JP2016194995A - 平板型燃料電池 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】平板型燃料電池1は、積層方向視にて、燃料ガス流入口の図心Cfiと燃料ガス流出口の図心Cfoを結ぶ第1の直線と、酸化剤ガス流入口の図心Caiと酸化剤ガス流出口の図心Caoとを結ぶ第2の直線とが交差するものである。即ち、燃料ガスの流路と酸化剤ガスの流路が交差するクロスフローの流路を有している。そして、このクロスフローの平板型燃料電池において、積層方向視にて、酸化剤ガス流出口の図心Caoが、燃料ガス流出口の図心Cfoより、燃料ガス流入口の図心Cfiに近いように設定されている。
【選択図】図5
Description
このSOFCでは、例えば固体電解質層の一方の側に燃料ガスと接する燃料極層を設けるとともに、他方の側に酸化剤ガス(例えば空気)と接する空気極層を設けた平板型の燃料電池単セルが使用されている。
た場合でも、燃料ガス及び酸化剤ガスについて、ガス濃度が異なる領域ができてしまい、これが出力電圧に影響を及ぼすと考えられるからである。
(平面方向:積層方向と垂直の方向)に見た場合の開口部分の重心を示している。なお、各流入口(各流出口も同様)が複数ある場合の重心は、全ての流入口(又は全ての流出口)を合わせた平面における重心を示す。
Lf: 前記燃料ガス流入口の図心Cfiと前記燃料電池単セルの図心gとを通る、前記燃料電池単セル上の直線の基準線
La: 前記基準線Lfと直交し、前記図心gを通る、前記燃料電池単セル上の直線の基準線
Lfp: 前記基準線Lfよりも前記酸化剤ガス流入口の図心Caiに近く、前記基準線Lfと平行かつ距離が最も遠い、前記燃料電池単セル上を通る直線の境界線
Lfm: 前記基準線Lfよりも前記酸化剤ガス流出口の図心Caoに近く、前記基準線Lfと平行かつ距離が最も遠い、前記燃料電池単セル上を通る直線の境界線
Lap: 前記基準線Laよりも前記燃料ガス流入口の図心Cfiに近く、前記基準線Laと平行かつ距離が最も遠い、前記燃料電池単セル上を通る直線の境界線
Lam: 前記基準線Laよりも前記燃料ガス流出口の図心Cfoに近く、前記基準線Laと平行かつ距離が最も遠い、前記燃料電池単セル上を通る直線の境界線
Xp: 前記基準線Lfと前記境界線Lfpとの間の最短距離
Xm: 前記基準線Lfと前記境界線Lfmとの間の最短距離
Yp: 前記基準線Laと前記境界線Lapとの間の最短距離
Ym: 前記基準線Laと前記境界線Lamとの間の最短距離
本第2態様では、上述のように、燃料ガス流出口の図心Cfo、酸化剤ガス流入口の図心Cai、酸化剤ガス流出口の図心Caoが配置されているので(例えば図7参照)、後述する実験例からも明らかなように、平板型燃料電池の発電能力が高いという効果がある。
図心Caoが配置されているので(例えば図9参照)、後述する実験例からも明らかなように、平板型燃料電池の発電能力が高いという効果がある。また、酸化剤ガス流入口の図心Caiの位置をあまり変えないで、酸化剤ガス流出口の図心Caoの位置を変えることによっても、発電能力を高めることができる。
燃料ガスおよび酸化剤ガスがそれぞれ供給される第1、第2主面を有する矩形平板状の燃料電池単セルと、前記第1主面側に配置される燃料ガス室と、前記第2主面側に配置される酸化剤ガス室と、を備えるとともに、平面視(主面に対して垂直に見た場合)にて、前記燃料電池単セルの対向する一対の第1辺(例えば図5の第1辺H1及び第2辺H2)それぞれに対応して配置された、前記燃料ガス室に燃料ガスを流入させる1又は複数の燃料ガス流入口と前記燃料ガス室から燃料ガスを流出させる1又は複数の燃料ガス流出口と、前記燃料電池単セルの前記第1辺と異なる、対向する一対の第2辺(例えば図5の第3辺H3及び第4辺H4)それぞれに対応して配置された、前記酸化剤ガス室に酸化剤ガスを流入させる酸化剤ガス流入口と前記酸化剤ガス室から酸化剤ガスを流出させる酸化剤ガス流出口と、を備え、前記酸化剤ガス流出口の図心Caoが、前記燃料ガス流出口の図心Cfoより、前記燃料ガス流入口の図心Cfiに近いことを特徴とする平板型燃料電池。
