JP2006085982A

JP2006085982A - 固体酸化物型燃料電池の冷却構造

Info

Publication number: JP2006085982A
Application number: JP2004268337A
Authority: JP
Inventors: Yasuyoshi Fujii; 康義藤井
Original assignee: Yanmar Co Ltd
Current assignee: Yanmar Co Ltd
Priority date: 2004-09-15
Filing date: 2004-09-15
Publication date: 2006-03-30

Abstract

【課題】固体酸化物型燃料電池において、燃料電池スタック全体を、簡単な冷却構造により、均一に効率良く冷却できるようにすることを目的としている。
【解決手段】固体電解質３の両側面に燃料極７と酸化剤極８を固着してなる複数の平板状単電池１とセパレータ２とを交互に平行に配置する。セパレータ２は、１対の金属板製のセパレータ部材１０、１１と、両セパレータ部材１０、１１間を一定間隔に保持するスペーサ１２により構成し、両セパレータ部材１０、１１間で酸化剤通路室１５を形成する。一方のセパレータ部材１０と酸化剤極８との間に酸化剤室２７を形成し、他方のセパレータ部材１１と燃料極７との間に燃料室２２を形成する。酸化剤通路室１５は、外周部に酸化剤入口３０が形成されると共に酸化剤通路孔３１を介して酸化剤室２７に連通する。酸化剤供給室２７内の酸化剤と燃料室２２の燃料との間で熱交換する。
【選択図】図２

Description

本発明は、固体電解質の両側面に燃料極と酸化剤極を固着してなる複数の平板状単電池と、セパレータとを交互に配置した固体酸化物型燃料電池の冷却構造に関する。

この種の固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）は、固体高分子型燃料電池やリン酸型燃料電池等の他の種類の燃料電池と比較して、発電効率が４０〜５０％と高いことにより、次世代の燃料電池として注目を浴びているが、一方、作動温度が７５０°〜１０００°Ｃと高くなることにより、発電を維持するために冷却を必要としている。

前記単電池の冷却を行うために、従来、積層された固体単電池の数層毎に冷却板を配置した冷却構造（特許文献１）又は各セパレータの内部に冷却通路を形成したもの（特許文献２）等が存在する。
特開平９−２２７０９号公報特開２００２−２８００２３号公報

前者の従来例のように、単電池の数層毎に冷却板を配置する冷却構造では、冷却板の近傍の単電池はよく冷却されるが、冷却板から離れた位置の単電池は冷却され難いので、単電池間で温度差が生じ、ひいては電池性能の低下を引き起こす。

後者の従来例のように、セパレータの内部に冷却通路などを形成する構造では、加工が複雑化することにより、加工に手間がかかり、コスト増加を招くことになる。

本発明の目的は、平板状単電池の燃料極で発生する熱を、各単電池に亘って均一にかつ効率良く冷却でき、温度むらが少なく、しかも、コストを抑えることができる固体酸化物型燃料電池の冷却構造を提供することである。

前記課題を解決するため、本願請求項１記載の発明は、固体電解質の両側面に燃料極と酸化剤極を固着してなる複数の平板状単電池と、セパレータとを交互に平行に配置した固体酸化物型燃料電池の冷却構造において、前記セパレータは、相対向する１対の金属板製のセパレータ部材と、両セパレータ部材間を一定間隔に保持するスペーサにより構成すると共に、両セパレータ部材間で酸化剤通路室を形成し、前記両セパレータ部材のうち、一方は、該一方側の平板状単電池の酸化剤極との間に酸化剤室を形成し、他方は、該他方側の平板状単電池の燃料極との間に燃料室を形成し、前記酸化剤通路室は、外周部に酸化剤入口が形成されると共に、前記一方側のセパレータ部材に形成された酸化剤通路孔を介して前記酸化剤室に連通し、前記酸化剤通路室内の酸化剤と前記燃料室内の燃料との間で、前記他方側のセパレータ部材を介して熱交換するように構成されている。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の固体酸化物型燃料電池の冷却構造において、前記燃料室の外周部に形成される燃料入口と、前記酸化剤通路室の外周部に形成される酸化剤入口は、互いに概ね直交する方向に位置し、前記酸化剤通路孔の形成位置は、酸化剤通路室内の酸化剤が燃料室内の燃料と平行に流れるように設定してある。

