JP5099491B2 - 平板型燃料電池スタック - Google Patents

Description

本発明は、平板型燃料電池スタックに係り、特に複数の平板型燃料電池を平面的に配置した構造を構成単位として、この構成単位を複数積層した平板型燃料電池スタックに関するものである。

図４は、従来の平板型燃料電池スタックの構成を示す斜視図である。図４において、１は平板型燃料電池、２はセパレータ、３は燃料供給マニホールド、４は燃料排出マニホールド、５は空気供給マニホールド、６は空気排出マニホールド、７は水素などの燃料、８は空気である。図４に示す四枚の平板型燃料電池１を含む構造を構成単位として、この構成単位を多数積層することによって平板型燃料電池スタックが構成される。このような平板型燃料電池スタックについては、例えば非特許文献１に開示されている。

図４を用いて、従来の平板型燃料電池スタックについて説明する。燃料７は、燃料供給マニホールド３からセパレータ２内の燃料供給用流路を介して平板型燃料電池１に供給される。空気８は、空気供給マニホールド５からセパレータ２内の空気供給用流路を介して平板型燃料電池１に供給される。平板型燃料電池１は、燃料７の電気化学的酸化反応により、電気を発生させる。燃料７は、平板型燃料電池１で発電に利用された後は、セパレータ２内の燃料排出用流路を介して燃料排出マニホールド４によって回収される。また、空気８は、平板型燃料電池１で発電に利用された後は、セパレータ２内の空気回収用流路を介して空気排出マニホールド６によって回収される。

図４に示す従来の平板型燃料電池スタックでは、燃料７及び空気８が新鮮な状態では供給されない平板型燃料電池１が同一の構成単位内に存在する。すなわち、例えば燃料７の供給に対して下流に存在する二枚の平板型燃料電池１（図４において燃料排出マニホールド４に近い方の平板型燃料電池１）には、上流の平板型燃料電池１（燃料供給マニホールド３に近い方の平板型燃料電池１）で既に発電に使用された燃料７が供給されることとなる。このため、従来の平板型燃料電池スタックでは、燃料７及び空気８の供給の流れに対する位置によって同一構成単位内の平板型燃料電池１の性能がばらつき、平板型燃料電池スタックとしての性能が低下するという問題点があった。

また、図４に示す従来の平板型燃料電池スタックでは、発電によって生じる熱がこもり、平板型燃料電池に大きな温度勾配が生じるという問題点があった。使用する材料の耐熱温度に従って、最高温度がある温度以下となるように発電することが要求される平板型燃料電池スタックにおいては、大きな温度勾配がつくことは、平板型燃料電池スタックとしての性能低下につながる。

田川博章，「１２．６．３ ガス供給室（マニホルド）」，固体酸化物燃料電池と地球環境，アグネ承風社，ｐ．２７１−２７２，１９９８年

以上のように、従来の平板型燃料電池スタックでは、同一平面内（同一構成単位内）に配置された平板型燃料電池のガス供給条件がばらつき、同一構成単位内の平板型燃料電池の性能がばらつき、平板型燃料電池スタックとしての性能が低下するという問題点があった。また、従来の平板型燃料電池スタックでは、発電によって生じる熱がこもり、スタックの積層方向に大きな温度勾配が生じるという問題点があった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、ガス供給条件の均一化と温度勾配の低減により、従来よりも性能の高い平板型燃料電池スタックを提供することを目的とする。

本発明は、２×２の平板型燃料電池を平面的に配置して複数積層した構造を構成単位として、この構成単位を平面的にｎ×ｍ（ｎ，ｍは自然数）個配置した平板型燃料電池スタックにおいて、前記２×２の平板型燃料電池で囲まれる位置に配設され、周りに配置されている前記構成単位の平板型燃料電池に空気を供給する空気供給マニホールドと、前記平板型燃料電池を挟んで前記空気供給マニホールドと向かい合うように前記２×２の平板型燃料電池の各々に対して配設され、それぞれ対応する平板型燃料電池に燃料を供給する燃料供給マニホールドとを有することを特徴とするものである。
また、本発明の平板型燃料電池スタックの１構成例は、さらに、各平板型燃料電池について燃料の排出方向が前記燃料供給マニホールドからの燃料の供給方向及び前記空気供給マニホールドからの空気の供給方向と交差するように、前記２×２の平板型燃料電池の各々に対して配設された燃料排出マニホールドを有し、前記構成単位の平面的に隣り合う２つの前記平板型燃料電池で共用する燃料排出マニホールドに対してこれらの平板型燃料電池から燃料が排出されることを特徴とするものである。
また、本発明の平板型燃料電池スタックの１構成例は、さらに、前記構成単位の平面的に隣り合う２つの前記平板型燃料電池の間の空間に改質器を配置したことを特徴とするものである。

