JP2008117736A - 平板型燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】性能を十分に引き出すことができる平板型燃料電池を提供する。
【解決手段】燃料供給マニホールド１０の断面積に対する燃料供給経路５ｂの断面積の比率を示す第１の比率、および、空気供給マニホールド１２の断面積に対する空気供給経路６ｂの断面積の比率を示す第２の比率を、燃料供給マニホールド１０および空気供給マニホールド１２の圧力損失、並びに、各セルに供給される燃料および酸化剤のばらつきに基づいて設定する。これにより、第１の比率と第２の比率とが最適化され、燃料ガスと酸化剤ガスとが十分に反応するので、結果として、平板型燃料電池の性能を十分に引き出すことができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、平板型の単セルとセパレータとを交互に積層して形成する平板型燃料電池に関するものである。

平板型燃料電池は、平板からなる電解質層と、この電解質層の表裏面にそれぞれ形成した空気極および燃料極とで単セルを形成し、燃料極と空気極に燃料ガスと酸化剤ガスをそれぞれ給排気する通路を有するセパレータと単セルとを交互に複数個積層して電気的に直列に接続することにより燃料電池セルスタックを形成し、上記通路を介して各単セルの各極に燃料ガスと酸化剤ガスを供給することにより発電を行うようにした燃料電池である。このような従来の平板型燃料電池スタックを図４に示す（例えば、非特許文献１参照。）。

図４に示すように、平板型燃料電池スタックは、平板からなる電解質１、この電解質の一方の面に形成された平板からなる燃料極２、および電解質１の他方の面に形成された平板からなる空気極３から構成された燃料極支持型の単セル４と、これを挟み込んだ状態で介装するそれぞれ平面視略矩形の燃料極セパレータ５および空気極セパレータ６と、燃料極セパレータ５の単セル４と反対側の面に設けられた燃料極インターコネクタ７と、空気極セパレータ６の単セル４と反対側の面に設けられた空気極インターコネクタ８とを備え、これらを１組とするセルを複数組重ねて設けた構造を有する。燃料極セパレータ５、空気極セパレータ６、燃料極インターコネクタ７および空気極インターコネクタ８には、単セル４の積層方向に沿った略円形断面を有する貫通孔が形成されており、これらの貫通孔と燃料極セパレータ５および空気極セパレータ６との間に配設されたマニホールド部材９とにより、燃料供給マニホールド２０、一対の燃料排出マニホールド２１および空気供給マニホールド２２とが構成される。

単セル４は、セルホルダ１３により燃料極セパレータ５と空気極セパレータ６との間の所定の位置に配設され、燃料極２側が燃料極セパレータ５により空気極３側が空気極セパレータ６によりそれぞれ電解質１側に押圧されて保持される。電解質１およびセルホルダ１３と空気極セパレータ６との間には、シール部材１４が設けられる。

燃料極セパレータ５には、燃料極２と対向する位置に形成され燃料ガスを燃料極２に一様に供給するための流路を有する燃料流路５ａと、この燃料流路５ａと燃料供給マニホールド２０とを連通する流路からなる燃料供給経路５ｂと、燃料流路５ａと燃料排出マニホールド２１とを連通する流路からなる燃料排出経路５ｃとが形成されている。

空気極セパレータ６には、空気極３と対向する位置に形成され酸化剤ガスを空気極３に一様に供給するための流路を有する空気流路６ａと、この空気流路６ａと空気供給マニホールド２２とを連通する流路からなる空気供給経路６ｂとが形成されている。

平板型燃料電池スタックは、次のように動作する。まず、水素等の燃料ガスＧ１は、燃料供給マニホールド２０から燃料供給経路５ｂを通って燃料流路５ａから燃料極２に供給される。一方、空気等の酸化剤ガスＧ２は、空気供給マニホールド２２から空気供給経路６ｂを通って空気流路６ａから空気極３に供給される。このように燃料ガスＧ１および酸化剤ガスＧ２を所定の温度下において単セル４に供給することにより、燃料極２と空気極３との間に起電力を発生させることができる。燃料極２で未反応の燃料ガスＧ３は、燃料流路５ａから燃料排出経路５ｃを通って燃料排出マニホールド２１から排出される。一方、空気極３で未反応の酸化剤ガスは、空気流路６ａから外部に放出される。

