JP4558261B2 - 固体電解質型燃料電池 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、セパレータとセルを交互に積層した積層体（スタック）を有する固体電解質型燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、６００℃〜８００℃程度の反応温度で作動する低温作動形の固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）の一例として、単セル等のセルとセパレータとを交互に積層したスタック（積層体）タイプがある。この固体電解質型燃料電池では、反応ガスとして燃料ガスと酸化剤ガスを用い、セラミック等からなる固体電解質板を両側から正極と負極とで挟み込んでなるセルとセパレータとを交互に積層して構成されている。セパレータの正極側と負極側にそれぞれ形成した反応ガス流路の一方に酸素や空気等の酸化剤ガスを供給し、他方に水素等の燃料ガスを供給して、セルを通過した酸化剤ガスを燃料ガスと化学反応させて発電させるようにしている。
このような固体電解質型燃料電池では、セパレータ両面の反応ガス流路に反応ガスを供給するための反応ガス供給マニホールドを、セル及びセパレータを積層したスタックの外側に取り付けていて、反応ガス供給マニホールドから各セパレータ両面に燃料ガスと酸化剤ガスを分配供給することになる。
また別の固体電解質型燃料電池として、例えば特開平３−１２９６７５号公報に開示されたものがあり、この燃料電池では反応ガス供給マニホールドをスタックの中心軸付近に嵌挿させて各セパレータの両側の凹溝に反応ガスをそれぞれ分配するようにしている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、これらスタック構成の固体電解質型燃料電池では、発電時にスタックの積層方向の上下両端部と中央部とで温度差を生じる欠点がある。その原因は、スタックの中央部ではその上下両側にセルとセパレータからなる発熱体があるために熱の移動が少ないのに対して、上下両端部ではその外側に発熱体がないためにスタックの固定板を通して熱がスタック外部に逃げてしまい中央部と比較して低温になってしまうためである。
固体電解質型燃料電池で発電する電圧は温度の低い領域で温度の高い領域より低くなる傾向にある。そのため、スタックの積層方向での発電時の温度分布が上部及び下部領域で低く中央部領域で高くなると、上部及び下部のセルでの電圧が他のセルでの電圧に比較して格段に低くなり、発電出力が上下部での電圧に規制されてスタック全体の発電出力低下の要因になっていた。
本発明は、このような実情に鑑みて、積層体の積層方向端部における温度を向上させることで、発電出力を高めることができるようにした固体電解質型燃料電池を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明による固体電解質型燃料電池は、セパレータとセルとが交互に積層された積層体の各セパレータに反応ガスを供給して発電させるようにした固体電解質型燃料電池であって、積層体の外周側には、反応ガスとして燃料ガスを供給する燃料ガス供給マニホールドと反応ガスとして酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給マニホールドと熱媒体として燃料ガスまたは酸化剤ガスを供給する媒体供給マニホールドと加熱された前記熱媒体を供給する加熱媒体供給マニホールドとを備え、セパレータは積層体の積層方向両端に設けた端部側セパレータと中央部に設けた中央部側セパレータと端部側及び中央部側セパレータの間に設けた中間部セパレータとを備え、各セパレータは４本の渦巻き管が位相をずらせて同一面状にはめ込まれて配設され且つこれら渦巻き管の中央部に分岐プラグが嵌合されてなり、
積層体両端部の温度を上昇させることで、積層体の積層方向中央部の温度に積層方向両端部の温度が同程度になるよう調整する温度調整手段を設けており、中央部側セパレータでは、燃料ガス供給マニホールドと酸化剤ガス供給マニホールドとから第一及び第二の渦巻き管内に燃料ガスと酸化剤ガスがそれぞれ供給されて分岐プラグを介してセルを通過した燃料ガスと酸化剤ガスが化学反応して反応熱を発生させると共に、温度調整手段は、媒体供給マニホールドから中央部側セパレータの第三の渦巻き管内に供給された熱媒体を分岐プラグで第四の渦巻き管に連通させて加熱媒体供給マニホールドに送ることで、熱媒体を発電反応させることなく燃料ガス及び酸化剤ガスの反応熱を奪って熱交換して加熱媒体とし、この加熱媒体を加熱媒体供給マニホールドから端部側セパレータに移送する熱媒体移送機構であることを特徴とする。
