JP4735019B2 - 固体酸化物型燃料電池 - Google Patents

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Description

この発明は、複数のセルを集合させて電池スタックを構成し、発電後の残存燃料と空気とが接触するよう構成してなる固体酸化物型燃料電池に関する。
従来から、固体酸化物型燃料電池のうち、平板型のものは発電の電力密度が高い特徴があることが知られている。
そして、平板型セルを、シール部を少なくしながらコンパクトに配置してスタック化する方法として、円板型の平板セルをセパレータと共に積層し、円板周囲のシールは行わずに、セル外周で反応後の残存燃料ガスと酸化剤を含むガスとを混合し、燃焼させるようにしたものが知られている（特許文献１参照）。
特許文献１に記載された燃料電池は、セル中央部を貫通して燃料と空気とを供給し、セル中央部から外周に向かって燃料と空気とを流して発電を行い、外周部で発電後の残存燃料と空気とを混合して燃焼させるものである。
また、発電後の残存燃料と空気とが混合しないようにしたものも知られている（特許文献２）。
特開平６−２９０７９８号公報 特開平１１−２３３１２９号公報
しかし、特許文献１に記載された燃料電池では、発電後の残存燃料と空気とをセルの外周で混合し、燃焼させてしまうために、燃料ガスの再循環による水蒸気の再利用や発電効率の向上が、そのままでは不可能であるという問題点があり、外周シールなしの平板型燃料電池において、燃料ガスを再循環させるための具体的構成については何ら提案されていない。
これに対して、外周部にシール部を持つ構造を採用した場合において、シール長が長くなると、応力緩和のためにシール構造が複雑になり、信頼性の低下、コストアップ、形状の大型化、大型化に伴う放熱ロスの増加等の問題がある。このような不都合を考慮してシールを省略すると、燃料ガスを再循環させることが不可能になってしまう。
この発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、構成を簡単化し、しかも、燃料ガスを再循環させることができる固体酸化物型燃料電池を提供することを目的としている。
請求項１の固体酸化物型燃料電池は、複数のセルを集合させて電池スタックを構成し、燃料と酸化剤とを用いて発電し、発電後の残存燃料と空気とが接触するよう構成してなる固体酸化物型燃料電池であって、セル毎の発電後の残存燃料の一部を空気との接触前に分岐させる分岐手段と、分岐された燃料を燃料供給ラインに再循環させる再循環流路とを含むものである。
この場合には、構造がシンプルな外周シールレス型スタックの構造を維持しながら、燃料ガスの再循環により、水蒸気の再利用や効率向上を達成することができる。
請求項２の固体酸化物型燃料電池は、燃料ガスおよび酸化剤含有ガスを、セル中心付近において供給するための、各セルを横切る通路と、分岐された発電後の残留燃料ガスをセル中心付近に導くセパレータ内通路と、セル中心付近に導かれた残留燃料ガスを再循環回路に供給されるためのセル中心付近を横切る通路とを含むものである。
この場合には、セルを横切るマニフォールド方式とし、このマニフォールド部をセル中心付近にもってくることによって、セル外周部マニフォールドにより燃料ガス、酸化剤含有ガスを供給し、発電後の残存燃料ガスを排出する方式よりもコンパクトな構造とすることができる。
請求項３の固体酸化物型燃料電池は、セパレータのリブ形状により形成された発電後の残存燃料ガスのセパレータ内通路と、セパレータ外周部付近にある、発電後の残存燃料ガスのセパレータ内通路への分岐部とを含むものである。
この場合には、セパレータを一枚で構成することが可能であり、構造を簡単にすることができる。
請求項４の固体酸化物型燃料電池は、セパレータを中空構造にすることで形成された発電後の残存燃料ガスのセパレータ内通路と、セパレータ外周部付近にあけられた複数の連通孔からなる、発電後の残存燃料ガスのセパレータ内通路への分岐部とを含むものである。
この場合には、セル外周部に分岐用連通孔を数多く分散配置することによりアノード側流路内の燃料ガスの分布を均一化することが可能となり、外周部に設けた各分岐孔からセル中心付近の排出部までの距離の差を小さくできるので、圧力損失の差を小さくすることが可能となり、面内のガス流量分布を均一化することができる。