（１）単電池の燃料室の隣に、１対の金属製セパレータ部材及びスペーサにより酸化剤通路室を形成し、該酸化剤通路室内の酸化剤と燃料室の燃料との間で熱交換することにより、燃焼室の燃料及び燃料極を冷却すると同時に酸化剤を予加熱するようにしているので、低コストの燃料室冷却構造を提供できると共に、電池スタック内のすべての単電池を均一に、むら無く冷却でき、発電性能を向上させることができる。

（２）各単電池用の燃料入口と酸化剤入口とを、互いに直交する方向、すなわち平板状単電池の外周部に沿ってほぼ９０°ずれた位置に形成しているので、燃料入口と酸化剤入口にそれぞれ接続する燃料供給マニホールド及び酸化剤供給マニホールドの配管スペースを充分に確保することができ、配管作業が楽になると共に燃料電池全体のコンパクト化を達成できる。

（３）酸化剤通路室の酸化剤の流れと、燃料室内の燃料の流れとが平行となるように構成しているので、燃料室内の燃料の濃度分布に対応した冷却を行うことができ、一層の温度分布の均一化が図れる。

（電池スタックの全体の概略）
図１及び図２は本発明の実施の形態であり、図１は固体酸化物型燃料電池のスタックの縦側断面部分図、図２は分解斜視図である。なお、説明の都合上、図２に記載してあるように、平板状単電池の配列方向を左右方向とし、図１の紙面と直交する方向を前後方向とし、左右方向及び前後方向と直交する方向を上下方向として、以下、説明する。

図１において、燃料電池スタックは、垂直姿勢の複数の平板状単電池１と垂直姿勢の複数のセパレータ２とを交互に平行に配置することにより構成されている。図１では、図面の簡素化のために平板状単電池１及びセパレータ２を共に３組ずつ表示してあるが、実際は、発電容量に応じて平板状単電池１及びセパレータ２の数は増減される。各平板状の単電池１は、酸化物イオン伝導体からなる平板状の固体電解質３と、該固体電解質３の一方の側面、たとえば右側面に一体的に固着された平板状の燃料極７と、固体電解質３の左側面に一体的に固着された平板状の酸化剤極（空気極）８との三層からなっている。

セパレータ２は、左右１対のセパレータ部材１０、１１と、両セパレータ部材１０、１１間に配置されたスペーサ１２から構成されており、該スペーサ１２によって両セパレータ部材１０、１１間を一定間隔に保持することより、セパレータ部材１０、１１間に酸化剤通路室１５を形成している。

１対のセパレータ部材１０、１１のうち、左側のセパレータ部材１０と、該左側のセパレータ部材１０の左側に位置する平板状単電池１との間には、左右１対の燃料シール２０、２０と波板ばね製の弾性支持体２１が配置されると共に、燃料極７に面する燃料室２２が形成されている。右側セパレータ部材１１と、該右側のセパレータ部材１１の右側に位置する平板状単電池１の間には、左右１対の酸化剤シール２４、２４と波板ばね製の弾性支持体２５が配置されると共に、酸化剤極８に面する酸化剤室２７が形成されている。各平板状単電池１は、前記左右両側の弾性支持体２５、２１により弾性的に支持されている。

（平板状単電池）
図２に示す平板状単電池１において、固体電解質３、燃料極７及び酸化剤極８は、いずれも正方形（又は長方形に）形成されているが、固体電解質３の面積は両電極７、８よりも大きく、両電極７、８の外周端よりも外方に張り出す外周部分を全周に有している。固体電解質３は、たとえば緻密質のジルコニア系セラミックスにより形成され、作動温度８００°前後で酸化物イオン（Ｏ^2-）が両電極間を移動するようになっている。燃料極７と酸化剤極８は、いずれも電子伝導性の高い材料から構成されており、酸化剤極８はたとえば電子伝導性を持つＬａＭｎＯ₃ もしくはＬａＣｏＯ₃、または、これらのＬａの一部をＳｒ、Ｃａ等に置換した固溶体からなる多孔質のセラミックを基盤としている。燃料極７は、Ｎｉ−ＹＳＺ、Ｃｏ−ＹＳＺ等金属とセラミックスを焼結させたものである。