温度調整手段を設けることで、積層方向端部の温度を中央部の温度と同程度になるよう調整してより均一な温度状態に設定でき、発電出力を高めることができる。
また、反応ガスによる発電反応熱及び燃焼熱等の熱に起因する温度は積層体の中央部の方が端部よりも高いため、中央部の熱を熱媒体によって置換してこの熱媒体を積層体の端部に供給することで積層体中央部の温度を下げると共に端部の温度を上昇させることができ、これによって積層体の温度分布を比較的高い温度にして容易に均一に設定できて出力を向上できる。
【０００５】
また、前記熱媒体は酸化剤ガスまたは燃料ガスであり、前記積層体の中央部側セパレータで熱を奪って熱媒体の温度を上昇させて積層体の端部側セパレータに反応ガスとして供給するようにしてもよい。
熱媒体として酸化剤ガスまたは燃料ガスを用い、積層体の中央部側セパレータで熱を奪って熱媒体の温度を上昇させて積層体の端部側セパレータでの反応ガスとして供給すれば、効率的な利用ができる。
【０００６】
また、積層体の積層方向両端部に加熱機構を設けてもよい。
積層体の積層方向において比較的発電温度の低い端部を加熱機構で加熱すれば、端部側セパレータの温度を上昇させることができて全体の温度分布をより均一に設定できるから積層体の出力を向上できる。この発明によれば、積層体中央部の熱を奪わないために全体の温度分布をより高い状態に設定できて出力を上げることができる。
【０００７】
また、積層体の積層方向中央部への反応ガス供給量よりも積層方向端部への反応ガス供給量を多くしてもよい。
積層体の端部側セパレータへの反応ガス供給量を多く設定することで、この領域の発電反応熱及び燃焼熱を上昇させることができ、全体の温度分布をより均一に設定できて積層体の出力を向上できる。この発明によれば、積層体中央部の熱を奪わないために全体の温度分布をより高い状態に設定できて出力を上げることができる。
尚、積層体の端部側セパレータへの反応ガス供給量を多く設定するためには、端部側セパレータに反応ガスを送り出す反応ガス供給細管及びセパレータ供給管の内径を他のセパレータにおける上記管より大きく設定すればよい。
【０００８】
また反応ガス供給マニホールドとセパレータとの間で反応ガスを供給するための反応ガス供給管及び反応ガス供給細管を接続する連結管として、反応ガス供給管及び反応ガス供給細管の接続部を二重管構造に設定すると共に連結管の貫通孔内に熱膨張係数の高いシール金属を介して嵌合させて締め付けナット等の固着部材で固着する構成を採用するとよい。
温度変化で連結管部分が熱膨張しても、シール金属が他の部品よりも大きく熱膨張するために、反応ガス供給管及び反応ガス供給細管と連結管の貫通孔との熱膨張差で生じ得る間隙をシール金属で封止することができ、反応ガス漏れ等を生じない。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態による固体電解質型燃料電池を図１乃至図１６により説明する。
実施の形態による固体電解質型燃料電池１は、例えば図１及び図２に示すように外観略円柱状を呈していて、円板状のセパレータ２と発電セル、例えば略円板状のセル３とが交互に積層されたスタック（積層体）４として概略構成されている。尚、各セル３の両面には多孔質金属板等の図示しない燃料極側集電材と空気極側集電材とがそれぞれ配設されている。スタック４の積層方向両端、例えば上下両端にはそれぞれセパレータ２が配設されている。セル３の外径を例えば１５５ｍｍとすると、セパレータ２の外径は例えば１６５ｍｍ程度になる。
スタック４は上下両端のセパレータ２、２の更に外側に上部固定板６（第一固定板）と下部固定板７（第二固定板）とを有しており、両固定板６，７は積層されたセパレータ２及びセル３を挟持した状態で複数のテンションボルト８によって連結されている。テンションボルト８はスプリング８ａによって上下部固定板６，７間距離を狭める方向に弾性力を付与して、積層されたセパレータ２及びセル３の外周面近傍に装着されている。
その外側には上下部固定板６，７間に４本の反応ガス供給マニホールドが周方向に例えば９０°間隔で取り付けられている。反応ガスとして例えば水素ガス等の燃料ガスと例えば酸素や空気等の酸化剤ガスとを用いるものとする。４本の反応ガス供給マニホールドは燃料ガス供給マニホールド１０Ａ、空気供給マニホールド１０Ｂ、第二空気供給マニホールド１０Ｃ、加熱空気供給マニホールド１０Ｄとで構成されている。
