JP2008276977A - 固体酸化物形燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】入力ガスを各単セルに均一に供給することができる固体酸化物形燃料電池を提供する。
【解決手段】出力側支管３２ａ〜３２ｎは、入力側支管２２ａ〜２２ｎよりも断面積を大きく形成する。これにより、入力ガスに対する抵抗値が入力側支管２２ａ〜２２ｎの方が出力側支管３２ａ〜３２ｎよりも大きなり、入力側支管２２ａ〜２２ｎに仮想的な減圧弁を設けることが可能となる。結果として、各単セルに入力ガスを均一に供給することができる。
【選択図】 図３

Description

本発明は、固体酸化物形燃料電池に関し、特に、単セルとこの単セルを収容するセパレータとから構成される単スタックを複数積層した固体酸化物形燃料電池に関するものである。

従来より、固体酸化物からなる平板状の電解質層と、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供給することにより、水の電気分解の逆の反応を利用して発電する固体酸化物形燃料電池（Solid Oxide Fuel Cells:SOFC)が知られている。このような固体酸化物形燃料電池は、高いエネルギー変換効率を有するとともに、二酸化炭素の排出を抑えた発電が行えるため、多くの研究機関で開発が盛んに行われている。

単セルを実際に燃料電池として動作させる際には、実用上十分な発電量を得るために単セルを積層して直列接続（スタック化）し、燃料極側を還元雰囲気に、空気極側を酸化雰囲気に保つとともに、十分な発電効率を得るために電解質のイオン伝導性を確保して容易に酸化還元反応が起こる６００℃以上の高温に燃料電池本体を保つ必要がある。これを実現するために、互いに異なる雰囲気に晒される燃料極と空気極間をガス不透過でかつ電気伝導性のある部品で電気的に接続し、各電極にそれぞれ燃料ガスと酸化剤ガスを適正に分配、供給する目的で各単セル間に金属またはセラミックスで作られた部品（セパレータ）が配置される。単セルと、この単セルを収容するセパレータとで構成される単スタックを積層し、当該セパレータを介してマニホールドから供給される燃料ガスおよび酸化剤ガスを各単セル供給し、上端と下端のセパレータを端子として電池回路を構成することにより、固体酸化物形燃料電池は、所定の電圧レベルの電力を生成することができる。

上述したような固体酸化物形燃料電池において、電圧の低下を招く原因の一つとして、濃度過電圧が挙げられる。この濃度過電圧とは、各電極における反応物質および反応生成物の補給や除去の遅延により電極反応が阻害されて電圧が下がる現象のことを意味する。この濃度過電圧が発生すると、各単セルで生成される電圧にばらつきが生じ、所望する電力を生成することができなくなる。これを防ぐために、生成される電圧が低い単セルに燃料ガスおよび酸化剤ガス等の入力ガスを十分に供給しようとすると、入力ガスが適正に供給されていた単セルでは、入力ガスが過剰に供給されることになり、結果として、全体の発電効率が低下する。このため、濃度過電圧を防ぐためには、各単セルに均一に入力ガスを供給する必要がある。このような入力ガスの均一供給は、例えば、各単セルに繋がる入力ガスの流路毎に減圧弁を設けることにより実現することができると考えられる。

S. Maharudrayya, S. Jayanti, A. P. Deshpande, "Flow distribution and pressure in parallel-channel configuration of planar cells", Journal of Power Sources 144(2005), pp94-106

しかしながら、固体酸化物形燃料電池は、近年小型化や低コスト化が望まれており、かつ、動作温度が高温であるため、流路の断面積が小さく形成されているので、減圧弁等の機構を設けることが困難であった。

