JP2009087550A - 固体酸化物形燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】コンパクトで発電補助層の交換が容易な固体酸化物形燃料電池を提供する。
【解決手段】複数個の平板形の発電セル２０を積層した発電スタック１０と、発電スタック１０の発電を補助する燃料ガス改質層４２、酸化剤ガス予熱層４４及び燃焼層４６ａ，４６ｂの補助層４０を有し、それらの補助層４０を発電スタック１０とともに固定するためのボルト５２とナット５４，５６で固定する。ボルト５２とナット５４，５６は、燃料ガスを発電セル２０に供給するための燃料ガス供給経路６０、酸化剤ガスを発電セル２０に供給するための酸化剤ガス供給経路７０、あるいは、燃料ガス及び酸化剤ガスが発電セル２０を通過した後の排気ガスを外部に排出するための排気ガス排出経路８０となる、締結方向又はそれに直交する方向のうち少なくとも１つの貫通穴を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、発電スタックと発電補助層間のガス流路に自由度を持たせた固体酸化物形燃料電池に関する。

従来の固体酸化物形燃料電池において、製作を容易にするため発電セルを平板形状にして積層し、積層部分に燃料ガスや酸化ガスを供給又は排出するためのガス流路を備える構造としたものがある。

このような平板形状の発電セルを積層した固体酸化物形燃料電池では、発電セルを積層し、結束して発電スタックとして機能させた場合、発電セルの発電機能を補助するための、例えば、発電スタックで発電した電気を外部に取り出すための集電層、外部から供給される酸化剤ガスを加熱するための熱交換層、外部から供給される燃料ガス(主に都市ガス、天然ガスなど)を改質するための改質層、あるいは、発電スタックで発電に使用した燃料ガスと酸化剤ガスを燃焼させて無害化するための燃焼層などの発電を補助するための機能を有する発電補助層が必要になる（例えば特許文献１参照）。
特開平７−１７６３１５号公報

ところが、上記のように平板形状の発電セルを積層した固体酸化物形燃料電池では、発電スタックと発電補助層との間のガス流路の自由度に制限があった。つまり、ガス流路を自由に設定することができないため、必然的に固体酸化物形燃料電池の小形化ができず、また、補助層の交換が容易にできないという問題があった。

さらに、発電補助層では、熱交換や燃料ガスと酸化剤ガスの燃焼などを行うため、熱的な吸収や発熱が行われるが、従来の固体酸化物形燃料電池では、補助層の積層順を変更することができないため、固体酸化物形燃料電池内部の熱分布が偏ってしまい、熱が電池内部の一部に偏在して発電効率を低下させる一因ともなっていた。

本発明は、こうした問題に鑑みなされたもので、コンパクトで発電補助層の交換が容易な固体酸化物形燃料電池を提供することを目的とする。

かかる問題を解決するためになされた請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池（１：この欄においては、発明に対する理解を容易にするため、必要に応じて「発明を実施するための最良の形態」欄において用いた符号を付すが、この符号によって請求の範囲を限定することを意味するものではない。）は、複数個の平板形の発電セル（２０）を積層した発電スタック（１０）と、発電スタック（１０）の発電を補助する平板形の補助層（４０）と、を有する発電モジュールからなる固体酸化物形燃料電池（１）であって、補助層（４０）は、燃料ガス改質層（４２）、酸化剤ガス予熱層（４４）、又は、燃焼層（４６）のうち少なくとも１つの層であり、補助層（４０）を発電スタック（１０）とともに固定するための連結手段（４０）を備えていることを特徴とする。

このような固体酸化物形燃料電池（１）は、平板形の発電セル（２０）が積層された発電スタック（１０）と発電スタック（１０）の発電機能を補助するための平板形の補助層（４０）とが連結手段（４０）によって固定されている。

つまり、平板形の発電スタック（１０）と平板形の補助層（４０）とが連結手段（４０）で、例えば、積層された状態で連結されて一体化されるので、固体酸化物形燃料電池（１）の形状をコンパクトにすることができる。