上部固定板６の中央部にはセパレータ２及びセル３と反対側に加熱機構１１と空気極電極９Ａが配設され、下部固定板７の中央部にもセパレータ２及びセル３と反対側に加熱機構１２と燃料極電極９Ｂが配設されている。
【００１０】
セパレータ２は図３乃至図５に示すように複数種類、例えば３種類のものからなる。例えばスタック４が２６枚のセパレータ２と２５枚のセル３を交互に積層した２５段の積層構造を有する場合、図３に示すものが上下端部に位置する端部側セパレータ２Ａ、図４に示すものが中央部側セパレータ２Ｂ、図５に示すものが両セパレータ２Ａ、２Ｂ間に位置する中間部側セパレータ２Ｃを構成している。
各セパレータ２は、いずれも図６に示す渦巻き管１３を４本、例えば９０°づつ位相をずらせて順次同一面上に嵌め込んで略リング状に形成した渦巻き部１４を有しており、その両面に円板状の平板１５（図７参照）を溶接等で固着すると共に、渦巻き部１４及びその両側の平板１５、１５の中央部に分岐プラグ１６（図８参照）を嵌合させて構成されている。
図６に示す渦巻き管１３は渦巻き状をなす中空の管１３ａの内側端部１３ｂが湾曲して径方向内側に向いており、外側端部１３ｃは接線方向外側に延びて例えばセラミック製等の絶縁材質からなる連結管１８に連結されている。図７に示す平板１５は中央に分岐プラグ１６を嵌合する中央孔１５ａを有しており、セル３の外径と同一寸法の円形段部１５ｂとその外側のリング状鍔部１５ｃとからなり、鍔部１５ｃには位置決め用の凹部１５ｄが所定間隔で設けられている。
図８（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示す分岐プラグ１６は、表裏両面にそれぞれ形成された円周溝１７ａ、１７ｂと、外周面から周方向に適宜の順番で９０°間隔に形成された孔部１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄと、これら４つの孔部のうちの一対の反応ガス孔部１８ａ、１８ｂと円周溝１７ａ、１７ｂをそれぞれ連通する開口１９ａ、１９ｂとを有している。
【００１１】
特に図８（ａ）に示す端部側分岐プラグ１６Ａは端部側セパレータ２Ａに装着され、４本の渦巻き管１３のうちの２本の反応ガス供給用の渦巻き管１３、１３の内側端部１３ｂ、１３ｂが９０°離れ且つ開口１９ａ，１９ｂを介して円周溝１７ａ、１７ｂにそれぞれ連通する反応ガス孔部１８ａ，１８ｂに嵌合し、他の２本の渦巻き管１３，１３の内側端部１３ｂ、１３ｂが嵌合する孔部１８ｃ、１８ｄは閉鎖されて袋止めされている。
図８（ｂ）に示す中央部側分岐プラグ１６Ｂは中央部側セパレータ２Ｂに装着され、４本の渦巻き管１３のうちの２本の反応ガス供給用の渦巻き管１３、１３の内側端部１３ｂ、１３ｂが１８０°対向し且つ開口１９ａ，１９ｂを介して円周溝１７ａ、１７ｂにそれぞれ連通する反応ガス孔部１８ａ，１８ｂに嵌合し、他の２本の渦巻き管１３，１３の内側端部１３ｂ、１３ｂが嵌合する孔部１８ｃ、１８ｄは互いに連通する構成を有している。
図８（ｃ）に示す中間部側分岐プラグ１６Ｃは中間部側セパレータ２Ｃに装着され、４本の渦巻き管１３のうちの２本の反応ガス供給用の渦巻き管１３、１３の内側端部１３ｂ、１３ｂが１８０°対向し且つ開口１９ａ，１９ｂを介して円周溝１７ａ、１７ｂにそれぞれ連通する反応ガス孔部１８ａ，１８ｂに嵌合し、他の２本の渦巻き管１３，１３の内側端部１３ｂ、１３ｂが嵌合する孔部１８ｃ、１８ｄは閉鎖されて袋止めされている。
【００１２】
次にこのような分岐プラグ１６を装着した３種のセパレータ２Ａ、２Ｂ、２Ｃについて説明する。各セパレータ２Ａ、２Ｂ、２Ｃは、図１において、スタック４の上部と下部に端部側セパレータ２Ａを例えば各４枚積層し、中央部側セパレータ２Ｂは例えば８枚積層し、中央部側セパレータ２Ｂと上下部の端部側セパレータ２Ａとの間に中間部側セパレータ２Ｃを各５枚積層した構成を有している。尚、各層のセパレータ２Ａ、２Ｂ，２Ｃはそれぞれ任意の１または複数枚のセパレータを積層して構成してよい。
図３に示す端部側セパレータ２Ａは、互いに９０°づつ周方向にずらして嵌合された４本の渦巻き管１３のうち、隣接する２つの渦巻き管１３，１３を反応ガス用として外側端部１３ｃ、１３ｃ及び連結管１８，１８を突出させる。これらの外側端部１３ｃ、１３ｃの一方を燃料ガス供給管１３Ａとし、他方を加熱空気供給管１３Ｄとしてそれぞれ渦巻き管１３内に反応ガスを送り込んで、内側端部１３ｂ、１３ｂ及び開口１９ａ，１９ｂを介して両面の円周溝１７ａ、１７ｂからそれぞれ吐出させることになる。尚、残りの渦巻き管１３、１３の外側端部１３ｃ、１３ｃは渦巻き部１４の外周端で切断しておく。
