JP2006324040A - 燃料電池スタック構造体の温度制御方法及び燃料電池スタック構造体 - Google Patents

Abstract

【課題】熱容量の大きい部分と小さい部分との温度差を少なくして応力集中が生じるのを抑制することができ、昇降温時における耐久性の向上を実現することが可能である燃料電池スタック構造体の温度制御方法及び燃料電池スタック構造体を提供する。
【解決手段】金属薄板より成る円盤状のセパレータ１２，１３で囲まれた空間Ｓ内に収容されて一方の面を外部に露出させた単セル１１を備えると共に中心部分に位置して発電用ガスを導入するガス流路２を具備した固体電解質型燃料電池１を複数積層して成り、固体電解質型燃料電池１０の熱容量の大きい中心部分１０ａに、温度調節専用の加熱ガス又は冷却ガスを流す温度調節用ガス流路５を設けた。
【選択図】 図３

Description

本発明は、例えば、金属薄板より成るセパレータで囲まれた空間内に収容されて一方の面を外部に露出させた単セルを備えた固体電解質型燃料電池を複数積層して成る燃料電池スタック構造体の温度制御方法及び燃料電池スタック構造体に関するものである。

上記したような燃料電池スタック構造体を自動車に搭載する場合、起動停止が頻繁に繰り返されることから、熱容量が小さいことが望ましいが、ガス流路部分の強度やシール性の確保のために、部分的に熱容量の大きい部分が不可避的に形成される。

このような熱容量の大きい部分では、起動時において昇温が遅れ、熱容量の小さい部分では急激に加熱される。その結果、温度差が大きくなって応力集中が発生し、固体電解質型燃料電池のセパレータや単セルの破損を引き起こす。

また、熱容量の大きいガス流路部分の温度が低いため、発電用ガスの温度が低下して出力が低下し、温度の不均一による出力のばらつきが発生する。

従来において、上記した不具合を解消するために、燃料ガスと酸化剤ガスが積層体外周部へ放出するフローアウト、又は燃料ガスが外周部の全周から中央部に向かって流れるクロスカウンターフローなどのガス流に対して、セルの中央貫通孔の部分にセルの替わりに中央貫通孔を有するリング状部材を配置して、すなわち、セル構成板の中心貫通孔とその周囲に配置する複数個の周囲貫通孔との間に所定距離に設定した熱交換部を形成して、リング状部材を介して酸化剤ガスとの熱交換を可能とすることにより、セルの部分の外周部と中央部との温度差を低減させて、セル全体の熱応力を小さくする方法が提案されている。
特開２００４−２３５０６０

ところが、従来の方法では、中央部と外周部との間に配置された熱交換部で、中央部と外周部との温度差を低減するようにしているが、熱容量の違いに起因した温度差を解消するには十分とはいえない。すなわち、熱容量の大きい部分と小さい部分との間に熱交換部が配置された場合、熱容量の大きい部分は鈍重な温度変化を示すことから、熱容量の小さい部分の温度変化に追従するようにして、熱交換部を介しての熱の授受が行われるが、両者の温度差に応じた熱の移動だけでは温度差を解消することは難しく、熱容量の異なる部分をそれぞれ独立して温度制御することが必要であった。

本発明は、上記した従来の課題に着目してなされたもので、熱容量の大きい部分と小さい部分との温度差を少なくして応力集中が生じるのを抑制することができ、その結果、昇降温時における耐久性の向上を実現することが可能である燃料電池スタック構造体の温度制御方法及び燃料電池スタック構造体を提供することを目的としている。

本発明は、燃料極層，固体電解質層及び空気極層を積層して成る単セルを備えた燃料電池スタック構造体の温度制御方法であって、上記単セルの燃料極層側及び空気極層側に発電用ガスを導入して発電を行うに際して、温度分布を均一にすべく、熱容量の大きな部位に温度調節専用の加熱ガス又は冷却ガスを流す構成としたことを特徴としており、この燃料電池スタック構造体の温度制御方法の構成を前述した従来の課題を解決するための手段としている。

一方、本発明の燃料電池スタック構造体は、燃料極層，固体電解質層及び空気極層を積層して成る単セルを備えた燃料電池スタック構造体において、熱容量の大きな部位に、温度調節専用の加熱ガス又は冷却ガスを流す温度調節用ガス流路を設けた構成としたことを特徴としており、この燃料電池スタック構造体の構成を前述した従来の課題を解決するための手段としている。

本発明によれば、上記した構成としているので、熱容量の大きい部分と小さい部分との温度差による応力集中の発生を抑えることが可能であり、したがって、昇降温時における耐久性の向上を実現することができるという非常に優れた効果がもたらされる。