また、連結手段（４０）で、燃料ガス改質層（４２）、酸化剤ガス予熱層（４４）、又は、燃焼層（４６）の補助層（４０）を発電スタック（１０）に固定しているので、それらを容易に交換したり積層順を変えたりすることができる。

ここで、補助層（４０）のうち、燃料ガス改質層（４２）は燃料ガスの熱を吸収し、酸化剤ガス予熱層（４４）は酸化剤（空気）ガスの熱を吸収し、燃焼層（４６）は加熱をする。したがって、燃料ガス改質層（４２）、酸化剤ガス予熱層（４４）及び燃焼層（４６）の選択やそれらの積層順によって、固体酸化物形燃料電池（１）内部の熱吸収や加熱の量や熱分布をコントロールすることができるようになる。

そして、請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池（１）では、補助層（４０）の積層順を容易に変えることができるので、固体酸化物形燃料電池（１）内部の熱吸収や加熱の量や熱分布をコントロールすることができるようになる。つまり、固体酸化物燃料電池（１）内部の熱の偏在をなくし熱分布を均一にしたり、他の部分より多くの熱を必要とする部分の熱量を多くしたりすることができるので、発電効率のよい固体酸化物形燃料電池（１）とすることができる。

また、請求項２に記載のように、連結手段（４０）は、燃料ガスを発電セル（２０）に供給するための燃料ガス供給経路（６０）と、酸化剤ガスを発電セル（２０）に供給するための酸化剤ガス供給経路（７０）と、燃料ガス及び酸化剤ガスが発電セル（２０）を通過した後の排気ガスを外部に排出するための排気ガス排出経路（８０）と、を有するようにするとよい。

このようにすると、燃料ガス供給経路（６０）、酸化剤ガス供給経路（７０）及び排気ガス排出経路（８０）が発電スタック（１０）と補助層（４０）とを連結する連結手段（４０）に設けられる。

また、燃料ガス供給経路（６０）及び酸化剤ガス供給経路（７０）は、各々燃料ガス及び酸化剤ガスを発電セル（２０）に供給するためのものであり、排気ガス排出経路（８０）は、それらのガスが発電セル（２０）を通過した後の排気ガスを外部に排出するためのものである。

したがって、連結手段（４０）によって、補助層（４０）と発電スタック（１０）とが連結されるだけでなく、燃料ガスや酸化剤ガスの供給と排出ができるので、固体酸化物形燃料電池（１）をよりコンパクトな形状とすることができる。

ところで、連結手段（４０）において、燃料ガス及び酸化剤ガスの供給経路と排気ガスの排出経路の構成は種々のものが考えられるが、請求項３に記載のように、連結手段（４０）は、少なくとも１つの一対のボルト（５２）及びナット（５４）からなり、燃料ガス供給経路（６０）、酸化剤ガス供給経路（７０）及び排気ガス排出経路（８０）は、ボルト（５２）及びナット（５４）に設けられた貫通穴で構成されるようにするとよい。

このようにすると、ボルト（５２）とナット（５４）という簡単な構造の部材で連結手段（４０）を構成することができる。また、燃料ガス供給経路（６０）、酸化剤ガス供給経路（７０）及び排気ガス排出経路（８０）をナット（５４）に貫通穴を設けるという簡単な構造だけで形成することができる。

また、ナット（５４）に設けられる貫通穴を、請求項４に記載のように、ボルト（５２）との締結方向又はそれに直交する方向のうち少なくとも１つの方向に設けるようにするとよい。

このようにすると、ボルト（５２）との締結方向とそれに直交する穴とを組み合わせて設けることで、燃料ガス供給経路（６０）、酸化剤ガス供給経路（７０）及び排気ガス排出経路（８０）を発電スタック（１０）中に設ける際の自由度が高くなる。

なぜならば、ボルト（５２）との締結方向の穴に対し、それと直交する穴の位置や数を、各ガスの供給量や各供給経路（６０，７０）や排気ガス排出経路（８０）の経路といった条件を満たすように選定してやれば、各供給経路（６０，７０）や排気ガス排出経路（８０）を形成することができるからである。