このような平板型燃料電池スタックにおいて、空気供給マニホールド２２は、酸化剤ガスＧ２の方が燃料ガスＧ１よりも消費量が大量なので、図４（ａ）に示すように、燃料供給マニホールド２０よりも大きな断面積を有するように形成されている。これにより、酸化剤ガスＧ２を大量に供給することができる。

田川博章、「固体酸化物燃料電池と地球環境」、アグネ承風社、１９９８年６月、ｐ２７１−２７２

しかしながら、従来では、マニホールドの断面積については最適化が検討されていたものの、セパレータに形成された供給経路については最適化が検討されていなかったため、平板型燃料電池スタックの性能を十分に引き出すことができなかった。

例えば、マニホールドの断面積を一定にした場合、供給経路の断面積を大きくすればマニホールドで圧力損失は小さくなるが、ガス分配の均一性が崩れて燃料ガスと酸化剤ガスとが十分に反応しないために所望の出力が得られず、平板型燃料電池の性能が大きく低下する。逆に、供給経路の断面積を小さくすれば、ガス分配の均一性はよくなるが、マニホールドでの圧力損失が大きくなりガスコンプレッサの消費電力が大きくなり平板型燃料電池システムの出力が低下する。

また、従来では、空気供給マニホールド２２の断面積を他のマニホールドの断面積より大きくしているので、図４（ａ）に示すように、セパレータの中心に対するマニホールドや単セルの位置が偏っているため、平板型燃料電池スタックにかける荷重や温度分布に偏りが生じ、燃料ガスと酸化剤ガスとが十分に反応しないために所望の出力が得られず、平板型燃料電池スタックの性能を十分に引き出すことができなかった。

そこで、本願発明は、性能を十分に引き出すことができる平板型燃料電池を提供することを目的とする。

上述したような課題を解決するために、本発明に係る平板型燃料電池は、燃料極、空気極および電解質から構成される平板型の単セルと、この単セルを収容し、燃料極に燃料を供給する燃料供給経路および空気極に酸化剤を供給する空気供給経路を備えた収容部材と、燃料供給経路に燃料を供給する燃料供給マニホールドと、空気供給経路に酸化剤を供給する空気供給マニホールドとを備えた平板型燃料電池であって、燃料供給経路の断面積に対する燃料供給マニホールドの断面積の比率を表す第１の値と、空気供給経路の断面積に対する空気供給マニホールドの断面積の比率を表す第２の値とは、燃料供給マニホールドおよび空気供給マニホールドの圧力損失、並びに、各単セルに供給される燃料および酸化剤のばらつきに基づいて設定されていることを特徴とする。

上記平板型燃料電池において、第１の値は、０．０１５以上０．０５以下とし、第２の値は、０．０３以上０．１０以下とするようにしてもよい。

上記平板型燃料電池において、少なくとも燃料供給マニホールドおよび空気マニホールドを含む複数のマニホールドは、単セルの中心に対して等距離に配設されるようにしてもよい。ここで、複数のマニホールドは、互いに断面積が等しいようしてもよい。また、マニホールドは、隣り合う他のマニホールドと等間隔離間して配設されるようにしてもよい。また、燃料供給マニホールドと空気マニホールドとは、単セルの中心に対して点対称に配設されるようにしてもよい。また、収容部材は、燃料極で未反応の燃料を排出する燃料排出経路をさらに備え、燃料供給マニホールドおよび空気供給マニホールド以外のマニホールドは、燃料排出経路に接続されるようにしてもよい。

本発明によれば、燃料供給経路の断面積に対する燃料供給マニホールドの断面積の比率を表す第１の値と、空気供給経路の断面積に対する空気供給マニホールドの断面積の比率を表す第２の値とが、燃料供給マニホールドおよび空気供給マニホールドの圧力損失、並びに、各単セルに供給される燃料および酸化剤のばらつきに基づいて設定することにより、第１の値と第２の値とを最適化することが可能となり、燃料ガスと酸化剤ガスとが十分に反応するので、結果として、平板型燃料電池の性能を十分に引き出すことができる。

また、本発明によれば、各マニホールドを単セルの中心に対して等距離に配設したり、各マニホールドの断面積を等しく形成したり、各マニホールドを隣り合う他のマニホールドと等間隔離間して配設したり、燃料供給マニホールドと空気マニホールドとを単セルの中心に対して点対称に配設したりすることにより、マニホールドを対称性良く配置することが可能となり、平板型燃料電池にかける荷重や温度分布に偏りが生じないので燃料ガスと酸化剤ガスとが十分に反応するため、結果として、平板型燃料電池の性能を十分に引き出すことができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について詳細に説明する。本実施の形態に係る平板型燃料電池スタックは、従来の平板型燃料電池スタックにおける燃料供給マニホールドの断面積と燃料供給経路の断面積の比率、および空気供給マニホールドの断面積と空気供給経路の断面積の比率について最適化を図ったものである。したがって、図４を参照して説明した従来の平板型燃料電池スタックと同等の構成要素については、同じ名称および符号を付して適宜説明を省略する。

