JP2016072199A - 燃料電池セルスタック - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池セルスタックの中央部（高温部）の低温化を図り、温度分布を均一化する。【解決手段】燃料電池セルスタック４は、複数の平板型の燃料電池セル１０を電気的に直列に積層してなる。ここにおいて、積層方向の中間部に配置される燃料電池セルのうち、少なくとも一部の燃料電池セル１０Ａが、他の燃料電池セル１０Ｂに対し、列からはみ出す方向に突出配置される。具体的には、中央部の燃料電池セル１０Ａのセル面積を他の燃料電池セル１０Ｂのセル面積より大きくする複数の平板型の固体酸化物形燃料電池セル１０を電気的に直列に積層してなる燃料電池セルスタック４。【選択図】図３

Description

本発明は、複数の平板型の固体酸化物形燃料電池セルを電気的に直列に積層してなる燃料電池セルスタックに関する。

固体酸化物形の燃料電池セルスタックは、複数の平板型の固体酸化物形燃料電池セルを電気的に直列に積層してなる。
燃料電池セルスタックは、発電に伴って発生する熱と、セルスタックの上端部側でオフガスを燃焼させることにより発生する熱とにより、高温に維持される。

しかし、このような燃料電池セルスタックでは、燃料電池セルの積層方向に不均一な温度分布を生じ、積層方向の端部に配置される燃料電池セルが相対的に低温となり、積層方向の中央部に配置される燃料電池セルが相対的に高温となる。
この結果、低温部では発電効率の低下を招き、高温部では過熱による耐久性の低下を招くおそれがある。

特許文献１には、燃料電池セルスタックの温度分布の均一化を目的として、燃料電池セルスタックの積層方向における中央部に配置された複数個の燃料電池セル間の間隔を、燃料電池セルスタックの積層方向における端部に配置された複数個の燃料電池セル間の間隔よりも広くすることが提案されている。

特開２００８−１０８７２２号公報

しかしながら、特許文献１に記載の技術では、燃料電池セルスタックの積層方向における中央部に配置されている複数の燃料電池セルにおいて、セル間隔の増大により、中央部への集熱が緩和されるはずであるが、積極的な対策ではないため、中央部の低温化効果は限定的と考えられる。

本発明は、このような実状に鑑み、燃料電池セルの配列構造を工夫することで、より積極的に中央部（あるいは高温部）の低温化を図り、温度分布の均一化を目指すことを課題とする。

上記の課題を解決するために、本発明は、複数の平板型の固体酸化物形燃料電池セルを電気的に直列に積層してなる燃料電池セルスタックにおいて、積層方向の中間部に配置される燃料電池セルのうち、少なくとも１つの燃料電池セルが、他の燃料電池セルに対し、列からはみ出す方向に突出配置される構成とする。
尚、積層方向の中間部とは、積層方向の端部を除く趣旨であり、当然に中央部を含む。

本発明によれば、列からはみ出す方向に突出配置された燃料電池セルは、突出部において、周辺のカソード用酸化剤（一般に空気）との熱交換効率が向上し、更には、より低温である周辺機器（例えばカソード用酸化剤の供給部材）への輻射伝熱量が大きくなることで、低温化することができる。
これにより、積層方向の中央部、あるいは高温部の燃料電池セルに対し、突出配置を適用することで、温度分布の均一化を図ることができる。

本発明が適用される燃料電池システムの一例を示す概略図 本発明が適用される燃料電池システムの他の例を示す概略図 本発明の第１実施形態を示す燃料電池セルスタックのセル配列構成図 セルスタック温度分布のシミュレーション結果を示す図 第２実施形態を示す燃料電池セルスタックのセル配列構成図 第３実施形態を示す燃料電池セルスタックのセル配列構成図 第４実施形態を示す燃料電池セルスタックのセル配列構成図 第５実施形態を示す縦型の燃料電池セルスタックのセル配列構成図

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
図１は本発明が適用される燃料電池システムの発電モジュールの一例を示す概略図である。先ずこれについて説明する。