以下、本発明が適用された実施形態について図面を用いて説明する。なお、本発明の実施の形態は、下記の実施形態に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の形態を採りうる。

（固体酸化物形燃料電池１の構成）
固体酸化物形燃料電池１の構成について、図１〜図５に基づき説明する。図１は、固体酸化物形燃料電池１の概略の構成を示すための断面図であり、図２は、発電セル２０の概略の構成を示す断面図である。また、図３は、発電セル２０を分解した状態を示す説明図であり、図４はナット５４の概略形状を示す外観図であり、図５はナット５６の概略形状を示す外観図である。

なお、ボルト５２は、形状の異なるボルト５２ａ，５２ｂ，５２ｃ，５２ｄ，５２ｅ，５２ｆ，５２ｇの総称であり、説明上それらを区別する必要がないときはボルト５２と呼ぶ。同様に、ナット５４は、ナット５４ａ，５４ｂ，５４ｃ，５４ｄの総称であり、ナット５６は、ナット５６ａ，５６ｂの総称である。

固体酸化物形燃料電池１は、図１に示すように、発電スタック１０、補助層４０、ボルト５２及びナット５４，５６を備えている。
発電スタック１０は、複数個の平板形の発電セル２０を電気的に直列に積層したものである。

発電セル２０は、固体電解質形燃料電池セルであり、図２に示すように、いわゆる燃料極支持膜形タイプの燃料電池セルである。燃料ガス供給経路６０側には、燃料極（アノード）２２が配置されるとともに、燃料極２２の同図上側の表面には薄膜の固体電解質体２４が形成される。その固体電解質体２４の酸化剤ガス供給経路７０側の表面には、空気極（カソード）２６が形成されている。

固体電解質体２４としては、ＹＳＺ、ＳｃＳＺ、ＳＤＣ、ＧＤＣ、ペロブスカイト系酸化物等の材料が使用できる。また、燃料極２２としてはＮｉ及びＮｉとセラミックとのサーメットが使用でき、空気極２６としてはペロブスカイト系酸化物、各種貴金属及び貴金属とセラミックとのサーメットが使用できる。

空気極２６と上方の金属製のインターコネクタ（発電セル２０間の導通を確保するとともにガス流路を遮断するプレート）２８との間には、その導通を確保するために、例えば、空気極２６と同様なＬＳＣＦ（ランタンストロンチウムコバルト鉄）、ＬＳＭ（ランタンストロンチウムマンガネート）等からなる集電体３５が配置されている。

なお、以下では、この実際に発電を行う燃料極２２と固体電解質体２４と空気極２６とをセル本体２７と称する。
更に詳しくは、図３に分解して示すように、この発電セル２０は、上下一対の金属製のインターコネクタ２８，３０と、酸化剤ガス供給経路７０側の金属製の空気極フレーム３２と、セラミックス製の絶縁フレーム３４と、セル本体２７を接合して配置するとともに酸化剤ガスと燃料ガスとの混合を防止するための金属製のセパレータ３６と、燃料ガス供給経路６０側の金属製の燃料極フレーム３８とを備えている。

なお、積層された発電セル２０の間のインターコネクタは共有されるので、上下両端の発電セル２０以外は、発電セル２０間には、１個のインターコネクタが配置されるだけである。

補助層４０は、発電スタック１０の発電を補助する平板形の層であり、燃料ガス改質層４２、酸化剤ガス予熱層４４、又は、燃焼層４６のうち少なくとも１つである。本実施形態では１個の燃料ガス改質層４２、１個の酸化剤ガス予熱層４４及び２個の燃焼層４６が用いられている。なお、２個の燃焼層４６を区別する必要がある場合には各々燃焼層４６ａ及び燃焼層４６ｂと呼ぶ。

燃料ガス改質層４２には改質触媒が充填されており、外部から供給される炭化水素ガス(主に都市ガス、天然ガス)を改質する機能を有する。改質方式としては水蒸気改質や部分改質などあるがいずれの方式でも良い。