（セパレータ）
図２において、両セパレータ部材１０、１１は、いずれも熱伝導性の良い金属でできており、正方形（又は長方形）に形成されている。両セパレータ部材１０、１１間に挟持されるスペーサ１２は枠状に形成されており、該スペーサ１２の前端枠部の上端部には、前向きに開口すると共に酸化剤通路室１５に連通する酸化剤入口（空気入口）３０が形成されている。右側のセパレータ部材１１の下端部には、前記酸化剤通路室１５の下端部と酸化剤室２７の下端部とを連通する酸化剤通路孔３１がスリット状に形成されている。前記酸化剤入口３０は、図示しない空気マニホールドを介して空気供給源に接続している。

（酸化剤シール及び燃料シール等）
酸化剤室２７の外周部を構成する酸化剤シール２４は枠状に形成されており、酸化剤シール２４の上端枠部には多数の溝状の酸化剤出口孔３３が形成されている。

燃料室２２の外周部を構成する燃料シール２０は枠状に形成されており、該燃料シール２０の上端枠部には多数の溝状の燃料入口３５が形成され、燃料シール２０の下端枠部には多数の溝状の燃料出口３６が形成されている。前記燃料入口３５は、図示しない燃料ホース又は燃料供給マニホールドを介して燃料供給源に接続している。

（単電池の反応）
燃料電池による発電作用は従来の固体酸化物型燃料電池と同様であり、簡単に説明すると、図１において、酸化剤室２７内の酸化剤は、セラミック材製の酸化剤極８の気孔を通って固体電解質３との界面付近に到達し、酸化剤極８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、作動温度８００°Ｃ付近の温度において、固体電解質３内を燃料極７に向かって拡散移動し、燃料極７との界面付近に到達した酸化物イオンは、燃料室２２から供給された燃料（Ｈ₂やＣＯ）と反応して、反応生成物（Ｈ₂Ｏ、ＣＯ2等）を生じ、燃料極に電子を放出する。

電極での反応を式で示すと、次のようになる。
酸化剤極８では、 1/2Ｏ₂＋２ｅ⁻→Ｏ^2-
燃料極７では、Ｈ₂＋Ｏ^2-→Ｈ₂Ｏ＋２ｅ⁻

（燃料及び酸化剤の流れ）
各図において、黒の矢印（Ｆ１〜Ｆ３）は燃料の流れ、白抜きの矢印（Ａ１〜Ａ４）は酸化剤の流れを示している。酸化剤供給源から供給される酸化剤は、図２に矢印Ａ１で示すように、前方から酸化剤入口３０を通って酸化剤通路室１５の上端部に入り、下方へ方向変換し、酸化剤通路室１５内を矢印Ａ２のように下方へ流れ、下端部の酸化剤通路孔３１から隣の酸化剤室２７の下端部に入る。図１において、酸化剤室２７内で酸化剤は矢印Ａ３のように上方へ流れると共に、前述のように酸化剤極８と反応し、余剰の酸化剤は上端の酸化剤出口３３から矢印Ａ４のように排出される。

燃料供給源から供給される燃料は、矢印Ｆ１のように上方から上端の燃料入口３５通って燃料室２２に入り、燃料室２２内を矢印Ｆ２のように下方に流れると共に、前述のように燃料極７と反応し、余剰の燃料は下端の燃料出口３６から矢印Ｆ３のように排出される。

前記のような酸化剤と燃料の流れにおいて、酸化剤通路室１５と燃料室２２とは、熱伝導性の良い１枚の金属製セパレータ部材１０を介して隣接しているので、酸化剤通路室１５内を流れる酸化剤と燃料室２２内の燃料との間で熱交換される。すなわち、燃料室２２内の燃料は酸化剤通路室１５内の酸化剤により冷却され、同時に酸化剤通路室１５の酸化剤は予加熱される。また、酸化剤通路室１５の酸化剤と燃料室２２内の燃料は、矢印Ａ２及び矢印Ｆ２で示すように、互いに平行に下方へ流れるので、セパレータ部材１０の全面に亘って均一に熱交換される。すなわち、燃料室２２内の燃料及び燃料極７は全体に亘って均一に冷却される。

