JP4789451B2

JP4789451B2 - 燃料電池

Info

Publication number: JP4789451B2
Application number: JP2004342336A
Authority: JP
Inventors: 孝小野; 仁英大嶋; 和人松上; 高志重久; 彰小梶
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2003-11-28
Filing date: 2004-11-26
Publication date: 2011-10-12
Anticipated expiration: 2024-11-26
Also published as: JP2005183375A

Description

本発明は、燃料電池に関するもので、特に、ハウジング内に、複数の固体電解質形燃料電池セルが設けられるガスマニホールドと、燃料電池セルに改質ガスを供給する改質器とを具備する燃料電池に関するものである。

次世代エネルギーとして、近年、固体電解質形燃料電池セルをハウジング内に複数収容した燃料電池が種々提案されている。固体電解質形燃料電池セルは、例えば、酸素側電極の表面に固体電解質、燃料側電極を順次形成して構成されており、燃料側電極側に燃料（水素）を流し、酸素側電極側に空気（酸素）を流して発電される。

従来、固体電解質形燃料電池セルの一端部をガスマニホールドの天板に立設し、ガスマニホールド上に複数の燃料電池セルからなるセルスタックを設け、このセルスタックの上方に改質器を設けた燃料電池が知られている（特許文献１参照）。さらに、本出願人は、複数のセルスタックをそれぞれガスマニホールドに設け、複数のセルスタックの上方にそれぞれ改質器を設けた燃料電池についても出願した。このような燃料電池では、複数の改質器に被改質ガス供給管により被改質ガスを供給し、改質器から改質ガスを改質ガス供給管によりガスマニホールドに供給し、燃料電池セルに改質ガスが供給される。
特開２００４−３１９４２０号公報

従来の燃料電池では、複数のセルスタックをそれぞれガスマニホールドに設けていたため、ガスマニホールドが邪魔になり、セルスタック間の距離を狭めることができず、セル間間隔が広くなり、熱が放散しやすくなり、発電しうる温度に保持することが困難であるという問題があった。また、小型化を達成できないという問題もあった。さらに、それぞれのガスマニホールドにガスを供給する必要があり、配管が複雑であるとともに、それぞれのガスマニホールドへのガス供給量が不均一となり、燃料電池の性能や耐久性に悪影響を与える虞があった。

また、複数のセルスタックの上方にそれぞれ改質器を設け、これらの改質器に被改質ガスを配管を用いてそれぞれ供給する必要があり、さらに、それぞれの改質器から改質ガスを配管を用いてそれぞれガスマニホールドに供給する必要があり、配管数が多く、小型化を達成できず、複雑であるという問題があった。さらに、被改質ガス供給管、改質ガス供給管がそれぞれ設けられていたため、それぞれの被改質ガス供給管からそれぞれの改質器に供給されるガス量、それぞれの改質器からそれぞれのガスマニホールドに供給されるガス量が不均一となる虞があり、燃料電池の性能や耐久性に悪影響を与える虞があった。

本発明の目的は、セルスタック間の距離を狭めることにより、発電温度に容易に保持できるとともに、簡単な構造で小型化を達成できる発電性能及び耐久性が良好な燃料電池を提供することにある。

また、本発明の他の目的は、改質器に接続される配管数を低減し、簡単な構造で小型化を達成できる発電性能及び耐久性が良好な燃料電池を提供することにある。

本発明の燃料電池は、ハウジング内に、燃料ガス通路を有する中空状の固体電解質形燃料電池セルを複数所定間隔を置いて一列に配設してなるセルスタックを、複数行配設してなるセルスタック集合体と、該セルスタック集合体が設けられ、前記固体電解質形燃料電池セルの燃料ガス通路と連通する一つのガスマニホールドと、前記セルスタック上方にそれぞれ設けられた複数の改質器と、該複数の改質器と前記ガスマニホールドとを連結する改質ガス供給管とを具備することを特徴とする。

