧力損失などの条件が共通になる。従って、各モジュールへのガス流量を、より均一に配分できる。

本発明の第５の態様は、第４の態様において、前記共通ガス排出部と各モジュールとの連通路にガス排出絞りを設けたことを特徴とする、固体電解質型燃料電池である。

第５の態様では、共通ガス排出部と各モジュールとの連通路にガス排出絞りを設けることによって、ガスをより均一に配分できる。

本発明の第６の態様は、第４または第５の態様において、前記共通ガス供給部および前記共通ガス排出部は、前記各ユニットを貫通する孔部によって、前記複数段のモジュールに渡って連通可能に形成されたガス流路として内蔵されていることを特徴とする、固体電解質型燃料電池である。

この第６の態様によれば、共通ガス供給部を内蔵型にすることによって、配管などを省略でき、装置の簡素化を図ることができる。

モジュールを複数段積層したスタック構造の固体電解質型燃料電池において、簡易な構成で、各モジュールへのガスの均一な配分が実現する。

以下、図面に基き本発明の実施の形態について説明する。図１は、本発明の１実施形態に係る固体電解質型燃料電池１００の概要を模式的に示すものである。この固体電解質型燃料電池１００は、主要な構成として、「共通ガス供給部」としての供給マニホールド１０、「共通ガス排出部」としての排出マニホールド２０、３つのモジュール３０（３０ａ,３０ｂ,３０ｃ）を備えている。図１中、符号４０は供給マニホールド１０へのガス導入部であり、符号５０は排出マニホールド２０からのガス導出部である。

この固体電解質型燃料電池１００は、３段に積層されたモジュール３０ａ、３０ｂ、３０ｃからなるスタック構造をしている。このように、モジュール３０を複数段積層することによって、大きな電気的出力を生み出すことができる。このスタック構造の固体電解質型燃料電池１００からの電流の取り出しは、例えば金属板などの導電性部材（ここでは図示せず）を上下に配備することによって行われる。

各モジュール３０ａ〜３０ｃへのガス供給は、ガス溜りとして機能する供給マニホールド１０を介して均等に配分される。また、各モジュール３０ａ〜３０ｃからのガスの排出は、同様にガス溜りとして機能する排出マニホールド２０を介して行われる。なお、図１では説明の便宜上一種類のガス（燃料ガスまたは酸化材ガス）についての供給マニホールド１０および排出マニホールド２０を図示しているが、燃料ガス、酸化材ガスそれぞれに供給マニホールド１０および排出マニホールド２０が配備される。

各モジュール３０ａ〜３０ｃの構造はいずれも同じであり、一例として図２に示すようなユニット３１ａ〜３１ｅを積層したモジュール構造が採用されている。なお、図２においては、説明の便宜上、各部材間に隙間を空けて表現している。

ユニット３１ａは、燃料側集電体３０１と、セル３０５と、酸素側集電体３０６と、ガスセパレータ３０７と、から構成されている。

燃料側集電体３０１は、片側（セル３０５に対向する面）に櫛歯状の溝が形成された導電性セラミックスにより構成され、該溝に、例えば水素などの燃料ガスを流通させ得る構造になっている。燃料側集電体３０１の材質は、例えば、ニッケルとイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）や、ニッケルとアルミナとＹＳＺなどからなる多孔質セラミックスが好ましく用いられる。

酸素側集電体３０６も同様に、片側（セル３０５に対向する面）に櫛歯状の溝が形成された導電性セラミックスにより構成され、該溝に例えば空気などの酸化材ガスを流通させ得る構造になっている。酸素側集電体３０６の材質としては、例えばランタン−ストロンチウム−マンガナイトなどの多孔質セラミクスが好ましく用いられる。

セル３０５は、電池の最小構成単位であって、燃料側電極３０２と、酸素側電極３０４との間に平板状の固体電解質膜３０３が挟み込まれた構造である。そして、燃料側電極３０２は燃料側集電体３０１と接合し、酸素側電極３０４は酸素側集電体３０６と接合するように配置される。固体電解質膜３０３の材質としては、例えばＹＳＺを主成分とする材料などが用いられる。燃料側電極３０２の材質は、例えばニッケル−ジルコニアサーメットの多孔質セラミックスを用いることが可能であり、酸素側電極３０４の材質としては、例えば、ランタンマンガナイト（ＬａＭｎＯ_３）系の多孔質セラミックスを用いることができる。

ガスセパレータ３０７は、セラミックス板を積層した構造であり（ここでは、３枚のセラミックス板が積層されている）、部分的に電子流路材３０８と、導電性セラミックスからなる接続部３０９が配備されている。ガスセパレータ３０７を構成するセラミックス板は、絶縁性物質で構成される。その材質としては、例えばマグネシア（ＭｇＯ）とスピネル（ＭｇＡｌ_２Ｏ_４）を主成分とするものが挙げられる。ここで、マグネシアとスピネルの混合比を、重量比で３０：７０〜７０：３０（好ましくは４０：６０〜５０：５０）にすることによって、セル３０５や、燃料側集電体３０１、酸素側集電体３０６等の部材の熱膨張係数との整合性をとることができる。