請求項５の固体酸化物型燃料電池は、同心円状のリブとリブ鞍部に窪みを持つセパレータとを２層組み合わせることにより形成された、燃料ガス通路、発電後の残存燃料ガス通路、および空気通路を含むものである。
この場合には、セパレータがインターコネクタを兼ねることが可能であるから、部材点数を減少させ、スタック厚みの低減によるコンパクト化、コンパクト化による熱ロス低減を達成することができる。
請求項６の固体酸化物型燃料電池は、同心円状のリブと、リブに複数の孔またはリブ鞍部を横切る切欠、またはその両方を持つ集電板と、セパレータ板とを組み合わせることにより形成された、燃料ガス通路、発電後の残存燃料ガス通路、および空気通路を含むものである。
この場合には、集電板に流路の分離機能を持たせることが必要でなくなるため、自由に穴や切り込み等の形状を選択することが可能となり、熱応力の緩和や集電性能の向上を達成することができるとともに、流量分布を大きく改善することができる。
請求項７の固体酸化物型燃料電池は、セパレータとして、半径方向の流れ抵抗より、円周に沿った流れ抵抗の方が小さい形状を有するものを採用するものである。
この場合には、セルへの燃料供給のアンバランスを、円周に沿った流れによって補償し、可及的に均一な燃料ガスの面内分布を得ることができる。
請求項１の発明は、構造がシンプルな外周シールレス型スタックの構造を維持しながら、燃料ガスの再循環により、水蒸気の再利用や効率向上を達成することができるという特有の効果を奏する。
請求項２の発明は、セル外周部マニフォールドにより燃料ガス、酸化剤含有ガスを供給し、発電後の残存燃料ガスを排出する方式よりもコンパクトな構造とすることができるという特有の効果を奏する。
請求項３の発明は、構造を簡単にすることができるという特有の効果を奏する。
請求項４の発明は、圧力損失の差を小さくすることが可能となり、面内のガス流量分布を均一化することができるという特有の効果を奏する。
請求項５の発明は、スタック厚みの低減によるコンパクト化、コンパクト化による熱ロス低減を達成することができるという特有の効果を奏する。
請求項６の発明は、自由に穴や切り込み等の形状を選択することが可能となり、熱応力の緩和や集電性能の向上を達成することができるとともに、流量分布を大きく改善することができるという特有の効果を奏する。
請求項７の発明は、セルへの燃料供給のアンバランスを、円周に沿った流れによって補償し、可及的に均一な燃料ガスの面内分布を得ることができるという特有の効果を奏する。
以下、添付図面を参照して、この発明の固体酸化物型燃料電池の実施の形態を詳細に説明する。
図１はこの発明の固体酸化物型燃料電池の一実施形態を示す縦断面図、図２は図１のＡ−Ａ矢視図である。
この固体酸化物型燃料電池は、円板型の電池セル１と円板型のセパレータ２とを交互に積層してなるスタック１０をケーシング１１に収容してなるものである。
そして、ケーシング１１の上部壁の中央部を貫通してスタック１０の中央部に燃料を供給する燃料供給部１２と、ケーシング１１の下部壁の中央部を貫通してスタック１０の中央部に空気を供給する空気供給部１３と、ケーシング１１の下部壁の中央部を貫通してスタック１０の中央部から発電後の燃料を送り出す燃料送出部１４と、ケーシング１１の下部壁の周縁部を貫通して、発電後の燃料と空気とが混合され、燃焼された結果の排気ガスを送り出す排気送出部１５とが設けられている。
また、燃料送出部１４から送り出された発電後の燃料を、新たに供給される燃料に混合する再循環部１６が設けられている。
さらに、セパレータ２の中央部は燃料供給部１２、空気供給部１３、および燃料送出部１４が貫通するマニホールド部２Ａであり、このマニホールド部２Ａを囲む反応部には、その両主面にそれぞれ多数の円弧状の案内羽根２Ｂ、２Ｃが設けられている。
さらに、セパレータ２の周縁部には、発電後の燃料を分岐させる分岐部２Ｄが設けられており、この分岐部から燃料送出部１４に向かって発電後の燃料を送る流路２Ｅが設けられている。
なお、燃料電池の発電動作は従来公知であるから、詳細な説明を省略する。
したがって、この場合には、構造がシンプルな外周シールレス型スタックの構造を維持しながら、燃料ガスの再循環により、水蒸気の再利用や効率向上を達成することができる。
図３はこの発明の固体酸化物型燃料電池の他の実施形態を示す縦断面図である。
