JP4127111B2 - 燃料電池システム - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、固体電解質の一方の面に燃料極を、同他方の面に酸化剤極をそれぞれ配置した単位電池を複数積層して燃料電池スタックを構成し、この燃料電池スタックをスタックケース内に収容し、このスタックケース内の燃料電池スタックに対して燃料および酸化剤の給排気を行う燃料電池システムに関する。
【0002】
【従来の技術】
単位電池を複数積層して構成した燃料電池スタックは、大出力を必要とする場合単独ではなく複数並列して使用することになるが、この場合全体のシステムや断熱性を考慮すると、複数の燃料電池スタックを一つのスタックケース内に設置する必要がある。
【0003】
ここで、スタックケース内の複数の燃料電池スタックすべてに、燃料ガスおよび酸化剤ガスの給排気管をそれぞれ設けると、燃料電池システムとして構造の複雑化および大型化を招く。
【0004】
この問題を解消するものとして、例えば特許文献1には、単位電池における一方の電極側を、スタックケース内に開放する構造とし、この一方の電極に対応するガスを、スタックケース内に供給して流通させるものが開示されている。
【0005】
【特許文献1】
特開平5−89895号公報
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記した従来のものでは、スタックケース内において燃料電池スタックの周辺にガス供給口とガス排気口とをそれぞれ設けてあり、このためスタックケース内に供給したガスが、燃料電池スタック周囲を流れ、その一部が燃料電池スタックに取り込まれるものとなる。
【0007】
このため、スタックケース内に供給したガスは、その一部が単位電池表面を流れずにガス供給口から直接ガス排気口へ流れる結果を招き、供給量に対し反応に寄与するガスの割合が低いものとなって必要量以上のガス供給が必要となり、これら必要量以上のガスのための供給、予熱のエネルギが必要となり総合的な発電効率が低下する。
【0008】
そこで、この発明は、スタックケース内に供給したガスを燃料電池スタックに効率よく取り込むようにすることを目的としている。
【0009】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、この発明は、固体電解質の一方の面に燃料極を、同他方の面に酸化剤極をそれぞれ配置した単位電池を複数積層して燃料電池スタックを構成し、この燃料電池スタックをスタックケース内に収容し、このスタックケース内の前記燃料電池スタックに対して燃料および酸化剤の給排気を行う燃料電池システムにおいて、前記燃料電池スタックは、前記燃料極側もしくは空気極側の一方が前記スタックケース内に開放する構造であって、このスタックケース内に、前記開放された側の電極に対応するガスを供給し、この供給したガスを前記燃料電池スタックの中央部よりスタックケースの外部へ排気する構成としてある。
【0010】
【発明の効果】
この発明によれば、燃料電池スタックを収容したスタックケース内に、開放された側の電極に対応するガスを供給し、この供給したガスを燃料電池スタックの中央部よりスタックケースの外部へ排気するようにしたため、スタックケース内に供給したガスを、スタックケース内に開放した側の電極に効率よく取り込むことができる。
【0011】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
【0012】
図1は、この発明の第1の実施形態に係わる複数の燃料電池スタック1をスタックケース3内に収容している状態を示す透視図である。燃料電池スタック1は、図2に示すように、複数の単位電池ユニット5を相互間に隙間を形成した状態で多数積層して構成している。
【0013】
スタックケース3の側壁には空気供給管7を接続し、この空気供給管7を通してスタックケース3内に空気を供給する。供給した空気は単位電池ユニット5相互の隙間に入り込み、単位電池ユニット5の表面に露出している後述する空気極に供給される。空気極を通過した空気は、単位電池ユニット5の中心部に形成してある図2に示す空気排出通路9を経て燃料電池スタック1の外部に排出される。
【0014】