【００１３】
また図４に示す中央部側セパレータ２Ｂは、互いに９０°づつ周方向にずらして嵌合された４本の渦巻き管１３について各外側端部１３ｃ及び連結管１８をそれぞれ外側に突出させる。これらの各外側端部１３ｃのうち３本は、燃料ガス供給管１３Ａ、空気供給管１３Ｂ、第二空気供給管１３Ｃとしてそれぞれ反応ガスを渦巻き管１３内に送り込むことになる。残りの外側端部１３ｃは加熱空気供給管１３Ｄ′を構成し、第二空気供給管１３Ｃから渦巻き管１３内に送り込まれた空気が中央側分岐プラグ１６Ｂを介してスタック４内中央部の反応熱で加熱されて加熱空気供給管１３Ｄ′へ送り出されることになる。
図５に示す中間部側セパレータ２Ｃは、互いに９０°づつ周方向にずらして嵌合された４本の渦巻き管１３のうち、１８０°対向する２つの渦巻き管１３，１３について外側端部１３ｃ、１３ｃ及び連結管１８，１８を突出させる。これらの外側端部１３ｃ、１３ｃの一方を燃料ガス供給管１３Ａとし、他方を空気供給管１３Ｂとしてそれぞれ渦巻き管１３内に反応ガスを送り込んで、内側端部１３ｂ、１３ｂ及び開口１９ａ，１９ｂを介して両面の円周溝１７ａ、１７ｂからそれぞれ吐出させることになる。尚、残りの渦巻き管１３、１３の外側端部１３ｃ、１３ｃは渦巻き部１４の外周端で切断しておく。
【００１４】
次にスタック４における４本の反応ガス供給マニホールド１０Ａ〜１０Ｄと各セパレータ２との接続構成について説明する。先ず燃料ガス供給マニホールド１０Ａは、図９に示すようにスタック４の全てのセパレータ２に設けた燃料ガス供給管１３Ａとそれぞれ連結されている。燃料ガス供給マニホールド１０Ａから長手方向に沿って両側に交互にずれて分岐する燃料ガス供給細管１０Ａａと１０Ａｂが千鳥状に配列されており、左右の各燃料ガス供給細管１０Ａａ、１０Ａｂは積層された各セパレータ２の燃料ガス供給管１３Ａと連結管１８を介してそれぞれ連結されている（図１４参照）。
連結管１８による連結構造を図１０により説明する。連結管１８は略円筒状の絶縁用セラミック管を構成し、内部を貫通する貫通孔２１は両側の拡管孔部２１ａ、２１ｂと連通孔部２１ｃとで構成され、外周面両側には雄ねじ部２２ａ、２２ｂが設けられている。一方、燃料ガス供給細管１０Ａａ、１０Ａｂと燃料ガス供給管１３Ａの先端部には外側管２３が嵌合させられて先端部をそろえて溶接された二重管構造を有している。
これら燃料ガス供給細管１０Ａａ、１０Ａｂと燃料ガス供給管１３Ａの各先端部に熱膨張率の比較的大きい銅等のリング状のシール金属２４を付着して拡管孔部２１ａ、２１ｂに嵌入することで、各先端部を連結管１８に嵌合できる。連通孔部２１ｃの内径を各供給細管１０Ａａ、１０Ａｂ、供給管１３Ａの内径と略同一に設定することで、反応ガス流速を阻害する（圧力損失になる）ことを防止できる。また連結管１８の外周面両側の雄ねじ部２２ａ、２２ｂに、供給細管１０Ａａ、１０Ａｂ、供給管１３Ａの外径と同程度の穴を開けた締め付けナット２５，２５を螺合させることで供給細管１０Ａａまたは１０Ａｂと供給管１３Ａを非接触で結合できる。締め付けナット２５は例えば六角袋ナット形状を有している。
しかもセパレータ２の積層方向に隣り合う連結管１８．１８は互いに接触しないように供給細管１０Ａａ、１０Ａｂまたは供給管１３Ａの延在方向に交互にずれている（図９参照）。この連結管１８の構成は他のマニホールド１０Ｂ，１０Ｃ、１０Ｄとセパレータ２とを接続させる連結管１８においても同様である。
【００１５】
図１において、空気供給マニホールド１０Ｂは、スタック４に対して例えば燃料ガス供給マニホールド１０Ａと対向する位置に取り付けられていて、中央部側セパレータ２Ｂ及びその上下の中間部側セパレータ２Ｃ、２Ｃの各セパレータ２に空気を供給するために、これらセパレータ２の空気供給管１３Ｂとそれぞれ連結されている。即ち、空気供給マニホールド１０Ｂから長手方向に沿って両側に交互にずれて分岐された空気供給細管１０Ｂａと１０Ｂｂとが千鳥状に配列されており、左右の各空気供給細管１０Ｂａ、１０Ｂｂは積層された各セパレータ２の空気供給管１３Ｂと連結管１８を介してそれぞれ連結されている（図１４〜図１６参照）。
第二空気供給マニホールド１０Ｃは、中央部側セパレータ２Ｂの８枚の各セパレータ２に空気を供給するために、これらセパレータ２の第二空気供給管１３Ｃとそれぞれ連結されている。即ち、第二空気供給マニホールド１０Ｃから長手方向に沿って両側に交互にずれて分岐された第二空気供給細管１０Ｃａと１０Ｃｂとが千鳥状に配列されており、左右の各第二空気供給細管１０Ｃａ、１０Ｃｂは積層された各セパレータ２の第二空気供給管１３Ｃと連結管１８を介してそれぞれ連結されている。
