JP2011086611A

JP2011086611A - 固体酸化物燃料電池用ハウジング及びこれを備える固体酸化物燃料電池

Info

Publication number: JP2011086611A
Application number: JP2010192484A
Authority: JP
Inventors: Sang Jun Kong; 相▲ジュン▼ 孔; Kyeong-Beom Cheong; 京範鄭; Ki-Woon Kim; 基運金; Duk-Hyoung Yoon; 徳▲ヒョン▼ 尹; Tae-Ho Kwon; 台浩權
Original assignee: Samsung SDI Co Ltd
Current assignee: Samsung SDI Co Ltd
Priority date: 2009-10-14
Filing date: 2010-08-30
Publication date: 2011-04-28
Also published as: KR20110040626A; US20110086293A1; EP2312681B1; EP2312681A2; CN102044637A; KR101219257B1; EP2312681A3

Abstract

【課題】複数の燃料電池セル各々の周辺に均一な流量の空気の流れを有する固体酸化物燃料電池用ハウジングを提供する。
【解決手段】内部空間を備えたハウジング本体と、前記内部空間に連通し、前記ハウジング本体の第１壁に備えられた流体の流入のための少なくとも１つの第１開口部と、前記内部空間に連通し、前記ハウジング本体の第２壁に備えられた流体の流出のための少なくとも１つの第２開口部と、前記第１開口部と前記第２開口部との間で流体の流路を長くするための流路延長部とを備えてなることを特徴とする固体酸化物燃料電池用ハウジング。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数のセル周辺に均一な流量の流体の流動を形成することができる固体酸化物燃料電池用ハウジング及びこれを備える固体酸化物燃料電池に関する。

固体酸化物燃料電池（ＳｏｌｉｄＯｘｉｄｅＦｕｅｌＣｅｌｌ：ＳＯＦＣ）は、無公害、高効率発電などの利点があり、静止型発電システム、小型独立電源、及び自動車動力源などとして応用されている。

現在、ＳＯＦＣスタックは、その形態において、大別して、円筒型、一体型、及び平板型の３つに分けられ、各々の形態は固有の利点と欠点を有する。そのうち、円筒型ＳＯＦＣは、気体密封を要することなく、機械的強度に優れているという利点がある。

ところで、固体酸化物燃料電池の性能向上や安定運転の観点から、固体酸化物燃料電池用ハウジング内の燃料電池セルに流体を均一に供給することが必要である。

そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、固体酸化物燃料電池用ハウジング内に流入する流体が一定の長さ以上に線形流動するように構成することにより、複数の燃料電池セル各々の周辺に均一な流量の空気の流れを有する固体酸化物燃料電池用ハウジングを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、内部空間を備えたハウジング本体と、前記内部空間に連通し、前記ハウジング本体の第１壁に備えられた流体の流入のための少なくとも１つの第１開口部と、前記内部空間に連通し、前記ハウジング本体の第２壁に備えられた流体の流出のための少なくとも１つの第２開口部と、前記第１開口部と前記第２開口部との間で流体の流路を長くするための流路延長部とを備えてなることを特徴とする固体酸化物燃料電池用ハウジングが提供される。

また、前記流路延長部は、前記第１壁と前記第２壁との間でジグザグ形状を有することとしても良い。

また、前記流路延長部は、前記ハウジング本体の第１壁と、前記第１壁に対向する第２壁との間で、前記第１壁に一端が固定された少なくとも１つの板状の第１隔壁と、前記第２壁に一端が固定された少なくとも１つの板状の第２隔壁とを備え、前記第１隔壁は、垂直状態で前記第２隔壁と離隔していることとしても良い。

また、前記ハウジングは、前記流路延長部を通過した流体を分配するように複数のホールを備えた打孔板をさらに備えることとしても良い。

また、前記打孔板は、前記流路延長部の流出側に隣接して配置され、前記第２隔壁から垂直方向に延長していることとしても良い。

また、前記打孔板に備えられた複数のホールの直径は、前記流路延長部の流出側からの距離が増加することによって変化することとしても良い。

また、前記打孔板に備えられた複数のホールの直径は、前記流体が到達する長さによって増加または減少することとしても良い。

また、前記打孔板に備えられた複数のホールは、前記ハウジングの内部空間の流体の流動を均一に燃料電池セルに対して分配することとしても良い。

また、前記打孔板に備えられた複数のホールの互いに隣接する間隔は、前記流路の長さによって変化することを特徴とする請求項４に記載の固体酸化物燃料電池用ハウジング。

また、前記打孔板に備えられた複数のホールには、それぞれガイドチューブが連結されることとしても良い。

また、前記固体酸化物燃料電池用ハウジングは、前記ハウジング本体内の前記第１開口部に隣接する遮断部をさらに備え、前記遮断部は、前記第１開口部を介して流路内に流動する流体の流れを分散させることとしても良い。

また、前記遮断部は、前記第１開口部から離隔して配置されていることとしても良い。

また、前記第２開口部は、前記ハウジングの一壁の下部に備えられたスロット形態または複数の開口部であることとしても良い。

また、前記第２開口部は、前記ハウジングの一壁に複数個形成されていることとしても良い。

また、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、上述したハウジングと、前記ハウジング内に備えられた複数の固体酸化物燃料電池用セルと、前記複数の固体酸化物燃料電池用セルに燃料を供給するための燃料供給部と、記複数の固体酸化物燃料電池用セルに酸化剤を供給するための酸化剤供給部とを備えてなることを特徴とする固体酸化物燃料電池が提供される。

以上説明したように本発明によれば、ハウジング内に流入する流体が一定の長さ以上に線形流動するように構成することにより、複数の燃料電池セル各々の周辺に均一な流量の空気の流れを有する固体酸化物燃料電池用ハウジングを提供することができる。