酸化剤ガス予熱層４４では、外部から供給される酸化剤ガス(主に空気)が熱交換によって加熱されて発電セル２０へ送り込まれる。
燃焼層４６には、接触燃焼触媒が充填されており、各発電セル２０通過後のガスが送り込まれ、発電セル２０通過ガスの中に含まれている未燃ガスが触媒により燃焼されて無害化される。

また、これらの補助層４０は、発電スタック１０の発電セル２０の積層方向の上下に配置されている。
ボルト５２及びナット５４，５６は、補助層４０を発電スタック１０とともに固定するための連結部材であり、具体的には、ボルト５２及びナット５４，５６は、積層された発電スタック１０、燃料ガス改質層４２、酸化剤ガス予熱層４４、燃焼層４６を結束して固定している。

また、ナット５４には、前述のように４つの種類のナット５４ａ，５４ｂ，５４ｃ，５４ｄがある。ナット５４ａは、図４に示すように軸方向（ボルト５２ａとの連結方向）に１つの貫通穴９２が設けられ、貫通穴９２に貫通する貫通穴９４が、側面の径方向（ボルト５２ａとの連結方向と垂直方向）に複数箇所設けられている。

ナット５４ｂは、ナット５４ａから貫通穴９４を塞いだものである。また、ナット５４ｃは、ナット５４ａの貫通穴９２を上端面で塞いだものである。さらに、ナット５４ｄは、ナット５４ａの貫通穴９２，９４を塞いだものである。

なお、ナット５４は、外周面にネジ部５５が設けられており、このネジ部５５によりナット５４とナット５６とを締結することで燃料ガス改質層４２と燃焼層４６及び酸化剤ガス予熱層４４と燃焼層４６とが結束される。

ナット５６には、前述のように２つの種類のナット５６ａ，５６ｂがある。ナット５６ａは、図５に示すように軸方向に貫通穴９２が設けられ、貫通穴９２に中空のパイプ９０が取り付けられている。このパイプ９０が酸化剤ガス、炭化水素ガスの供給口及び排気ガスの排出口となる。また、ナット５６ｂは、ナット５６ａからパイプ９０をなくし、貫通穴９２を塞いだものである。

ボルト５２には、前述のように形状や長さの異なる７種類のボルト５２ａ，５２ｂ，５２ｃ，５２ｄ，５２ｅ，５２ｆ，５２ｇがある。ボルト５２ａ、５２ｂには軸方向に貫通穴が設けられるとともに、その側面には各発電セル２０に酸化剤ガスを供給するために各発電セル２０の数に対応した径方向の貫通穴が設けられている。

また、ボルト５２ｃ，５３ｄ，５３ｅには、軸方向に貫通穴が設けられるとともに、その側面には径方向に各発電セル２０に炭化水素ガスを供給するために各発電セル２０の数に対応した貫通穴が設けられている。

また、ボルト５２ｆ，５２ｇには、軸方向に貫通穴が設けられ、各発電セル２０を通過し、燃焼層４６で燃焼されて無害化された排気ガスがその貫通穴を通過するようになっている。

このようにボルト５２には、その締結方向とそれに直交する方向とに貫通穴が設けられている。このボルト５２に設けられた貫通穴が、燃料ガスを発電セル２０に供給するための燃料ガス供給経路６０、酸化剤ガスを発電セル２０に供給するための酸化剤ガス供給経路７０及び燃料ガス及び酸化剤ガスが発電セル２０を通過した後の排気ガスを外部に排出するための排気ガス排出経路８０を構成する。

（ガス流通経路の説明）
以下、これらのガス流通経路について図１に基づき説明する。
まず、燃料ガス供給経路６０について説明する。炭化水素ガスは図１中に一点鎖線の矢印で示すように、ナット５６ａに設けられたパイプ９０を通り、締結方向と同じ方向に貫通穴９２があいているナット５４ｂに送られる。そして、ナット５４ｂと締結されているボルト５２ｃに沿うようにしてナット５４ｃに送られる。