そこで、本願発明は、入力ガスを各単セルに均一に供給することができる固体酸化物形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、本発明に係る固体酸化物形燃料電池は、単セルと、この単セルを収容するセパレータとから構成される単スタックを複数積層したセルスタックと、セパレータを介して各単セルに酸化剤ガスおよび燃料ガスの一方からなる入力ガスを供給する入力側マニホールドと、セパレータを介して各単セルから入力ガスを排気する出力側マニホールドとを備えた固体酸化物形燃料電池であって、入力側マニホールドは、入力ガスを外部から導入する入力側主管と、一端が入力側支管に他端が各セパレータに接続され、当該セパレータを介して各単セルに入力ガスを供給する複数の入力側支管とから構成され、出力側マニホールドは、入力ガスを外部に導出する出力側主管と、一端が出力側主管に他端が各セパレータに接続され、当該セパレータを介して各単セルから入力ガスを排出する複数の出力側支管とから構成され、入力側支管の入力ガスに対する抵抗値は、出力側支管の入力ガスに対する抵抗値よりも大きいことを特徴とする。

上記固体酸化物形燃料電池において、入力側支管および出力側支管の断面積は、入力側支管の抵抗値が出力側支管の抵抗値よりも大きくなるように設定されるようにしてもよい。例えば、入力側支管よりも出力側支管の断面積を大きくするようにしてもよい。

また、上記固体酸化物形燃料電池において、入力側支管および出力側支管の断面の縦横比は、入力側支管の抵抗値が出力側支管の抵抗値よりも大きくなるように設定されるようにしてもよい。例えば、入力側支管の方を出力側支管よりも縦横比を大きくするようにしてもよい。

また、上記固体酸化物形燃料電池において、入力側支管は、一端および他端の少なくとも一方よりも断面積が小さいボトルネック部を有するようにしてもよい。

本発明によれば、入力側支管の入力ガスに対する抵抗値を出力側支管の入力ガスに対する抵抗値よりも大きくすることにより、入力側支管に仮想的な減圧弁を設けることが可能となり、結果として、各単セルに入力ガスを均一に供給することができる。

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。なお、本実施の形態に係る固体酸化物形燃料電池は、単セルを収容するセパレータに接続され酸化剤ガスや燃料ガスをセパレータに供給するマニホールドに特徴を有するものである。したがって、単セルやセパレータの各構成要素については、適宜説明を省略する。

図１に示すように、本実施の形態に係る固体酸化物形燃料電池１は、セパレータ（図示せず）に燃料ガスまたは酸化剤ガス等の入力ガスを供給する入力側マニホールド２と、単セルで未反応の燃料ガスまたは酸化剤ガス等の出力ガスを排出する出力側マニホールド３とを少なくとも備える。このような一対の入力側マニホールド２と出力側マニホールド３は、入力ガス毎、すなわち燃料ガスと酸化剤ガスに対してそれぞれ設けられる。なお、燃料ガスのみに入力側マニホールド２および出力側マニホールド３を設けるようにしてもよい。

入力側マニホールド２は、セパレータ（図示せず）及び単セル（図示せず）の積層方向に沿って延在するように配設された入力側主管２１と、一端が入力側主管２１に接続され他端が上記単セルを収容した上記セパレータに接続された入力側支管２２ａ〜２２ｎとから構成される。なお、本実施の形態では、単セルがｎ個設けられており、各単セルに１対１に対応するように入力側支管２２ａ〜２２ｎが設けられている。

出力側マニホールド３は、セパレータ（図示せず）及び単セル（図示せず）の積層方向に沿って延在するように配設された出力側主管３１と、一端が出力側主管３１に接続され他端が上記単セルを収容した上記セパレータに接続された出力側支管３２ａ〜３２ｎとから構成される。入力側マニホールド２の場合と同様、入力側支管２２ａ〜２２ｎは、各単セルに１対１に対応するようにが設けられている。

このような固体酸化物形燃料電池において、入力側マニホールド２の入力側主管２１に入力された燃料ガスや酸化剤ガス等の入力ガスは、入力側主管２１を通って各入力側支管２２ａ〜２２ｎに導かれ、対応するセパレータ内の流路を通って対応する単セルに供給される。単セルで未反応の燃料ガスや酸化剤ガス等の出力ガスは、セパレータ内の流路から対応する出力側支管３２ａ〜３２ｎを通って、出力側主管３１に導かれる。なお、図１においては、入力側主管２１内を流れる入力ガスの方向と、出力側主管３１内を流れる出力ガスの方向とが同一であるが、入力ガスおよび出力ガスの流れる方向はこれに限定される、例えば、対向する方向など適宜自由に設定することができる。