第１実施例によるＳＯＦＣハウジングの概略斜視図である。図１のＳＯＦＣハウジング内の流体の流動を説明するための固体酸化物燃料電池の概略斜視図である。第２実施例によるＳＯＦＣハウジングの概略斜視図である。図３のＳＯＦＣハウジング内の流体の流動を説明するための固体酸化物燃料電池の概略斜視図である。比較例による固体酸化物燃料電池のハウジング内の流体の流動を説明するための概略斜視図である。図５のハウジング内の平面を通過する流体の流速を示すグラフである。図５のハウジング内の平面を通過する流体の流速を示すグラフである。図５のハウジング内の平面を通過する流体の流速を示すグラフである。第３実施例によるＳＯＦＣハウジングの概略斜視図である。第４実施例によるＳＯＦＣハウジングの概略斜視図である。図８のＳＯＦＣハウジング内の流体の流動を説明するための固体酸化物燃料電池の概略断面図である。図９の固体酸化物燃料電池の横断面図である。図１０のハウジング内の平面を通過する流体の流速を示すグラフである。図１０のハウジング内の平面を通過する流体の流速を示すグラフである。図１０のハウジング内の平面を通過する流体の流速を示すグラフである。本実施例のＳＯＦＣハウジングに適用可能な打孔板構造及びガイドチューブ構造を説明するための概略断面図である。本実施例のＳＯＦＣハウジングに適用可能な打孔板構造及びガイドチューブ構造を説明するための概略断面図である。本実施例の固体酸化物燃料電池に採用可能なＳＯＦＣセルの作動過程を説明するための概略断面図である。図１３ａのＳＯＦＣセルを代替可能な他のＳＯＦＣセルの形態を説明するための概略斜視図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

本実施例を説明するにあたり、かかる公知の機能あるいは構成に関する具体的な説明が本発明の要旨を不明にする可能性があると判断された場合、その詳細な説明は省略する。また、図面において、同一の構成要素については、他の図面上に表示された場合でもできるだけ同一の参照番号及び符号で表していることに留意すべきである。さらに、図面において、各層の厚さや大きさは、説明の便宜及び明確性のために誇張され得、実際の層の厚さや大きさとは異なり得る。なお、図面において、説明の便宜上、構成要素を適切に投影して図示している。

図１は、第１実施例によるＳＯＦＣハウジングの概略斜視図である。

図１に示すように、ＳＯＦＣハウジング１００は、ハウジング本体１１０と、ハウジング本体１１０に結合する流路延長部１２０とを備える。ハウジング本体１１０は、内部空間１１２と、内部空間１１２に連結され、流体の流入のための少なくとも１つの第１開口部１１４と、内部空間１１２に連結され、流体の流出のための少なくとも１つの第２開口部１１６とを備える。流路延長部１２０は、第１開口部１１４に流入する流体が、ハウジング本体１１０内においてジグザグ状に流動するように、第１開口部１１４に隣接して配置される。

第１開口部１１４の断面積は、第１開口部１１４を介して流入する流体が流れるべき内部空間１１２の断面（ｘ−ｙ平面に対応する）に比べて相対的に非常に小さい。その場合、第１開口部１１４に流入した流体を内部空間１１２に均一に流すためには、第１開口部１１４に対応する関心部から流体を２次元的に分散させることよりは、１次元的に分散させることが極めて重要である。したがって、本実施例では、第１開口部１１４に流体疎通可能に連結される流路延長部１２０を介して流体を１次元的に分散させる。

一実施例において、流路延長部１２０は、多段の仕切りまたは隔壁で形成された流路構造を備えることができる。より具体的に説明すると、流路延長部１２０は、ハウジング本体１１０の第１壁１１１ａと、第１壁１１１ａに対向する第２壁１１１ｂとの間で、第１壁１１１ａに一端が連結された板状の第１隔壁１２１と、第２壁１１１ｂに一端が連結された板状の第２隔壁１２３とが所定の間隔をおいて互いに反対方向に延長する形状に配置された流路構造を備える。この構造は、噛み合った構造と称することができる。

本実施例において、第１開口部１１４及び第２開口部１１６が第１壁１１１ａの上部及び下部にそれぞれ備えられているため、流路延長部１２０は、第１開口部１１４に流入する流体が流路延長部１２０を経て第２開口部１１６に円滑に流れるように、もう一つの第１隔壁１２５を備える。第１隔壁１２５は、前述した第１隔壁１２１と同様に、第１壁１１１ａに一端が連結された板形状を有し、第２隔壁１２３と所定の間隔をおいて配置される。

前述した流路延長部１２０は、ジグザグ形状または蛇行（ｍｅａｎｄｅｒｉｎｇ）形状を有する。このような流路構造は、ハウジング１００の体積の制限を考慮して、例えば、ハウジング１００の体積を実質的に増加させないように、あるいは最小限に増加させるように設計されたものである。

また、本実施例において、流路延長部１２０は、効率的な流路延長構造を考慮して、第１開口部１１４に流入する流体がハウジング本体１１０の上壁１１１ｃの内表面と流路延長部１２０の外表面、すなわち、第１隔壁１２１の一面との間を先に流動するように備えられている。以下の説明において、流路延長部１２０は、流路延長の側面から、ハウジング本体１１０の上壁１１１ｃの内表面と流路延長部１２０の外表面との間の流路を含むものとする。

前述した流路延長部１２０において、流体の移動方向に対して略直交する方向における流路断面積は、内部空間の体積と比較して非常に小さい。例えば、ハウジング本体１１０の上壁１１１ｃと第１隔壁１２１との間の距離Ｈ１は、第１開口部１１４の直径と類似の大きさにおいて第１開口部１１４の直径より小さい。

また、流路延長部１２０において、流体の移動方向（ｚ方向）に対して略直交する方向、すなわち、略第１壁１１１ａに平行する方向（ｘ方向、ｙ方向またはｘ−ｙ平面に平行な方向）の一方向（ｘ方向）における幅の長さは、第１開口部１１４の直径より大きい。例えば、幅の長さは、第１開口部１１４の直径の略数倍ないし数十倍が可能である。ただし、幅の長さは、流路延長部１２０の流路の長さに比べて非常に小さい値を有する。この流路の長さと幅の長さの関係は、１次元的な流路構造を形成する。