このような燃料電池では、セルスタック集合体が一つのガスマニホールドに設けられるため、複数のセルスタックからなるセルスタック集合体をガスマニホールドに設ける場合、セルスタック同士の間隔を狭め、セルの配設密度を高めることができ、発電温度に容易に保持できるとともに、小型化できる。また、このような燃料電池では、被改質ガスを複数の改質器にそれぞれ供給して改質された改質ガスを、ガスマニホールドに集約して供給し、燃料電池セル内に供給することができ、複数のガスマニホールドに分割して燃料ガスを供給する必要がないため、燃料ガスのガスマニホールドへの供給量が不均一になることがなく、燃料電池の性能や耐久性に与える悪影響を低減できる。

さらに、本発明の燃料電池は、改質ガス供給管が中空平板状であることを特徴とする。このような燃料電池では、改質ガスをガスマニホールドにほぼ均一に供給することができ、燃料電池セルへの改質ガス供給にムラがない。

以下、燃料電池を図示している添付図面を参照して、更に詳述する。図１及び図２を参照して説明すると、図示の燃料電池は略直方体形状のハウジング２を具備している。このハウジング２の６個の壁面には適宜の断熱材料から形成された断熱壁、即ち上断熱壁４、下断熱壁６、右側断熱壁８、左側断熱壁１０、前断熱壁（図示していない）及び後断熱壁
（図示していない）が配設されている。ハウジング２内には発電・燃焼室１２が規定されている。

前断熱壁及び／又は後断熱壁は着脱自在或いは開閉自在に装着されており、前断熱壁及び／又は後断熱壁を離脱或いは開動せしめることによって発電・燃焼室１２内にアクセスすることができる。所望ならば、各断熱壁の外面に金属板製でよい外壁を配設することができる。

ハウジング２内の下端部には下部ガス室１４が配置され、上端部には上部ガス室１６が配設されている。下部ガス室１４は上下方向寸法が比較的小さい直方体形状のケース１５内に規定されており、同様に上部ガス室１６も上下方向寸法が比較的小さい直方体形状のケース１７内に規定されている。ハウジング２内の左右両側部には上下方向に延在する連通ガス室１８が配設されている。かかる連通ガス室１８は横方向（図１において左右方向）寸法が比較的小さい直方体形状のケース１９内に規定されている。

連通ガス室１８の各々の上面には前後方向に間隔をおいて３個の連通筒２０が付設されており、かかる連通筒２０を介して連通ガス室１８の各々が上部ガス室１６の下面両側部に連通されている。連通ガス室１８の各々の下端部内側は下部ガス室１４の両側面に直接的に連結されている。

従って、上部ガス室１６の両側部は連通ガス室１８を介して下部ガス室１４の両側部に連通せしめられている。下部ガス室１４の上面には横方向（図１において左右方向）に間隔をおいて上方に突出する中空ガス噴出板２２が配設されている。かかるガス噴出板２２の下端は下部ガス室１４内に連通せしめられており、上部にはガス噴出孔（図示していない）が形成されている。

ハウジング２の両側部、更に詳しくは右側断熱壁８の内側及び左側断熱壁１０の内側には、全体として平板形状である熱交換器２４が配設されている。熱交換器２４の各々は実質上鉛直に延在する中空平板形態のケース２６から構成されている。

かかるケース２６内にはその横方向中間に位置する仕切板２８が配設されており、ケース２６内は内側に位置する排出路３０と外側に位置する流入路３２とに区画されている。排出路３０内には上下方向に間隔をおいて５枚の仕切壁３４及び３６が配置されている。更に詳述すると、排出路３０内には、その前縁はケース２６の前壁（図示していない）から後方に離隔して位置するがその後縁はケース２６の後壁（図示していない）に接続されている形態の仕切壁３４と、その前縁はケース２６の前壁に接続されているがその後縁はケース２６の後壁から前方に離隔して位置せしめられている仕切壁３６とが交互に配置されており、かくして燃焼ガス排出路３０はジグザグ形態にせしめられている。なお、燃焼ガス排出路３０は、所望ならばジグザグ形態の流路以外の形態でも良い。

同様に、流入路３２内にも上下方向に間隔をおいて５枚の仕切壁３８及び４０、即ちその前縁はケース２６の前壁（図示していない）から後方に離隔して位置するがその後縁はケース２６の後壁（図示していない）に接続されている形態の仕切壁３８と、その前縁はケース２６の前壁に接続されているがその後縁はケース２６の後壁から前方に離隔して位置せしめられている仕切壁４０とが交互に配置されており、かくして流入路３２もジグザグ形態にせしめられている。なお、流入路３２も、所望ならばジグザグ形態の流路以外の形態でも良い。