図１において、規格化された主管内を通るガス流速をＶ_in、入力側主管２１内を通る入力ガスの流速をＶ₁、出力側主管３１内を通る出力ガスの流速をＶ₂、上記規格化した主管の長さをｚ、境界条件をＶ₁（ｚ）＋Ｖ₂（ｚ）＝０、ρＶ_in ²で規格化された圧力をＰ、流速Ｖ＝Ｖ₁とすると、入力ガスの流速は、座標ｚの未知関数として下式（１）、（２）で表される。なお、Ｖは、入力ガスの流れる方向を正とする。

式（１）、（２）において、ΔＰはＰの関数、すなわちｚの関数であり、任意の座標（ｚ＝ｚ）のセルを流れる入力ガスの速さを規定する入力側支管２２ａ〜２２ｎおよび出力側支管３２ａ〜３２ｎ（以下、支管という）の差圧である。また、Ｋ_b ^cは、下式（３）により表される。

式（３）において、Ｎは単セルの数量、Ａ_bは支管の断面積、ρは入力ガスの密度、Ａ_mは入力側主管２１および出力側主管３１（以下、主管という）の断面積、Ｄ_bは支管の水力直径、（Ｒｅｆ）_bは支管内を通るガスのレイノルズ数と摩擦係数の積、Ｌ_bは支管の長さ、μはガス粘度である。したがって、Ｋ_b ^cは、規格化された支管のコンダクタンスと考えることができる。一方、Ｋ_m ^rは、下式（４）により表される。

式（４）において、Ｐ_mは主管の圧力、（Ｒｅｆ）_mは主管内を通るガスのレイノルズ数と摩擦係数の積、Ｌ_mは主管の長さ、Ｄ_mは主管の水力直径を表す。したがって、Ｋ_m ^rは、規格化された主管の抵抗と考えることができる。

ここで、Ｒｅｆは下式（５）で表される。

ここで、ａは、主管または支管の縦横の長さの比を表す。したがって、主管または支管の縦横比ａが大きくなる連れて、主管または支管の摩擦係数も大きくなる。

上式（１）、（２）の解は、ｚを変数とした指数関数の線形結合で表される。このことは、厳密には、各単セルに一様に入力ガスを供給できないことを意味する。しかしながら、指数関数のＫ_b ^c、Ｋ_m ^rを変更することにより、該関数の指数部分を十分に小さな値にできるので、ほとんど一様に入力ガスを供給することが可能となる。例えば、単セルの数量を１０、単セル１枚当たりの燃料ガスを１．２ｌ／ｍｉｎ、主管の断面形状を一辺４ｍｍの正方形、支管の断面形状を一辺１ｍｍの正方形、支管の長さを１５ｃｍ、入力ガスの流量のばらつきが±３％の範囲としたときの規格化された主管の長さと規格化されたＭＦＲ(Mass flow rate)との関係を図２に示す。この図２によれば、ほぼ一様に入力ガスが供給されていることがわかる。これは、いわゆるガス溜まりによる減圧弁の効果によるものである。このように、意図的にガス溜まりを発生させることにより、入力側支管を出力側支管よりも内部を通過するガスに対する抵抗値を大きくして仮想的に減圧弁を設けることにより、入力ガスを各単セルに一様に供給することが可能となる。

しかしながら、ガス溜まりが発生すると、出力側主管と出力側支管との間で圧力差が生じ、出力ガスの滞留を招いたり、セパレータの気密性を保持するためのシール部等に過大に圧力をかけたりすることがある。このように、ガスの均一分配と圧力損の間には、トレードオフの関係が成立している。そこで、本実施の形態では、このトレードオフの関係を利用して、入力ガスを均一に供給するとともに、単セルにかかる圧力をも低減させる。