スタックケース3の下端にはケース土台11設け、このケース土台11上に燃料電池スタック1を設置し、ケース土台11内に前記図2に示した空気排出通路9の端部が開口している。ケース土台11の側面には、上記した空気極に供給した空気を、空気排出通路9を経て外部に排出するための空気排出口13および、前記各単位電池ユニット5における後述する燃料極に供給する燃料ガスの供給口15、同排出口17をそれぞれ設けてある。
【0015】
図3は、上記したケース土台11内におけるガス配管のレイアウトを示す平面図で、ケース土台11内に開口している空気排出通路9と、空気排出口13とを、ケース土台11内に設置してある空気排出管19で接続してある。
【0016】
また、燃料電池スタック1における空気排出通路9の近傍には、図2に示すように、燃料供給通路21および燃料排出通路23を、各単位電池ユニット5を貫通するようにそれぞれ設けてある。この燃料供給通路21および燃料排出通路23も、空気排出通路9と同様にケース土台11内にそれぞれ開口しており、この各開口と、図1,図3に示してある燃料供給口15および同排出口17とを、ケース土台11内に設置してある図3に示す燃料供給管25および燃料排出管27によりそれぞれ接続する。
【0017】
図4は、燃料電池スタック1を収容したスタックケース3および、空気排出管19,燃料供給管25,燃料排出管27をそれぞれ収容したケース土台11を含む電池モジュール29に対するガス供給システム図である。
【0018】
空気供給管7には、加圧手段としてのコンプレッサ31および熱交換器33をそれぞれ設け、コンプレッサ31によって加圧した空気を、熱交換器33において予熱した後、電池モジュール29のスタックケース3内に供給する。熱交換器33は、空気排出口13に接続する外部空気排出管35を流れる排出空気によって供給空気を加熱する。
【0019】
一方、図1に示した燃料供給口15には外部燃料供給管37を接続し、外部燃料供給管37にも、コンプレッサ39および熱交換器41を設け、コンプレッサ39によって加圧した燃料を、熱交換器41において予熱した後、燃料電池スタック1に供給する。熱交換器41は、燃料排出口17に接続する外部燃料排出管43を流れる排出燃料によって供給燃料を加熱する。
【0020】
図5は、前記図2に示した燃料電池スタック1を構成する単位電池ユニット5の斜視図である。この単位電池ユニット5は、図6にその分解斜視図で示すように、単位電池45と、セパレータ47と、ホルダ部としてのガスジョイント49とをそれぞれ備えている。
【0021】
単位電池45は、図7にその拡大した断面図で示すように、固体電解質としての固体酸化物電解質51のセパレータ47側の一方の面に燃料極53を、ガスジョイント49側の他方の面に酸化剤極としての空気極55をそれぞれ配置した3層構造である。
【0022】
固体酸化物電解質51としては、例えばイットリア安定化ジルコニア(以下YSZ)を使用し、この固体酸化物電解質51に、燃料極53としてニッケル酸化物とYSZのサーメットを、空気極55としてLaSrCO3 を、それぞれ焼き付けて単位電池45を構成する。この単位電池45が、800℃〜1000℃程度の高温化において、空気極55に酸化剤ガス(この場合は空気)を、燃料極53に例えばH2やCH4を、それぞれ導入することによって発電を行うことになる。
【0023】
セパレータ47は、ガス透過性の低く導電性に富んだ例えばランタンクロマイトからなり、中央にガスジョイント49と外形がほぼ同形状のボス部59を備えるとともに、外周縁部に単位電池45側に突出する側壁部61を備えている。ボス部59と側壁部61の高さ寸法は同等であり、このようなセパレータ47の上部に単位電池45を配置することで、燃料ガスが流れる空間を形成する。
【0024】
すなわち、このセパレータ47は、単位電池45の燃料極53側での燃料ガスの供給・排気を行うとともに、燃料ガスを外部に放出しないように封じ込めも行い、さらに燃料極53側の集電機能も担うことになる。
【0025】
ガスジョイント49も、セパレータ47と同じ材料で形成してあり、各単位電池ユニット5相互間のガスの流通、および電気的接続を行うとともに、空気極55上を通過してきた空気の排気を行う。
【0026】
すなわち、上記したガスジョイント49の中央部の円筒部分には中央貫通孔49aを備え、中央貫通孔49aの両側には、側部貫通孔49bおよび49cをそれぞれ備える。
【0027】