［平板型燃料電池スタックの構成］
図１に示すように、本実施の形態に係る平板型燃料電池スタックは、平板からなる電解質１、この電解質の一方の面に形成された平板からなる燃料極２、および電解質１の他方の面に形成された平板からなる空気極３から構成された燃料極支持型の単セル４と、これを挟み込んだ状態で介装する燃料極セパレータ５および空気極セパレータ６とを備え、これらを１組として燃料極インターコネクタ７および空気極インターコネクタ８を介して複数組重ねて設けた構造を有する。ここで、燃料極セパレータ５および空気極セパレータ６は、それぞれ平面視略矩形の板の形状を有し、それぞれの重心と単セル４の中心とが一致するように、単セル４を内装する。これにより、単セル４は、単セル４の積層方向から見た場合、燃料極セパレータ５および空気極セパレータ６の略中央部に位置することとなる。

燃料極セパレータ５、空気極セパレータ６、燃料極インターコネクタ７および空気極インターコネクタ８には、単セル４の積層方向に沿った略円形断面を有する貫通孔が形成されており、これらの貫通孔と燃料極セパレータ５および空気極セパレータ６との間に配設されたマニホールド部材９とにより、燃料供給マニホールド１０、一対の燃料排出マニホールド１１および空気供給マニホールド１２とが構成される。

ここで、燃料供給マニホールド１０、燃料排出マニホールド１１、および、空気供給マニホールド１２は、それぞれ略円形の断面形状を有し、その断面積がそれぞれ等しく形成されている。また、燃料供給マニホールド１０と空気供給マニホールド１２とは、平面視略円形の単セル４の中心に対して点対称に配設される。同様に、一対の燃料排出マニホールド１１も、上記単セル４の中心に対して点対称に配設される。また、燃料供給マニホールド１０、燃料排出マニホールド１１、および空気供給マニホールド１２は、断面の中心と単セル４の中心との距離、および隣り合うマニホールドとの間隔が等しく形成されている。本実施の形態では、上記単セル４の中心と隣り合うマニホールドの断面の中心とで構成される角度が９０°に設定されている。

（燃料極セパレータの構成）
燃料極セパレータ５は、燃料極２と対向する位置に形成され燃料ガスを燃料極２に一様に供給するための流路を有する燃料流路５ａと、この燃料流路５ａと燃料供給マニホールド１０とを連通する流路からなる燃料供給経路５ｂと、燃料流路５ａと燃料排出マニホールド１１とを連通する流路からなる燃料排出経路５ｃとを備えている。

ここで、燃料極セパレータ５に形成された燃料供給経路５ｂは、略矩形または略円形の断面形状を有し、燃料供給マニホールド１０の断面積に対する当該燃料供給経路５ｂの断面積の比率（以下、「第１の比率」という）が、０．０１５以上０．０５以下、望ましくは０．０１５以上０．０２以下に設定されている。これについて、図２を参照して説明する。なお、燃料供給経路５ｂの断面積とは、軸線が燃料供給マニホールド１０の軸線と略直交するように形成された流路の断面の面積、具体的には当該流路における燃料ガスの流通方向に対して垂直方向の面積のことを意味する。また、燃料供給マニホールド１０の断面積とは、燃料ガスの流通方向に対して垂直な方向の面積、言い換えると図１（ａ）に示す略円形の面積を表す。

図２は、４０のセルを積層した平板型燃料電池スタックにおいて、第１の比率と、圧力損失（図２中の実線）および各セルへの燃料供給量のばらつき（図２中の点線）との関係を表している。図２に示すように、第１の比率が０．０１５より小さくなると、各セルへの燃料供給量のばらつきが小さくならないが、圧力損失が急激に大きくなる。また、第１の比率を０．０５より大きくすると、圧力損失は殆ど小さくならないが、燃料供給量のばらつきは徐々に大きくなる。したがって、第１の比率は、０．０１５以上０．０５以下、望ましくは０．０１５以上０．０２以下に設定する。これにより、圧力損失を抑えつつ、かつ、燃料を均一に分配することが可能となり、結果として、平板型燃料電池スタックの性能を向上させることができる。