一般的な燃料電池スタック構造体は、固体電解質層の一方の面に燃料極（アノード）層，燃料極集電体及びセパレータを順次積層すると共に、固体電解質層の他方の面に空気極（カソード）層，空気極集電体及びセパレータを順次積層した構成を成しており、単セルとセパレータ間にそれぞれ形成されたアノード室及びカソード室に燃料ガス及び空気（酸化剤）ガスを供給して発電を行うようになっている。

このような構成の燃料電池スタック構造体を加熱する熱源としては、電気ヒーターがあるほか、燃焼器からの排ガスや燃焼器−熱交換器からのガスや電気ヒーターで加熱したガスなどの高温ガスがあり、燃料電池スタック構造体を加熱する方法としては、外部に電気ヒーターを配置したり高温ガスを吹き付けたりする外部加熱方法や、内部に電気ヒーターを配置したり高温ガスを内部に供給したり燃焼器を内部に配置したりする内部加熱方法がある。

ここで、円盤状を成す固体電解質型燃料電池を複数積層して成る燃料電池スタック構造体の場合、固体電解質型燃料電池の各セパレータを支持する中心部分は、シール性や構造体強度を高めているので、熱容量が大きいものとなっており、一方、単セルを搭載する部分は、単セルとセパレータとの熱膨張差による接合部やセル自体の破損を防ぐために、熱容量を小さくしてセルとセパレータとの温度差を減らすようにしている。

このような構成の燃料電池スタック構造体では、例えば、発電用ガスとして高温の燃料ガスを固体電解質型燃料電池個々の内部に供給し、空気ガスを固体電解質型燃料電池の外部に供給して発電を行う。具体的には、図１１に示すように、高温の燃料ガスｇａを熱容量の大きい流路部分Ａを介して複数の固体電解質型燃料電池１０１に分配し、空気ガスを固体電解質型燃料電池１０１の外部に供給して発電を行うが、図１２に示すように、固体電解質型燃料電池１０１を通過した発電済みガスｇｂは、熱容量の大きい中心部分に形成された排気流路Ｂによって固体電解質型燃料電池１０１の外に排出される。

上記燃料電池スタック構造体において、外部から電気ヒーターや高温ガスで加熱すると、熱容量が小さく且つ熱源に近い外周部分が先行して昇温し、熱容量の大きい中心部分は昇温が遅れる。一方、中心部分に位置する発電用ガスを流すガス流路に高温ガスを流して加熱しても、上記と同じく、熱容量の小さい外周部分が先行して昇温する。このように、内部で温度分布が生じてしまうと、燃料電池スタック構造体の破損を引き起こし兼ねない。

そこで、本発明では、金属薄板より成るセパレータ、とくに、金属薄板より成る円盤状のセパレータで囲まれた空間内に収容されて一方の面を外部に露出させた単セルを備えると共に中心部分に位置して発電用ガスを導入するガス流路を具備した固体電解質型燃料電池を複数積層して成る燃料電池スタック構造体において、上記固体電解質型燃料電池の熱容量の大きい中心部分に、温度調節専用の加熱ガス又は冷却ガスを流す温度調節用ガス流路を設けた構成を採用して、昇降温に際して、温度分布を均一にすべく、熱容量の大きい中心部分に温度調節専用の加熱ガス又は冷却ガスを流すこととした。

この構成を採用すると、熱容量の大きい部分と小さい部分との温度差による応力集中の発生を抑えることが可能であり、したがって、昇降温時における耐久性の向上が図られるうえ、熱容量の大きい部分が加熱されて昇温速度が上がり、結果として、スタック構造体全体の昇温速度が上がることとなる。加えて、発電用ガスを導入するガス流路とは別の温度調節用ガス流路を用いて温度調節専用の加熱ガス又は冷却ガスを流すので、燃料電池発電時にも、熱容量の大きな部位の温度制御を行い得ることとなる。

なお、以下においては、燃料ガスを固体電解質型燃料電池の内部空間に流し、空気ガスを固体電解質型燃料電池の外部に流す発電システムであることを前提とした記述とするが、ガスの種類を入れ替えても同様に適用可能である。

また、スタック構造体についても、中心に金属製のガス流路を形成した中心流路型のスタック構造体を前提として記述するが、熱容量の面内分布があるスタック構造体であれば、形状や流路の位置は問わない。

さらに、本発明において、発電用ガスを導入するガス流路及び温度調節用ガス流路の双方にガスを流して温度制御を実施するが、システムの簡略化を図るうえで同一のガスを用いることが望ましい。また、温度調節専用の加熱ガス又は冷却ガスの種類はとくに限定しないが、不活性で且つ還元性のガスを用いることが望ましい。