本発明によれば、２ｎ×２ｍの平板型燃料電池で囲まれる位置に空気供給マニホールドを配設して、空気供給マニホールドから２ｎ×２ｍの平板型燃料電池に空気を供給し、また平板型燃料電池を挟んで空気供給マニホールドと向かい合う位置に燃料供給マニホールドを平板型燃料電池毎に配設して、各燃料供給マニホールドからそれぞれ対応する平板型燃料電池に燃料を供給するようにしたので、全ての平板型燃料電池に燃料及び空気を新鮮な状態で供給することができる。また、本発明では、２ｎ×２ｍの平板型燃料電池で囲まれる位置に空気供給マニホールドを設けることにより、平板型燃料電池スタックにこもる熱量を減らすことができ、従来の平板型燃料電池スタックに比べて、スタックの積層方向の温度勾配を小さくすることができる。その結果、本発明では、従来の平板型燃料電池スタックよりも性能の高い平板型燃料電池スタックを提供することができる。

また、本発明では、隣り合う２つの平板型燃料電池の間の空間に改質器を配置することにより、積層方向の温度勾配の低減をより効果的に実現することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態に係る平板型燃料電池スタックの構成を示す斜視図である。図１において、１は平板型燃料電池、２ａはセパレータ、３は燃料供給マニホールド、４は燃料排出マニホールド、５は空気供給マニホールド、７は燃料、８は空気、９は改質器（不図示）を設置するための改質空間である。

図２は、図１の平板型燃料電池スタックの構造を模式的に表す断面図である。セパレータ２ａは、平板型燃料電池１の燃料極と電気的に接触する、金属からなる板状のアノードセパレータ２０と、平板型燃料電池１の空気極と電気的に接触する、金属からなる板状のカソードセパレータ２１とから構成される。図２の例では、平板型燃料電池１の上面に燃料極が配置され、下面に空気極が配置されている。

図１、図２では記載を容易にするために、２ｎ×２ｍ（ｎ，ｍは自然数で、本実施の形態ではｎ＝ｍ＝１）の平板型燃料電池１を平面的に配置した構成単位の状態で示しているが、実際には十分な発電電力を得るために、２×２の平板型燃料電池１とセパレータ２ａとからなる構成単位を図１の破線で示すように多数積層することによって、平板型燃料電池スタックが構成される。

セパレータ２ａ（２０，２１）には、２×２の平板型燃料電池１で囲まれる中心の位置に空気供給マニホールド５が形成されている。また、セパレータ２ａには、平板型燃料電池１を挟んで空気供給マニホールド５と向かい合うように２×２の平板型燃料電池１の各々に対して燃料供給マニホールド３が形成されている。２×２の平板型燃料電池１の各々において空気８の供給方向と燃料７の供給方向は逆向きである。空気供給マニホールド５がセパレータ２ａの中心に位置するため、燃料供給マニホールド３はセパレータ２ａの四隅に配置される。

また、セパレータ２ａには、燃料７の排出方向が燃料供給マニホールド３からの燃料７の供給方向及び空気供給マニホールド５からの空気８の供給方向と直交するように、２×２の平板型燃料電池１の各々に対して燃料排出マニホールド４が形成されている。このとき、隣り合う２つの平板型燃料電池１について燃料排出マニホールド４を１つずつ配置するのではなく、隣り合う２つの平板型燃料電池１は１つの燃料排出マニホールド４を共用する。したがって、２×２の平板型燃料電池１に対して燃料排出マニホールド４は４つ配設される。

さらに、セパレータ２ａには、隣り合う２つの平板型燃料電池１の間に改質空間９が形成されている。
以上のマニホールド３〜５や改質空間９は、セパレータ２ａに形成された孔が構成単位の積層によって管状になったものであることは言うまでもない。

また、セパレータ２ａには、燃料供給マニホールド３から平板型燃料電池１の燃料極に燃料７を供給するための燃料供給用流路（不図示）、空気供給マニホールド５から平板型燃料電池１の空気極に空気８を供給するための空気供給用流路（不図示）、平板型燃料電池１の燃料極から燃料７を燃料排出マニホールド４に排出するための燃料排出用流路（不図示）と、平板型燃料電池１の空気極から空気８をスタック外部に排出するための空気排出用流路（不図示）が形成されている。

燃料７は、燃料供給マニホールド３からセパレータ２ａ内の燃料供給用流路を介して平板型燃料電池１の燃料極に供給される。空気８は、空気供給マニホールド５からセパレータ２ａ内の空気供給用流路を介して平板型燃料電池１の空気極に供給される。平板型燃料電池１で発電に利用された後の燃料７は、セパレータ２ａ内の燃料排出用流路を介して燃料排出マニホールド４によって回収され、空気８は、空気排出用流路を介して平板型燃料電池スタック外に放出される。