そして、中央貫通孔49aに対応して、単位電池45およびセパレータ47のボス部59には、中央開口孔45aおよび59aを設けるとともに、側部貫通孔49b,49cに対応して、単位電池45およびセパレータ47のボス部59には、側部開口孔45b,45cおよび59b,59cをそれぞれ設ける。
【0028】
また、上記したセパレータ47のボス部59における側部開口孔59b,59cは、単位電池45との間の燃料が流れる空間に開口している。
【0029】
したがって、上記したセパレータ47の上に単位電池45を重ね、さらにこの単位電池45の上にガスジョント49を重ね合わせて単位電池ユニット5とすることで、中央貫通孔49a,中央開口孔45a,59aが相互に連通するとともに、側部貫通孔49b,側部開口孔45b,59bが相互に連通し、さらに側部貫通孔49c,側部開口孔45c,59cが相互に連通する。
【0030】
そして、上記した単位電池ユニット5を図2のように複数積層することで、その中央部に、中央貫通孔49a,中央開口孔45a,59aによって前記した空気排出通路9が構成されるとともに、空気排出通路9の近傍に、側部貫通孔49b,側部開口孔45b,59bによって前記した燃料供給通路21が構成され、さらに側部貫通孔49c,側部開口孔45c,59cによって前記した燃料排出通路23が構成される。
【0031】
また、ガスジョイント49の円筒部分の側部貫通孔49b,49cを除く部分の周囲四方には、中央貫通孔49aと単位電池45の表面の空気極55上とを連通する空気排出用開口部49dを設けてある。
【0032】
この空気排出用開口部49dは、図8に単位電池ユニット5の平面図および、図8のB−B断面図である図9に示すように、積層した複数の単位電池ユニット5相互間に流入する矢印で示す空気が、空気極55上を、酸素を消費して酸素濃度を低下させながら流通後、空気排出用開口部49dを経て空気排出通路9の一部を構成する中央貫通孔49aに流出する。
【0033】
図10は、セパレータ47の平面図で、単位電池45に対向する燃料ガスが流れる側の表面には、図6では省略してあるが、環状となる複数のリブ63を同心円状に形成し、これにより複数の燃料通路65を形成する。
【0034】
各リブ63の、側部開口孔59b,59cに対向する部位には、燃料流通用の開口63a,63bをそれぞれ設けてある。このため、燃料供給通路21を流れて側部開口孔59bからセパレータ47と単位電池45との間に流出する燃料ガスは、燃料極53上にて発電反応(酸化反応)に消費されつつ、上記した各リブ63の一方の各開口63aを経てそれぞれの燃料通路65に、図10中で上下に分流する。分流後の燃料ガスはそれぞれの燃料通路65を、図10中で左方向に流れ、他方の開口63bで合流した後中央部に向かい、側部開口孔59cを経て、図8のC−C断面図である図11に示すように、図3の燃料排出通路23に流出する。
【0035】
次に作用を説明する。
【0036】
まず、空気供給管7を流れる空気を、コンプレッサ31によって加圧し、熱交換器33において予熱した後、スタックケース3内に供給する。スタックケース3内に供給した空気は、燃料電池スタック1における各単位電池ユニット5相互間の空気極55上を、酸素を消費して酸素濃度を低下させながら通過し、空気排出用開口部49dを経て空気排出通路9に流出する。
【0037】
空気排出通路9内の空気は、ケース土台11内の空気排出管19を経由して電池モジュール29外の外部空気排出管35に排出される。外部空気排出管35に排出された空気は、熱交換器33にて新たにスタックケース3内へ供給される空気供給管7内の空気を予熱して外部に排出される。
【0038】
一方、外部燃料供給管37を流れる燃料ガスを、コンプレッサ39によって加圧し、熱交換器41において予熱した後、ケース土台11内の燃料供給管25を経由して燃料電池スタック1へ供給する。燃料電池スタック1へ供給した燃料は、燃料供給通路21を経由して各単位電池ユニット5における単位電池45とセパレータ47との間の空間に流れ込む。各単位電池ユニット5に供給した燃料は、燃料極53上にて、前記図10における燃料通路65を流れつつ発電反応(酸化反応)に消費された後、燃料排出通路23を通り、燃料電池スタック1の外部へ排出される。
【0039】