本発明において、熱容量の異なる複数の部位に設置した熱電対やサーモビュアなどの温度測定手段と、ガス流路に流す発電用ガスの流量を調節する発電用ガス調節バルブと、温度調節用ガス流路に流す加熱ガス又は冷却ガスの流量を調節する温度調節用ガス調節バルブと、上記温度測定手段で得た温度情報に基づいて温度分布を均一にすべく発電用ガス調節バルブ及び温度調節用ガス調節バルブを作動させて発電用ガスの流量を調整すると共に熱容量の大きい部位に流がす温度調節専用の加熱ガス又は冷却ガスの流量を調整する制御部を備えている構成とすることができる。

この構成を採用した場合には、例えば、温度測定手段としての熱電対を熱容量の大きい部分（中心部分）と小さい部分（外周部分）との２箇所に固定し、図１０に示すように、ステップＳ１においてそれぞれの箇所の温度を測定する。

次いで、ステップＳ２，３において中心部分と外周部分との温度差が設定値以上で且つ熱容量の大きい部分の温度が低く、しかも、ステップＳ４において温度調節用ガス調節バルブが閉じている場合には、ステップＳ５において温度調節用ガス調節バルブを開けた後、ステップＳ６においてそれぞれの箇所の温度を再び測定して、ステップＳ７において上記温度差の減少が認められるまで、ステップ２〜５を繰り返し、上記ステップＳ４において温度調節用ガス調節バルブが開いている場合には、ステップＳ８において発電用ガス調節バルブを閉じた後、ステップＳ６に進む。

上記ステップＳ３，９において熱容量の大きい部分の温度が高く且つ発電用ガス調節バルブが閉じている場合には、ステップＳ１０において発電用ガス調節バルブを開いた後、ステップＳ６に進み、一方、ステップＳ３，９において熱容量の大きい部分の温度が高く且つ発電用ガス調節バルブが開いている場合には、ステップＳ１１において温度調節用ガス調節バルブを閉じた後、ステップＳ６に進む。

また、ステップＳ２において中心部分と外周部分との温度差が設定値以上ではなく且つステップＳ１２において発電用ガス調節バルブ及び温度調節用ガス調節バルブがともに開いている場合には、そのままステップＳ２に戻り、一方、ステップＳ１２において発電用ガス調節バルブ及び温度調節用ガス調節バルブのうちのいずれかが閉じている場合には、ステップＳ１３において閉じているバルブを開けた後ステップＳ２に戻る。

このように、熱容量の大きい部分（中心部分）と小さい部分（外周部分）との温度差に応じて発電用ガス調節バルブ及び温度調節用ガス調節バルブの各開度調整を行って、発電用ガスの流量及び熱容量の大きい部位に流がす温度調節専用の加熱ガス又は冷却ガスの流量をコントロールすれば、温度分布の均一化が図られることとなり、加えて、起動及び停止時間の短縮化が図られるので、とくに車載用の燃料電池スタック構造体としてふさわしい。

また、本発明において、ガス流路と接続して固体電解質型燃料電池の空間内に発電用ガスを導入するガス導入口と、上記空間からガスを排出するガス排出口と、温度調節用ガス流路とを互いに隣接した状態で環状に配置した構成とすることができ、この際、ガス導入口，ガス排出口及び温度調節用ガス流路の隣接パターンはとくに限定しない。

さらに、本発明において、ガス流路と接続して固体電解質型燃料電池の空間内に発電用ガスを導入するガス導入口及び上記空間からガスを排出するガス排出口を環状に配置すると共に、環状に配置したガス導入口及びガス排出口の内側に温度調節用ガス流路を配置した構成とすることが可能であり、この際、環状に配置したガス導入口及びガス排出口の内側とは、円盤状をなす固体電解質型燃料電池の中心から環状に配置したガス導入口及びガス排出口までの領域のことを指し、温度調節用ガス流路は、ガス導入口及びガス排出口の内側の少なくとも一部に配置されていればよく、とくに配置部位は限定しない。

このような環状に配置したガス導入口及びガス排出口の内側の一部分に温度調節用ガス流路を配置した構成は、上記した円盤状を成す固体電解質型燃料電池を複数積層して成る燃料電池スタック構造体、すなわち、中心部分に、積層した固体電解質型燃料電池同士を締め付けるボルトが位置していたり、燃料ガス又は空気ガスのガス流路が形成されていたりする燃料電池スタック構造体に採用するのに好適である。

一方、本発明において、環状に配置したガス導入口及びガス排出口の内側の全体に温度調節用ガス流路を配置した構成は、積層した固体電解質型燃料電池同士が接着剤などで接着されていて締め付けボルトが中心部分になく、しかも、燃料ガス又は空気ガスのガス流路が中心部分以外に形成されている燃料電池スタック構造体に採用するのに好適である。

