JP4617711B2 - 燃料電池 - Google Patents

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Description

本発明は燃料電池に関し、特にセパレータ外周部から中心部に向けて燃料ガスもしくは酸化ガスを流通させるようにした固体酸化物型燃料電池に関する。
燃料電池は、水素ガスなどの燃料ガスと酸素を有する酸化ガスとを電解質を介して電気化学的に反応させ、電解質両面に設けた電極間から電気エネルギーを直接取り出すものである。このような燃料電池は、電解質の種類により、リン酸型燃料電池(PAFC)、溶融炭酸塩型燃料電池(MCFC)、固体酸化物型燃料電池(MCFC)、固体高分子型燃料電池(PECF)に分類される。
この中で固体酸化物型燃料電池は、電解質として酸素イオン導電性の固体酸化物を用いるため取り扱いが容易であること、発電効率が高く、高温度の廃熱が得られること、利用可能な燃料ガスの範囲が広いことなどの理由により、移動体用電源やオンサイト用コジェネレーションシステムへの応用が期待されている。
上述した固体酸化物型燃料電池の従来例として、固体電解質層の両側に空気極と燃料極とを形成して発電セルが構成され、この発電セルとセパレータとが交互に積層された燃料電池が開示されている(例えば、特許文献1参照。)。そして、燃料ガスはセパレータの外部から燃料供給通路を介して中央部に一旦導入され、その後スリットに沿って中央部から外周に向かって燃料ガスが吐出されて反応が行われるような構成となっていた。
特開2002−203579号公報
しかしながら、上述した特許文献1に開示された従来例では、燃料ガスを円盤中心部から外周部に向かって流しながら反応させていたため、燃料ガス中の水素や炭化水素などの発電燃料成分の濃度が下流の外周部へ行くほど低くなることに加えて、下流である外周部ほど流路面積が増大するので、下流の外周部では単位面積あたりに供給される燃料ガス分子数は急激に減少し、これに伴って出力密度が急激に減少してしまうという問題点があった。
また、この問題点を解決するために、外周部においても十分な燃料ガスを確保すべく過剰な燃料ガスを供給すると、スタックの発電効率は向上するものの発電に使用されずに排出される燃料ガスが増加して燃料利用率が低下してしまうという問題点が生じ、これによってスタックの発電効率×燃料利用率で計算されるシステム全体の発電効率は逆に減少してしまうという問題点が生じることになっていた。
さらに、上述した特許文献1に開示された従来例では、燃料供給通路によって燃料ガスが中心部に導入されると、中心部で積層方向(厚さ方向)に一旦曲げられてから外周方向に吐出される構成となっていたので、セパレータを厚くしなければならなかった。これにより、スタック容量あたりの発電セル積層数を増大させることができなくなり、スタック容量あたりの出力密度を大きくすることができないという問題点があった。
また、上述した特許文献1に開示された従来例では、セパレータを厚くしたことにより、セパレータの熱容量が大きくなってしまうので、起動時の急速過熱において過熱されにくくなり、起動性が悪くなるという問題点もあった。
この発明は、このような従来の課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、燃料ガスを流したときの下流側でも十分な燃料ガスの濃度を確保して出力密度を均一にすることができ、さらにセパレータを薄くして発電セルの積層数を増やし、スタック容量あたりの出力密度を大きくすることのできる燃料電池を提供することにある。
上記目的を達成するために、本発明の燃料電池は、燃料ガスと酸化ガスとを反応させるための空間を内部に備えた中空構造体を積層して形成された燃料電池であって、前記中空構造体は、薄板状で周縁沿って周壁部が立設されて浅い容器状に形成されたセパレータと、固体電解質の一方の面に酸化剤極が形成され、他方の面に燃料極が形成され、外周が前記セパレータの前記周壁部に接合されて前記セパレータとの間にガス流通空間を形成するセル板と、前記セル板及び前記セパレータの中心部に設けられ、燃料ガスあるいは酸化ガスのうちの一方の反応ガスを供給するガス供給マニホールドと、前記セル板及び前記セパレータの中心部に設けられ、前記反応ガスを排出するガス排出マニホールドと、前記ガス供給マニホールドから前記セパレータの前記周壁部まで前記反応ガスを導入するガス導入流路とを備え、このガス導入流路は、前記セパレータの前記周壁部の内側で前記ガス流通空間に連通する吐出孔を備え、前記ガス導入流路に導入された前記反応ガスは前記セパレータの前記周壁部近傍から前記ガス流通空間を経て前記ガス排出マニホールドへと流されることを特徴とする。