ナット５４ｃには締結方向と直交方向に貫通穴９４があいており、この貫通穴９４を通って投入された燃料ガス改質層４２に送られる。燃料ガス改質層４２において改質された燃料ガスは燃料ガス改質層４２内を流れ、ナット５４ｃへと送られる。

ナット５４ｃには締結方向に直交する方向に貫通穴９４があいており、改質された燃料ガスはこの貫通穴９４を通った後、ボルト５２ｄに沿うようにして各発電セル２０へと流れ込む。各発電セル２０を通過した後の燃料ガスはボルト５２ｅに沿って流れて燃焼層４６ａへと流れ込む。

このように、パイプ９０から供給された炭化水素ガスが通過する経路が燃料ガス供給経路６０となる。
次に、酸化剤ガス供給経路７０について説明する。図１中に破線の矢印で示すように、酸化剤ガスはナット５６ａに設けられたパイプ９０を通り、締結方向と同じ方向に貫通穴９２があいているナット５４ａに送られる。ナット５４ａにはボルト５２ａとの締結方向と直交方向に貫通穴９４があいており、酸化剤ガスは貫通穴９４を通って酸化剤ガス予熱層４４に送られ、酸化剤ガス予熱層４４において加熱される。

加熱された酸化剤ガスは酸化剤ガス予熱層４４内を流れ、ナット５４ｃを通った後、ボルト５２ｂに沿うようにして各発電セル２０へと流れ込む。各発電セル２０を通過した後の酸化剤ガスはボルト５２ａに沿うようにして燃焼層４６へ流れ込む。

このように、パイプ９０から供給された酸化剤ガスが通過する経路が酸化剤ガス供給経路７０となる。
次に、排気ガス排出経路８０について説明する。上記の燃料ガス供給経路６０及び酸化剤ガス供給経路７０を通って投入された炭化水素ガスと酸化剤ガスは図１中に二点鎖線の矢印で示すように、各発電セル２０を通過した後、ボルト５２ｆに沿って燃焼層４６ａから燃焼層４６ｂの順に送り込まれる。各発電セル２０を通過後の未燃ガスは燃焼層４６ａ，４６ｂにおいて燃焼されて無害化される。燃焼層４６ａ内を流れた排気ガスはナット５４ｄを通り、さらにナット５４ｄに締結されているナット５６ａのパイプ９０から外部へと排出される。

ナット５６ｂは発電スタック１０内を流通している酸化剤ガス、炭化水素ガス（燃料）及び排気ガスが外部へと漏れないように袋状になっており必要な箇所に適宜設置される。
なお図示しないが、ナットと補助層の間、補助層と発電スタックの間にはそれぞれ絶縁材が配置され、ガスリークを防止している。

（固体酸化物形燃料電池１の特徴）
以上のような固体酸化物形燃料電池１は、平板形の発電スタック１０と平板形の補助層４０とがボルト５２及びナット５４，５６で積層された状態で連結されて一体化されているので、固体酸化物形燃料電池１の形状をコンパクトにすることができる。

また、ボルト５２及びナット５４，５６で、燃料ガス改質層４２、酸化剤ガス予熱層４４及び燃焼層４６を発電スタック１０に固定しているので、ボルト５２及びナット５４，５６を外すことによって、それらを容易に交換したり、それらの積層の順番を容易に組み替えたりすることができる。

さらに、ボルト５２及びナット５４、５６という簡単な構造の部材で発電スタック１０と補助層４０とを結束し、一体化することができる。
燃料ガス供給経路６０、酸化剤ガス供給経路７０及び排気ガス排出経路８０をボルト５２及びナット５４，５６に設けた貫通穴９２，９４で形成している。つまり、ボルト５２及びナット５４，５６によって、補助層４０と発電スタック１０とが連結されるだけでなく、炭化水素ガスや酸化剤ガスの供給と排出ができるので、固体酸化物形燃料電池１を
コンパクトな形状とすることができる。