さらにまた、本発明において、温度調節に用いる加熱用の高温ガスとして、燃料ガスの燃焼により生じた高温の燃焼排ガスを使用することができる、すなわち、燃料ガスを燃焼させて生じた高温の燃焼排ガスを温度調節用ガス流路に流す燃焼器を備えている構成とすることができ、電気や燃料ガス以外のガスを使用せずに、高温のガスが得られる。ただし、固体電解質型燃料電池の内部に酸化ガスが流入することになるので、内部が燃料極の場合は、燃料極や集電体やセパレータ内部のコーティングなどの酸化に注意する必要がある。

さらにまた、本発明において、温度調節用ガス流路に結合するガス配管に設置して温度調節用ガス流路に流すガスを加熱する電気的加熱機構を備えている構成とすることができ、具体的には、ガス流路に結合するガス配管の外側に抵抗線又は電気ヒーターを巻くことで高温ガスを得る。この場合も、加熱用のガスは、酸化剤ガス及び燃料ガスのどちらでもよく、固体電解質型燃料電池の内部が燃料極であり、還元性のガスを流入させて昇温したい場合に適当である。

さらにまた、本発明において、燃料ガスと空気ガスとを燃焼器に入れて燃焼させることにより熱を生じさせ、これを熱媒として熱交換器で温度調節用ガス流路に流すガスを加熱して、スタック構造体昇温用の高温ガスとする構成、すなわち、燃料ガスを燃焼させる燃焼器と、この燃焼器で生じた燃焼熱で温度調節用ガス流路に流すガスを加熱する熱交換器を備えている構成を採用することができる。

この構成を採用した場合には、燃料ガス以外のガスや電気を使用せずに高温のガスが得られる。この際、加熱用のガスは、酸化剤ガス及び燃料ガスのどちらでもよく、固体電解質型燃料電池の内部が燃料極であり、還元性のガスを流入させて昇温したい場合に適当である。

さらにまた、本発明において、温度調節に用いる冷却用の低温ガスとして、放熱器における空気又は水との熱交換により冷却されたガスを用いる構成、すなわち、温度調節用ガス流路を循環流路とし、この温度調節用ガス流路に、空気又は水との熱交換により低温ガスを得る放熱器を設けた構成を採用することができる。

例えば、熱容量が小さく且つ受熱面積が大きい、全体で放熱器として機能する自動車用ラジエータのような循環流路を温度調節用ガス流路としたり、このような構造の放熱器を循環流路に設置して温度調節用のガス流路としたりすることができ、この構成を採用すると、冷凍器やペルチェなどの冷却素子を採用した場合と比較して、消費電力が少なく抑えられることとなる。

さらにまた、本発明の燃料電池スタック構造体において、固体電解質型燃料電池のセパレータ及びこれを貫通するガス流路をＮｉ又はＦｅを主成分とし且つＣｒを含有する耐熱合金材料により形成した構成とすることができ、この構成を採用すると、固体電解質型燃料電池の長期耐久性を確保し得ることとなる。

材料としては、動作温度が４００℃以上の高い単セルを搭載した固体電解質型燃料電池では、ＳＵＳ３１６ＬやＳＵＳ４３０、ＺＭＧ、ＦｅＣｒＷなどのＦｅ−Ｃｒ系の合金を用いることがのぞましい。インコネルなどのＮｉ系合金も利用可能だが、セパレータに固定する単セルの材料との熱膨張係数のミスマッチが少なくなるような材料を選ぶ必要がある。

さらにまた、本発明の燃料電池スタック構造体において、固体電解質型燃料電池の熱容量の小さい部分での板厚の増加は、重量や熱容量の増加につながるころから、なるべく薄いことが望ましい。しかし、薄すぎると強度が低下して、セルの保持に支障をきたすことから、固体電解質型燃料電池の熱容量の小さい部分を厚さ０．０５〜０．５ｍｍの圧延薄板で形成した構成とすることが望ましい。

このような構成とすることで、昇温速度を高くすることが可能であり、加熱された中心部分からの熱伝達がよく、中心部分の温度変化に追従した昇温も可能であり、軽量化をも実現可能で車載用に適当である。

さらにまた、本発明の燃料電池スタック構造体において、固体電解質型燃料電池の熱容量の小さい部分に固体酸化物型の単セルを搭載した構成とすることができ、この場合には、起動及び停止時の熱衝撃に強く、構造耐久性も高いことから、車載にふさわしいものとなる。

なお、単セルは電極支持型でも電解質支持型でも構わない。単セルの形状は、セパレータの熱容量の小さい部分に入る寸法であれば不問である。金属製のセパレータであるため、動作温度は７００℃以下が望ましい。