燃料電池スタック1の外部へ排出される燃料は、再びケース土台11内の燃料排出管27を経由して、電池モジュール29外の外部燃料排出管43に排気される。外部燃料排出管43に排気された燃料は、熱交換器41にて新たに燃料電池スタック1へ供給される外部燃料供給管37内の燃料を予熱して外部に排出される。
【0040】
上記した第1の実施形態においては、コンプレッサ31によってスタックケース3内に空気を加圧供給することで、スタックケース3内の圧力をスタックケース3の外部よりも高く保つ構造となっている。これによりスタックケース3内の空気は、燃料電池スタック1に供給された後、その中央部の空気排出通路9より燃料電池スタック1の外部へ自発的に排出される。
【0041】
また、従来例では、空気の供給口,排気口ともに燃料電池スタックの外部に配置されていることから、全く空気極上を通過することなく供給口から直接排気口へ流れるガスが発生し、供給量に対し反応に寄与するガスの割合が低い。そのために必要量以上のガス供給が必要となり、それらの供給、予熱のエネルギが必要となり、総合的な発電効率が低下している。
【0042】
一方、この実施形態においては、単位電池ユニット5を複数積層してその中心部において互いを連結し、空気極55側を全周スタックケース3内に開放するとともに、その中心部に空気排気通路9を設け、スタックケース3内に供給した空気が、空気極55上を通過した後、排気する構造となっている。
【0043】
このため、スタックケース3内に供給したガスである空気を、反応に寄与せずに無駄に排気されることなく、スタックケース3内に開放した側の電極すなわち空気極55の全面に確実に取り込むことができ、全体の効率を向上させることができる。
【0044】
この場合、例え単位電池ユニット5相互の間隔を狭くしたとしても、空気極55への空気の取り込みは確実に行えるので、燃料電池スタック1への単位電池ユニット5の搭載密度を上げることが可能となり、燃料電池スタック1として出力密度を稼ぐことができる。
【0045】
また、従来例では燃料電池スタックの外部における一方に空気供給口、反対側に空気排気口を配置している。そのため燃料電池スタック内の単位電池ユニットにおいても、供給口に近い側が酸素濃度が高く、その反対側が低いという酸素濃度勾配を反映した温度分布を示し、円形の電池形状に対してアンバランスな温度分布となる。
【0046】
したがって、従来例では昇降温時のみならず運転中でも、上記した温度分布に起因して円形状の単位電池ユニットに対しアンバランスな機械的ストレスが作用し続けることになり、信頼性および寿命を低下させることとなっている。
【0047】
しかし、この第1の実施形態では、単位電池ユニット5における空気中の酸素の濃度分布が外側で高く、内側が低いという同心円状の分布をとることから、発電反応の熱に起因する温度分布も同様の傾向をもつことになり、円形の単位電池ユニット5に対し、同心円状のバランスの良い熱ストレスとなることから、信頼性および寿命の向上を図ることができる。
【0048】
また、このような同心円状の温度分布は、熱伝導により温度が均一になろうとする効果があり、全体の均熱性も向上し、より一層の信頼性および寿命の向上を図ることができる。
【0049】
さらに第1の実施形態おいては、酸素濃度の分布は外側が高く、中心側が低くなるが、円盤状の単位電池ユニット5の中央部にて空気を排気することから、空気の流速は内側に向かうほど速度を増すことになる。したがって各単位電池ユニット5に供給する酸素の量は、中心側で酸素濃度が低下しても空気の流速が増すことから変化は小さい。そのため供給した空気中の酸素を有効に使用できるとともに、酸素濃度の勾配に起因する反応熱の温度分布も緩和できることから一層の信頼性向上および長寿命化を図ることができる。
【0050】
なお、上記した第1の実施形態では、空気極55をスタックケース3内に開放する形態とし、燃料電池スタック1の中心部から空気を排気する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、燃料極53をスタックケース3内に開放して、燃料電池スタック1の中心部から燃料を排気する場合でも、同様の効果を得ることができる。
【0051】
図12は、この発明の第2の実施形態を示す単位電池ユニット5の前記図8に対応する平面図、図13は、図12のD−D断面図である。
【0052】