また、燃料ガス供給経路６０、酸化剤ガス供給経路７０及び排気ガス排出経路８０をナット５４、５６に貫通穴を設けるという簡単な構造だけで形成することができる。
さらに、ナット５４，５６に設けられる貫通穴を、ボルト５２との締結方向又はそれに直交する方向のうち少なくとも１つの方向に設けている。このようにすることで、ボルト５２との締結方向の穴に対し、それと直交する穴の位置や数を、各ガスの供給量や各供給経路６０，７０や排気ガス排出経路８０の経路条件を満たすように選定することができるので、各供給経路６０，７０や排気ガス排出経路８０を形成する際の自由度を高めることができる。

さらに、固体酸化物形燃料電池１では、補助層４０の積層順を容易に変えることができるので、固体酸化物形燃料電池１内部の熱吸収や加熱の量や熱分布をコントロールすることができるようになる。

固体酸化物形燃料電池１内部の熱吸収や加熱の量や熱分布をコントロールすることができれば、固体酸化物燃料電池１内部の熱の偏在をなくし熱分布を均一にしたり、他の部分より多くの熱を必要とする部分の熱量を多くしたりすることができるので、発電効率のよい固体酸化物形燃料電池１とすることができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、本実施形態に限定されるものではなく、種々の態様を採ることができる。

固体酸化物形燃料電池１の概略の構成を示すための断面図である。 発電セル２０の概略の構成を示す断面図である。 発電セル２０を分解した状態を示す説明図である。 ナット５４の概略形状を示す外観図である。 ナット５６の概略形状を示す外観図である。

符号の説明

１…固体酸化物形燃料電池、１０…発電スタック、２０…発電セル、２２…燃料極、２４…固体電解質体、２６…空気極、２７…セル本体、２８，３０…インターコネクタ、３２…空気極フレーム、３４…絶縁フレーム、３５…集電体、３６…セパレータ、３８…燃料極フレーム、４０…補助層、４２…燃料ガス改質層、４４…酸化剤ガス予熱層、４６，４６ａ，４６ｂ…燃焼層、５２，５２ａ，５２ｂ，５２ｃ，５２ｄ，５２ｅ，５２ｆ…ボルト、５４，５４ａ，５４ｂ，５４ｃ，５４ｄ…ナット、５５…ネジ部、５６，５６ａ，５６ｂ…ナット、６０…燃料ガス供給経路、７０…酸化剤ガス供給経路、８０…排気ガス排出経路、９０…パイプ、９２…貫通穴、９４…貫通穴。

Claims (4)

1. 複数個の平板形の発電セルを積層した発電スタックと、前記発電スタックの発電を補助する平板形の補助層と、を有する発電モジュールからなる固体酸化物形燃料電池であって、
   前記補助層は、燃料ガス改質層、酸化剤ガス予熱層、又は、燃焼層のうち少なくとも１つの層であり、
   前記補助層を前記発電スタックとともに固定するための連結手段を備えていることを特徴とする固体酸化物形燃料電池。
2. 請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池において、
   前記連結手段は、
   燃料ガスを前記発電セルに供給するための燃料ガス供給経路と、
   酸化剤ガスを前記発電セルに供給するための酸化剤ガス供給経路と、
   前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスが前記発電セルを通過した後の排気ガスを外部に排出するための排気ガス排出経路と、
   を有することを特徴とする固体酸化物形燃料電池。
3. 請求項２に記載の固体酸化物形燃料電池において、
   前記連結手段は、
   少なくとも１つの一対のボルト及びナットからなり、前記燃料ガス供給経路、前記酸化剤ガス供給経路及び前記排気ガス排出経路は、前記ボルト及びナットに設けられた貫通穴により構成されることを特徴とする固体酸化物形燃料電池。
4. 請求項３に記載の固体酸化物形燃料電池において、
   前記ナットに設けられた貫通穴は、
   前記ボルトとの締結方向又はそれに直交する方向のうち少なくとも１つの方向に設けられていることを特徴とする固体酸化物形燃料電池。