以下、本発明を実施例により更に詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

図１〜図５は、本発明の燃料電池スタック構造体の一実施例を示しており、図１に示すように、この燃料電池スタック構造体１は、１０枚の固体電解質型燃料電池１０を積層して成っている。重なり合う固体電解質型燃料電池１０同士は、アルミナが主成分のセラミック接着剤によって接合してあって、この際、両者間のガスシール及び絶縁性も確保しており、この燃料電池スタック構造体１では、固体電解質型燃料電池１０の内部に燃料ガスを導入し、固体電解質型燃料電池１０の外部に空気ガスを流すことにより発電するようになっている。

固体電解質型燃料電池１０は、図２に示すように、複数個の単セル１１と、円形の金属薄板状を成し且つ中心部分にガス導入孔１２ａ及びガス排出孔１２ｂを有すると共に上記単セル１１を取付けた一方のセパレータ１２と、この一方のセパレータ１２と同じく円形の金属薄板状を成し且つ中心部分にガス導入孔１３ａ及びガス排出孔１３ｂを有する他方のセパレータ１３を備えており、両セパレータ１２，１３は、互いに対向した状態で各々の周縁部同士を接合するようにしてある。

この場合、両セパレータ１２，１３の各中央部分には、両セパレータ１２，１３間に形成される空間Ｓ内に対するガス供給及びガス排出を行う中央流路部品１４が設けてあり、この中央流路部品１４は、一方のセパレータ１２のガス排出孔１２ｂと連通するガス排出口１５ｂを有するガス排出部１５及び他方のセパレータ１３のガス導入孔１３ａと連通するガス導入口１６ａを有するガス導入部１６同士を接合して成っている。

この実施例において、円形の金属薄板状を成すセパレータ１２，１３には、外径１２０ｍｍ、肉厚が０．１ｍｍのＳＵＳ４３０を用い、この圧延板にプレス加工を行ってダイヤフラム状に形成した。また、中央流路部品１４のガス排出部１５及びガス導入部１６にもＳＵＳ４３０を用い、エッチング又はＭＩＭによりガス排出口１５ｂガス導入口１６ａを形成した。これらのガス排出部１５及びガス導入部１６は、いずれも拡散接合によってセパレータ１２，１３に接合した。さらに、単セル１１は、一方の電極を外部に露出させた状態で一方のセパレータ１２に固定してある。

この燃料電池スタック構造体１において、図３に示すように、固体電解質型燃料電池１０を積層することで中心に形成される発電用ガスのガス流路２の上端には、フランジ３Ｕを介して供給側ガス配管４が接続してあり、この供給側ガス配管４には、発電用ガスの流量を制御する発電用ガス調節バルブ２０が設けてある。

また、この燃料電池スタック構造体１において、熱容量の大きいガス流路２が位置する中心部分には、温度調節専用の加熱ガスを流す温度調節用ガス流路５が設けてある（図１，２では省略）。この温度調節用ガス流路５は、図４にも示すように、ガス流路２の周囲の４箇所にほぼ９０°の間隔をおいて配置してあり、これらの温度調節用ガス流路５は、ガス導入部１６のガス導入口１６ａ及びガス排出部１５のガス排出口１５ｂとともに環状を成すようにして、互いに隣接した状態で配置してある。

上記温度調節用ガス流路５は、フランジ３Ｕを介して分岐ガス配管６と接続しており、この分岐ガス配管６には、温度調節用ガスの流量を制御する温度調節用ガス調節バルブ２１が設けてある。

さらに、この燃料電池スタック構造体１は、固体電解質型燃料電池１０内の熱容量の大きい中心部分１０ａと小さい外周部分１０ｂとの２箇所にステンレスパテで接着した温度測定手段としてのシース熱電対３２と、このシース熱電対３２と接続して電位差を温度に変換する制御部３３と、この制御部３３からの指令を受けて発電用ガス調節バルブ２０や温度調節用ガス調節バルブ２１を作動させるバルブコントローラ３４を備えており、シース熱電対３２から得たデータに基づいて、発電用ガス調節バルブ２０及び温度調節用ガス調節バルブ２１を作動させて、発電用ガスの流量を調整すると共に熱容量の大きい中心部分１０ａに流がす温度調節専用の加熱ガスの流量を調整することで、昇温時の温度分布を均一にすることができるようにしてある。

上記燃料電池スタック構造体１では、図５に示すように、燃料ガスを燃焼させる燃焼器２３Ａを備えており、この燃焼器２３Ａで燃料ガスを燃焼させて生じた高温の燃焼排ガスを供給側ガス配管４及び分岐ガス配管６を介してガス流路２及び温度調節用ガス流路５にそれぞれ流し、この実施例では、ガス排出孔１２ｂ，１３ｂ及び温度調節用ガス流路５から排出した高温ガスも循環流路２５を介して供給側ガス配管４に戻すようにしている。