ケース２６の内側壁の上端部には排出開口４２が形成されており、排出路３０は排出開口４２を介して発電・燃焼室１２と連通せしめられている。図示の実施形態においては、熱交換器２４の各々と上記連通ガス室１８との間及び連通ガス室１８の内面にも断熱部材４４及び４６が配設されているが、かかる断熱部材４４及び４６の上端は排出開口４２の下縁と実質上同高乃至これより幾分下方に位置せしめられており、排出開口４２は断熱部材４４及び４６の上方に残留せしめられている空間並びに連通ガス室１８の上端に配設された３個の連通筒２０間の空間を通して発電・燃焼室１２に連通せしめられている。

ケース２６の上壁における外側部には流入開口４８が形成されており、流入路３２はかかる流入開口４８を介して上部ガス室１６に連通せしめられている。熱交換器２４の各々の後方には上下方向に細長く延びる二重筒体５０（図１にその上端部のみを図示している）が配設されており、かかる二重筒体５０は外側筒部材５２と内側筒部材５４とから構成されている。排出路３０の下端部は外側筒部材５２と内側筒部材５４との間に規定されている排出路の下端部に接続されており、流入路３２の下端部は内側筒部材５４内に規定されている流入路に接続されている。

而して、図示の燃料電池組立体における上述したとおりの構成は、本出願人の出願にかかる特願２００３−２９５７９０号の明細書及び図面に開示されている燃料電池組立体と実質上同一であるので、上述した構成の詳細については上記特願２００３−２９５７９０号の明細書及び図面に委ね、本明細書においては説明を省略する。

上述した下部ガス室１４の上面上には４個のセルスタック６０ａ、６０ｂ、６０ｃ及び６０ｄが配置されている。これらのセルスタック６０ａ、６０ｂ、６０ｃ及び６０ｄは、所定間隔をおいて４行に並設され、セルスタック集合体を構成している。図１及び図２と共に、図５を参照して説明を続けると、セルスタック６０ａは前後方向（図１において紙面に垂直な方向）に延びる直方体形状の一つの燃料ガスマニホールド５８に立設して設けられている。

燃料ガス室５９を規定している燃料ガスマニホールド５８の上面上にはセルスタック６０ａ、６０ｂ、６０ｃ及び６０ｄが装着されている。セルスタック６０ａ、６０ｂ、６０ｃ及び６０ｄは、図１に示すように、上下方向に細長く延びる板状でかつ柱状の直立セル６２を燃料ガスマニホールド５８の長手方向（即ち前後方向）に複数個縦列配置して構成され、これらのセルスタック６０ａ、６０ｂ、６０ｃ及び６０ｄは、所定間隔をおいて行列されている。燃料電池セル６２の配列方向とセルスタック６０ａ、６０ｂ、６０ｃ及び６０ｄの配列方向は直交している。

言い換えれば、一つの燃料ガスマニホールド５８に、セル６２が所定間隔を置いて一列に配列したセルスタック６０ａ、６０ｂ、６０ｃ及び６０ｄが、４列所定間隔をおいて行列をなすように、配設されている。

セル６２の各々は、図５に明確に図示する如く、電極支持基板６４、内側電極層である燃料極層６６、固体電解質層６８、外側電極層である酸素極層７０、及びインターコネクタ７２から構成されている。

電極支持基板６４は上下方向に細長く延びる板状片であり、平坦な両面と半円形状の両側面を有する。電極支持基板６４にはこれを鉛直方向に貫通する複数個（図示の場合は６個）の燃料ガス通路７４が形成されている。セル６２の下端部は燃料ガスマニホールド５８に、後述するように、例えば耐熱性に優れたシール材によって接合されている。

燃料ガスマニホールド５８の上壁には図１において紙面に垂直な方向に間隔をおいて左右方向に延びる複数個のスリット（図示していない）が複数行形成されており、電極支持基板６４の各々に形成されている燃料ガス通路７４がスリットの各々に、従って燃料ガス室５９に連通せしめられる。