本発明に係る燃料電池では、ガス導入流路によって中心部から外壁にまで燃料ガスあるいは酸化ガスのうちの一方の反応ガスを導入し、導入された反応ガスを外周部から中心部のマニホールドへと流す間にセル板(発電セル)に接触するようにしたことにより、燃料ガスの濃度が低下する中心部では流路面積が減少し、濃度の低下を抑制することができるとともに、燃料ガスの流速が増加して反応を促進させることができ、これによってセル板における出力密度を均一にすることができる。
さらに、セパレータとセル板とを薄板状にすれば、ガス導入流路によって中心部から外周部へと導入されたガスは水平に外周部から中心部のマニホールドへと流されるため、導入されたガスを同一平面上で移動させることができ、これによって中空構造体を薄くすることができる。したがって、中空構造体の積層数を増やすことができるようになり、スタック容量あたりの出力密度を大きくすることが可能になる。
(第1の実施の形態)
以下、本発明の第1の実施の形態の燃料電池を図面に基づいて説明する。まず、図1及び図2に基づいて本発明の燃料電池のスタックを構成する中空構造体を説明する。図1は本実施の形態に係る燃料電池の中空構造体を示す平面図である。図2(a)は中空構造体の内部を示す平面図、図2(b)は中空構造体のA−B断面図及びC−D断面図である。図1に示すように、中空構造体1は、上面を薄板状のセル板2で構成されており、このセル板2は、金属製のセル板マニホールド3aと金属製の外縁部4とドーナツ状の発電セル5を接合して形成されている。
ここで、セル板マニホールド3aは、厚さが例えば1mmであり、燃料ガスを導入するためのガス導入口6と燃料ガスを排出するためのガス排出口7とが形成されている。
発電セル5は、電解質支持型セルであり、固体電解質層とその両面に形成された酸化剤極と燃料極とから構成されている。固体電解質層は例えば8[mol%]イットリア安定化ジルコニアによって形成され、この固体電解質層の片面には酸化剤極として例えばLaxSr1−xCoO3が焼き付けられ、反対側の片面には燃料極として例えばNiO−YSZサーメットが焼き付けられている。
次に、図2に基づいて中空構造体1の内部を説明する。図2に示すように、中空構造体1は、薄板状で周囲を外壁(周壁部)に囲まれたセパレータ8と、中心部に設けられたセパレータマニホールド3bと、ガス導入口6に連通したリブ流路(ガス導入流路)9と、各リブ流路9の間に形成された燃料極集電体層10とから構成されている。
ここで、セパレータ8は、セパレータ薄板部11とセパレータ外壁部12とから構成され、例えばフェライト系ステンレスなどの耐熱金属によって形成されている。そして、セパレータ薄板部11にリブ流路9とセパレータマニホールド3bとを重ねて拡散接合法によって接合されている。
セパレータ薄板部11は、中央部にガス導入口6とガス排出口7とが開口している厚さが例えば100μmのSUS系金属板であり、このSUS系金属板を外径が例えば125mmφ、セパレータ外壁部12の高さが例えば1mmとなるようにプレス加工によって形成したものである。そして、セパレータ薄板部11は、セパレータ外壁部12に吐出された燃料ガスを発電セル5の電極表面に拡散させ、中心部のガス排出口7へと流れる燃料ガスの流れを整流している。さらに、セパレータ8には、歪変形を防止するために図示しない凹凸加工が施されている。
セパレータ外壁部12は、リブ流路9から吐出された燃料ガスを内側面で反射して拡散させる機能やセパレータ8の歪変形を防止する機能を有するとともに、中空構造体1を構成するセパレータ8とセル板2との間のガス流路間隔を保持するための凸部となっている。また、セパレータ外壁部12は、セル板2の外縁部4と例えばレーザー溶接法により接合されてガスシール構造となっている。