中央部側セパレータ２Ｂにおいて、第二空気マニホールド１０Ｃから各第二空気供給細管１０Ｃａ、１０Ｃｂを通って第二空気供給管１３Ｃに供給された第二空気は渦巻き管１３内を流れて中央部側セパレータ２Ｂ内で発電反応に用いられることなく反応熱を奪う。そして中央部側分岐プラグ１６Ｂの孔部１８ｃ、１８ｄを通って加熱された空気として他の渦巻き管１４内の加熱空気供給管１３Ｄ′、加熱空気供給細管１０Ｄ′ａ、１０Ｄ′ｂを通って加熱空気供給マニホールド１０Ｄ内に貯蔵される。これらの構成を媒体移送機構（温度調整手段）という。尚、媒体として、第二空気、加熱空気等の酸化剤ガスまたは燃料ガス等を採用してよい。
【００１６】
加熱空気供給マニホールド１０Ｄは、中央部側セパレータ２Ｂの８枚の各セパレータ２から加熱された空気を送り込まれ、そしてこれら加熱空気を上下部の端部側セパレータ２Ａ、２Ａの各４枚のセパレータ２に供給するために、これらセパレータ２の加熱空気供給管１３Ｄとそれぞれ連結されている。即ち、加熱空気供給マニホールド１０Ｄから長手方向に沿って両側に交互にずれて分岐する加熱空気供給細管１０Ｄａと１０Ｄｂとが千鳥状に配列されており、左右の各加熱空気供給細管１０Ｄａ、１０Ｄｂは積層された各セパレータ２の加熱空気供給管１３Ｄと連結管１８を介してそれぞれ連結されている。この構成も媒体移送機構に含まれる。
またスタック４において、図１４〜図１６に示すように、上部側から順次積層する４枚の端部側セパレータ２Ａ、５枚の中央部側セパレータ２Ｂ、８枚の中間部側セパレータ２Ｃ、５枚の中央部側セパレータ２Ｂ、４枚の端部側セパレータ２Ａで、各マニホールド１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄを挟んでその両側にセパレータ１枚分の段差を介して対向する２枚のセパレータの各２本の供給管１３Ａ、１３Ｂ，１３Ｃ、１３Ｄは平面視で略１８０°離間し且つ連結管１８が対向するように形成されて各渦巻き部１４がそれぞれ積層されている。
【００１７】
次に上下部固定板６、７に設けた加熱機構１１、１２（温度調整手段）と両電極９Ａ、９Ｂについて図１１乃至図１３により説明する。
図１１乃至図１３において、スタック４の一端に位置する上端セパレータ２にはスタック４の出力（電圧・電流）を取り出すための電極板２６が直接接触しており、その中央部には上部固定板６を貫通して上方に延びる電極棒２７が設けられている。電極板２６は例えば空気極（＋）であって略円板状に形成されており、電極板２６の上端セパレータ２への接触面にはセパレータ２と同軸の円板状の中央凹部２６ａが形成され、この中央凹部２６ａから電極板２６の外周面に向けて放射状に複数条（図では１２条）の凹溝２６ｂが連通して設けられている（図１３参照）。
図１３に示すように、電極板２６の中央凹部２６ａ内には略円板状の分離板２８が連結されており、この分離板２８によって中央凹部２６ａは上部空間２９ａと下部空間２９ｂとに２分されている。下部空間２９ｂ内には上端のセパレータ２の端部側分岐プラグ１６Ａから供給される燃料ガスが充満することになる。上部空間２９ａ内には上部固定板６及び電極板２６を貫通して加熱用燃料ガス供給管３０と加熱用空気供給管３１とが開口しており、加熱用燃料ガス供給管３０と空気供給管３１とはそれぞれ連結管１８を介して図示しない燃料供給源と空気供給源とに接続されている。
【００１８】
そして発電当初においては、上端のセパレータ２からの燃料ガスの供給が十分でないために加熱用燃料ガス供給管３０及び空気供給管３１から燃料ガスと空気を中央凹部２６ａ内に供給して分離板２８の外側で燃焼させてスタック４の上部領域を加熱する。燃焼後の排気ガスは凹溝２６ｂを通して排出される。反応の進行によってスタック４内の温度が上昇すると上端のセパレータ２からの燃料ガスの供給が進むために加熱用燃料ガス供給管３０を絞っていき、最終的には加熱用空気供給管３１を通して空気のみを中央凹部２６ａ内に供給することでスタック４全体の均熱を得るように制御する。
尚、下部固定板７にも加熱機構１１と同一構成の加熱機構１２が設けられている。この場合、加熱機構１１と相違する点は、下端のセパレータ２から中央凹部２６ａ内に空気が供給されてくるために、加熱用燃料ガス供給管３０及び空気供給管３１のうちの空気供給管３１を徐々に絞って燃料ガスのみを加熱用燃料ガス供給管３０から供給するように制御する点である。