前述した流路延長部１２０の流路は、互いに交互に配置される第１隔壁の長さと個数及び／または第２隔壁の長さと個数が増加するほど延長することができる。本実施例において、隣接する隔壁間の一方向（ｙ方向）における距離は同一であり得る。

前述した構成によれば、流路延長部１２０は、第１開口部１１４を介してハウジング１００内に流入する流体が実質的に２次元的に互いに異なるベクトル成分を有して広がることを防止する。また、流路延長部１２０は、第１開口部１１４に流入した流体の不均一な速度分布を１次元的な流路構造により均一化する。

言い換えれば、流路延長部１２０は、少なくとも一地点から流入する流体が十分な長さの流路を介して１次元的に流動するようにする。したがって、流路延長部１２０を通過した流体は、速度成分が均一化されることにより、ハウジング１００の内部空間１１２においてほぼ均一な速度で流動することができる。このとき、流体は、ハウジング１００内の全体的な圧力差によって流動するようになる。

図２は、図１のＳＯＦＣハウジング内の流体の流動を説明するための固体酸化物燃料電池の概略斜視図である。

図２に示すように、固体酸化物燃料電池１０１は、第１実施例のＳＯＦＣハウジング１００（以下、「ハウジング」という。）と、ハウジング１００内に搭載される固体酸化物燃料電池セル２００（以下、「セル」という。）と、セルに燃料及び酸化剤を供給するリアクタント供給部とを備える。

リアクタント供給部は、燃料供給部及び酸化剤供給部を備えることができる。燃料供給部または酸化剤供給部は、セルに連結されるマニホールドを備えることができる。以下の説明では、説明の便宜上、ハウジング１００内の流路延長部１２０を介して供給される気相の第１流体を酸化剤として説明し、ハウジング１００に結合され、複数のセル２００と流体疎通可能に連結されるマニホールド２１３を介して供給される第２流体を燃料として説明する。酸化剤は、空気または純酸素ガスなどを含み、燃料は、水素、石炭ガス、天然ガス、埋立地ガスなどを含む。

本実施例において、酸化剤供給部（図示せず）は、第１開口部に連結された配管１１５を介してハウジング１００に空気を供給することができる。その場合、ハウジング１００内に流入した空気は、まず、ハウジング１００の上壁１１１ｃと第１隔壁１２１との間を流動し、第２壁１１１ｂの内表面上で方向を転換し、第１隔壁１２１と第２隔壁１２３との間を流動する。また、空気は、第１壁１１１ａの内表面上で再び方向を転換し、第２隔壁１２３ともう一つの第１隔壁１２５との間を流動する。その後、空気は、第２壁１１１ｂ上で再び方向を転換した後、内部空間１１２に所定の形態で配列されている複数のセル２００周辺を経て第２開口部１１６に放出される。

前述した空気の流れにおいて、所定の圧力下で配管１１５を介して供給される空気は、流路延長部１２０の幅の長さに比べて十分に長い流路に沿って実質的に１次元的に移動する。また、ベクトル成分が均一化された状態でハウジング１００の内部空間１１２に供給される。ハウジング１００の内部空間１１２に供給される空気は、複数のセル２００周辺を実質的に均一な流速で流れた後、第２開口部１１６を介して放出される。

前述した構成によれば、固体酸化物燃料電池は、各セルのカソードに均一に供給される酸化剤と、マニホールド２１３を介して各セルのアノードに供給される燃料との電気化学的反応により、効率的に電気を生産することができる。マニホールド２１３は、未反応燃料と水などの反応副生成物をアウトレットストリーム（ｏｕｔｌｅｔｓｔｒｅａｍ）に放出することができる。

このように、本実施例の固体酸化物燃料電池１０１では、流路延長部１２０を介して複数のセル２００周辺に均一な流速の酸化剤を供給することにより、各セルに供給される燃料の供給量が均一であると仮定すると、燃料電池の性能を向上させることができ、燃料電池の長時間の安定した運転に寄与することができる。

図３は、第２実施例によるＳＯＦＣハウジングの概略斜視図である。

図３に示すように、ＳＯＦＣハウジング２００は、ハウジング本体２１０と、ハウジング本体２１０に結合される流路延長部２２０と、流体の流れ方向の下流側で流路延長部２２０に結合する打孔板２２７とを備える。

ハウジング本体２１０は、内部空間２１２、内部空間２１２を間に挟んで互いに流体疎通可能に連結される第１開口部２１４及び第２開口部２１６を備える。ハウジング本体２１０は、第１壁２１１ａを備える。第１壁２１１ａは、第１開口部２１４及び第２開口部２１６が所定の間隔をおいて配置されている。本実施例において、第２開口部２１６は、複数のホールで形成される。

一方、本実施例において、ハウジング本体２１０は、流路延長部２２０を収納する形態で示されている。しかし、本開示は、そのような構成に限定されない。例えば、流路延長部は、ハウジング本体２１０の上壁２１１ｃを備え、ハウジング本体２１０の上端の開口部を覆うように設計され得る。他の側面において、流路延長部は、点線表示した部分２２０ａによって設計され得る。この場合、ハウジング本体は、本実施例のハウジング本体２１０から前記部分２２０ａを除く部分によって形成される。

流路延長部２２０は、所定の圧力下で第１開口部２１４に流入した空気が幅の長さに比べて十分に長い流路を介して１次元的に流動するように備えられる。流路延長部２２０は、第１隔壁２２１、第２隔壁２２３、及びもう一つの第１隔壁２２５を備える。流路延長部２２０は、第１実施例の流路延長部１２０と実質的に同一である。

打孔板２２７は、流路延長部２２０の流路を基準として、流路の一端に位置する第１開口部２１４に対向するように流路の他端に位置する。打孔板２２７は、流路延長部２２０のアウトレットから出る流体を内部空間２１２に適切に分配するように備えられる。流体を分配するために、打孔板２２７は、複数のホール２２８を備える。