[第1実施形態]
a)まず、本第1実施形態の平板型燃料電池の概略構成について説明する。
図2に示すように、発電単位7は、積層方向(図2(a)の上下方向)の両側に配置された一対のインターコネクタ21a、21b(21と総称する)の間に、後述する燃料電池単セル(以下単に「単セル」と称することもある)17等の発電に必要な構成を配置したものである。
各部材21、23、24、27、29には、各ボルト11が挿通される各ボルト挿通孔9が形成されている。
<インターコネクタ21>
図3に示すように、インターコネクタ21は、導電性を有する板材(例えばSUS430等のステンレス鋼等の金属板)からなる。このインターコネクタ21は、単セル17間の導通を確保し、且つ、単セル17間(従って発電単位7間)でのガスの混合を防止するものである。
<空気極絶縁フレーム23>
空気極絶縁フレーム23は、電気絶縁性を有し、積層方向視(図2(a)の上下方向に見た場合)で四角(長方形)枠状の板材である。空気極絶縁フレーム23には、例えば、軟質マイカからなるマイカフレームが用いられる。この空気極絶縁フレーム23には、積層方向視でその中央部に、酸化剤ガス室31を構成する長方形の開口部23aが形成されている。
空気極集電体33は、長尺の導電性を有する部材(例えばSUS430等のステンレス鋼の柱材)である。この空気極集電体33は、空気極絶縁フレーム23の開口部23a内にて、一対のボルト挿通孔9(9d、9h)の配置方向に沿って、即ち酸化剤ガスの流路に沿って複数本が配置されている。なお、空気極集電体33としては、インターコネクタ21の酸化剤ガス室31側に、直方体形状の凸部を格子状に配置したものを用いてもよい。
セパレータ25は、積層方向視で四角(長方形)枠状の導電性を有する板材(例えばSUS430等のステンレス鋼等の金属板)である。このセパレータ25には、積層方向視でその中央部に、長方形の開口部25aが形成されており、この開口部25aに沿った縁部(下面側)に、単セル17の外周縁部(上面側)がろう付け接合されている。つまり、単セル17は、セパレータ25の開口部25aを閉塞するように接合されている。
燃料極フレーム27は、積層方向視で四角(長方形)枠状の導電性を有する板材(例えばSUS430等のステンレス鋼等の金属板)である。この燃料極フレーム27には、積
層方向視でその中央部に、燃料ガス室35を構成する長方形の開口部27aが形成されている。
燃料極絶縁フレーム29は、空気極絶縁フレーム23と同様に、電気絶縁性を有する積層方向視で四角(長方形)枠状の板材であり、軟質マイカからなるマイカフレームである。この燃料極絶縁フレーム29には、積層方向視でその中央部に、燃料ガス室35を構成する長方形の開口部29aが形成されている。
燃料極集電体37は、図2(a)に示すように、マイカ製の芯材である弾性(クッション性)を有するスペーサ51と金属製の導電板(例えばニッケル製の平板形状の網又は箔)53とが組み合わされた公知の格子状の部材(例えば特開2013−55042号公報に記載の集電部材19参照)である。
単セル17は、いわゆる燃料極支持型の単セル17であり、固体電解質層55を挟んで空気極層57と燃料極層59とが一体に積層されたものである。なお、単セル17は、積層方向視で矩形(長方形)であり、その第1主面側(燃料極層59側)に燃料ガスが供給され、第2主面側(空気極層57側)に酸化剤ガスが供給される。