（空気極セパレータの構成）
空気極セパレータ６は、空気極３と対向する位置に形成され酸化剤ガスを空気極３に一様に供給するための流路を有する空気流路６ａと、この空気流路６ａと空気供給マニホールド１２とを連通する流路からなる空気供給経路６ｂとを備えている。

ここで、空気極セパレータ６に形成された空気供給経路６ｂの断面積は、略矩形または略円形の断面形状を有し、空気供給マニホールド１２の断面積に対する当該空気供給経路６ｂの断面積の比率（以下、「第２の比率」という）が、０．０３以上０．１０以下、望ましくは０．０４以上０．０６以下に設定される。これについて、図３を参照して説明する。なお、空気供給経路６ｂの断面積とは、軸線が空気供給マニホールド１２の軸線と略直交するように形成された流路の断面の面積、具体的には当該流路における酸化剤ガスの流通方向に対して垂直方向の面積のことを意味する。また、空気供給マニホールド１２の断面積とは、酸化剤ガスの流通方向に対して垂直な方向の面積、言い換えると図１（ａ）に示す略円形の面積を表す。

図３は、４０のセルを積層した平板型燃料電池スタックにおいて、第２の比率と、圧力損失（図３中の実線）および各セルへの燃料供給量のばらつき（図３中の点線）との関係を表している。図３に示すように、第２の比率が０．０３より小さくなると、各セルへの空気供給量のばらつきが小さくならないが、圧力損失が急激に大きくなる。また、第２の比率を０．１０より大きくすると、圧力損失は殆ど小さくならないが、空気供給量のばらつきは徐々に大きくなる。したがって、第２の比率は、０．０３以上０．１０以下、望ましくは０．０４以上０．０６以下に設定する。これにより、圧力損失を抑えつつ、かつ、燃料を均一に分配することが可能となり、結果として、平板型燃料電池スタックの性能を向上させることができる。

［平板型燃料電池スタックの動作］
このような本実施の形態に係る平板型燃料電池スタックは、次のように動作する。

まず、水素等の燃料ガスＧ１は、燃料供給マニホールド１０から燃料供給経路５ｂを通って燃料流路５ａから燃料極２に供給される。このとき、燃料供給マニホールド１０の断面積に対する燃料供給経路５ｂの断面積の比率を示す第１の比率は、上述したように０．０１５以上０．０５以下に設定されている。これにより、燃料ガスＧ１は、圧力損失が抑えられるとともに、平板型燃料電池スタックの各セルに均一に分配される。

一方、空気等の酸化剤ガスＧ２は、空気供給マニホールド１２から空気供給経路６ｂを通って空気流路６ａから空気極３に供給される。このとき、空気供給マニホールド１２の断面積に対する空気供給経路６ｂの断面積の比率を示す第２の比率は、上述したように０．０３以上０．１０以下に設定されている。これにより、酸化剤ガスＧ２は、圧力損失が抑えられるとともに、平板型燃料電池スタックの各セルに均一に分配される。

このように燃料ガスＧ１および酸化剤ガスＧ２を所定の温度下において単セル４に供給することにより、燃料極２と空気極３との間に起電力を発生させることができる。このとき、第１の比率が０．０１５以上０．０５以下、第２の比率が０．０３以上０．１０以下に設定されているので、燃料ガスＧ１および酸化剤ガスＧ２は、圧力損失が抑制されてそれぞれ各単セル４に均一に分配されて十分に反応するために所望の出力が得ることができる。結果として、平板型燃料電池スタックの性能を十分に引き出すことができる。

また、単セル４は、燃料極セパレータ５および空気極セパレータ６の略中央部に位置している。燃料供給マニホールド１０、燃料排出マニホールド１１および空気供給マニホールド１２は、それぞれ断面積が等しく、断面の中心が単セル４の中心と同心の円上に位置し、かつ、隣り合うマニホールドとの間隔が等しく形成されている。このように、本実施の形態では、燃料極セパレータ５および空気極セパレータ６に対して、単セル４が略中央部に配置され、各マニホールドが対称に設けられており、従来のように偏って配置されていない。このため、平板型燃料電池スタックの底面を固定し、上面を底面側に押下して、各セルに荷重をかけると、各セルに均等に荷重がかかるので、平板型燃料電池スタックの性能を十分に引き出すことができる。また、単セル４およびマニホールドが偏って設けられていないので、温度分布にも大きな偏りが生じるようなことがない。したがって、平板型燃料電池スタックを同一容器内に多数配置して発電を行う場合、従来の大きな温度分布の偏りが生じる平板型燃料電池スタックよりも、性能を十分に引き出すことができる。