セパレータマニホールド3bは、セパレータ8の中心部においてセパレータ薄板部11よりも厚みのある部分を指し、セル板マニホールド3aとの間は例えば鏡面研磨が施されて接触している。これらセル板マニホールド3aとセパレータマニホールド3bとによってマニホールド3が構成されている。ただし、セル板マニホールド3aとセパレータマニホールド3bとの間は鏡面研磨して接触させるだけではなく、ろう付け接合することもできるし、ガラス−セラミック接合でもよいし、またリング状の金属製あるいはセラミック−ガラス製ガスケットを挟持して接合してもよい。
また、マニホールド3は中空構造体1を積層した場合に、隣接する中空構造体との間に間隔を保持する機能を有する。さらに、マニホールド3の上下端部を絶縁処理して中空構造体1を積層することにより、隣接する中空構造体間のマニホールド3における電気絶縁を保持するようにしている。
リブ流路9は、中心部から放射状に外周まで伸びた形状をしており、厚さは例えば1mmで図2(a)の破線で示した部分は凹部溝形状となっている。そして、リブ流路9は、マニホールド3のガス導入口6から燃料ガスを導入する導入孔13と、セパレータ外壁部12に燃料ガスを吐出する吐出孔14とを備えており、中心部から外周部へ燃料ガスを導く機能を果たしている。さらに、リブ流路9は、薄板状であるセパレータ8の梁としての役割も果たしており、これにより熱衝撃によるセパレータ8の歪変形を防止して発電セル5の電極表面における電気接触性の低下を防止するとともに、セパレータ8を薄くして軽量化することを可能にしている。また、セパレータ8を薄くすることにより熱容量が低下するため、起動性を向上させることも可能にしている。さらに、燃料ガスがリブ流路9内を通過している間に予熱することができるため、これによっても起動性起の向上を可能にしている。
また、図2(b)では、リブ流路9がセル板2と接触していないように示しているが、リブ流路9をセル板2の発電セル5の電極表面と直接接触するようにしてもよいし、金属フェライトなどの多孔性集電体層を介して接触するようにしてもよい。これにより、燃料極集電体層10や発電セル5表面の電極層とセパレータ3の電気接触性を均一にすることができるので、発電出力の集電損失を低減し、出力密度を向上することが可能になる。
また、リブ流路9には改質触媒機能を付加することも容易に可能である。
燃料極集電体層10は、ステンレススチール等の耐熱性金属による金属細線メッシュあるいは発泡金属等の多孔質導電体を板状に成形したものであり、セパレータ薄板部11及び発電セル5表面の電極と接触するように積層されている。
次に、本実施の形態に係る燃料電池の中空構造体1における燃料ガスの流れを説明する。図2に示すように、マニホールド3のガス導入口6に供給された燃料ガスはリブ流路9の導入孔13から導入され、リブ流路9の凹部溝とセパレータ薄板部11により形成された流路を通過して吐出孔14から吐出される。このとき、燃料ガスは吐出孔14からセパレータ外壁部12に吹き付けるように吐出される。
その後、燃料ガスはセパレータ外壁部12に沿って流れて、燃料極集電体層10内へ拡散して流れ込んで行く。そして、燃料極集電体層10を通過しているときに発電セル5の表面に形成された燃料極で酸素イオンと反応して発電し、反応済みの濃度が低下した燃料ガスはマニホールド3のガス排出口7から排出される。
次に、上述した中空構造体1を積層して形成したスタックを図3に基づいて説明する。図3は中空構造体1を積層して形成したスタックの図2(a)におけるA−D断面に相当する断面図である。図3に示すように、スタック30は、積層された複数の中空構造体1と、中空構造体1の上面における酸化ガスの流れを整流する上部整流プレート31と、反応済みガス排出口32を備える上部エンドマニホールド33と、中空構造体1の下面における酸化ガスの流れを整流する下部整流プレート34と、燃料ガス供給口35を備える下部エンドマニホールド36と、各中空構造体1の発電セル5の酸化剤極表面に形成された酸化剤極集電体層37と、酸化剤極集電体層37に酸化ガスをシャワー状に吹き付ける吹き付け器38とを備えている。
そして、各中空構造体1のマニホールド3の下面には電気絶縁性のセラミックコーティング層が形成されており、隣接する中空構造体1と接合するためのろう剤層が二重リングパターンで形成されている。