具体的には、入力側支管２２ａ〜２２ｎと出力側支管３２ａ〜３２ｎの断面積を変えることにより、入力ガスの均一供給と単セルにかかる圧力損の低減を実現する。すなわち、本実施の形態では、入力側支管２２ａ〜２２ｎの断面積を出力側支管３２ａ〜３２ｎの断面積よりも小さくすることにより、入力ガスの均一供給と単セルにかかる圧力損の低減を実現する。

一例として、図３に示す本実施の形態に係る固体酸化物形燃料電池では、出力側支管３２ａ〜３２ｎの幅を出力側主管３１の幅と同一とし、出力側支管３２ａ〜３２ｎの断面積を入力側支管２２ａ〜２２ｎの断面積よりも大きくする。比較例として、入力側支管２２ａ’〜２２ｎ’と出力側支管３２ａ’〜３２ｎ’の幅および厚さを同一にした例を図４に示す。なお、図３，図４に示す固体酸化物形燃料電池において、それぞれの支管の高さは同一であり、符号ｓは内部に単セルを収容したセパレータを示している。

このような図３，図４に示す固体酸化物形燃料電池のモデルに対して、流体解析ソフトウェアにより圧力損失のシミュレーションを行った。この結果を図５，図６に示す。図４に示す入力側支管２２ａ’〜２２ｎ’と出力側支管３２ａ’〜３２ｎ’との断面積を同一にした比較例の場合、圧力差ΔＰは１．２２ｋＰａであった。一方、図３に示す本実施の形態に係る固体酸化物形燃料電池は、圧力差ΔＰが０．７６ｋＰａであった。このような結果を得られた理由について以下に説明する。

規格化されていない圧力損ΔＰは、下式（６）で表すことができる。

上式（６）を支管の幅Ｗと支管の厚さｔを用いて表すと、Ａ_b，Ｄ_bの定義から下式（７）が導かれる。

上式（７）の右辺ｆ（Ｗ）を厚さｔを一定とする条件で評価すると、単調に減少するので、下式（８）が導かれる。

この式（８）より、圧力差ΔＰは、幅Ｗを大きくするに連れて単調に減少することがわかる。したがって、入力側支管２２ａ〜２２ｎと出力側支管３２ａ〜３２ｎの断面積を変更する、すなわち入力側支管２２ａ〜２２ｎの断面積よりも出力側支管３２ａ〜３２ｎの断面積を大きくすることにより、入力ガスを均一に供給するとともに、単セルにかかる圧力を低減させることができる。

以上説明したように、本実施の形態によれば、入力ガスに対する抵抗値を入力側支管２２ａ〜２２ｎを出力側支管３２ａ〜３２ｎより大きくすることにより、入力側支管２２ａ〜２２ｎに仮想的な減圧弁を設けることが可能となり、結果として、各単セルに入力ガスを均一に供給することができる。これにより、高温下でも入力ガスを均一に供給することができる。また、出力側支管３２ａ〜３２ｎの入力ガスに対する抵抗値を入力側支管２２ａ〜２２ｎよりも小さくすることにより、単セルにかかる圧力を小さくすることができる。

なお、上式（５）によれば、Ｒｅｆの値が縦横比ａに依存するため、入力側支管２２ａ〜２２ｎおよび出力側支管３２ａ〜３２ｎの幅Ｗおよび厚さｔの比を変更することによっても、入力ガスを均一に供給するとともに、単セルにかかる圧力を低減することができる。具体的には、入力側支管２２ａ〜２２ｎの幅Ｗと厚さｔの比を、出力側支管３２ａ〜３２ｎの幅Ｗと厚さｔの比よりも大きくする。ここで、幅Ｗと厚さｔの比とは、入力側支管２２ａ〜２２ｎと出力側支管３２ａ〜３２ｎとにおいて、幅Ｗと幅Ｗ、厚さｔと厚さｔとを対応づけて算出する値ではなく、長い方の値と短い方の値との比のことを意味しておする。例えば、本実施の形態では、幅Ｗと厚さｔの比が（１：３）と（２：３）の場合では、（１：３）の方が値が大きいものとする。すなわち、本実施の形態では、比の値が大きいとは、正方形や正円など縦横の比が同一の断面形状と比較して、断面形状の変化の度合いが大きいことを意味する。