燃料極２で未反応の燃料ガスＧ３は、燃料流路５ａから燃料排出経路５ｃを通って燃料排出マニホールド１１から排出される。一方、空気極３で未反応の酸化剤ガスは、空気流路６ａから外部に放出される。

以上説明したように、本実施の形態によれば、第１の比率および第２の比率を燃料供給マニホールド１０および空気供給マニホールド１２の圧力損失、並びに、各セルに供給される燃料および酸化剤のばらつきに基づいて設定することにより、第１の比率と第２の比率とを最適化することが可能となり、結果として、平板型燃料電池の性能を十分に引き出すことができる。

本発明は、燃料供給経路および空気供給経路が形成されたセパレータと、燃料供給経路に燃料を供給する燃料供給マニホールドと、空気供給経路に酸化剤ガスを供給する空気供給マニホールドとを備えた平板型燃料電池に適用することができる。

（ａ）は本発明の平面型燃料電池の平面図、（ｂ）は（ａ）のI-I線断面図、（ｃ）は（ａ）のII-II線断面図である。 第１の比率と圧力損失および燃料供給量のばらつきとの関係を示すグラフである。 第２の比率と圧力損失および空気供給量のばらつきとの関係を示すグラフである。 （ａ）は従来の平板型燃料電池の平面図、（ｂ）は（ａ）のIII-III線断面図、（ｃ）は（ａ）のIV-IV線断面図である。

符号の説明

１…電解質、２…燃料極、３…空気極、４…単セル、５…燃料極セパレータ、５ａ…燃料流路、５ｂ…燃料供給経路、５ｃ…燃料排出経路、６…空気極セパレータ、６ａ…空気流路、６ｂ…空気供給経路、７…燃料極インターコネクタ、８…空気極インターコネクタ、９…マニホールド部材、１０…燃料供給マニホールド、１１…燃料排出マニホールド、１２…空気供給マニホールド、１３…セルホルダ、１４…シール部材。

Claims (8)

1. 燃料極、空気極および電解質から構成される平板型の単セルと、
   この単セルを収容し、前記燃料極に燃料を供給する燃料供給流路および前記空気極に酸化剤を供給する空気供給流路を備えた収容部材と、
   前記燃料供給流路に前記燃料を供給する燃料供給マニホールドと、
   前記空気供給流路に前記酸化剤を供給する空気供給マニホールドと
   を備えた平板型燃料電池であって、
   前記燃料供給流路の断面積に対する前記燃料供給マニホールドの断面積の比率を表す第１の値と、前記空気供給流路の断面積に対する前記空気供給マニホールドの断面積の比率を表す第２の値とは、前記燃料供給マニホールドおよび前記空気供給マニホールドの圧力損失、並びに、各単セルに供給される前記燃料および前記酸化剤のばらつきに基づいて設定されている
   ことを特徴とする平板型燃料電池。
2. 前記第１の値は、０．０１５以上０．０５以下とする
   ことを特徴とする請求項１記載の平板型燃料電池。
3. 前記第２の値は、０．０３以上０．１０以下とする
   ことを特徴とする請求項１または２記載の平板型燃料電池。
4. 少なくとも前記燃料供給マニホールドおよび前記空気供給マニホールドを含む複数のマニホールドは、前記単セルの中心に対して等距離に配設される
   ことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の平板型燃料電池。
5. 前記複数のマニホールドは、互いに断面積が等しい
   ことを特徴とする請求項４記載の平板型燃料電池。
6. 前記マニホールドは、隣り合う他のマニホールドと等間隔離間して配設される
   ことを特徴とする請求項４または５記載の平板型燃料電池。
7. 前記燃料供給マニホールドと前記空気マニホールドとは、前記単セルの中心に対して点対称に配設される
   ことを特徴とする請求項４乃至６の何れか１項に記載の平板型燃料電池。
8. 前記収容部材は、前記燃料極で未反応の燃料を排出する燃料排出流路をさらに備え、
   前記燃料供給マニホールドおよび前記空気供給マニホールド以外のマニホールドは、前記燃料排出流路に接続される
   ことを特徴とする請求項請求項４乃至７の何れか１項に記載の平板型燃料電池。
   

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