また、上部エンドマニホールド33及び下部エンドマニホールド36は、積層した中空構造体1の上下に上部整流プレート31と下部整流プレート34とを介して配置され、上部エンドマニホールド33と下部エンドマニホールド36とを加圧してかしめることによってスタック30が形成されている。
次に、スタック30における燃料ガス及び酸化剤ガスの流れを説明する。まず、燃料ガスは燃料ガス供給口35から供給されて各中空構造体1の導入孔13からリブ流路9へ導入される。そして、燃料ガスはリブ流路9を通過して吐出孔14からセパレータ外壁部12に吹き付けられる。その後、燃料ガスはセパレータ外壁部12に沿って流れていき、燃料極集電体層10内へ流れ込んで、発電セル5の表面に形成された燃料極で酸素イオンと反応して発電する。反応済みの燃料ガスはガス排出口7に排出され、各中空構造体1から排出された反応済み燃料ガスは集められて反応済みガス排出口32からスタック30外部に排出される。
一方、酸化ガスは吹き付け器38から積層された各酸化剤極集電体層37に向かってシャワー状に吹き付けられる。また、吹き付け器38は図4に示すように各リブ流路9の間に酸化ガスを吹き付けるように配置されている。
また、本実施の形態では燃料ガスを中空構造体1の内部に導入し、酸化ガスを吹き付け器38によって吹き付ける構成にしたが、酸化ガスを中空構造体1の内部に導入して燃料ガスを吹き付け器38から吹き付けるようにしてもよい。ただし、この場合には機密性や断熱性に優れた燃料流路内にスタック30を設置する必要がある。
上述したように、本実施の形態に係る燃料電池では、リブ流路9によって中心部から外周部に燃料ガスを導入し、導入された燃料ガスを外周部から中心部へと流す間に発電セル5と反応して発電するようにしたことにより、燃料ガスの濃度が低下する中心部では流路面積が減少することにより濃度の低下を抑制するとともに、燃料ガスの流速が増加して反応が促進される。これに伴い、セル板2における出力密度を均一にすることができる。したがって、発電出力及びこれに伴う発熱量を均一にすることが可能になる。
さらに、セル板2とセパレータ8とを薄板状にし、リブ流路9によって外周部へ導入された燃料ガスは水平に外周部から中心部のマニホールド3へと流されるので、燃料ガスは同一平面上を移動することになり、これにより中空構造体1を薄くすることができる。したがって中空構造体1の積層数を増やすことができ、スタック容量あたりの出力密度を大きくすることが可能になる。
また、本実施の形態に係る燃料電池では、リブ流路9の先端部に吐出孔14を形成し、燃料ガスをセパレータ外壁部12に吹き付けるように吐出するので、吹き付けられた燃料ガスはセパレータ外壁部12に沿って広がり、これによって燃料ガスを広い範囲に均一に拡散させることができ、発電密度を均一にすることが可能になる。さらに、局所的な発熱による破損信頼性の低下を防ぐこともできるので、耐久性に優れた燃料電池を提供することができる。
さらに、マニホールド3の近傍が燃料ガスの上流にならないので、マニホールド近傍の局所的な過熱を防止することができ、これによって電気絶縁性とガスシール性とが要求される中空構造体間の接合部において耐久性を向上させることができる。
また、発電セル5における出力分布の均一性を向上させることにより、発電セル5における温度分布の偏りを小さくすることができ、これにより熱応力を軽減して耐久性に優れたスタックを実現することを可能にしている。
(第2の実施の形態)
次に、本発明の第2の実施の形態に係る燃料電池を図5に基づいて説明する。なお、図5(a)は本実施の形態の中空構造体の内部を示す平面図、図5(b)は中空構造体のA−B断面図およびC−D断面図である。図5に示すように、本実施の形態の中空構造体51は、リブ流路59が第1の実施の形態のリブ流路9と異なるだけでその他の構成は第1の実施の形態と同様であるため、各構成要素には同一の番号を付して詳しい説明は省略する。
本実施の形態のリブ流路59は、第1の実施の形態のリブ流路9が燃料ガスをセパレータ外壁部12に垂直に当たるように吐出していたのに対して、セパレータ外壁部12に斜めに燃料ガスを当てるように吐出している。