インターコネクタ７２は電極支持基板６４の片面（図５のセルスタック６０ａにおいて上面）上に配設されている。燃料極層６６は電極支持基板６４の他面（図５のセルスタック６０ａにおいて下面）及び両側面に配設されており、その両端はインターコネクタ７２の両端に接合せしめられている。固体電解質層６８は燃料極層６６の全体を覆うように配設され、その両端はインターコネクタ７２の両端に接合せしめられている。酸素極層７０は、固体電解質層６８の主部上、即ち電極支持基板６４の他面を覆う部分上に配置され、電極支持基板板６４を挟んでインターコネクタ７２に対向して位置せしめられている。

セルスタック６０ａにおける隣接するセル６２間には集電部材７６が配設されており、一方のセル６２のインターコネクタ７２と他方のセル６２の酸素極層７０とを接続している。セルスタック６０ａの両端、即ち図５において上端及び下端に位置するセル６２の片面及び他面にも集電部材７６が配設されている。セルスタック６０ａの両端に位置する集電部材７６には電力取出手段（図示していない）が接続されており、かかる電力取出手段はハウジング２の前壁（図示していない）及び／又は後壁（図示していない）を通してハウジング２外に延在せしめられている。所望ならば、セルスタック６０ａ、６０ｂ、６０ｃ及び６０ｄの各々に電力取出手段を配設することに代えて、適宜の接続手段によってセルスタック６０ａ、６０ｂ、６０ｃ及び６０ｄを相互に直列接続し、４個のセルスタック６０ａ、６０ｂ、６０ｃ及び６０ｄに関して共通の電力取出手段を配設することもできる。

セル６２について更に詳述すると、電極支持基板６４は燃料ガスを燃料極層６６まで透過させるためにガス透過性であること、そしてまたインターコネクタ７２を介して集電するために導電性であることが要求され、かかる要求を満足する多孔質の導電性セラミック（若しくはサーメット）から形成することができる。

燃料極層６６及び／又は固体電解質層６８との同時焼成により電極支持基板６４を製造するためには、鉄属金属成分と特定希土類酸化物とから電極支持基板６４を形成することが好ましい。所要ガス透過性を備えるために開気孔率が３０％以上、特に３５乃至５０％の範囲にあるのが好適であり、そしてまたその導電率は３００Ｓ／ｃｍ以上、特に４４０Ｓ／ｃｍ以上であるのが好ましい。

燃料極層６６は多孔質の導電性セラミック、例えば希土類元素が固溶しているＺｒＯ_２（安定化ジルコニアを称されている）とＮｉ及び／又はＮｉＯとから形成することができる。

固体電解質層６８は、電極間の電子の橋渡しをする電解質としての機能を有していると同時に、燃料ガスと酸素含有ガスとのリークを防止するためにガス遮断性を有するものであることが必要であり、通常、３〜１５モル％の希土類元素が固溶したＺｒＯ_２から形成されている。

酸素極層７０は所謂ＡＢＯ_３型のペロブスカイト型酸化物からなる導電セラミックから形成することができる。酸素極層７０はガス透過性を有していることが必要であり、開気孔率が２０％以上、特に３０〜５０％の範囲にあることが好ましい。

インターコネクタ７２は導電性セラミックから形成することができるが、水素ガスでよい燃料ガス及び空気でよい酸素含有ガスと接触するため、耐還元性及び耐酸化性を有することが必要であり、このためにランタンクロマイト系のペロブスカイト型酸化物（ＬａＣｒＯ_３系酸化物）が好適に使用される。インターコネクタ７２は電極支持基板６４に形成された燃料ガス通路７４を通る燃料ガス及び電極支持基板６４の外側を流動する酸素含有ガスのリークを防止するために緻密質でなければならず、９３％以上、特に９５％以上の相対密度を有していることが望まれる。

集電部材７６は弾性を有する金属又は合金から形成された適宜の形状の部材或いは金属繊維又は合金繊維から成るフェルトに所要表面処理を加えた部材から構成することができる。