この場合、上記高温ガスの循環流路２５上に設けられてバルブコントローラ３４からの指令を受けて作動する分岐バルブ２６と発電用ガス調節バルブ２０の上流側の供給側ガス配管４とを結ぶ冷却用循環流路２８が設けてあり、この冷却用循環流路２８には、空気又は水との熱交換により低温ガスを得る放熱器２９が設けてある。

上記した燃料電池スタック構造体１では、固体電解質型燃料電池１０の熱容量の大きい中心部分１０ａに、温度調節用ガス流路５を設けて、昇降温に際して、熱容量の大きい中心部分１０ａに温度調節専用の加熱ガス又は冷却ガスを流すようにしているので、熱容量の大きい部分１０ａと小さい部分１０ｂとの温度差による応力集中の発生を抑え得ることとなって、昇降温時における耐久性の向上が図られることとなる。

加えて、熱容量の大きい部分１０ａが加熱されて昇温速度が上がり、結果として、スタック構造体１全体の昇温速度が上がることとなる。また、発電用ガスを導入するガス流路２とは別の温度調節用ガス流路５を用いて温度調節専用の加熱ガス又は冷却ガスを流すので、燃料電池発電時にも、熱容量の大きな部位１０ａの温度制御を行い得ることとなる。

また、上記した燃料電池スタック構造体１では、熱容量の大きい部分１０ａと小さい部分１０ｂとの温度差に応じて発電用ガス調節バルブ２０及び温度調節用ガス調節バルブ２１の各開度調整を行って、発電用ガスの流量及び熱容量の大きい部位１０ａに流がす温度調節専用の加熱ガス又は冷却ガスの流量をコントロールするようにしているので、温度分布の均一化が図られるのに加えて、起動及び停止時間の短縮化が図られるので、とくに車載用の燃料電池スタック構造体としてふさわしいものとなる。

上記した燃料電池スタック構造体１では、この温度調節用ガス流路５と、ガス導入部１６のガス導入口１６ａと、ガス排出部１５のガス排出口１５ｂとを環状を成すようにして、互いに隣接した状態で配置しているが、この隣接パターンは図示したものに限定されるものではない。

この際、図６に示すように、ガス導入部１６のガス導入口１６ａ及びガス排出部１５のガス排出口１５ｂを交互に環状に並べて配置すると共に、環状に配置したガス導入口１６ａ及びガス排出口１５ｂの内側に温度調節用ガス流路５を部分的に配置した構成とすることができ、このような構成は、中心部分に積層した固体電解質型燃料電池１０同士を締め付けるボルトが位置していたり、中心部分にガス流路２が形成されていたりする燃料電池スタック構造体に採用するのに好適である。

また、図７に示すように、ガス導入部１６のガス導入口１６ａ及びガス排出部１５のガス排出口１５ｂを交互に環状に並べて配置すると共に、環状に配置したガス導入口１６ａ及びガス排出口１５ｂの内側の全体を温度調節用ガス流路５とする構成とすることができ、このような構成は、積層した固体電解質型燃料電池１０同士が接着剤などで接着されていて締め付けボルトが中心部分になく、しかも、ガス流路２が中心部分以外に形成されている燃料電池スタック構造体に採用するのに好適である。

上記した燃料電池スタック構造体１では、燃料ガスを燃焼させて生じた高温の燃焼排ガスを供給側ガス配管４及び分岐ガス配管６を介してガス流路２及び温度調節用ガス流路５にそれぞれ流す燃焼器２３Ａを備えた構成としているので、この燃焼器２３Ａで発生した高温の燃焼排ガスをそのまま加熱用のガスとして使用することになり、電気や燃料ガス以外のガスを用いずに高温のガスが得られる。ただし、固体電解質型燃料電池１０の内部に酸化ガスが流入することになるので、内部が燃料極の場合は、燃料極や集電体やセパレータ内部のコーティングなどの酸化に注意する必要がある。

このように、上記燃料電池スタック構造体１では、燃焼器２３Ａを備えた構成を採用しているが、加熱用ガスの他の生成手段として、図８に示すように、燃料ガスを燃焼させる燃焼器２３で生じた燃焼熱でガス流路２及び温度調節用ガス流路５にそれぞれ流すガスを加熱して高温ガスとする熱交換器２４を備えた構成や、図９に示すように、ガス流路２及び温度調節用ガス流路５に接続する供給側ガス配管４の外側に抵抗線や電気ヒーターなどの電気的加熱機構２７を設けた構成を適宜採用することができる。

前者の構成を用いると、燃料ガス以外のガスや電気を使用せずに高温のガスが得られることとなる。この際、加熱用のガスは、酸化剤ガス及び燃料ガスのどちらでもよく、固体電解質型燃料電池１０の内部が燃料極であり、還元性のガスを流入させて昇温したい場合に適当である。