本実施例において、打孔板２２７は、板状の第１隔壁２２５が第１方向（ｚ方向）に延長する板状の第１隔壁２２５に対して直交する第２方向（ｙ方向）に延長するように備えられる。言い換えれば、打孔板２２７は、ｘ−ｚ平面に平行する板状の第１隔壁２２５に対して直交するように、ｘ−ｙ平面に平行に設けられる。

以下に説明するガイドチューブと打孔板の関係を考慮すると、複数のホール２２８は、ガイドチューブの大きさに比例する大きさを有することができる。例えば、複数のホール２２８は、流路延長部２２０を通過した流体が先に到達する打孔板２２７に位置するホールの大きさが、流体が後に到達する打孔板２２７のホールの大きさより小さくなるように設計され得る。他の側面において、流路延長部２２０を通過した流体が先に到達する打孔板２２７に形成された隣接するホール間の間隔は、流体が後に到達する打孔板２２７の隣接するホール間の間隔より大きくなるように設計され得る。

前述した構成によれば、第１開口部２１４を介してハウジング２００内に流入した流体を１次元的に流動させた後、適切に分配して、ハウジング２００の内部空間２１２に放出することができる。

これは、前記打孔板に複数のホールを形成することにより、流路延長部を通過した流体を均一に分配させるためのものであり、前記打孔板に形成されるホールの大きさとホール間の間隔を調整する必要がある。

重要なのは、前記打孔板に形成されるホールの大きさは次第に変化し得ることであり、流体が先に到達する打孔板に位置するホールの大きさは、流体が後に到達する打孔板のホールの大きさより小さいことが好ましく、流体が先に到達する打孔板の互いに隣接するホール間の間隔は、遠く位置する打孔板の互いに隣接するホール間の間隔より大きくなり得る。

これは、もちろん、流動流体の速度や内部圧力などによって逆の場合も可能であるが、原則として流動流体を均一に分配するためには、打孔板に形成される複数のホールの直径の大きさと隣接するホール間の間隔は次第に変化することが必要となる。

これは、後述するガイドチューブにも同様に適用される。

図４は、図３のＳＯＦＣハウジング内の流体の流動を説明するための固体酸化物燃料電池の概略斜視図である。

図４に示すように、固体酸化物燃料電池２０１は、第２実施例のハウジング２００と、ハウジング２００内に収納された複数のセル２００と、ハウジング２００内の所定の流路を介して各セル２００に空気を供給する酸化剤供給部（図示せず）と、各セル２００に燃料を供給する燃料供給部（図示せず）とを備える。燃料供給部は、複数のセル２００に流体疎通可能に連結されるマニホールド２１０ａを備える。

本実施例において、酸化剤供給部（図示せず）は、第１開口部２１４を介してハウジング２００に空気を供給する。ハウジング２００内に流入した空気は、流路延長部２２０を通過した後、打孔板２２７を介して内部空間２１２に分配供給される。内部空間２１２に供給された空気は、複数のセル２００周辺を経て第２開口部２１６を介して外部に放出される。

前述した構成によれば、固体酸化物燃料電池２０１は、各セルの外表面に位置するカソードに均一に供給される酸素と、マニホールド２１０ａを介して各セルの内表面に位置するアノードに供給される燃料との電気化学的反応により、効率的に電気を生産することができる。マニホールド２１０ａは、アウトレットストリームであって、水などの反応副生成物と未反応燃料を外部に放出する。

このように、本実施例の固体酸化物燃料電池２０１では、流路延長部２２０及び打孔板２２７を介して複数のセル２００周辺に均一な流速の空気を供給することにより、各セルに供給される燃料の供給量が均一であると仮定すると、燃料電池の性能を向上させることができ、燃料電池の長時間の安定した運転に寄与することができる。

図５は、比較例による固体酸化物燃料電池のハウジング内の流体の流動を説明するための概略斜視図である。

本比較例は、前述した第１実施例のハウジングから流路延長部を除く比較例のハウジングに複数のセルを設け、ハウジング内に供給される空気の流速を測定した結果を説明するためのものである。

図５に示すように、比較例による固体酸化物燃料電池１０２は、ハウジング１０３と、ハウジング１０３に収納される複数のセル２００とを備える。

ハウジング１０３は、第１壁１０４ａと、第２壁１０４ｂと、第１壁１０４ａに備えられた第１開口部１０５と、第２壁１０４ｂに備えられた第２開口部１０６とを備える。ハウジング１０３は、前述した流路延長部を除けば、第１実施例のハウジングと実質的に同一の構造を備える。また、ハウジング１０３は、図２のハウジング１１０と実質的に同一の内部空間の体積を備える。また、複数のセル２００は、図２の複数のセル２００と同一の個数及び積層／配列形態でハウジング１０３内に設けられる。

図５では概略的に示しているが、本比較例において、複数のセル２００には、空気の流れ方向（ｚ方向）に６列、かつ、ｙ方向に９列からなる計５４のセルが用いられている。

第１開口部１０５を介してハウジング１０３内に流入した空気は、内部空間１０３ａに不均一なベクトル成分を有して分散する。第１開口部１０５から内部空間１０３ａに分散する空気成分に対するベクトル成分は、第１壁１０４ａから所定の間隔をおいて離隔する所定の平面１０７を基準として複数の矢印１０８のように示すことができる。

このように、比較例の固体酸化物燃料電池１０２のハウジング１０３内に所定の圧力下で流入する空気は、第１開口部１０５に対応する関心部から前記平面１０７に対応する平面上に２次元的に分散することにより、不均一な速度分布を有するようになる。

すなわち、比較例のハウジングまたは固体酸化物燃料電池において、空気が第１開口部１０５から内部空間１０３ａを経て第２開口部１０６に流れる間、空気自体の不均一な速度分布やハウジング１０３の内表面から反射する空気のベクトル成分のような壁面効果などにより、空気の流れにおいて、内部空間１０３ａの前面部、中間部及び後面部と、底部、中間部及び上端部において、各々の空気の速度に相当な差を有する。