このように、本実施の形態に係る燃料電池では、リブ流路59が燃料ガスをセパレータ外壁部12に斜めに当てるように吐出しているため、外壁に沿って燃料ガスの流れを作ることができ、これによって燃料ガスを広い範囲に拡散させて発電密度を均一にすることを可能にしている。
(第3の実施の形態)
次に、本発明の第3の実施の形態に係る燃料電池を図6に基づいて説明する。図6(a)は本実施の形態の中空構造体の内部を示す平面図、図(b)は中空構造体のA−B断面図及びC−D断面図である。図6に示すように、本実施の形態の中空構造体61は、リブ流路69の吐出孔62と、セパレータマニホールド3aに外側リング63を設けたことが異なるだけでその他の構成は第1の実施の形態と同様であるため、各構成要素には同一の番号を付して詳しい説明は省略する。
本実施の形態のセパレータマニホールド3aには、外側リング63が設けられている。この外側リング63を形成したことにより、下部に積層された中空構造体1のマニホールド3を支えることができるとともに、リブ流路69を支えることもでき、拡散接合性を向上し、歪変形を防止することを可能にしている。
また、本実施の形態のリブ流路69は、側面及び上面に吐出孔62を設けて燃料ガスを吐出している。第1の実施の形態のリブ流路9では、先端に吐出孔14を設けて燃料ガスをセパレータ外壁部12に向けて吐出していたのに対して、本実施の形態のリブ流路69は、側面及び上面に吐出孔62を設けて燃料ガスを吐出している。さらに、吐出孔62は外周側へ行くにしたがって多くのガスを吐出することができるように、吐出孔の数を多くしたり、吐出孔の孔径が大きくなるようにしている。ただし、図6ではリブ流路69の上面と側面の両方に吐出孔62を設けた場合について示したが、上面だけに吐出孔62を設けてもよいし、側面だけに設けてもよい。
このように、本実施の形態に係る燃料電池では、リブ流路69の側面あるいは上面に吐出孔62を形成し、外周側へ行くにしたがって多くのガスを吐出できるようにしたので、吐出孔62の数や孔径を調整することにより、発電セル5における反応をより均一にすることができる。
(第4の実施の形態)
次に、本発明の第4の実施の形態に係る燃料電池を図7に基づいて説明する。なお、図7(a)は本実施の形態の中空構造体の内部を示す平面図、図7(b)は中空構造体のA−B断面図及びC−D断面図である。図7に示すように、本実施の形態の中空構造体71は、外周リング流路72を設けたことが第1の実施の形態と異なるだけでその他の構成は第1の実施の形態と同様なので、各構成要素には同一の番号を付して詳しい説明は省略する。
本実施の形態では、リブ流路9に導入された燃料ガスは、外周リング流路72に供給されて外周リング流路72内を流れていく。そして、外周リング流路72に設けられた吐出孔73から吐出されて発電セル5の表面に広がっていく。
ここで、図7では外周リング流路72から水平に吐出する場合を示したが、外周リング流路72とセル板2との間に空間を設け、吐出孔を外周リング流路72の上面に形成して垂直方向に燃料ガスを吐出するようにしてもよい。また、リブ流路9の側面あるいは上面にも吐出孔を形成して、外周リング流路72の吐出孔と合わせて燃料ガスを吐出するようにしてもよい。
このように、本実施の形態に係る燃料電池では、外周リング流路72を設けて吐出孔73から燃料ガスを吐出するようにしたので、供給するガスの流量を変化させて運転する場合などに中心部のガス導入口6から放射状に形成されたリブ流路9へのガスの配分が不均一になってしまった場合でも、外周リング流路72において均一化することができ、これによって各吐出孔73から発電セル5表面へ吐出されるガスの流量を均一にすることができる。
以上、本発明の燃料電池について、図示した実施の形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各部の構成は同様の機能を有する任意の構成のものに置き換えることができる。
例えば、上述した実施の形態では、中空構造体1として円盤状のものを示したが、円盤状でなくても四角形状やその他の多角形状にしてもよい。それに合わせてリブ流路9の本数を増やしたり、マニホールド3に形成された導入口や排出口の数や形状を変更したりしてもよい。