燃料極層59を構成する材料としては、例えば、Ni及びFe等の金属と、Sc、Y等の希土類元素のうちの少なくとも1種により安定化されたジルコニア等のZrO2系セラミック、CeO系セラミックなどのセラミックとの混合物が挙げられる。また、Ni等の金属、或いは、Niと前記セラミックとのサーメットやNi基合金を使用できる。
本第1実施形態の燃料電池1では、図3及び図4(a)、(b)に示すように、前記溝47b、47fの開口部29a側の開口部分として、燃料ガス室35に燃料ガスが流入される複数(例えば6個)の燃料ガス流入口Finと、燃料ガス室35から燃料ガスが流出される複数(例えば6個)の燃料ガス流出口Foutとを備えている。
図心とは、各流入口Fin、Ain又は各流出口Fout、Aoutを積層方向(図3、図4の上下方向)と垂直の方向で見た場合(例えば空気極層57が広がる平面方向に沿って見た場合)、その平面形状における重心を示している。なお、流入口Fin、Ain又は流出口Fout、Aoutが複数ある場合には、各流入口Fin、Ain又は各流出口Fout、Aoutを合わせた平面図形(即ち全体の平面図形)における重心を図心とする。
を、内周面に対して垂直に見た場合には、前記図4(c)に示すように、内周面の1つ面(短冊状の第3面M3)には4個の酸化剤ガス流入口Ainがあるので、4個の酸化剤ガス流入口Ain全体の平面図形における重心を図心Caiとする。
[各部材の製造工程]
まず、例えばSUS430からなる板材を打ち抜いて、インターコネクタ21、燃料極フレーム27、セパレータ25、エンドプレート3、5を作製した。
単セル17を、定法に従って製造した。
具体的には、まず、燃料極層59を形成するために、例えば、イットリア安定化ジルコニア(YSZ)粉末を40〜70質量部と、酸化ニッケル粉末を40〜70質量部と、バインダー溶液とからなる材料を用いて、燃料極ペーストを作製した。そして、この燃料極ペーストを用いて、燃料極グリーンシートを作製した。
3粉末と、バインダー溶液とからなる材料を用いて、空気極ペーストを作製した。
次に、前記焼結積層体における固体電解質層55の表面に、空気極ペーストを印刷した。そして、その印刷した空気極ペーストを、焼成によって緻密とならないように、900〜1200℃にて1〜5時間焼成して、空気極層57を形成した。
[燃料電池1の製造工程]
次に、上述した各部材を、前記図1に示すように所望の段数積層し、その積層方向の両方の端部に、エンドプレート3、5を積層して、積層体を構成した。
これによって、本第1実施形態の燃料電池1が完成した。
本第1実施形態の燃料電池1は、燃料ガスの流路と酸化剤ガスの流路が交差する、いわゆるクロスフローの流路を有している。そして、このクロスフローの流路を有する燃料電池1において、積層方向視にて、酸化剤ガス流出口Aoutの図心Caoが、燃料ガス流出口Foutの図心Cfoより、燃料ガス流入口Finの図心Cfiに近いように設定されている。即ち、上述した「流路配置条件1」を満たすように、燃料ガスの流路と酸化剤ガスの流路が設定されている。
[第2実施形態]
次に、第2実施形態について説明するが、第1実施形態と同様な内容の説明は省略する。なお、第1実施形態と同様な構成には、同様な番号を付して説明する。
詳しくは、図6(a)に示すように、酸化剤ガス流入口Ainの図心Caiは、第1枠W1の第3辺H3の中点に設定されており、酸化剤ガス流出口Aoutの図心Caoは、第1枠W1の第4辺H4の中点より燃料ガス流入口Finの図心Cfi側に寄って設定されている。これにより、酸化剤ガスの流れは、ほぼ図6の右側から左斜め上方に向く流れとなる。
度及び酸化剤ガスの濃度が共に高い領域RHが多くなる。
[第3実施形態]
次に、第3実施形態について説明するが、第1実施形態と同様な内容の説明は省略する。なお、第1実施形態と同様な構成には、同様な番号を付して説明する。