この実施形態では、空気極55上に、各単位電池ユニット5相互間を電気的に接続する集電体67を設けた点が、第1の実施形態とは異なっている。この集電体67は、円周方向等間隔に複数設置してある。その他の構成は第1の実施形態と同様である。
【0053】
空気極55上に集電体67を設けることにより、ガスジョイント49のみで行っていた単位電池ユニット5相互間の電気的接続がより低抵抗で行うことが可能となり、燃料電池スタック1内での内部抵抗を低減することができる。
【0054】
図14は、この発明の第3の実施形態を示す単位電池ユニット5の前記図8に対応する平面図、図15は、図14のE−E断面図である。
【0055】
この実施形態では、第2の実施形態における集電体67に代えて、導電性がありかつ通気性のある例えば耐熱金属からなる、発泡金属もしくはウール状金属や、導電性セラミックスの多孔体の集電体69を、空気極55のほぼ全面に設置している。
【0056】
これにより前記図12の第2の実施形態と同様に、単位電池ユニット5相互間の電気的接続がより低抵抗で行うことが可能となり、燃料電池スタック1内での内部抵抗を低減することができる。さらにこの実施形態では、空気極55上において空気をより均一に供給できるとともに、空気極55上の空気滞留時間が長くなることから、温度分布の均一化、空気中の酸素使用率の向上が可能となる。
【0057】
図16は、この発明の第4の実施形態を示す単位電池ユニット5の前記図8に対応する平面図である。
【0058】
この実施形態では、単位電池ユニット5の空気極55上に、整流板71を設けた点が第1の実施形態とは異なっている。整流板71は、円盤状の単位電池ユニット5の半径方向に対し、所定角度傾けた状態で、円周方向等間隔に複数設置してある。
【0059】
整流板71を設けることで、空気極55上の空気の流れが、回転しながら中心部へ向かう渦状となり、空気の流れが均一にできる。また、整流板71を耐熱金属もしくは導電性セラミックスなど導電性を持たせてその上部に設置する単位電池ユニット5と接続することにより、集電体としての機能を持たせることが可能となり、内部抵抗の低減にも効果がある。
【0060】
図17は、この発明の第5の実施形態を示す、前記図10に対応するセパレータ47の平面図である。
【0061】
この実施形態は、前記図2に示してある燃料供給通路21を構成する側部開口孔59bと最外周の燃料通路65とを、複数の同心円状のリブ63を貫通して連通する燃料連通路73を設け、側部開口孔59bから最外周の燃料通路65に流入させた燃料を、外周部に沿って反対側に流し、この反対側からリブ63の開口63cを経てその内側の燃料通路65に流入させた後、再度その反対側に流す。さらにここから、リブ63の開口63dを経てその内側の燃料通路65に流入させた後、その反対側に流す。このような流れを順次繰り返して、燃料を外側から中心側に向けて流す。
【0062】
このように、第5の実施形態では、セパレータ47における燃料通路65により、燃料ガスをその濃度分布が同心円状になるように外側から中心側へ流す点が、第1の実施形態とは異なっている。
【0063】
空気だけではなく、燃料ガスも濃度分布が同心円状になるように流すことにより、各単位電池45の面内での温度分布を、同心円状にバランスをとることで、より信頼性を向上させることができる。
【0064】
図18は、この発明の第6の実施形態を示す、前記図10に対応するセパレータ47の平面図である。
【0065】
この実施形態は、前記図17に示した第5の実施形態に対してリブ63の形状を同一としてあるが、図17中で左側の側部開口孔59cを燃料供給通路に、同右側の側部開口孔59bを燃料排出通路にそれぞれ利用するようにしている点が、第5の実施形態と異なる。
【0066】
すなわち、この実施形態では、前記図2における燃料供給通路21を燃料排出通路に、同燃料排出通路23を燃料供給通路に使用している。
【0067】
したがって、この場合、側部開口孔59cから最内周の燃料通路65に流出した燃料を、中央のボス部59の外周に沿って反対側に流し、ここからリブ63の開口63dを経てその外側の燃料通路65に流入させた後、再度その反対側に流す。さらにここから、リブ63の開口63cを経てその外側の燃料通路65に流入させた後、その反対側に流す。このような流れを順次繰り返して、燃料を中心側から外側に向けて流す。
【0068】