図１乃至図３、５を参照して説明を続けると、燃料電池は、セルスタック６０ａ、６０ｂ、６０ｃ及び６０ｄの上方に、前後方向に延びる長方体形状の一つの改質ケース７８も具備している。改質ケース７８の前端部側面には、改質された燃料ガスの中空板状の燃料ガス送給管８０の一端即ち上端が接続されている。

燃料ガス送給管８０は下方に延び、次いで湾曲して後方に延び、燃料ガス送給管８０の他端は上記燃料ガスマニホールド５８の前面に接続されている。改質ケース７８の後面には改質される中空板状の被改質ガス供給管８２の一端が接続されている。被改質ガス供給管８２は改質ケースから下方に延び、ハウジング２の下を通ってハウジング２外に延出されている。燃料ガス送給管８０、被改質ガス供給管８２の幅は、ガスマニホールド５８、改質ケース７８の幅と略等しくされている。特に、燃料ガス送給管８０、被改質ガス供給管８２の内部空間の幅が、ガスマニホールド５８、改質ケース７８の内部空間の幅と略等しいことが望ましい。

被改質ガス供給管８２は都市ガス等の炭化水素ガスでよい被改質ガス供給源（図示していない）に接続されており、被改質ガス供給管８２を介して改質ケース７８に被改質ガスが供給される。改質ケース７８内には燃料ガスを水素リッチな燃料ガスに改質するための適宜の改質触媒が収容されている。

図示の実施形態においては、改質ケース７８は燃料ガス送給管８０を介して燃料ガスマニホールド５８に接続され、これによって所要位置に保持されている。

セルスタック６０ａ、６０ｂ、６０ｃ及び６０ｄの各々は、図１及び図２を参照することによって明確に理解されるとおり、ガス噴射板２２間にて下部ガス室１４を規定するケース１５の上面上に載置され、ボルトの如き適宜の固定手段（図示していない）によって所定位置に固定される。

上述したとおりの燃料電池組立体においては、被改質ガスが被改質ガス供給管８２を介して改質ケース７８に供給され、改質ケース７８内において水素リッチな燃料ガスに改質された後に、燃料ガス送給管８０を通して燃料ガスマニホールド５８内に規定されている燃料ガス室５９に供給され、次いでセルスタック６０ａ、６０ｂ、６０ｃ及び６０ｄに供給される。

一方、空気でよい酸素含有ガスは二重筒体５０の内側筒部材５４内に規定されている流入路を通して熱交換器２４の流入路３２に供給され、次いで上部ガス室１６及び連通ガス室１８を通して下部ガス室１４に供給され、そしてガス噴出板２２の噴出孔からセルスタック６０ａ、６０ｂ、６０ｃ及び６０ｄに向けて噴射される。

セルスタック６０ａ、６０ｂ、６０ｃ及び６０ｄの各々においては、酸素極において、
１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｏ^２−（固体電解質）
の電極反応が生成され、燃料極において、
Ｏ^２−（固体電解質）＋Ｈ_２→Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻
の電極反応が生成されて発電される。

発電に使用されることなくセルスタック６０ａ、６０ｂ、６０ｃ及び６０ｄから上方に流動した燃料ガス及び酸素含有ガスは、起動時に発電・燃焼室１２内に配設されている点火手段（図示していない）によって点火されて燃焼される。周知の如く、セルスタック６０ａ、６０ｂ、６０ｃ及び６０ｄにおける発電に起因して、そしてまた燃料ガスと酸素含有ガスとの燃焼に起因して発電・燃焼室１２内は例えば１０００℃程度の高温になる。改質ケース７８は発電・燃焼室１２内に配設され、セルスタック６０の直ぐ上方に位置せしめられており、燃焼炎によって直接的にも加熱され、かくして発電・燃焼室１２内に生成される高温が被改質ガスの改質に効果的に利用される。

発電・燃焼室１２内に生成された燃焼ガスは熱交換器２４に形成されている排出開口４２から排出路３０に流入し、ジグザグ状に延在する排出路３０を流動した後に二重筒体５０の外側筒部材５２と内側筒部材５４との間に規定されている排出路を通して排出される。燃焼ガスが二重筒体５０における排出路を流動する際には、二重筒体５０における流入路を酸素含有ガスが流動し、燃焼ガスと酸素含有ガスとの間で熱交換が行われる。