この固体酸化物型燃料電池は、円板型の電池セル１と円板型のセパレータ２とを交互に積層してなるスタック１０をケーシング１１に収容してなるものである。
そして、ケーシング１１の上部壁の周縁部を貫通してスタック１０の周縁部に燃料を供給する燃料供給部１２と、ケーシング１１の上部壁の周縁部を貫通してスタック１０の周縁部に空気を供給する空気供給部１３と、ケーシング１１の下部壁の周縁部を貫通してスタック１０の周縁部から発電後の燃料を送り出す燃料送出部１４と、ケーシング１１の下部壁の周縁部を貫通して、発電後の燃料と空気とが混合され、燃焼された結果の排気ガスを送り出す排気送出部１５とが設けられている。
また、燃料送出部１４から送り出された発電後の燃料を、新たに供給される燃料に混合する再循環部１６が設けられている。
前記セパレータ２には、空気供給部１３から供給される空気をセパレータ２の中央部下方に案内する空気案内流路２Ｆと、燃料供給部１２から供給される燃料をセパレータ２の中央部上方に案内する燃料案内流路２Ｇと、セパレータ２の周縁部上方から発電後の燃料の一部を燃料送出部１４に案内する発電後燃料案内流路２Ｈとが設けられている。
なお、燃料電池の発電動作は従来公知であるから、詳細な説明を省略する。
したがって、この場合にも、構造がシンプルな外周シールレス型スタックの構造を維持しながら、燃料ガスの再循環により、水蒸気の再利用や効率向上を達成することができる。
図４はこの発明の固体酸化物型燃料電池のさらに他の実施形態を示す縦断面図、図５は図４のＡ−Ａ矢視図である。
この固体酸化物型燃料電池は、円板型の電池セル１と円板型のセパレータ２とを交互に積層してなるスタック１０をケーシング１１に収容してなるものである。
そして、ケーシング１１の上部壁の中央部を貫通してスタック１０の中央部に燃料を供給する燃料供給部１２と、ケーシング１１の下部壁の中央部を貫通してスタック１０の中央部に空気を供給する空気供給部１３と、ケーシング１１の下部壁の中央部を貫通してスタック１０の中央部から発電後の燃料を送り出す燃料送出部１４と、ケーシング１１の下部壁の周縁部を貫通して、発電後の燃料と空気とが混合され、燃焼された結果の排気ガスを送り出す排気送出部１５とが設けられている。
また、燃料送出部１４から送り出された発電後の燃料を、新たに供給される燃料に混合する再循環部１６が設けられている。
さらに、セパレータ２の中央部は燃料供給部１２、空気供給部１３、および燃料送出部１４が貫通するマニホールド部２Ａであり、このマニホールド部２Ａを囲んで反応部が形成されている。
さらに、セパレータ２の周縁部上方から発電後の燃料の一部を燃料送出部１４に案内する発電後燃料案内流路２Ｈが設けられている。
なお、燃料電池の発電動作は従来公知であるから、詳細な説明を省略する。
したがって、この場合には、構造を簡単にすることができる。
図６はこの発明の固体酸化物型燃料電池のさらに他の実施形態を示す縦断面図、図７は図６のＡ−Ａ矢視図である。
この固体酸化物型燃料電池は、円板型の電池セル１と円板型のセパレータ２とを交互に積層してなるスタック１０をケーシング１１に収容してなるものである。
そして、ケーシング１１の上部壁の中央部を貫通してスタック１０の中央部に燃料を供給する燃料供給部１２と、ケーシング１１の上部壁の中央部を貫通してスタック１０の中央部に空気を供給する空気供給部１３と、ケーシング１１の下部壁の中央部を貫通してスタック１０の中央部から発電後の燃料を送り出す燃料送出部１４と、ケーシング１１の下部壁の周縁部を貫通して、発電後の燃料と空気とが混合され、燃焼された結果の排気ガスを送り出す排気送出部１５とが設けられている。
また、燃料送出部１４から送り出された発電後の燃料を、新たに供給される燃料に混合する再循環部１６が設けられている。
さらに、セパレータ２の中央部は燃料供給部１２、空気供給部１３、および燃料送出部１４が貫通するマニホールド部２Ａであり、このマニホールド部２Ａを囲んで反応部が形成されている。
さらに、セパレータ２の周縁部上方から発電後の燃料の一部を燃料送出部１４に案内する発電後燃料案内流路２Ｈが設けられている。
なお、燃料電池の発電動作は従来公知であるから、詳細な説明を省略する。
したがって、この場合には、構造を簡単にすることができる。
図８は、図６、図７の固体酸化物型燃料電池に採用されるセパレータ２の構成の一例を示す部分斜視図である。