このように、第6の実施形態では、セパレータ47内の燃料通路65により、燃料ガスをその濃度分布が同心円状になるように中心側から外側へ流す点が、第5の実施形態とは異なっている。
【0069】
空気だけではなく、燃料ガスも濃度分布が同心円状に、しかも空気とは逆に中心側を高く、外側を低くすることにより、より反応の均一化を図ることが可能となる。したがって、各単位電池45の面内での温度分布を均一にすることが可能となり、信頼性を向上させることができる。
【0070】
図19は、この発明の第7の実施形態を示す、前記図4に対応する電池モジュール29に対するガス供給システム図である。
【0071】
この実施形態では、前記図4におけるコンプレッサ31に代えて、外部空気排出管35に吸引手段としての排気ユニット75を設置した点が、第1の実施形態と異なっている。排気ユニット75により、電池モジュール29から排出される空気を吸引することで、第1の実施形態と同等の効果が得られる。
【0072】
また、上記した排気ユニット75を設置する構成を、第2〜第6の各実施形態に適用しても同等の効果が得られる。
【0073】
図20は、この発明の第8の実施形態を示す、前記図4に対応する電池モジュール29に対するガス供給システム図である。
【0074】
この実施形態では、前記図4に示した第1の実施形態における外部空気排出管35に、排気ユニット75を追加設置した点が、第1の実施形態と異なっている。
【0075】
すなわち、排気ユニット75を追加設置することで、電池モジュール29に対し、コンプレッサ31で空気を加圧しつつ、排気側ユニット75で電池モジュール29から排出される空気を吸引する。
【0076】
ここで、ガス(空気)の流量を大きくとりたい場合、加圧する圧力を高める、もしくは排気側の能力を上げスタックケース3内を減圧にすることになるが、この場合スタックケース3に大きな圧力差が作用し、ガスの漏洩などを引き起こす可能性がある。しかし、この実施形態においては、前記第1,第7の各実施形態に比べ、スタックケース3の内と外の圧力差を大きくすることなく大きなガス流量を得ることができる。
【0077】
特にCH系の燃料を用いた場合、酸化反応によって導入するガスより、排気するガスの量が多いため、加圧側の圧力を抑えることができて特に有効である。また、この構成を、第2〜第6の各実施形態に適用しても、同等の効果が得られる。
【0078】
図21〜図27は、この発明の第9の実施形態を示す。図21は、前記図2に対応する燃料電池スタック10の斜視図で、単位電池ユニット50を多数積層して燃料電池スタック10を構成してある。この実施形態は、燃料ガスの排ガスを、燃料電池スタック10の中心部に設けてある前記図2の空気排出通路9と同形状の混合ガス通路としてのガス排出通路90より、空気の排ガスと一緒に排気している点、および前記図2における燃料排出通路23も、燃料供給通路21とともに燃料供給通路230としている点が、第1の実施形態と異なっている。
【0079】
図22は、前記図3に対応するガス配管のレイアウトを示す平面図で、ケース土台11内には、ガス排出通路90とケース土台11の側部に形成してある排ガス出口130とを接続する排ガス排出管190および、燃料料供給通路21,230と燃料供給口15とを接続する燃料供給管250を、それぞれ設置してある。
【0080】
図23は、前記図4に対応するガス供給システム図であり、電池モジュール29の排ガス出口130には外部排ガス排出管350を接続し、この外部排ガス排出管350には排気ユニット75を設置するとともに、空気供給管7,外部燃料供給管37,外部排ガス排出管350には、熱交換器330を設置する。
【0081】
この熱交換器330においては、外部排ガス排出管350を流れる排ガスにより、電池モジュール29に供給する空気および燃料を予熱する。
【0082】
図24は、前記図8に対応する単位電池ユニット50の平面図で、図25は図24のF−F断面図、図26は図24のG−G断面図、図27は前記図10に対応するセパレータ470の平面図である。
【0083】
スタックケース3内に供給した空気は、前記図8に示した第1の実施形態と同様に、図24および図25に示すように、単位電池ユニット50の表面を流れ、空気排出用開口部49dからガス排出通路90を構成する中央貫通孔490aに流れ込む。
【0084】