また、縦横比ａは、支管の矩形断面に限定されず、例えば楕円等の断面にも適用することができる。例えば楕円に適用した場合、長径および短径が縦横比ａの縦および横に対応する。

また、本実施の形態では、支管の断面積や縦横比を変更することにより、入力ガスの均一供給および圧力損の低減を実現するようにしたが、出力側支管３２ａ〜３２ｎよりも入力側支管２２ａ〜２２ｎの方が入力ガスに対する抵抗が大きくなるのであれば、各種方法を適宜自由に用いることができる。例えば、図７に示すように、入力側支管２２ａ〜２２ｎの途中に入力側支管２２ａ〜２２ｎの両端部よりも断面積が小さくなるボトルネック部２３を設けるようにしてもよい。これにより、入力ガスは、ボトルネック部２３を通過する際に入力ガスに抵抗がかかるので、出力側支管３２ａ〜３２ｎよりも入力側支管２２ａ〜２２ｎの方が抵抗値が大きなる。このようにしても、入力ガスの均一供給および圧力損の低減を実現することができる。

なお、図７において、上記ボトルネック部２３は、入力側支管２２ａ〜２２ｎの途中に設けられているが、一端または他端に設けるようにしてもよい。

本発明は、固体酸化物形燃料電池に適用することができる。

固体酸化物形燃料電池のマニホールドの構成を示す平面図である。 規格化された主管長と規格化されたＭＦＲの関係を示す図である。 （ａ）本発明の固体酸化物形燃料電池の平面図、（ｂ）（ａ）の側面図である。 （ａ）参考例の固体酸化物形燃料電池の平面図、（ｂ）（ａ）の側面図である。 図３のモデルのシミュレーション結果を示す図である。 図４のモデルのシミュレーション結果を示す図である。 支管にボトルネック部を設けた図である。

符号の説明

１…固体酸化物形燃料電池、２…入力側マニホールド、３…出力側マニホールド、２１…入力側主管、２２ａ〜２２ｎ…入力側支管、２３…ボトルネック部、３１…出力側主管、３２ａ〜３２ｎ…出力側支管、ｓ…セパレータ。

Claims (4)

1. 単セルと、この単セルを収容するセパレータとから構成される単スタックを複数積層したセルスタックと、
   前記セパレータを介して各前記単セルに酸化剤ガスおよび燃料ガスの一方からなる入力ガスを供給する入力側マニホールドと、
   前記セパレータを介して各前記単セルから前記入力ガスを排気する出力側マニホールドと
   を備えた固体酸化物形燃料電池であって、
   前記入力側マニホールドは、前記入力ガスを外部から導入する入力側主管と、一端が前記入力側支管に他端が各前記セパレータに接続され、当該セパレータを介して各前記単セルに前記入力ガスを供給する複数の入力側支管とから構成され、
   前記出力側マニホールドは、前記入力ガスを外部に導出する出力側主管と、一端が前記出力側主管に他端が各前記セパレータに接続され、当該セパレータを介して各前記単セルから前記入力ガスを排出する複数の出力側支管とから構成され、
   前記入力側支管の前記入力ガスに対する抵抗値は、前記出力側支管の前記入力ガスに対する抵抗値よりも大きい
   ことを特徴とする固体酸化物形燃料電池。
2. 前記入力側支管および前記出力側支管の断面積は、前記入力側支管の前記抵抗値が前記出力側支管の前記抵抗値よりも大きくなるように設定される
   ことを特徴とする請求項１記載の固体酸化物形燃料電池。
3. 前記入力側支管および前記出力側支管の断面の縦横比は、前記入力側支管の前記抵抗値が前記出力側支管の前記抵抗値よりも大きくなるように設定される
   ことを特徴とする請求項１記載の固体酸化物形燃料電池。
4. 前記入力側支管は、前記一端および前記他端の少なくとも一方よりも断面積が小さいボトルネック部を有する
   ことを特徴とする請求項１記載の固体酸化物形燃料電池。