一方、後者の構成を用いると、加熱用のガスは、酸化剤ガス及び燃料ガスのどちらでもよいこととなり、固体電解質型燃料電池１０の内部が燃料極であり、還元性のガスを流入させて昇温したい場合に適当である。

本発明の燃料電池スタック構造体の一実施例を示す全体斜視説明図である。（実施例１） 図１の燃料電池スタック構造体を構成する固体電解質型燃料電池の分解斜視説明図である。（実施例１） 図１の燃料電池スタック構造体の図１のａ−ａ線位置に基づく断面説明図である。（実施例１） 図１の燃料電池スタック構造体における温度調節用ガス流路とガス導入口とガス排出口の一配置例を示すレイアウト説明図である。（実施例１） 図１の燃料電池スタック構造体に対する加熱ガスの流路を示す配管説明図である。（実施例１） 図１の燃料電池スタック構造体における温度調節用ガス流路とガス導入口とガス排出口の他の配置例を示すレイアウト説明図である。 図１の燃料電池スタック構造体における温度調節用ガス流路とガス導入口とガス排出口のさらに他の配置例を示すレイアウト説明図である。 図１の燃料電池スタック構造体に対する加熱ガスの他の流路を示す配管説明図である。 図１の燃料電池スタック構造体に対する加熱ガスのさらに他の流路を示す配管説明図である。 図１の燃料電池スタック構造体における昇降温時の温度分布制御のフローチャートである。 優先的に加熱を行わない燃料電池スタック構造体の図１のａ−ａ線相当位置に基づく断面説明図である。 優先的に加熱を行わない燃料電池スタック構造体の図１のｂ−ｂ線相当位置に基づく断面説明図である。

符号の説明

１ 燃料電池スタック構造体
２ ガス流路
４ ガス配管
５ 温度調節用ガス流路
１０ 固体電解質型燃料電池
１０ａ 熱容量の大きい中央部分
１０ｂ 熱容量の小さい外周部分
１１ 単セル
１２ 一方のセパレータ
１３ 他方のセパレータ
１５ｂ ガス排出口
１６ａ ガス導入口
２０ 発電用ガス調節
２１ 温度調節用ガス調節バルブ
２２
２３，２３Ａ 燃焼器
２４ 熱交換器
２７ ヒーター（電気的加熱機構）
２９ 放熱器
３２ 熱電対（温度測定手段）
３３ 制御部
Ｓ 空間

Claims (22)