本例の発電モジュールは、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）方式であり、筐体１内に、複数の平板型の固体酸化物形燃料電池セル１０の集合体である燃料電池セルスタック４を備える。
尚、図１に示す発電モジュールは、燃料電池システムの中核をなすものである。燃料電池システムは、図１に示す発電モジュールと、この発電モジュールに燃料及び酸化剤を供給する原料供給装置と、この発電モジュールの出力側に設けられるパワーコンディショナーとを含んで構成される。パワーコンディショナーは、発電モジュール（燃料電池セルスタック４）の発電電力（直流電力）を取り出して、交流電力に変換し、系統電源と連係して外部負荷に供給する機能を有している。

筐体１は、その内部に空隙を隔てて上部開放の燃焼室区画部材２を備える。この燃焼室区画部材２内に、台座３、燃料電池セルスタック４、オフガス燃焼部５、燃料改質器６、及び、酸化剤供給部材７が配置される。

燃料電池セルスタック４は、燃焼室区画部材２の底部に設置される台座３上に配置されており、複数の平板型の固体酸化物形燃料電池セル１０の集合体である。

各燃料電池セル１０は、上下方向に延びる平板型のセル支持体の一方側の表面に、アノード（燃料極）、固体酸化物からなる電解質、カソード（酸化剤極）を順次積層してなる。セル支持体の他方側の表面には、緻密でガスバリア性及び電気伝導性を有する部材（インターコネクタ）を積層してなる。セル支持体は、その延在方向に沿って内部に燃料通路が形成されると共に、多孔質である。よって、アノードにはセル支持体内部から燃料（水素含有燃料）が供給される。カソードには外部から酸化剤（一般に空気）が供給される。

電解質は、高温下で酸化物イオンを伝導する。アノードは、酸化物イオンと燃料中の水素とを反応させて、電子及び水を発生させる。カソードは、酸化剤中の酸素と電子とを反応させて、酸化物イオンを発生させる。

従って、各燃料電池セルのカソードにて、下記（１）式の電極反応が生起され、アノードにて、下記（２）式の電極反応が生起されて、発電がなされる。
カソード： １／２Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｏ^２−（電解質） ・・・（１）
アノード： Ｏ^２−（電解質）＋Ｈ_２→Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻ ・・・（２）

複数の平板型の燃料電池セル１０は、図１で紙面と直交する方向に配列され、集電部材１２（図３参照）を介して積層されることで、電気的に直列に接続される。これにより燃料電池セルスタック４が構成される。
燃料電池セルスタック４は、本例では、台座３上に２列に配置されている。燃料電池セルスタック４は、列間では電気的に直列又は並列に接続されて、全体で所望の発電電力が得られる。

ここで、燃料電池セルスタック４への燃料（水素含有燃料）の供給は、台座３側（燃料電池セルスタック４の下端部側）からなされ、台座３は燃料分配機能を有している。台座３には、燃料改質器６から燃料（改質燃料）が供給される。
燃料電池セルスタック４への酸化剤（一般に空気）の供給は、酸化剤供給部材７を介してなされる。本例では、酸化剤供給部材７は、燃料電池セルスタック４の列間に臨んでいる。言い換えれば、燃料電池セルスタック４は、酸化剤供給部材７によって、２列に分割されている。

オフガス燃焼部５は、燃料電池セルスタック４での余剰の燃料（発電未反応ガスとして排出されるオフガス）を余剰の酸化剤の存在下で燃焼させ、燃料電池セルスタック４及び燃料改質器６を高温状態に維持する。ここで、燃料電池セルスタック４の上端部が燃料電池セルスタック４からのオフガスの排出部となり、排出されたオフガスは高温状態で余剰の酸化剤と混合することで燃焼する。従って、燃料電池セルスタック４の上端部側がオフガス燃焼部５となる。オフガス燃焼部５での燃焼熱により燃料電池セルスタック４は発電可能な高温状態に維持される。燃焼によって生成された高温の排気ガスは燃焼室区画部材２上部の開放部から筐体１と燃焼室区画部材２との間の空隙（排気通路）を経て排気出口８より筐体１外に排出される。その廃熱は適宜熱利用される。