電子流路材３０８の材質としては、ランタンクロマイト（ＬａＣｒＯ_３）系導電性セラミックスを用いることが好ましい。また、接続部３０９としては、前記と同様の材質の導電性セラミックスを用いることができる。

ガスセパレータ３０７を介在させることによって、ユニット３１同士の酸化還元性を遮断しつつ、電子流路材３０８と接続部３０９によってユニット間の電気的接続が可能になる。

ユニット３１ａと同様に、ユニット３１ｂ〜３１ｅについても、燃料側集電体３０１と、セル３０５と、酸素側集電体３０６と、ガスセパレータ３０７と、が積層された構成である。ここでは５段のユニット３１ａ〜３１ｅが積層されて、一つのモジュール３０が形成される。

上記の構成によるモジュール３０における燃料ガス６０の流れは、例えば、図２中破線で示す経路であり、酸化材ガス７０の流れは、同図中、実線で示す経路である。なお、燃料ガス６０は、燃料側集電体３０１に形成された溝を通過するため、図２の紙面に対して垂直な方向へ流れる。また、酸化材ガス７０についても同様に、酸素側集電体３０６に形成された溝を通過するため、図２の紙面に対して垂直な方向に流れる。

図１ではモジュール３０が３段に積層され、各モジュール３０ａ〜３０ｃは、それぞれガス供給口１１ａ〜１１ｃにより供給マニホールド１０と連通している。同様に、各モジュール３０ａ〜３０ｃは、それぞれガス排出口２１ａ〜２１ｃによって排出マニホールド２０と連通している。本実施形態では、「連通路」であるガス供給口１１ａ〜１１ｃが狭窄して「ガス供給絞り」を形成している。この部分の絞り作用によって各モジュール３０ａ〜３０ｃへの流入ガス量が均一になるように制御されている。ここで、ガス供給口１１ａ〜１１ｃの開口面積は、小さくするほど絞り作用が高まり、ガスを均等配分する効果が大きいが、その一方でガス供給口１１ａ〜１１ｃにおける圧力損失も大きくなり、固体電解質型燃料電池１００へのガス供給動力を高める必要が生じるため、適度な面積に設定することが好ましい。

ガス導入部４０よりガス流れ方向上流側の流路には、流量制御手段としてのマスフロー制御器４１が配備されている。

以上の構成において、マスフロー制御器４１によって所定流量に制御されたガスは、供給マニホールド１０に導入され、そこからガス供給口１１ａ〜１１ｃを介して各モジュール３０ａ〜３０ｃへ供給される。供給マニホールド１０を介在させることによって、１つのマスフロー制御器４１による１箇所での流量制御により、各モジュール３０ａ〜３０ｃへのガス流れを均等に配分することができる。

また、ガス供給口１１ａ〜１１ｃに適度な絞り作用を持たせることによって、供給マニホールド１０から各モジュール３０ａ〜３０ｃへのガス配分をよりいっそう均一化することができる。さらに、排出マニホールド２０を設けることによって、各モジュール３０ａ〜３０ｃの排出側経路の条件を共通化することが可能なるため、圧力損失などの影響要因に左右されることなく、より均一なガス配分が可能になる。

図３は、本発明の別の実施形態に係る固体電解質型燃料電池２００の分解斜視図である。
この固体電解質型燃料電池２００は、マニホールド内蔵型スタック構造の平板型固体電解質型燃料電池であり、モジュール３０ａ〜３０ｃを３段に積層した構造をしている。また、各モジュール３０ａ〜３０ｃは、それぞれ５つのユニット３１ａ〜３１ｅから構成されている。ここで、各モジュール３０ａ〜３０ｃおよびユニット３１ａ〜３１ｅの基本的構成・原理は図１、図２と同様であるため、同一符号を付して説明を省略する。

ユニット３１ａ〜３１ｅには、それぞれの枠体部３３の一方の側に燃料ガス供給マニホールド８１,８１および酸化材ガス排出マニホールド８３,８３が、各ユニットを連通状態にする貫通孔部として各２つずつ一列に並んで形成されている。なお、符号８５,８５は燃料ガス供給口であり、符号８７,８７は、ガス供給絞りである。

同様に、ユニット３１ａ〜３１ｅの枠体部３３の反対側には、酸化材ガス供給マニホールド８２,８２および燃料ガス排出マニホールド８４,８４が、各ユニットを連通状態にする貫通孔部として各２つずつ一列に並んで形成されている。なお、符号８６,８６は酸化材ガス供給口である（符号８７,８７は、前記とおなじガス供給絞りである）。