このセパレータ２は、上向きに湾曲形成された複数の同心円状のリブ２１Ａを有する第１のセパレータ部材２１と、下向きに湾曲形成された複数の同心円状のリブ２２Ａを有する第２のセパレータ部材２２とを一体化してなるものであり、リブ鞍部に窪み２１Ｂを形成し、両セパレータ部材の合わせ部にも窪み２２Ｂを形成することによって、新たに供給される燃料、空気、発電後の燃料をそれぞれ案内する案内流路を形成している。
この場合には、セパレータがインターコネクタを兼ねることが可能であるから、部材点数を減少させ、スタック厚みの低減によるコンパクト化、コンパクト化による熱ロス低減を達成することができる。
図９は、図６、図７の固体酸化物型燃料電池に採用されるセパレータ２の構成の他の例を示す部分斜視図である。
このセパレータ２は、上向きに湾曲形成され、かつ小径の孔２３Ｂが形成された複数の同心円状のリブ２３Ａを有するセパレータ部材（集電板）２３と、セパレータ板２４とを交互に積層して一体化することによって、新たに供給される燃料、空気、発電後の燃料をそれぞれ案内する案内流路を形成している。
この場合には、集電板に流路の分離機能を持たせることが必要でなくなるため、自由に穴や切り込み等の形状を選択することが可能となり、熱応力の緩和や集電性能の向上を達成することができるとともに、流量分布を大きく改善することができる。
この発明の固体酸化物型燃料電池の一実施形態を示す縦断面図である。 図１のＡ−Ａ矢視図である。 この発明の固体酸化物型燃料電池の他の実施形態を示す縦断面図である。 この発明の固体酸化物型燃料電池のさらに他の実施形態を示す縦断面図である。 図４のＡ−Ａ矢視図である。 この発明の固体酸化物型燃料電池のさらに他の実施形態を示す縦断面図である。 図６のＡ−Ａ矢視図である。 図６、図７の固体酸化物型燃料電池に採用されるセパレータの構成の一例を示す部分斜視図である。 図６、図７の固体酸化物型燃料電池に採用されるセパレータの構成の他の例を示す部分斜視図である。
符号の説明
１ 電池セル
２ セパレータ
２Ｆ 空気案内流路
２Ｇ 燃料案内流路
２Ｈ 発電後燃料案内流路
１０ スタック
１４ 燃料送出部
２１、２２ セパレータ部材
２１Ａ、２２Ａ リブ
２３ セパレータ部材
２３Ａ リブ

Claims (7)

  1. 複数のセルを集合させて電池スタックを構成し、燃料と酸化剤とを用いて発電し、発電後の残存燃料と空気とが接触するよう構成してなる固体酸化物型燃料電池であって、
    セル毎の発電後の残存燃料の一部を空気との接触前に分岐させる分岐手段と、
    分岐された燃料を燃料供給ラインに再循環させる再循環流路と
    を含むことを特徴とする固体酸化物型燃料電池。
  2. 燃料ガスおよび酸化剤含有ガスを、セル中心付近において供給するための、各セルを横切る通路と、分岐された発電後の残留燃料ガスをセル中心付近に導くセパレータ内通路と、セル中心付近に導かれた残留燃料ガスを再循環回路に供給されるためのセル中心付近を横切る通路とを含む請求項１に記載の固体酸化物型燃料電池。
  3. セパレータのリブ形状により形成された発電後の残存燃料ガスのセパレータ内通路と、セパレータ外周部付近にある、発電後の残存燃料ガスのセパレータ内通路への分岐部とを含む請求項２に記載の固体酸化物型燃料電池。
  4. セパレータを中空構造にすることで形成された発電後の残存燃料ガスのセパレータ内通路と、セパレータ外周部付近にあけられた複数の連通孔からなる、発電後の残存燃料ガスのセパレータ内通路への分岐部とを含む請求項２に記載の固体酸化物型燃料電池。
  5. 同心円状のリブとリブ鞍部に窪みを持つセパレータとを２層組み合わせることにより形成された、燃料ガス通路、発電後の残存燃料ガス通路、および空気通路を含む請求項４に記載の固体酸化物型燃料電池。
  6. 同心円状のリブと、リブに複数の孔またはリブ鞍部を横切る切欠、またはその両方を持つ集電板と、セパレータ板とを組み合わせることにより形成された、燃料ガス通路、発電後の残存燃料ガス通路、および空気通路を含む請求項４に記載の固体酸化物型燃料電池。
  7. セパレータは、半径方向の流れ抵抗より、円周に沿った流れ抵抗の方が小さい形状を有している請求項３から請求項６の何れかに記載の固体酸化物型燃料電池。
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