本発明の第1の実施の形態に係る燃料電池の中空構造体を説明するための平面図である。 (a)及び(b)は、本発明の第1の実施の形態に係る燃料電池の中空構造体の内部を説明するための平面図及び断面図である。 本発明の第1の実施の形態に係る燃料電池の中空構造体を積層して形成したスタックの構成を説明するための断面図である。 本発明の第1の実施の形態に係る燃料電池の中空構造体を積層して形成したスタックにおける酸化ガスの流れを説明するための平面図である。 (a)及び(b)は、本発明の第2の実施の形態に係る燃料電池の中空構造体の内部を説明するための平面図及び断面図である。 (a)及び(b)は、本発明の第3の実施の形態に係る燃料電池の中空構造体の内部を説明するための平面図及び断面図である。 (a)及び(b)は、本発明の第4の実施の形態に係る燃料電池の中空構造体の内部を説明するための平面図及び断面図である。
符号の説明
1、51、61、71 中空構造体
2 セル板
3 マニホールド
3a セル板マニホールド
3b セパレータマニホールド
4 外縁部
5 発電セル
6 ガス導入口
7 ガス排出口
8 セパレータ
9、59、69 リブ流路(ガス導入流路)
10 燃料極集電体層
11 セパレータ薄板部
12 セパレータ外壁部
13 導入孔
14、62、73 吐出孔
30 スタック
31 上部整流プレート
32 反応済みガス排出口
33 上部エンドマニホールド
34 下部整流プレート
35 燃料ガス供給口
36 下部エンドマニホールド
37 酸化剤極集電体層
38 吹き付け器
63 外側リング
72 外周リング流路

Claims (5)

  1. 燃料ガスと酸化ガスとを反応させるための空間を内部に備えた中空構造体を積層して形成された燃料電池であって、
    前記中空構造体は、
    薄板状で周縁沿って周壁部が立設されて浅い容器状に形成されたセパレータと、
    固体電解質の一方の面に酸化剤極が形成され、他方の面に燃料極が形成され、外周が前記セパレータの前記周壁部に接合されて前記セパレータとの間にガス流通空間を形成するセル板と、
    前記セル板及び前記セパレータの中心部に設けられ、燃料ガスあるいは酸化ガスのうちの一方の反応ガスを供給するガス供給マニホールドと、
    前記セル板及び前記セパレータの中心部に設けられ、前記反応ガスを排出するガス排出マニホールドと、
    前記ガス供給マニホールドから前記セパレータの前記周壁部まで前記反応ガスを導入するガス導入流路とを備え、
    このガス導入流路は、前記セパレータの前記周壁部の内側で前記ガス流通空間に連通する吐出孔を備え、
    前記ガス導入流路に導入された前記反応ガスは前記セパレータの前記周壁部近傍から前記ガス流通空間を経て前記ガス排出マニホールドへと流されることを特徴とする燃料電池。
  2. 前記ガス導入流路の吐出孔から吐出された前記反応ガスが前記セパレータの前記周壁部に吹き付けられることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池。
  3. 前記ガス導入流路は、導入された前記反応ガスを前記セパレータの前記周壁部の内側面に対して斜めに吹き付けるように設定したことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の燃料電池。
  4. 前記ガス導入流路の側壁あるいは上壁に吐出孔を形成し、前記セパレータの中心部から外側方向へ向けて前記反応ガスの吐出量が大きくなるように、前記吐出孔の数や孔径を調整したことを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか一項に記載された燃料電池。
  5. 前記セパレータの最外周部にリング状の外周リング流路を形成し、前記ガス導入流路は導入されたガスを前記吐出孔を通して前記外周リング流路に供給し、前記外周リング流路は、前記ガス導入流路から導入したガスを前記ガス流通空間に吐出する吐出孔を備えていることを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれか一項に記載された燃料電池。
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