そしてまた、燃焼ガスが熱交換器２４の排出路３０をジグザグ状に流動せしめられる際には、酸素含有ガスが熱交換器２４の流入路３２をジグザグ状に流動せしめられる。かくして燃焼ガスと酸素含有ガスとの間で効果的に熱交換されて酸素含有ガスが余熱される。酸素含有ガスは上部ガス室１６、連通ガス室１８及び下部ガス室１４を通る際にも発電・燃焼室１２内の高温によって加熱される。

以上、添付図面を参照して燃料電池の好適実施形態について詳細に説明したが、かかる実施形態に限定されるものではなく、種々の変形乃至修正が可能であることは多言するまでもない。

例えば、図６に示すように、セルスタック６０ａ、６０ｂとセルスタック６０ｃ、６０ｄのように配列したセルスタック集合体を２組並設し、２組のセルスタック集合体上方にそれぞれ改質器７８ａ、７８ｂを設け、２組のセルスタック集合体に、その上方の改質器７８ａ、７８ｂからそれぞれ改質ガスが供給するように構成することができる。２組のセルスタック集合体が配置されるガスマニホールド５８ａと５８ｂとの間には、ガス噴出板２２が配設されている。この場合には、２列のセルスタック６０ａと６０ｂ、６０ｃと６０ｄの燃料電池セルに両側から空気を十分に供給することができる。尚、図１及び図６において、ガス噴出板２２の代わりに、上部ガス室１６に連通する空気導入管を用いることができる。

また、図７に示すように、一つのガスマニホールド５８上に、２列に配列したセルスタック６０ａ、６０ｂと、２列に配列したセルスタック６０ｃ、６０ｄを前後方向に所定間隔を置いて設け、セルスタック６０ａ、６０ｂ、６０ｃ、６０ｄ上に一つの改質器を設けることもできる。なお、本発明の燃料電池では、被改質ガス供給管が中空平板状であることが望ましい。このような燃料電池では、改質器に被改質ガスをほぼ均一に供給することができ、改質器への被改質ガス供給にムラがない。また、改質器は、燃料電池セルの上方方向に低背の箱状であることが望ましい。このような燃料電池では、燃料電池セルの上方で燃焼する燃焼ガスにより十分に加熱することができる。さらに、ガスマニホールドは、燃料電池セルの立設方向に低背の箱状であることが望ましい。このような燃料電池では、マニホールドの容積が小さくなるので発電室全体の体積も小さくなり、熱自立的に有利にできる。また、セルスタック集合体間に空気導入管が配置されていることが望ましい。このような燃料電池では、空気導入管内の空気がセル上部の燃焼部で加熱されることにより、効率的に空気を予熱することができる。

燃料電池の好適実施形態を示す断面図。図１の燃料電池を、一部を省略して示す斜視図。ガスマニホールドに改質器を改質ガス供給管を用いて連結した状態を示す斜視図。図３のセルスタックを示す斜視図。図３のセルスタックを示す断面図。燃料電池の他の形態を示す断面図。燃料電池のさらに他の形態を示すもので、（ａ）は横断面図、（ｂ）は縦断面図。

符号の説明

２：ハウジング
５８、５８ａ、５８ｂ：燃料ガスマニホールド
６０ａ、６０ｂ、６０ｃ及び６０ｄ：セルスタック
６２：燃料電池セル
７８、７８ａ、７８ｂ：改質器
８０：改質ガス供給管
８２：被改質ガス供給管

Claims

ハウジング内に、燃料ガス通路を有する中空状の固体電解質形燃料電池セルを複数所定間隔を置いて一列に配設してなるセルスタックを、複数行配設してなるセルスタック集合体と、該セルスタック集合体が設けられ、前記固体電解質形燃料電池セルの燃料ガス通路と連通する一つのガスマニホールドと、前記セルスタック上方にそれぞれ設けられた複数の改質器と、該複数の改質器と前記ガスマニホールドとを連結する改質ガス供給管とを具備することを特徴とする燃料電池。
前記改質ガス供給管が中空平板状であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。