前述した前面部は、第１点１０９ａを含むｘ−ｙ平面に対応し、中間部は、第２点１０９ｂを含むｘ−ｙ平面に対応し、後面部は、第３点１０９ｃを含むｘ−ｙ平面に対応する。

図６ａ〜図６ｃは、図５のハウジング内の３つの平面を通過する空気の流速をそれぞれ示すグラフである。ここで、３つの平面は、前述した図５の前面部、中間部及び後面部に対応する。

図６ａは、前面部において、横第１列の各セル周辺の上端部（Ｔｏｐ）、中間部（Ｃｅｎｔｅｒ）及び底部（Ｂｏｔｔｏｍ）における空気の流れ速度を測定した結果を示す。図６ａに示すように、前面部の９つの各セル周辺の底部における空気の速度は、約０．０４６ｍ／ｓから約０．０６６ｍ／ｓまで測定され、中間部における空気の速度は、約０．０２５ｍ／ｓから約０．０７１ｍ／ｓまで測定され、上端部における空気の速度は、約０．０１１ｍ／ｓから約０．０７８ｍ／ｓまで測定された。

図６ｂは、中間部において、横第３列と第４列の隣接するセル間の上端部、中間部及び底部における空気の流れ速度を測定した結果を示す。図６ｂに示すように、中間部の９対の隣接するセル間の底部における空気の速度は、約０．０３３ｍ／ｓから約０．０４６ｍ／ｓまで測定され、中間部における空気の速度は、約０．０１０ｍ／ｓから約０．０４１ｍ／ｓまで測定され、上端部における空気の速度は、約０．００６ｍ／ｓから約０．０４３ｍ／ｓまで測定された。

図６ｃは、後面部において、横第６列の各セル周辺の上端部、中間部及び底部における空気の流れ速度を測定した結果を示す。図６ｃに示すように、後面部の９つの各セル周辺の底部における空気の速度は、約０．０３２ｍ／ｓから約０．０４０ｍ／ｓまで測定され、中間部における空気の速度は、約０．０１３ｍ／ｓから約０．０４０ｍ／ｓまで測定され、上端部における空気の速度は、約０．００５ｍ／ｓから約０．０３０ｍ／ｓまで測定された。

比較例の固体酸化物燃料電池１０２では、ハウジング内における空気の速度が各位置によって大差を見せ、最大約５０％までの大きな偏差を表した。このように、比較例の固体酸化物燃料電池１０２は、ハウジング１０３の内部空間１０３ａの全ての位置において空気の速度が非常に不均一であることが分かる。

本比較例によれば、固体酸化物燃料電池１０２では、各セル２００に供給される燃料が非常に均一であると仮定しても、各セル２００に供給される空気中の酸素が非常に不均一なため、各々のセルの性能に顕著な差を発生させ、それにより、システム性能が低下し、長時間の安定した運転が難しくなり得る。

一方、他の比較例として、図４の固体酸化物燃料電池からハウジング内の流路延長部のみを除き、ハウジングの内部空間に流れる空気の速度を測定した。その結果は、前述した比較例の結果と実質的にほとんど差がなかった。そのため、他の比較例による固体酸化物燃料電池のハウジング内の空気の速度については、説明の重複を避けるために説明を省略する。

図７は、第３実施例によるＳＯＦＣハウジングの概略斜視図である。

図７に示すように、ハウジング３００は、ハウジング本体３１０と、ハウジング本体３１０に結合する流路延長部３２０と、遮断部３３０とを備える。

ハウジング本体３１０は、第１壁３１１ａと、第１壁３１１ａと所定の間隔をおいて対向する第２壁３１１ｂと、第１壁３１１ａ及び第２壁３１１ｂの上端部を互いに連結する第３壁３１１ｃと、第３壁３１１ｃに対向し、第１壁３１１ａ及び第２壁３１１ｂの下端部を互いに連結する第４壁３１１ｄと、第１ないし第４壁３１１ａ〜３１１ｄの一側の縁を連結する第５壁３１１ｅと、第５壁３１１ｅに対向し、第１ないし第４壁３１１ａ〜３１１ｄの他側の縁を連結する第６壁３１１ｆとを備える。

また、ハウジング本体３１０は、内部空間３１２、内部空間３１２に流体疎通可能に連結される複数の第１開口部３１４、及び内部空間３１２に流体疎通可能に連結される複数の第２開口部３１６を備える。複数の第１開口部３１４は、上壁に対応する第３壁３１１ｃに備えられ、複数の第２開口部３１６は、第２壁３１１ｂに備えられる。

本実施例において、３つの第１開口部３１４は、第１壁３１１ａに平行する方向において一列に所定の間隔をおいて配置されている。複数の第２開口部３１６は、第２壁３１１ｂに所定のパターンで規則的に配置されている。

遮断部３３０は、３つの第１開口部３１４と所定の間隔をおいてハウジング本体３１０内に配置される。３つの第１開口部３１４と所定の間隔をおいて遮断部３３０を設けると、第１開口部３１４を介してハウジング本体３１０内に流入する空気が遮断部３３０に衝突した後、適切に分散可能である。本実施例において、遮断部３３０は、第３壁３１１ｃからハウジング本体３１０の内側に所定の長さだけ延長する第１遮断壁３３２と、第１遮断壁３３２の末端の縁から第１壁３１１ａ側に延長する第２遮断壁３３４とを備える。第２遮断壁３３４の末端の縁は、第１壁３１１ａと所定の間隔離隔している。

他の側面から、前述した遮断部３３０の構造的な面において、遮断部３３０は、ハウジング本体３１０の内部に固定される流路延長部３２０の一側の外表面に形成され得る。この場合、第１遮断壁３３２は、流路延長部３２０をハウジング本体３１０内に固定結合するための内部隔壁となる。また、第２遮断壁３３４は、流路延長部３２０の一側壁となり、その外表面は、遮断部３３０として機能する。