[第4実施形態]
次に、第4実施形態について説明するが、第1実施形態と同様な内容の説明は省略する。なお、第1実施形態と同様な構成には、同様な番号を付して説明する。
[第5実施形態]
次に、第5実施形態について説明するが、第1実施形態と同様な内容の説明は省略する。なお、第1実施形態と同様な構成には、同様な番号を付して説明する。
[第6実施形態]
次に、第6実施形態について説明するが、第1実施形態と同様な内容の説明は省略する。なお、第1実施形態と同様な構成には、同様な番号を付して説明する。
また、酸化剤ガス流入口Ainの図心Caiを第3辺H3の中点として、酸化剤ガス流出口Aoutの図心Caoを第4辺H4の中点より上方にずらしている。
[実験例]
次に、本発明の効果を確認するために行った実験例について説明する。
本実験例1では、コンピュータシミュレーションのために、1枚の単セルを用いた1段の発電単位の平板型の固体酸化物形燃料電池について、実験対象のモデル(実験モデル1)と基準のモデル(基準モデル:基準セル)とを設定した。
めた。以下、詳細に説明する。
実験モデル1の基本的な構造は、例えば前記第1実施形態における1つの発電単位と同様なものである。
燃料ガス室及び酸化剤ガス室:12cm×12cm、単セル:9cm×9cm
また、燃料ガス流入口の図心Cfiの位置は、例えば図7(a)に示すように、第1辺H1の中点とした。燃料ガス流出口の図心Cfoについては、製造バラツキ等を考慮して、Xp、Xmの10%以内の範囲の任意の位置とした。
燃料電池の所定の発電温度で、所定時間、燃料ガス(例えば、水素、窒素、水(水蒸気)の混合ガス等)と酸化剤ガス(例えば、空気(酸素、窒素の混合ガス等))とを、流量一定として供給し、実験モデル1及び基準モデルの運転を行った。
なお、燃料ガス流出口の図心Cfoについては、Xpで表現している場合はLfよりLfp側、Xmで表現している場合はLfよりLfm側にあるものとする。また、Lf上に位置する場合は0とする。
iCaiを0.1Ym〜0.5Ypとし、且つ、酸化剤ガス流出口の図心Caoを0.1Yp〜0.5Ypとした場合(各表の右及び左に傾斜した斜線部分参照)には、出力電圧が向上することが分かる。
本実験例2では、前記実験例1において、燃料ガス流入口の図心Cfiの位置を基準として、他の燃料ガス流出入口の図心Cfo、酸化剤ガス流入口の図心Cai、酸化剤ガス流出入口の図心Caoの位置を設定した根拠を、実験モデル2を用いて確認した実験例(シミュレーション)について説明する。
(1)例えば、本発明は、例えば、ZrO2系セラミックなどを電解質とする固体酸化物形燃料電池(SOFC)、高分子電解質膜を電解質とする固体高分子形燃料電池(PEFC)、Li−Na/K系炭酸塩を電解質とする溶融炭酸塩形燃料電池(MCFC)、リン酸を電解質とするリン酸形燃料電池(PAFC)などの燃料電池に適用できる。
7…発電単位
17…燃料電池単セル
31…酸化剤ガス室(空気流路)
35…燃料ガス室(燃料流路)
55…固体電解質層
59…燃料極
57…空気極層
Fin…燃料ガス流入口
Fout…燃料ガス流出口
Ain…酸化剤ガス流入口
Aout…酸化剤ガス流出口
Claims (5)
- 燃料極層と空気極層との間に固体電解質層を挟んで積層された燃料電池単セルと、
前記燃料極層側に配置される燃料ガス室と、
前記空気極層側に配置される酸化剤ガス室と、
前記燃料ガス室に燃料ガスが流入される1又は複数の燃料ガス流入口および前記燃料ガス室から前記燃料ガスが流出される1又は複数の燃料ガス流出口と、
前記酸化剤ガス室に酸化剤ガスが流入される1又は複数の酸化剤ガス流入口および前記酸化剤ガス室から前記酸化剤ガスが流出される1又は複数の酸化剤ガス流出口と、