一方燃料は、図26および図27に示すように、燃料供給通路21,230をそれぞれ構成する側部開口孔59b,59cからセパレータ470と単位電池45との間に流出後、図27中で左右に延びる各燃料連通路73を通って最外周の燃料通路65に流れ、外周部に沿って反対側に向けて流れる。
【0085】
この最外周の燃料通路65を流れる燃料ガスは、中央部で合流し、最外周のリブ63に設けてある燃料流通用の開口63eからその内側の燃料通路65に流れ込み、この燃料通路65を今度は反対方向に流れ、燃料連通路73近傍にて開口63fからそのさらに内側の燃料通路65を、最外周の燃料通路65を流れる燃料ガスと同方向に流れる。
【0086】
このようにして燃料ガスは、最外周の燃料通路65から順次その内側の燃料通路65に蛇行するようにして流れていき、最内周の燃料通路65に達すると、セパレータ470の中心部に設けてあるボス部590の連通孔590dを通してガス排出通路90を構成する中央開口孔590aに流れ込み、前記排気される空気とともにガス排出通路90を流れる。
【0087】
上記した第9の実施形態によれば、空気と燃料の各排ガスを、ガス排出通路90より一緒に排気しているので、第1の実施形態比べガス配管を簡素化でき、信頼性の向上および低コスト化を図ることができる。
【0088】
また、この場合、排ガス排出管190や外部排ガス排出管350の内壁に、燃料残留ガスの燃焼用触媒を担持させることにより、燃料の排ガス処理も合わせて行うことが可能である。
【0089】
また、上記した第9の実施形態に対しては、図28に示すように外部燃料供給管37にMFC(流量制御装置)77を設置するか、あるいは図29に示すように、外部燃料供給管37および空気供給管7にMFC(流量制御装置)77および79をそれぞれ設置することで、燃料ガスを高い利用率で安定した運転が可能となる。
【0090】
なお、上記したMFC(流量制御装置)77,79は、第1〜第6の各実施形態に適用しても同等の効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の第1の実施形態に係わる複数の燃料電池スタックをスタックケース内に収容している状態を示す透視図である。
【図2】図1の燃料電池スタックの詳細を示す斜視図である。
【図3】第1の実施形態におけるガス配管のレイアウトを示す平面図である。
【図4】第1の実施形態におけるガス供給システム図である。
【図5】第1の実施形態における単位電池ユニットの斜視図である。
【図6】図5の単位電池ユニットの分解斜視図である。
【図7】図6中の単位電池の拡大された断面図である。
【図8】図5の単位電池ユニットの平面図である。
【図9】図8のB−B断面図である。
【図10】図6中のセパレータの平面図である。
【図11】図8のC−C断面図である。
【図12】この発明の第2の実施形態を示す単位電池ユニットの平面図である。
【図13】図12のD−D断面図である。
【図14】この発明の第3の実施形態を示す単位電池ユニット平面図である。
【図15】図14のE−E断面図である。
【図16】この発明の第4の実施形態を示す単位電池ユニット平面図である。
【図17】この発明の第5の実施形態を示すセパレータの平面図である。
【図18】この発明の第6の実施形態を示すセパレータの平面図である。
【図19】この発明の第7の実施形態を示すガス供給システム図である。
【図20】この発明の第8の実施形態を示すガス供給システム図である。
【図21】この発明の第9の実施形態を示す燃料電池スタックの斜視図である。
【図22】第9の実施形態におけるガス配管のレイアウトを示す平面図である。
【図23】第9の実施形態におけるガス供給システム図である。
【図24】第9の実施形態における単位電池ユニットの平面図である。
【図25】図24のF−F断面図である。
【図26】図24のG−G断面図である。
【図27】第9の実施形態におけるセパレータの平面図である。
【図28】第9の実施形態の燃料側に流量制御装置を設置した例を示すガス供給システム図である。
【図29】第9の実施形態の燃料および空気の双方に流量制御装置を設置した例を示すガス供給システム図である。
【符号の説明】
1,10 燃料電池スタック
3 スタックケース
31,39 コンプレッサ(加圧手段)
45 単位電池
49 ガスジョイント(ホルダ部)
53 燃料極
55 空気極(酸化剤極)