燃料ガス供給マニホールド８１,８１は、連通路としてのガス供給絞り８７,８７を介して燃料ガス供給口８５,８５に接続されている。また、同様に、酸化材ガス供給マニホールド８２,８２は、連通路としてのガス供給絞り８７,８７を介して酸化材ガス供給口８６,８６に接続されている。

以上の構成において、燃料ガスは図示しない流量制御手段から燃料ガス供給マニホールド８１,８１に導入され、ガス供給絞り８７,８７を介してモジュール３０ａ〜３０ｃへ均等に配分される。燃料ガス供給マニホールド８１,８１に導入された燃料ガスは、ユニット３１ａ〜３１ｅに形成された流路を折り返しながら移動し、燃料ガス排出マニホールド８４,８４に排出される。

酸化材ガスについても、同様に、図示しない流量制御手段から酸化材ガス供給マニホールド８２,８２に導入され、ガス供給絞り８７,８７を介してモジュール３０ａ〜３０ｃへ均等に配分される。酸化材ガス供給マニホールド８２,８２に導入された燃料ガスは、ユニット３１ａ〜３１ｅに形成された流路を折り返しながら移動し、酸化材ガス排出マニホールド８３,８３に排出される。このように、枠体部３３に設けた貫通孔によってマニホールドを形成することにより、各モジュール３０ａ〜３０ｃへのガス供給を均一化しつつ、配管などの部品点数を少なくし、構成を大幅に簡略化することが可能になる。

以上、本発明を種々の実施形態に関して述べたが、本発明は上記実施形態に制約されるものではなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内で、他の実施形態についても適用可能である。

例えば、図１においては、連通路としてのガス供給口１１ａ〜１１ｃを狭窄させてガス供給絞りとしたが、ガス排出口２１ａ〜２１ｃを狭窄させて、これらに絞り作用を持たせ、ガス排出絞りを形成することによっても、同等の作用効果が達成される。

また、図１では、供給マニホールド１０とともに排出マニホールド２０を併設しているが、排出マニホールド２０は設けず、各モジュール３０ａ〜３０ｂから別々にガスを排出させることも可能である。

本発明は、固体電解質型燃料電池として、各種の用途、例えば、産業用発電機やコージェネレーションシステムなどにおいて利用が可能である。

本発明の固体電解質型燃料電池１００の概要を示す模式図である。モジュールの概要を示す模式図である。本発明の別の実施形態の固体電解質型燃料電池２００の概要を示す分解斜視図である。

符号の説明

１０供給マニホールド
１１ａ、１１ｂ、１１ｃガス供給口
２０排出マニホールド
２１ａ、２１ｂ、２１ｃガス排出口
３０モジュール
３１ａ、３１ｂ、３１ｃユニット
４０ガス導入部
４１マスフロー制御器
５０ガス導出部
６０燃料ガス
７０酸化材ガス
８１燃料ガス供給マニホールド
８２酸化材ガス供給マニホールド
８３酸化材ガス排出マニホールド
８４燃料ガス排出マニホールド
８５燃料ガス供給口
８６酸化材ガス供給口
８７ガス供給絞り
１００固体電解質型燃料電池
２００固体電解質型燃料電池
３０１燃料側集電体
３０２燃料側電極
３０３固体電解質膜
３０４酸素側電極
３０５セル
３０６酸素側集電体
３０７セパレータ
３０８電子流路材
３０９接続部

Claims

固体電解質膜を介して燃料側電極および酸素側電極を配置してなる単セルと、集電体と、ガスセパレータと、を含むように単位ユニットが構成され、
該単位ユニットを電気的接続可能に複数積層してモジュールが構成されており、
前記モジュールをさらに複数段積層したスタック構造を有する固体電解質型燃料電池であって、
燃料ガスおよび酸化材ガスのそれぞれについて、前記各モジュールへのガス導入側に、共通ガス供給部が設けられており、該共通ガス供給部から前記複数段の各モジュールへガスを均等配分して供給するように構成したことを特徴とする、固体電解質型燃料電池。
請求項１において、前記共通ガス供給部と各モジュールとの連通路にガス供給絞りを設けたことを特徴とする、固体電解質型燃料電池。
請求項１または請求項２において、前記共通ガス供給部へガスを導入するガス流れ方向上流側の流路に流量制御手段を設置したことを特徴とする、固体電解質型燃料電池。
請求項１から請求項３のいずれか１項において、前記各モジュールからのガス排出側に、共通ガス排出部を設けたことを特徴とする、固体電解質型燃料電池。
請求項４において、前記共通ガス排出部と各モジュールとの連通路にガス排出絞りを設けたことを特徴とする、固体電解質型燃料電池。
請求項４または請求項５において、前記共通ガス供給部および前記共通ガス排出部は、前記各ユニットを貫通する孔部によって、前記複数段のモジュールに渡って連通可能に形成されたガス流路として内蔵されていることを特徴とする、固体電解質型燃料電池。