流路延長部３２０は、幅方向（ｘ方向）の長さに比べて十分に長い流路を有する。流路延長部３２０の流路構造は、遮断部３３０で分散した空気が１次元的に流動できるように形成される。本実施例において、流路延長部３２０は、所定の間隔をおいて互いに噛み合った形状に配置される板状の第１ないし第４隔壁３２１、３２２、３２３、３２４を備える。第３隔壁３２３は、もう一つの第１隔壁と称し、第４隔壁３２４は、もう一つの第２隔壁と称することができる。

第１隔壁３２１は、第２遮断壁３３４の末端の縁から第４壁３１１ｄ側に延長し、その末端は、ｙ方向において第４壁３１１ｄと所定の間隔離隔している。第２隔壁３２２は、第４壁３１１ｄから第２遮断壁３３４側に延長し、その末端は、第２遮断壁３３４と所定の間隔離隔している。第３隔壁３２３は、第２遮断壁３３４の中間部分から第４壁３１１ｄ側に延長し、その末端は、第４壁３１１ｄと所定の間隔離隔している。第４隔壁３２４は、第４壁３１１ｄから第２遮断壁３３４側に延長し、その末端は、第２遮断壁３３４と所定の間隔離隔している。

第１ないし第４隔壁３２１、３２２、３２３、３２４は、ｚ方向において互いに隣接する隔壁間に所定の間隔離隔する。また、第１ないし第４隔壁３２１、３２２、３２３、３２４の両側面は、第５壁３１１ｅ及び第６壁３１１ｆにそれぞれ連結される。

前述した構造によれば、第１開口部３１４を介してハウジング３００内に流入した空気は、遮断部３３０に衝突した後、遮断部３３０と第１開口部３１４との間、または遮断部３３０と第３壁３１１ｃの内表面との間の分散空間３３０ａで適切に分散する。分散空間３３０ａで分散した空気は、流路延長部３２０と第１壁３１１ａとの間の空間に自然に流動する。また、空気は、流路延長部３２０と第１壁３１１ａの内表面との間並びに流路延長部３２０の流路を１次元的に移動する。このとき、空気のベクトル成分は均一化される。流路延長部３２０のアウトレット３２７から出た空気は、実質的に均一な速度で内部空間３１２を経由した後、第２開口部３１６を介して外部に放出される。

図８は、第４実施例によるＳＯＦＣハウジングの概略斜視図である。図９は、図８のＳＯＦＣハウジング内の流体の流動を説明するための固体酸化物燃料電池の概略断面図である。図１０は、図９の固体酸化物燃料電池の横断面図である。

図８に示すように、ハウジング３００ａは、ハウジング本体３１０と、流路延長部３２０と、遮断部３３０と、打孔板３４０と、ガイドチューブ３５０とを備える。

本実施例のハウジング３００ａは、打孔板３４０及びガイドチューブ３５０を除けば、図７を参照して先に説明した第３実施例のハウジング３００と実質的に同一である。

打孔板３４０は、第１遮断壁３３２とハウジング本体３１０の底壁に対応する第４壁３１１ｄとの間に配置される。打孔板３４０は、ハウジング３００ａの内部空間３１２と流路延長部３２０との間に配置される。打孔板３４０は、流路延長部３２０から出る流体が通過する複数のホール３４８を備える。各ホール３４８には、ガイドチューブ３５０が結合される。

本実施例の打孔板３４０は、設置位置及び大きさを除けば、図３を参照して説明した第２実施例のハウジングの打孔板２２７と実質的に同一である。

複数のガイドチューブら３５０は、第２開口部３１６に対向する打孔板３４０の一面上で打孔板３４０のホール３４８にそれぞれ結合する。各ガイドチューブ３５０は、流路延長部３２０から打孔板３４０のホール３４８を介して内部空間３１２に出る空気のベクトル成分がｚ方向に平行する方向に転換されるように空気の流れをガイドする。ガイドチューブ３５０の突出の長さは、流体の流量または流速によって調整可能である。

より具体的に説明すると、流路延長部３２０から出る空気は、ある程度の速度ベクトルを維持している。そのため、打孔板３４０のホール３４８を通過したとき、打孔板３４０に対して直角方向（ｚ方向）に流れることができず、底側にある程度傾いて流れるようになる。その場合、打孔板３４０を通過した空気の一部は、第２開口部３１６に流出することができず、内部空間３１２で循環するようになる。

しかし、図９に示すように、ハウジング３００ａを備える固体酸化物燃料電池３０１では、ガイドチューブ３５０を用いて打孔板３４０を通過する空気の流れをｚ方向にガイドすることにより、内部空間３１２で循環する空気の流れを除去し、それにより、内部空間３１２における空気の流れをｚ方向でより均一にする。

本実施例による固体酸化物燃料電池３０１の内部空間３１２における空気の流れを測定した。各位置における空気の流れは、図１０に示すように、複数のセルを、所定のパターン、例えば、空気の流れ方向において、縦６列、横９列で配置したスタックの前面部Ａ１、中間部Ａ２及び後面部Ａ３において、かつ、各セルの上端部、中間部及び底部においてそれぞれ測定された。

図１１ａ〜図１１ｃは、図１０のハウジング内の３つの平面を通過する流体の流速をそれぞれ示すグラフである。

図１１ａは、前面部Ａ１において、横第１列の各セル周辺の上端部、中間部及び底部における空気の流れ速度を測定した結果を示す。図１１ａに示すように、前面部Ａ１の９つの各セル周辺の底部、中間部及び上端部における空気の速度は、それぞれ、約０．０４５±０．００３ｍ／ｓ、約０．０２５±０．００５ｍ／ｓ及び約０．０１７±０．００２ｍ／ｓとなっている。

図１１ｂは、中間部Ａ２において、横第３列と第４列の隣接するセル間の上端部、中間部及び底部における空気の流れ速度を測定した結果を示す。図１１ｂに示すように、中間部Ａ２の９対の隣接するセル間の底部、中間部及び上端部における空気の速度は、それぞれ、約０．０６８±０．００２ｍ／ｓ、約０．０４９±０．００２ｍ／ｓ及び約０．０３９±０．００１ｍ／ｓとなっている。