【００１９】
本実施の形態による固体電解質型燃料電池１は上述の構成を有しており、次に作用を説明する。
図１及び図２に示す固体電解質型燃料電池１において、発電開始時に加熱ガスをスタック４の外周部に供給して雰囲気温度を上昇させてスタック４が発電温度になるまで加熱する。スタック４が発電温度に到達すると加熱ガスの供給を停止し、燃料ガスや空気を反応ガスとしてスタック４に供給する。
燃料ガス供給マニホールド１０Ａと空気供給マニホールド１０Ｂと第二空気供給マニホールド１０Ｃには、スタック４の外部に設置された図示しない予熱構造部で加熱（例えば約４５０〜５５０℃）された反応ガスが供給される。尚、空気供給マニホールド１０Ｂと第二空気供給マニホールド１０Ｃへ供給される各空気は略同一の温度である。
このうち、燃料ガス供給マニホールド１０Ａでは供給された燃料ガスが、燃料ガス供給マニホールド１０Ａの両側に互い違いに千鳥配列された複数の燃料ガス供給細管１０Ａａ、１０Ａｂに送られ、連結管１８及び燃料ガス供給管１３Ａを介してスタック４の全てのセパレータ２内に供給される。そして燃料ガス用の渦巻き管１３の中心部である分岐プラグ１６Ａ，Ｂ，Ｃに送られて発電反応に供される。
またスタック４の中心側セパレータ部２Ｂ及び中間部側セパレータ部２Ｃでは、空気供給マニホールド１０Ｂ内の空気が、空気供給マニホールド１０Ｂの両側に互い違いに千鳥配列された複数の空気供給細管１０Ｂａ、１０Ｂｂに送られ、連結管１８及び空気供給管１３Ｂを介して各セパレータ２内に供給される。そして空気用の渦巻き管１３の中心部である分岐プラグ１６Ｂ，Ｃに送られて発電反応に供される。空気中の酸素イオンはセル３の固体電解質板内を正極側から負極側に移動して隣接するセパレータ２に供給された燃料ガス中の例えば水素イオンや一酸化炭素イオンと化学反応して発熱と電位差を生じる。
【００２０】
同時に中央部側セパレータ２Ｂでは、第二空気供給マニホールド１０Ｃから両側に互い違いに千鳥配列された複数の第二空気供給細管１０Ｃａ、１０Ｃｂ、連結管１８及び第二空気供給管１３Ｃを介して、第二空気がセパレータ２内に供給される。そして第二空気用の渦巻き管１３の中心部である分岐プラグ１６Ｂに送られる。この第二空気は発電反応に用いられることはなく、中央部セパレータ２Ｂ内での発電反応による反応熱及び燃焼熱と置換し、中央部セパレータ２Ｂ内の温度を低下させると共に第二空気を加熱して別の渦巻き管１３、加熱空気供給管１３Ｄ′を介して加熱空気供給マニホールド１０Ｄ内に送り込まれる。
そして、加熱空気供給マニホールド１０Ｄ内に送られた加熱空気は、加熱空気供給細管１０Ｄａ、１０Ｄｂ、連結管１８を介して加熱空気供給管１３Ｄから上下部の各端部側セパレータ２Ａ、２Ａの各セパレータ２内に送り込まれる。これらセパレータ２内では、加熱空気用の渦巻き管１３内を流れる加熱空気は分岐プラグ１６Ａからセル３に吐出され、セル３の正極側から負極側に移動して隣接するセパレータ２に供給された燃料ガスと発電反応する。
このような作用によって、発電時に比較的高温になるスタック４の中央部側セパレータ２Ｂでは第二空気供給管１３Ｃ及び加熱空気供給管１３Ｄ′を通して熱を奪われることで反応温度を下げると共に、比較的低温になる上下部の端部側セパレータ２Ａ、２Ａでは加熱空気を供給することでこの領域の反応熱及び燃焼熱を上昇させることができる。これによってスタック４の積層方向全域に亘る温度差、特に中央部と両端部との温度差を低減させることができる。
【００２１】
更にスタック４の上下部には加熱機構１１、１２を備えており、この構成によっても温度差を更に抑制できる。即ち、発電開始時にスタック４の上端と下端のセパレータ２にも上述のように燃料ガスと空気がそれぞれ供給される。加熱機構１１では、上部のセパレータ２の中央から燃料ガスが電極板２６の中央凹部２６ａ内の下部空間２９ｂに供給され、同時に加熱用燃料ガス及び空気供給管３０，３１からも空気（や燃料ガス）が上部空間２９ａに供給される。そして中央凹部２６ａ内で反応することで燃焼させてスタック４の上部を加熱する。
しかも加熱機構１２でも同様に、下部のセパレータ２の中央から空気が電極板２６の中央凹部２６ａの下部空間２９ｂ内に供給され、加熱用燃料ガス及び空気供給管３０，３１からも空気（や燃料ガス）が上部空間２９ａ内に供給される。そして中央凹部２６ａ内で反応することで燃焼させてスタック４の下部を加熱する。尚、加熱機構１２では加熱機構１１に対して上部空間２９ａと下部空間２９ｂの配置が上下逆になっている。