燃料改質器６は、改質触媒を用いた改質反応により、水素製造用の原燃料を改質して、水素リッチな燃料ガス（改質燃料）を生成する。このため、燃料改質器６には筐体１外の燃料ポンプ（図示せず）により原燃料が供給される。

燃料改質器６での改質方式は、特に限定されず、例えば、水蒸気改質（ＳＲ）、部分酸化改質（ＰＯＸ）、自己熱改質（ＡＴＲ）、その他の改質方式を採用できる。水蒸気改質を用いる場合は、燃料改質器６内（又はこれとは別）に水気化部を設け、筐体１外から供給される水を気化して、水蒸気を生成する。

燃料改質器６は、オフガス燃焼部５での燃焼熱によって加熱されるように、燃焼室区画部材２内で燃料電池セルスタック４（オフガス燃焼部５）の上方に配置される。
本例では、燃料改質器６は、酸化剤供給部材７のレイアウトのため、２列構成の燃料電池セルスタック４に対応した２つの筒形燃料改質器により構成される。この場合、２つの筒形燃料改質器は燃料が並列に流れるように接続してもよいし、折り返して直列に流れるように接続してもよい。

燃料改質器６の出口側からは、生成された改質燃料の供給管（図示せず）が導出され、燃料電池セルスタック４への燃料分配機能を有する台座３に接続されている。
尚、燃料として純水素を用いる場合は、燃料改質器６を省略し、筐体１外の水素タンクなどから台座３に直接供給することができる。

酸化剤供給部材７は、燃料電池セルスタック４に酸化剤を供給するため、燃料電池セルスタック４の側面部に沿って配置される扁平容器（中空板状体）を主体として構成される。この扁平容器（中空板状体）は、上面が開口し、両側面が扁平面をなして燃料電池セルスタック４の側面部に相対する矩形の容器である。

酸化剤供給部材７は、筐体１の上壁面に予め形成されたスリットより筐体１内に挿入され、上端部側の開口部は筐体１外の酸化剤の供給源に接続され、酸化剤導入口７ａをなしている。
酸化剤供給部材７の下端部側には、酸化剤供給部材７を構成する扁平容器の底部近傍の両側面に、複数の酸化剤噴出口７ｂが形成される。

従って、酸化剤供給部材７は、扁平容器の上端部側に酸化剤導入口７ａを有し、下端部側に酸化剤噴出口７ｂを有する。酸化剤は、酸化剤供給部材７の酸化剤導入口７ａより流入して、扁平容器内を上から下へ流れ、酸化剤噴出口７ｂから噴出して、燃料電池セルスタック４の各列のカソードに供給される。

図２は本発明が適用される燃料電池システムの発電モジュールの他の例を示す概略図である。
本例では、酸化剤供給部材７は、２つに分けて設けられ、複数の燃料電池セルの集合体である燃料電池セルスタック４を挟むように、その左右両方の側面部に沿って配置されている。
従って、燃料電池セルスタック４は１列構成で、オフガス燃焼部５及び燃料改質器６も分割されていない。

尚、図１の例では、燃料電池セルスタック４を２列に分割し、これらの間に酸化剤供給部材７を配置したが、燃料電池セルスタック４を３列に分割し、それぞれの間に酸化剤供給部材９を配置するようにしてもよい。
また、図２の例では、２つの酸化剤供給部材７を燃料電池セルスタック４の両側面に配置したが、これに加え、燃料電池セルスタック４を２列に分割し、これらの間にも酸化剤供給部材９を配置するようにしてもよい。

上記のような発電モジュールでは、燃料電池セルスタック４における燃料電池セル１０の積層方向（配列方向）で見ると、中央部が比較的高温となり、両端部が比較的低温となる。従って、中央部については過熱による耐久性の低下が問題となり、両端部については発電効率の低下が問題となる。
上記の課題に鑑みて、燃料電池セルスタック４の温度分布を均一化するための、燃料電池セル１０の配列構造について、以下に説明する。

図３は本発明の第１実施形態を示す燃料電池セルスタックのセル配列構成図である。
平板型の燃料電池セル１０は、集電部材１２を介して積層されることで、電気的に直列に接続される。セル間隔は一定である。