67 集電体
69 通気性を備えた集電体
71 整流板
75 排気ユニット(吸引手段)
90 ガス排出通路(混合ガス通路)
Claims (13)
- 固体電解質の一方の面に燃料極を、同他方の面に酸化剤極をそれぞれ配置した単位電池を複数積層して燃料電池スタックを構成し、この燃料電池スタックをスタックケース内に収容し、このスタックケース内の前記燃料電池スタックに対して燃料および酸化剤の給排気を行う燃料電池システムにおいて、前記燃料電池スタックは、前記燃料極側もしくは空気極側の一方が前記スタックケース内に開放する構造であって、このスタックケース内に、前記開放された側の電極に対応するガスを供給し、この供給したガスを前記燃料電池スタックの中央部よりスタックケースの外部へ排気することを特徴とする燃料電池システム。
- 請求項1記載の燃料電池システムにおいて、前記スタックケース内へ供給するガスを加圧する加圧手段を設けたことを特徴とする燃料電池システム。
- 請求項1または2記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池スタックの中央部より排気するガスを、燃料電池スタックの外部から吸引する吸引手段を設けたことを特徴とする燃料電池システム。
- 請求項3記載の燃料電池システムにおいて、前記スタックケース内に開放する側の電極とは別の電極に供給するガスを、外部から吸引する吸引手段を設けたことを特徴とする燃料電池システム。
- 請求項1ないし4のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、前記スタックケース内に開放する側の電極は、前記燃料電池スタックの全周にわたって開放されていることを特徴とする燃料電池システム。
- 請求項1ないし5のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、前記スタックケース内に開放する側の電極上に、前記各単位電池相互間を電気的に接続する集電体を設けたことを特徴とする燃料電池システム。
- 請求項6記載の燃料電池システムにおいて、前記集電体は、通気性を備えていることを特徴とする燃料電池システム。
- 請求項1ないし7のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、前記スタックケース内に開放する側の電極上に、整流板を設けたことを特徴とする燃料電池システム。
- 請求項1ないし8のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、前記スタックケース内に開放する側の電極とは別の電極に供給するガスを、この別の電極上で、前記単位電池の中心側から外周側に向けて流すことを特徴とする燃料電池システム。
- 請求項1ないし8のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、前記スタックケース内に開放する側の電極とは別の電極に供給するガスを、この別の電極上で、前記単位電池の外周側から中心側に向けて流すことを特徴とする燃料電池システム。
- 請求項1ないし10のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、前記単位電池を円盤状に形成し、この円盤状の単位電池の中央部にホルダ部を設け、このホルダ部を介して前記単位電池を複数積層して前記燃料電池スタックを構成したことを特徴とする燃料電池システム。
- 請求項1ないし11のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、前記スタックケース内に開放する側の電極とは別の電極に供給するガスを、前記スタックケースに開放された側の電極に供給するガスとともに、前記燃料電池スタックの中央部よりスタックケースの外部へ排気することを特徴とする燃料電池システム。
- 請求項12記載の燃料電池システムにおいて、前記スタックケース内に開放する側の電極に供給するガスと、前記別の電極に供給するガスとを、前記燃料電池スタックの中央部より混合させてスタックケースの外部へ排気し、前記中央部の混合ガス通路に混合ガス燃焼用の触媒を設けたことを特徴とする燃料電池システム。
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