このような制御によってスタック４の上下部側セパレータ２Ａの温度を上昇させることによってスタック４の積層方向上下部と中央部の温度差を補正して温度を均一化（均熱）できる。
更に上下部側セパレータ２Ａに燃料ガスを供給する燃料ガス供給細管１０Ａａ、１０Ａｂ、連結管１８及び燃料ガス供給管１３Ａの内径を他の領域のセパレータ２Ｂ，２Ｃに供給する各管よりも大きく設定することで、上下部における反応熱及び燃焼熱を上昇させることができ、スタック４のより均一な温度分布を得ることができる。
【００２２】
また従来の連結管では、絶縁用セラミック管の貫通孔内面の両側に雌ねじを切ると共に反応ガス供給用の管体の外周面に雄ねじを切ることで、両管体を連結管に非接触の状態で螺合させる構成を有していた。しかしながらこの構成では雄ねじを切るために管体の肉厚を大きくとる必要があり、また連結管と管体を完全にシールした状態で締め付け固定できないために、内部のガス流量が大きくて内圧が上昇した場合には不十分な接合部から反応ガスが漏れるおそれがあった。
これに対して本実施の形態では、燃料ガス供給細管１０Ａａ、１０Ａｂ等と燃料ガス供給管１３Ａ等を二重管に形成して連結管１８の拡管孔部２１ａ、２１ｂに押し込み嵌合し、締め付けナット２５で抜き出し不能に固着している。しかも他の部材よりも熱膨張係数の大きいシール金属２４を各管の先端に介在させたことで熱膨張時にガス漏れが生じるのを確実に防止できる。
【００２３】
上述のように本実施の形態による固体電解質型燃料電池１は、媒体移送機構を用いてスタック４の上下部側セパレータ２Ａの温度を上昇させると共に中央部側セパレータ２Ｂの温度を低下させることで、スタック４の積層方向全体に亘る温度分布をより容易に均一に制御してスタック４の均熱を得ることができる。更に加熱機構１１，１２を設けることで、また端部側セパレータ２Ａに供給する反応ガス量を他のセパレータより多く設定することで、両端部側をより高い温度に設定できてスタックの均熱を得ることができる。これによってスタック４の出力を増大できる。
また連結管１８に対して燃料ガス供給細管１０Ａａ、１０Ａｂ等と燃料ガス供給管１３Ａ等とを押し込み嵌合としてシール金属でガスの漏洩を確実に防止することができる。
【００２４】
尚、上述の実施の形態においては、スタック４の温度差を抑制するために３種類の手段を設けたがいずれか１つまたは２つの手段だけを任意に選択して採用してもよい。この場合でも、スタック４の積層方向の温度差を十分調整することができる。
特に加熱機構１１、１２を設けた場合または／及び上下部の端部側セパレータ２Ａへ供給する燃料ガス及び加熱ガスの供給量を増大させた場合には、中央部側セパレータ２Ｂの反応熱を奪うものでないためにスタック４全体の温度分布をより高い状態で均一に制御できて、スタック４の出力電圧や出力電流を上昇させることができる。
また上述の実施の形態ではセパレータ２の反応ガス流路を４本の渦巻き管１３で構成したが、これに代えて上述した従来の技術と同様に、反応ガス流路として円板状のセパレータ両面に２条または４条の凹溝を形成するようにしてもよい。
なお、本発明において、第二空気供給マニホールドは媒体供給マニホールドを構成し、加熱空気供給マニホールドは加熱媒体供給マニホールドを構成する。
【００２５】
【発明の効果】
本発明による固体電解質型燃料電池は、積層体端部の温度を上昇させることで中央部との温度差を低減させて温度分布をより均一に設定でき、発電出力を向上できる。
特に積層体中央部の熱を奪って端部に供給すれば温度分布の均一性をより向上できる。また積層体中央部の熱を奪わずに端部の温度を上昇させることで、温度分布をより高く設定できてより高い出力を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態による固体電解質型燃料電池を空気供給マニホールド側から見た側面図である。
【図２】 図１に示す固体電解質型燃料電池の平面図である。
【図３】 上下部の端部側セパレータにおける１つのセパレータの平面図である。
【図４】 中央部側セパレータにおける１つのセパレータの平面図である。
【図５】 中間部側セパレータにおける１つのセパレータの平面図である。
【図６】 セパレータの渦巻き管を示すもので、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。
【図７】 セパレータの平板を示すもので、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。