1. 燃料極層，固体電解質層及び空気極層を積層して成る単セルを備えた燃料電池スタック構造体の温度制御方法であって、上記単セルの燃料極層側及び空気極層側に発電用ガスを導入して発電を行うに際して、温度分布を均一にすべく、熱容量の大きな部位に温度調節専用の加熱ガス又は冷却ガスを流すことを特徴とする燃料電池スタック構造体の温度制御方法。
2. 金属薄板より成るセパレータで囲まれた空間内に収容されて一方の面を外部に露出させた単セルを備えると共に発電用ガスを導入するガス流路を具備した固体電解質型燃料電池を複数積層して成る燃料電池スタック構造体の温度制御方法であって、上記固体電解質型燃料電池の各空間に発電用ガスを導入して発電を行うに際して、温度分布を均一にすべく、熱容量の大きな部位に温度調節専用の加熱ガス又は冷却ガスを流すことを特徴とする燃料電池スタック構造体の温度制御方法。
3. 金属薄板より成る円盤状のセパレータで囲まれた空間内に収容されて一方の面を外部に露出させた単セルを備えると共に中心部分に位置して発電用ガスを導入するガス流路を具備した固体電解質型燃料電池を複数積層して成る燃料電池スタック構造体の温度制御方法であって、上記ガス流路を通して上記固体電解質型燃料電池の各空間に発電用ガスを導入して発電を行うに際して、温度分布を均一にすべく、上記固体電解質型燃料電池の熱容量の大きい中心部分に温度調節専用の加熱ガス又は冷却ガスを流すことを特徴とする燃料電池スタック構造体の温度制御方法。
4. 熱容量の大きい中心部分の温度及び熱容量の小さい外周部分の温度をそれぞれ測定し、両部分の温度差に基づいて、温度分布を均一にすべく、発電用ガスの流量を調整すると共に熱容量の大きい中心部分に流がす温度調節専用の加熱ガス又は冷却ガスの流量を調整する請求項３に記載の燃料電池スタック構造体の温度制御方法。
5. 温度調節に用いる加熱用の高温ガスとして、燃料ガスの燃焼により生じた高温の燃焼排ガスを用いる請求項１〜４のいずれか一つの項に記載の燃料電池スタック構造体の温度制御方法。
6. 温度調節に用いる加熱用の高温ガスとして、上記ガス流路に結合するガス配管に設置した電気的加熱機構により加熱されたガスを用いる請求項１〜４のいずれか一つの項に記載の燃料電池スタック構造体の温度制御方法。
7. 温度調節に用いる加熱用の高温ガスとして、燃料ガスを燃焼させて生じた燃焼熱を利用した熱交換により加熱されたガスを用いる請求項１〜４のいずれか一つの項に記載の燃料電池スタック構造体の温度制御方法。
8. 温度調節に用いる冷却用の低温ガスとして、放熱器における空気又は水との熱交換により冷却されたガスを用いる請求項１〜７のいずれか一つの項に記載の燃料電池スタック構造体の温度制御方法。
9. 燃料極層，固体電解質層及び空気極層を積層して成る単セルを備えた燃料電池スタック構造体において、熱容量の大きな部位に、温度調節専用の加熱ガス又は冷却ガスを流す温度調節用ガス流路を設けたことを特徴とする燃料電池スタック構造体。
10. 金属薄板より成るセパレータで囲まれた空間内に収容されて一方の面を外部に露出させた単セルを備えると共に発電用ガスを導入するガス流路を具備した固体電解質型燃料電池を複数積層して成る燃料電池スタック構造体において、熱容量の大きな部位に、温度調節専用の加熱ガス又は冷却ガスを流す温度調節用ガス流路を設けたことを特徴とする燃料電池スタック構造体。
11. 金属薄板より成る円盤状のセパレータで囲まれた空間内に収容されて一方の面を外部に露出させた単セルを備えると共に中心部分に位置して発電用ガスを導入するガス流路を具備した固体電解質型燃料電池を複数積層して成る燃料電池スタック構造体において、上記固体電解質型燃料電池の熱容量の大きい中心部分に、温度調節専用の加熱ガス又は冷却ガスを流す温度調節用ガス流路を設けたことを特徴とする燃料電池スタック構造体。
12. 熱容量の異なる複数の部位に設置した温度測定手段と、ガス流路に流す発電用ガスの流量を調節する発電用ガス調節バルブと、温度調節用ガス流路に流す加熱ガス又は冷却ガスの流量を調節する温度調節用ガス調節バルブと、上記温度測定手段で得た温度情報に基づいて温度分布を均一にすべく発電用ガス調節バルブ及び温度調節用ガス調節バルブを作動させて発電用ガスの流量を調整すると共に熱容量の大きい部位に流がす温度調節専用の加熱ガス又は冷却ガスの流量を調整する制御部を備えている請求項１０又は１１に記載の燃料電池スタック構造体。
13. 熱容量の大きい中心部分及び熱容量の小さい外周部分の２箇所に温度測定手段を設置した請求項１２に記載の燃料電池スタック構造体。
14. ガス流路と接続して固体電解質型燃料電池の空間内に発電用ガスを導入するガス導入口と、上記空間からガスを排出するガス排出口と、温度調節用ガス流路とを互いに隣接した状態で環状に配置した請求項１１〜１３のいずれか一つの項に記載の燃料電池スタック構造体。
15. ガス流路と接続して固体電解質型燃料電池の空間内に発電用ガスを導入するガス導入口及び上記空間からガスを排出するガス排出口を環状に配置すると共に、環状に配置したガス導入口及びガス排出口の内側に温度調節用ガス流路を配置した請求項１１〜１３のいずれか一つの項に記載の燃料電池スタック構造体。
16. 環状に配置したガス導入口及びガス排出口の内側の一部分に温度調節用ガス流路を配置した請求項１５に記載の燃料電池スタック構造体。
17. 環状に配置したガス導入口及びガス排出口の内側の全体に温度調節用ガス流路を配置した請求項１５に記載の燃料電池スタック構造体。
18. 燃料ガスを燃焼させて生じた高温の燃焼排ガスを温度調節用ガス流路に流す燃焼器を備えている請求項９〜１７のいずれか一つの項に記載の燃料電池スタック構造体。
19. 温度調節用ガス流路に結合するガス配管に設置して温度調節用ガス流路に流すガスを加熱する電気的加熱機構を備えている請求項９〜１７のいずれか一つの項に記載の燃料電池スタック構造体。
20. 燃料ガスを燃焼させる燃焼器と、この燃焼器で生じた燃焼熱で温度調節用ガス流路に流すガスを加熱する熱交換器を備えている請求項９〜１７のいずれか一つの項に記載の燃料電池スタック構造体。
21. 温度調節用ガス流路を循環流路とし、この温度調節用ガス流路に、空気又は水との熱交換により低温ガスを得る放熱器を設けた請求項９〜１７のいずれか一つの項に記載の燃料電池スタック構造体。
22. 固体電解質型燃料電池の熱容量の小さい部分に固体酸化物型の単セルを搭載した請求項１０〜２１のいずれか一つの項に記載の燃料電池スタック構造体。

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