集電部材１２は、隣合う燃料電池セル１０、１０を連結する。具体的には、集電部材１２は、一方の燃料電池セル１０のカソードと、対向面となる他方の燃料電池セル１０のインターコネクタとを連結する。集電部材１２には、図示のような金属片タイプと、多孔質タイプとがある。金属片タイプの場合は局部的に接合されることで、隣合う燃料電池セル間における空気の通流及びカソードへの空気の供給が可能である。多孔質タイプの場合は、その細孔により、隣合う燃料電池セル間における空気の通流及びカソードへの空気の供給が可能である。

ここにおいて、燃料電池セルスタック４において燃料電池セル１０の積層方向の中央部配置される複数枚の燃料電池セル１０Ａについて、他の燃料電池セル１０Ｂに比べ、セル面積を大きくしてある。
言い換えれば、セル面積を変えることで、積層方向の中央部の燃料電池セル１０Ａについて、他の燃料電池セル１０Ｂに対し、列からはみ出す方向に突出配置してある。

本実施形態によれば、セル面積が大きく、列からはみ出す方向に突出配置された中央部の燃料電池セル１０Ａは、周辺のカソード用酸化剤（一般に空気）との熱交換量が大きくなり、更には、より低温である周辺機器（例えば酸化剤供給部材７）への輻射伝熱量が大きくなることで、低温化することができる。これにより、燃料電池セルスタック４の温度分布の均一化を図ることができる。

本実施形態でのセルスタック温度分布のシミュレーション結果について図４により説明する。
本シミュレーションでは、セル枚数を５０枚とし、２１番目〜３０番目の１０枚のセルを大面積化した。大面積化の程度は、従来（１．０倍）に対し、１．１倍、１．２倍、１．３倍、１．４倍、１．５倍とした。
そして、セル間輻射伝熱、セル内鉛直方向熱伝導、及び、カソード空気との熱交換を考慮して、セルスタック温度分布を計算により求めた。
この結果、図４のようなシミュレーション結果が得られ、中央部のセルの大面積化により中央部の温度を低下させ得ることが確認された。

本実施形態によれば、更に、次のような効果を期待できる。
セルスタック中央部の相対的に電極面積が大きい燃料電池セル１０Ａにおいては、電解質面を通過する平均電流密度が低下し、ジュール熱が低下する。その結果、そのセルにおける発熱量が低下し、これによっても高温部セルの低温化を図ることができ、耐久性向上を期待できる。
また、セルスタックの高温化の制約条件であった局所的な高温部セルの低温化が図れるため、セルスタック全体を高温化させる余地が生まれ、発電効率の向上をも期待できる。
更には、一部のセルの電極面積の増大により、そのセルの発電量の増大を見込むことができ、これも発電効率の向上につながる。

図５は本発明の第２実施形態を示す燃料電池セルスタックのセル配列構成図である。
本実施形態では、燃料電池セルスタック４において燃料電池セル１０の積層方向で、燃料電池セル１０のセル面積を、連続的に変化させてある。すなわち、両端部から中央部に向かって、セル面積を次第に大きくしてある。ここでは、最大面積のセルに１０Ａ、最小面積のセルに１０Ｂの符号を付している。
このようにすることで、セルスタック温度分布をより滑らかかつ均一にすることが期待できる。

図６は本発明の第３実施形態を示す燃料電池セルスタックの温度分布付きのセル配列構成図である。
本実施形態では、燃料電池セルスタック４は、燃料電池セル１０の積層方向の一端側が燃料改質器７の水気化部に隣接し、他端側が燃料改質器７の改質部に近接しているものとする。
従って、燃料改質器７の水気化部に近接する部位の燃料電池セルは蒸発熱を奪われて比較的低温となり、改質部に近接する部位の燃料電池セルが比較的高温となる。このため、燃料電池セルスタック４の高温部は、積層方向の中央部から、改質部側（改質部の中央部側）にずれる。
従って、この場合は、燃料電池セルスタック４において燃料改質器７の改質部に隣接する部位の中央の燃料電池セル１０Ａについて、他の燃料電池セル１０Ｂより、大面積化することで、温度分布の均一化を図る。