図３に、本実施の形態の平板型燃料電池スタックの外観図を示す。図３に示すように、改質空間９には、燃料７の改質反応により水素リッチガスを生成する改質器１０が配置される。このように改質器１０を用いる場合、改質器１０は、燃料７の水蒸気改質反応により水素リッチガスを生成する。そして、この水素リッチガスは、燃料供給マニホールド３からセパレータ２ａ内の燃料供給用流路を介して平板型燃料電池１に供給される。

本実施の形態では、２×２の平板型燃料電池１で囲まれる中心の位置に空気供給マニホールド５を配設して、この空気供給マニホールド５から２×２の平板型燃料電池１に空気８を供給し、また平板型燃料電池１を挟んで空気供給マニホールド５と向かい合う位置に燃料供給マニホールド３を平板型燃料電池毎に配設して、各燃料供給マニホールド３からそれぞれ対応する１つの平板型燃料電池１に燃料７を供給するようにしたので、従来の平板型燃料電池スタックと異なり、全ての平板型燃料電池１に燃料７及び空気８を新鮮な状態で供給することができる。このため、同一構成単位内の２×２の平板型燃料電池１の全てが同等の性能となるので、従来と比べて、平板型燃料電池スタックの性能を改善することができる。

また、本実施の形態では、２×２の平板型燃料電池１で囲まれる中心の位置に空気供給マニホールド５を設けることにより、この空気供給マニホールド５から外部への放熱を促進することができるので、平板型燃料電池スタックにこもる熱量を減らすことができる。その結果、本実施の形態の平板型燃料電池スタックでは、従来の平板型燃料電池スタックに比べて、スタックの積層方向の温度勾配を小さくすることができる。
使用する材料の耐熱温度に従って、最高温度がある温度以下となるように発電することが要求される平板型燃料電池スタックにおいては、積層方向の温度勾配が小さくなることは、平板型燃料電池スタックとしての性能の向上につながる。

また、本実施の形態では、従来の平板型燃料電池スタックと異なり、改質器１０を平板型燃料電池１の近傍に設置している。したがって、平板型燃料電池１の発電によって生じる熱を改質器１０に必要な反応熱として利用することができ、この改質器１０の熱利用によって平板型燃料電池スタックにこもる熱量を減らすことができる。このため、本実施の形態の平板型燃料電池スタックでは、積層方向の温度勾配の低減をより効果的に実現することができる。なお、改質器１０は、平板型燃料電池１の温度が高い部分、すなわちスタックの積層方向の中心に近づけて配置した方がより効果的である。

なお、本実施の形態では、平板型燃料電池スタックの構成単位の例として、２×２の平板型燃料電池１を含む構成単位を例に挙げて説明したが、これに限るものではない。別の例としては、図１に示した基本構造を反復するようにして例えば４×４の平板型燃料電池１を平面的に配置することが考えられる。

本発明は、平板型燃料電池スタックに適用することができる。

本発明の実施の形態に係る平板型燃料電池スタックの構成を示す斜視図である。 図１の平板型燃料電池スタックの構造を示す断面図である。 改質器を含む平板型燃料電池スタックの外観図である。 従来の平板型燃料電池スタックの構成を示す斜視図である。

符号の説明

１…平板型燃料電池、２ａ…セパレータ、３…燃料供給マニホールド、４…燃料排出マニホールド、５…空気供給マニホールド、７…燃料、８…空気、９…改質空間、１０…改質器、２０…アノードセパレータ、２１…カソードセパレータ。

Claims (3)

1. ２×２の平板型燃料電池を平面的に配置して複数積層した構造を構成単位として、この構成単位を平面的にｎ×ｍ（ｎ，ｍは自然数）個配置した平板型燃料電池スタックにおいて、
   前記２×２の平板型燃料電池で囲まれる位置に配設され、周りに配置されている前記構成単位の平板型燃料電池に空気を供給する空気供給マニホールドと、
   前記平板型燃料電池を挟んで前記空気供給マニホールドと向かい合うように前記２×２の平板型燃料電池の各々に対して配設され、それぞれ対応する平板型燃料電池に燃料を供給する燃料供給マニホールドとを有することを特徴とする平板型燃料電池スタック。
2. 請求項１に記載の平板型燃料電池スタックにおいて、
   さらに、各平板型燃料電池について燃料の排出方向が前記燃料供給マニホールドからの燃料の供給方向及び前記空気供給マニホールドからの空気の供給方向と交差するように、前記２×２の平板型燃料電池の各々に対して配設された燃料排出マニホールドを有し、
   前記構成単位の平面的に隣り合う２つの前記平板型燃料電池で共用する燃料排出マニホールドに対してこれらの平板型燃料電池から燃料が排出されることを特徴とする平板型燃料電池スタック。
3. 請求項２に記載の平板型燃料電池スタックにおいて、
   さらに、前記構成単位の平面的に隣り合う２つの前記平板型燃料電池の間の空間に改質器を配置したことを特徴とする平板型燃料電池スタック。

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