図１１ｃは、後面部Ａ３において、横第６列の各セル周辺の上端部、中間部及び底部における空気の流れ速度を測定した結果を示す。図１１ｃに示すように、後面部Ａ３の９つの各セル周辺の底部、中間部及び上端部における空気の速度は、それぞれ、約０．０６８±０．００２ｍ／ｓ、約０．０４５±０．００１ｍ／ｓ及び約０．０３７±０．００１ｍ／ｓとなっている。

本実施例によれば、固体酸化物燃料電池のハウジング内部における位置ごとの空気の速度分布は、前面部Ａ１の上端部、中間部及び下端部において、それぞれ、約９．５％、約７．５％及び約４．４％の偏差を表し、中間部Ａ２及び後面部Ａ３の全ての位置において約１．３〜約１．９の均一な編差を表した。このように、本実施例の固体酸化物燃料電池３０１では、ハウジング内部のセル周辺の位置ごとの流体の速度分布が非常に均一であることが分かる。

図１２ａ及び図１２ｂは、本実施例のＳＯＦＣハウジングに適用可能な打孔板構造及びガイドチューブ構造を説明するための概略断面図である。

本実施例は、前述した実施例のうち、打孔板または打孔板とガイドチューブを用いるハウジングに採用可能な打孔板構造及びガイドチューブ構造を提供する。

図１２ａに示すように、打孔板３４０ａは、複数のホール３４８ａ、３４８ｂ、３４８ｃを備える。このとき、複数のホール３４８ａ、３４８ｂ、３４８ｃの直径は、流体が先に到達する打孔板の一側３４２ａから、打孔板の一側に対向する打孔板の他側３４４ａに進むほど増加することができる。すなわち、打孔板３４０ａにおいて、第１ホール３４８ａの第１直径ｄ１は、第２ホール３４８ｂの第２直径ｄ２より小さく、第２ホール３４８ｂの第２直径ｄ２は、第３ホール３４８ｃの第３直径ｄ３より小さくなるように設けられていてもよい。このとき、隣接するホール間の距離Ｌ１は同一であることが好ましい。

一方、打孔板３４０ａの各ホール３４８ａ、３４８ｂ、３４８ｃにガイドチューブが結合した場合、複数のガイドチューブ３５０ａ、３５０ｂ、３５０ｃの中空部の断面積は、前述したホール３４８ａの直径構造と同様に、打孔板３４０ａの一側３４２ａから、打孔板の一側に対向する打孔板の他側３４４ａに進むほど増加することができる。

図１２ｂに示すように、打孔板３４０ｂは、複数のホール３４９ａ、３４９ｂ、３４９ｃ、３４９ｄを備える。このとき、複数のホールのうち、隣接するホール間の間隔は、流体が先に到達する打孔板３４０ｂの一側３４２ｂから、打孔板の一側に対向する打孔板の他側３４４ｂに進むほど減少することができる。すなわち、打孔板３４０ｂにおいて、互いに隣接する第１ホール３４９ａと第２ホール３４９ｂとの間の第１間隔Ｌ２は、互いに隣接する第２ホール３４９ｂと第３ホール３４９ｃとの間の第２間隔Ｌ３より大きい。また、第２間隔Ｌ３は、互いに隣接する第３ホール３４９ｃと第４ホール３４９ｄとの間の第３間隔Ｌ４より大きい。このとき、各ホールの直径ｄ４は一定であることが好ましい。

一方、打孔板３４０ｂの各ホール３４９ａ、３４９ｂ、３４９ｃ、３４９ｄには、同一の中空部の断面積を有するガイドチューブ３５０がそれぞれ結合され得る。この場合、打孔板３４０ｂ上において、流体が先に到達する打孔板の一側３４２ｂから他側３４４ｂに進むほど、ガイドチューブ間の間隔は次第に減少することができる。

以下では、本実施例の固体酸化物燃料電池とその作動過程についてより具体的に説明する。

図９をさらに参照すると、本実施例の固体酸化物燃料電池３０１は、複数のセル２００と、各セルに燃料を供給する燃料供給部（図示せず）と、各セルに酸化剤を供給する酸化剤供給部（図示せず）と、複数のセルを収納するハウジング３００ａとを備える。燃料供給部は、マニホールド２１０ａを備えることができる。酸化剤供給部は、配管のような連結手段を介して第１開口部３１４に流体疎通可能に連結され、所定の圧力で空気を供給することができる。

具体的には、図１３ａに示すように、一実施例によるマニホールド２１０ａは、２層構造を有し、第１層２１２に流体疎通可能に連結された燃料供給管２１６を介してセル２００に燃料を供給するように備えられる。燃料供給管２１６は、第２層２１４を貫通してセル２００の中空部に深く挿入され、その末端部は、セル２００の一端の蓋２０８と所定の間隔離隔している。

セル２００は、支持体を形成するチューブ型アノード電極２０２、アノード電極２０２の外表面に順次積層されている電解質層２０４及びカソード電極２０６を備える。セル２００の他端２０９は、開放された状態でマニホールド２１０ａの第２層２１４と流体疎通可能に連結される。本実施例において、セル２００は、いわゆるキャップと呼ばれる蓋２０８により、その一端が閉鎖された構造を備える。

セル２００の内部に供給された燃料は、燃料供給管２１６の外表面に沿ってセル２００の中空部を逆流して流れ、セル２００の内表面に位置するアノード電極２０２に供給される。セル２００は、アノード電極２０２とカソード電極２０６にそれぞれ供給される燃料と酸素との電気化学的反応により電気を生成する。ここで、酸素は、酸化剤供給部を介して供給される空気に含まれたものであり、本実施例のハウジング３００ａ内に備えられた流路を通過してハウジングの内部に均一に供給される。また、セル２００の中空部から出る未反応燃料と反応副生成物は、マニホールド２１０ａの第２層２１４を介して外部に放出される。