図７は本発明の第４実施形態を示す燃料電池セルスタックのセル配列構成図である。
本実施形態では、燃料電池セルスタック４の積層方向の中央部（若しくは高温部）の、複数枚の燃料電池セル１０Ａについて、他の燃料電池セル１０Ｂに対し、セル面積は等しくするが、積層方向と直交する方向に位置をずらして配置してある。
すなわち、積層方向の中央部（若しくは高温部）の燃料電池セル１０Ａを、他の燃料電池セル１０Ａに対し、列からはみ出す方向に突出配置してある。

本実施形態によれば、列からはみ出す方向に突出配置された燃料電池セル１０Ａは、突出部において、より低温である周辺機器（例えば酸化剤供給部材７）への輻射伝熱量が大きくなることで、低温化することができる。
また、セルスタックの高温化の制約条件であった局所的な高温部セルの低温化が図れるため、セルスタック全体を高温化させる余地が生まれ、発電効率の向上をも期待できる。

また、本実施形態によれば、セルスタックを構成するセルについて、全て同一のものを使用できるため、コスト増大、歩留まりの低下といった問題が生じない。

図８は本発明の第５実施形態を示す縦型の燃料電池セルスタックのセル配列構成図である。
本実施形態の燃料電池セルスタック４’は、縦型で、平板型の燃料電池セル１０が上下方向に積層されている。また、図示の集電部材１２’は、多孔質タイプのものである。
このような縦型の積層構造でも、積層方向、すなわち上下方向の中間部（特に中央部）が高温となるので、中間部のセルを大面積化（又は積層方向と直交する方向にずらして配置）することにより、同様に、上下方向の温度分布を均一化できる。

尚、図示の実施形態はあくまで本発明を例示するものであり、本発明は、説明した実施形態により直接的に示されるものに加え、請求の範囲内で当業者によりなされる各種の改良・変更を包含するものであることは言うまでもない。

１ 筐体
２ 燃焼室区画部材
３ 台座
４、４’ 燃料電池セルスタック（複数の燃料電池セルの集合体）
５ オフガス燃焼部
６ 燃料改質器
７ 酸化剤供給部材
７ａ 酸化剤導入口
７ｂ 酸化剤噴出口
８ 排気出口
１０ 燃料電池セル
１２、１２’ 集電部材

Claims (7)

1. 複数の平板型の固体酸化物形燃料電池セルを電気的に直列に積層してなる燃料電池セルスタックであって、
   前記積層方向の中間部に配置される燃料電池セルのうち、少なくとも１つの燃料電池セルが、他の燃料電池セルに対し、列からはみ出す方向に突出配置されることを特徴とする、燃料電池セルスタック。
2. 前記突出配置される燃料電池セルは、前記他の燃料電池セルに比べ、セル面積を大きくしたことを特徴とする、請求項１記載の燃料電池セルスタック。
3. 前記突出配置される燃料電池セルのセル面積と、前記他の燃料電池セルのセル面積とは等しく、
   前記突出配置される燃料電池セルは、前記他の燃料電池セルに比べ、前記積層方向と直交する方向に位置をずらして配置されることを特徴とする、請求項１記載の燃料電池セルスタック。
4. 前記突出配置される燃料電池セルは、前記積層方向の中央部の燃料電池セルであることを特徴とする、請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の燃料電池セルスタック。
5. 前記突出配置される燃料電池セルは、前記積層方向で最も高温となる部位の燃料電池セルであることを特徴とする、請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の燃料電池セルスタック。
6. 前記燃料電池セルスタックは、前記積層方向の一部が、燃料改質器の水気化部に近接し、他部が、燃料改質器の改質部に近接しており、
   前記突出配置される燃料電池セルは、燃料改質器の改質部に近接する部位の燃料電池セルであることを特徴とする、請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の燃料電池セルスタック。
7. 前記突出配置される燃料電池セルの突出量は、前記積層方向に隣合う燃料電池セル間で段階的に変化することを特徴とする、請求項１〜請求項６のいずれか１つに記載の燃料電池セルスタック。