を備え、
積層方向視にて、
前記燃料ガス流入口の図心Cfiと前記燃料ガス流出口の図心Cfoを結ぶ第1の直線と、前記酸化剤ガス流入口の図心Caiと前記酸化剤ガス流出口の図心Caoとを結ぶ第2の直線とが交差し、
且つ、前記酸化剤ガス流出口の図心Caoが、前記燃料ガス流出口の図心Cfoより、前記燃料ガス流入口の図心Cfiに近いことを特徴とする平板型燃料電池。 - 前記積層方向視にて、
前記燃料ガス流出口の図心Cfoが、基準線Lfから、境界線Lfp側に距離0.1Xp以下または境界線Lfm側に距離0.1Xm以下に配置され、
前記酸化剤ガス流入口の図心Caiが、基準線Laから、境界線Lap側に距離0.5Yp以下または境界線Lam側に距離0.1Ym以下に配置され、
前記酸化剤ガス流出口の図心Caoが、前記基準線Laから前記境界線Lap側に距離0.1Yp以上0.5Yp以下に配置されていることを特徴とする請求項1に記載の平板型燃料電池。
Lf: 前記燃料ガス流入口の図心Cfiと前記燃料電池単セルの図心gとを通る、前記燃料電池単セル上の直線の基準線
La: 前記基準線Lfと直交し、前記図心gを通る、前記燃料電池単セル上の直線の基準線
Lfp: 前記基準線Lfよりも前記酸化剤ガス流入口の図心Caiに近く、前記基準線Lfと平行かつ距離が最も遠い、前記燃料電池単セル上を通る直線の境界線
Lfm: 前記基準線Lfよりも前記酸化剤ガス流出口の図心Caoに近く、前記基準線Lfと平行かつ距離が最も遠い、前記燃料電池単セル上を通る直線の境界線
Lap: 前記基準線Laよりも前記燃料ガス流入口の図心Cfiに近く、前記基準線Laと平行かつ距離が最も遠い、前記燃料電池単セル上を通る直線の境界線
Lam: 前記基準線Laよりも前記燃料ガス流出口の図心Cfoに近く、前記基準線Laと平行かつ距離が最も遠い、前記燃料電池単セル上を通る直線の境界線
Xp: 前記基準線Lfと前記境界線Lfpとの間の最短距離
Xm: 前記基準線Lfと前記境界線Lfmとの間の最短距離
Yp: 前記基準線Laと前記境界線Lapとの間の最短距離
Ym: 前記基準線Laと前記境界線Lamとの間の最短距離 - 前記積層方向視にて、
前記酸化剤ガス流入口の図心Caiが、前記基準線Laから前記境界線Lap側に距離0.3Yp以上0.5Yp以下に配置され、
前記酸化剤ガス流出口の図心Caoが、前記基準線Laから前記境界線Lap側に距離0.3Yp以上0.5Yp以下に配置されていることを特徴とする請求項2に記載の平板型燃料電池。 - 前記積層方向視にて、
前記酸化剤ガス流入口の図心Caiが、前記基準線Laから、前記境界線Lap側に距離0.1Yp以下または境界線Lam側に距離0.1Ym以下に配置され、
前記酸化剤ガス流出口の図心Caoが、前記基準線Laから前記境界線Lap側に距離0.1Yp以上0.5Yp以下に配置されていることを特徴とする請求項2に記載の平板型燃料電池。 - 燃料極層と固体電解質層と空気極層とが積層された燃料電池単セルと、
前記燃料極層側に配置される燃料ガス室と、
前記空気極層側に配置される酸化剤ガス室と、
前記燃料ガス室に燃料ガスが流入される1又は複数の燃料ガス流入口および前記燃料ガス室から前記燃料ガスが流出される1又は複数の燃料ガス流出口と、
前記酸化剤ガス室に酸化剤ガスが流入される1又は複数の酸化剤ガス流入口および前記酸化剤ガス室から前記酸化剤ガスが流出される1又は複数の酸化剤ガス流出口と、
を備えた平板型燃料電池単位が複数積層された平板型燃料電池であって、
前記複数の平板型燃料電池単位の少なくとも何れかが、前記請求項1〜4のいずれか1項に記載の平板型燃料電池であることを特徴とする平板型燃料電池。
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