一方、本実施例に採用可能なＳＯＦＣセルは、前述した形態のほか、他の形態が利用可能である。

例えば、図１３ｂに示すように、他の実施例のセル２００ａは、ウェスティングハウス（現Ｓｉｅｍｅｎｓ−Ｗｅｓｔｉｎｇｈｏｕｓｅ）が開発した無密封円筒型セルが利用可能である。この場合、セルの両端には、それぞれマニホールドが配置され得る。

セル２００ａは、支持体を形成するチューブ型カソード電極２０６ａ、カソード電極２０６ａの外表面上に順次積層される電解質層２０４ａ及びアノード電極２０２ａを備える。また、セル２００ａは、アノード電極２０２ａ及び電解質層２０４ａを貫通し、かつ、カソード電極２０６ａに連結されるカソードインターコネクタ２０７を備える。カソードインターコネクタ２０７は、セル２００ａの長手方向に延長し、カソード電極２０６ａと所定の間隔離隔する。電解質層２０４ａは、酸素イオンまたはプロトンを伝達できるイオン伝導性酸化物で形成される。

前述した実施例では、アノード支持体型セルとカソード支持体型セルを中心に説明した。しかし、前述した実施例のセルは、別の支持体を用いるチューブ型ＳＯＦＣセルで形成されていてもよい。

上述した実施形態によれば、ハウジング内に流入する流体が線形流動した後、平面に対して直交する方向に平行に流動するようにガイドすることにより、複数の燃料電池セル各々の周辺により均一な流量の空気の流れを有する固体酸化物燃料電池用ハウジングを提供することができる。

また、ハウジング内に流入する流体を衝突させた後、線形流動させるか、または線形流動した流体を複数のホールを介して分配することにより、前述した構成に加えて、複数の燃料電池セル各々の周辺により均一な流量の空気の流れを有する固体酸化物燃料電池用ハウジングを提供することができる。

また、各々の燃料電池セル周辺に均一な空気流量を供給することにより、同一の流量の燃料が各セルに供給されると仮定すると、同一の体積または仕様のＳＯＦＣスタックまたはシステムと対比して、各燃料電池セルの性能を実質的に均一に維持または向上させることができる。さらに、各々の安定したセル性能によりセル間の性能の偏差が減少するため、複数の燃料電池セルが組合わされたスタックまたはシステム全体の性能を高める一方で、スタックまたはシステムの長時間の安定した運転に寄与することができる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

１００、２００、３００、３００ａハウジング
１０１、２０１、３０１固体酸化物燃料電池
１１０、２１０、３１０ハウジング本体
１２０、２２０、３２０流路延長部
２２７、３４０、３４０ａ、３０４ｂ打孔板
３３０遮断膜
３５０、３５０ａ、３５０ｂ、３５０ｃガイドチューブ
２００、２００ａセル

Claims

内部空間を備えたハウジング本体と、
前記内部空間に連通し、前記ハウジング本体の第１壁に備えられた流体の流入のための少なくとも１つの第１開口部と、
前記内部空間に連通し、前記ハウジング本体の第２壁に備えられた流体の流出のための少なくとも１つの第２開口部と、
前記第１開口部と前記第２開口部との間で流体の流路を長くするための流路延長部とを備えてなることを特徴とする固体酸化物燃料電池用ハウジング。
前記流路延長部は、前記第１壁と前記第２壁との間でジグザグ形状を有することを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物燃料電池用ハウジング。
前記流路延長部は、前記ハウジング本体の第１壁と、前記第１壁に対向する第２壁との間で、前記第１壁に一端が固定された少なくとも１つの板状の第１隔壁と、前記第２壁に一端が固定された少なくとも１つの板状の第２隔壁とを備え、前記第１隔壁は、垂直状態で前記第２隔壁と離隔していることを特徴とする請求項２に記載の固体酸化物燃料電池用ハウジング。
前記ハウジングは、前記流路延長部を通過した流体を分配するように複数のホールを備えた打孔板をさらに備えることを特徴とする請求項３に記載の含む固体酸化物燃料電池用ハウジング。
前記打孔板は、前記流路延長部の流出側に隣接して配置され、前記第２隔壁から垂直方向に延長していることを特徴とする請求項４に記載の固体酸化物燃料電池用ハウジング。
前記打孔板に備えられた複数のホールの直径は、前記流路延長部の流出側からの距離が増加することによって変化することを特徴とする請求項４に記載の固体酸化物燃料電池用ハウジング。
前記打孔板に備えられた複数のホールの直径は、前記流体が到達する長さによって増加または減少することを特徴とする請求項４に記載の固体酸化物燃料電池用ハウジング。
前記打孔板に備えられた複数のホールは、前記ハウジングの内部空間の流体の流動を均一に燃料電池セルに対して分配することを特徴とする請求項４に記載の固体酸化物燃料電池用ハウジング。
前記打孔板に備えられた複数のホールの互いに隣接する間隔は、前記流路の長さによって変化することを特徴とする請求項４に記載の固体酸化物燃料電池用ハウジング。
前記打孔板に備えられた複数のホールには、それぞれガイドチューブが連結されることを特徴とする請求項４に記載の固体酸化物燃料電池用ハウジング。
前記固体酸化物燃料電池用ハウジングは、前記ハウジング本体内の前記第１開口部に隣接する遮断部をさらに備え、前記遮断部は、前記第１開口部を介して流路内に流動する流体の流れを分散させることを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物燃料電池用ハウジング。
前記遮断部は、前記第１開口部から離隔して配置されていることを特徴とする請求項１１に記載の固体酸化物燃料電池用ハウジング。
前記第２開口部は、前記ハウジングの一壁の下部に備えられたスロット形態または複数の開口部であることを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物燃料電池用ハウジング。
前記第２開口部は、前記ハウジングの一壁に複数個形成されていることを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物燃料電池用ハウジング。
請求項１〜１４のいずれか１項に記載のハウジングと、
前記ハウジング内に備えられた複数の固体酸化物燃料電池用セルと、
前記複数の固体酸化物燃料電池用セルに燃料を供給するための燃料供給部と、
前記複数の固体酸化物燃料電池用セルに酸化剤を供給するための酸化剤供給部とを備えてなることを特徴とする固体酸化物燃料電池。