【図８】 分岐プラグの平面図と側面図を示すもので、（ａ）は上部側または下部側セパレータに装着する端部側分岐プラグ、（ｂ）は中央部側セパレータに装着する中央部側分岐プラグ、（ｃ）は中間部側セパレータに装着する中間部側分岐プラグである。
【図９】 固体電解質型燃料電池を燃料ガス供給マニホールド側から見た側面図である。
【図１０】 連結管を示す図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は縦断面図である。
【図１１】 加熱機構と空気極側電極の側面図である。
【図１２】 電極板をセパレータ側から見た平面図である。
【図１３】 図１１に示す加熱機構の要部拡大図図である。
【図１４】 スタックの空気極側から見た最上段の端部側セパレータの管連結構造を示す平面図である。
【図１５】 スタックの空気極側から見た中央部側セパレータの管連結構造を示す平面図である。
【図１６】 スタック最下段の端部側セパレータの管連結構造を示す平面図である。
【符号の説明】
１ 固体電解質型燃料電池
２ セパレータ
２Ａ 端部側セパレータ
２Ｂ 中央部側セパレータ
２Ｃ 中間部側セパレータ
３ セル
４ スタック
１０Ａ 燃料ガス供給マニホールド
１０Ｂ 空気供給マニホールド（酸化剤ガス供給マニホールド）
１０Ｃ 第二空気供給マニホールド（第二酸化剤ガス供給マニホールド）
１０Ｄ 加熱空気供給マニホールド（加熱酸化剤ガス供給マニホールド）
１０Ａａ、１０Ａｂ 燃料ガス供給細管（反応ガス供給細管）
１０Ｂａ、１０Ｂｂ 空気供給細管（反応ガス供給細管）
１０Ｃａ、１０Ｃｂ 第二空気供給細管（反応ガス供給細管）
１０Ｄａ、１０Ｄｂ 加熱空気供給細管（反応ガス供給細管：温度調整手段）
１１、１２ 加熱機構（温度調整手段）
１３Ａ 燃料ガス供給管（反応ガス供給管）
１３Ｂ 空気供給管（反応ガス供給管）
１３Ｃ 第二空気供給管（反応ガス供給管：温度調整手段）
１３Ｄ、１３Ｄ′ 加熱空気供給管（反応ガス供給管：温度調整手段）

Claims (4)

1. セパレータとセルとが交互に積層された積層体の各セパレータに反応ガスを供給して発電させるようにした固体電解質型燃料電池であって、
   前記積層体の外周側には、反応ガスとして燃料ガスを供給する燃料ガス供給マニホールドと反応ガスとして酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給マニホールドと熱媒体として燃料ガスまたは酸化剤ガスを供給する媒体供給マニホールドと加熱された前記熱媒体を供給する加熱媒体供給マニホールドとを備え、
   前記セパレータは積層体の積層方向両端に設けた端部側セパレータと中央部に設けた中央部側セパレータと端部側及び中央部側セパレータの間に設けた中間部セパレータとを備え、前記各セパレータは４本の渦巻き管が位相をずらせて同一面状にはめ込まれて配設され且つこれら渦巻き管の中央部に分岐プラグが嵌合されてなり、
   前記積層体両端部の温度を上昇させることで、前記積層体の積層方向中央部の温度に積層方向両端部の温度が同程度になるよう調整する温度調整手段を設けており、
   前記中央部側セパレータでは、前記燃料ガス供給マニホールドと前記酸化剤ガス供給マニホールドとから第一及び第二の前記渦巻き管内に前記燃料ガスと酸化剤ガスがそれぞれ供給されて前記分岐プラグを介してセルを通過した前記燃料ガスと前記酸化剤ガスが発電反応して反応熱を発生させると共に、
   前記温度調整手段は、前記媒体供給マニホールドから前記中央部側セパレータの第三の前記渦巻き管内に供給された熱媒体を前記分岐プラグで第四の前記渦巻き管に連通させて前記加熱媒体供給マニホールドに送ることで、前記熱媒体を発電反応させることなく前記燃料ガス及び酸化剤ガスの反応熱を奪って熱交換して加熱媒体とし、この加熱媒体を前記加熱媒体供給マニホールドから端部側セパレータに移送する熱媒体移送機構であることを特徴とする固体電解質型燃料電池。
2. 前記熱媒体は酸化剤ガスまたは燃料ガスであり、前記積層体の中央部側セパレータで熱を奪って熱媒体の温度を上昇させて積層体の前記端部側セパレータに反応ガスとして供給するようにした請求項１に記載の固体電解質型燃料電池。
3. 前記積層体の積層方向両端部に加熱機構を設けたことを特徴とする請求項１または２に記載の固体電解質型燃料電池。
4. 前記積層体の積層方向中央部への反応ガス供給量よりも積層方向両端部への反応ガス供給量を多くしたことを特徴とする請求項２または３に記載の固体電解質型燃料電池。

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