（実施の形態の効果）
（１）このように、燃料室２２の隣に、熱伝導性の良い金属製セパレータ部材１０のみを隔てて酸化剤通路室１５を形成していることにより、燃料室２２内の燃料及び燃料極７と使用前の酸化剤との間で効率良く熱交換を行うことができ、これにより、各平板状単電池１の燃料室２２の燃料極７及び燃料を効果的に冷却できると共に、酸化剤を使用前に予加熱できる。したがって、燃料電池スタック全体に亘って、各燃料極７を均一に冷却でき、発電性能を向上させることができると共に、酸化剤極での反応も促進させることができる。

（２）発電に利用する酸化剤を燃料の冷却媒体と利用しているので、特別の冷却媒体及び該冷却媒体の供給機構等が不要となり、コストが低減する。

（３）燃料入口３５を上端部に形成し、酸化剤入口３０を前端部に形成しているので、燃料入口３５と酸化剤入口３０にそれぞれ接続する燃料供給マニホールド及び酸化剤供給マニホールド等の配管スペースを、充分に確保することができ、配管作業が楽になると共に燃料電池全体のコンパクト化を達成できる。特に、燃料シール２０の面積を大きくして外方に張り出すように形成し、該外方端部に燃料入口３５を形成していると、燃料供給マニホールドを簡単に接続することができる。

（４）酸化剤通路室１５内の酸化剤流れと、燃料室２２内の燃料の流れとが平行になるように構成しているので、燃料室内の燃料の濃度分布に対応した冷却を行うことができ、一層の温度分布の均一化が図れる。

［他の実施の形態］
（１）図１及び図２に示す実施の形態では、燃料室内の燃料と酸化剤通路室内の酸化剤とを、同じ方向（下方向）に流すように構成してあるが、一方を上方から下方に、他方を下方から上方に流すように構成することも可能である。

本発明を適用した固体酸化物型燃料電池のスタックの縦側断面である。燃料電池スタックの分解斜視図である。

符号の説明

１平板状単電池
２セパレータ
７燃料極
８酸化剤極（空気極）
１０、１１セパレータ部材
１２スペーサ
１５酸化剤通路室
２０燃料シール
２１弾性支持体
２２燃料室
２４酸化剤シール
２５弾性支持体
２７酸化剤室
３０酸化剤入口
３１酸化剤通路孔
３３酸化剤出口
３５燃料入口
３６燃料出口

Claims

固体電解質(3)の両側面に燃料極(7)と酸化剤極(8)を固着してなる複数の平板状単電池(1)と、セパレータ(2)とを交互に平行に配置した固体酸化物型燃料電池の冷却構造において、
前記セパレータ(2)は、相対向する１対の金属板製のセパレータ部材(10、11)と、両セパレータ部材(10、11)間を一定間隔に保持するスペーサ(12)により構成すると共に、両セパレータ部材(10、11)間で酸化剤通路室(15)を形成し、
前記両セパレータ部材(10、11)のうち、一方(11)は、該一方側の平板状単電池(1)の酸化剤極(8)との間に酸化剤室(27)を形成し、他方(10)は、該他方側の平板状単電池(1)の燃料極(7)との間に燃料室(22)を形成し、
前記酸化剤通路室(15)は、外周部に酸化剤入口(30)が形成されると共に、前記一方側のセパレータ部材(11)に形成された酸化剤通路孔(31)を介して前記酸化剤室(27)に連通し、
前記酸化剤通路室(15)内の酸化剤と前記燃料室(22)内の燃料との間で、前記他方側のセパレータ部材(10)を介して熱交換するように構成されていることを特徴とする固体酸化物型燃料電池の冷却構造。
請求項１記載の固体酸化物型燃料電池の冷却構造において、
前記燃料室(22)の外周部に形成される燃料入口(35)と、前記酸化剤通路室(15)の外周部に形成される酸化剤入口(30)は、互いに概ね直交する方向に位置し、
前記酸化剤通路孔(31)の形成位置は、酸化剤通路室(15)内の酸化剤が燃料室(22)内の燃料と平行に流れるように設定してあることを特徴とする固体酸化物型燃料電池の冷却構造。