JP5113465B2 - 平板型燃料電池スタック及びモジュール - Google Patents

Description

本発明は、平板型燃料電池を含む単セルを複数積層した平板型燃料電池スタック、および平板型燃料電池スタックを同一容器内に複数配置した平板型燃料電池モジュールに関するものである。

図５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５において、１は平板型燃料電池、２は燃料供給マニホールド、３は空気供給マニホールド、４は燃料排出マニホールド、５は例えば水素などの燃料、６は空気、７はセパレータである。図５に示す単セルスタック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５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５は、燃料供給マニホールド２からセパレータ７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６は、空気供給マニホールド３からセパレータ７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５の電気化学的酸化反応により、電気を発生させる。燃料５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７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６は、平板型燃料電池１で発電に利用された後は、平板型燃料電池スタック外に放出される。

図５に示す従来の平板型燃料電池スタックでは、マニホールドの形成やスタック構造の保持に寄与していない余分な箇所１０がセパレータ７に存在し、この余分な箇所１０のために、平板型燃料電池スタックが重くなるという問題点があった。
また、図５に示す従来の平板型燃料電池スタック、及び平板型燃料電池スタックを同一容器内に複数配置した平板型燃料電池モジュールでは、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及び平板型燃料電池モジュールでは、セパレータに余分な箇所が多く、重量が大きいという問題があった。また、従来の平板型燃料電池スタック及び平板型燃料電池モジュールでは、発電によって生じる熱がこもり、スタックおよびモジュール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、従来よりも軽量で且つ性能の高い平板型燃料電池スタック及びモジュールを提供することを目的とする。

本発明の平板型燃料電池スタックにおいて、各平板型燃料電池の周囲に配設され、平板型燃料電池スタックの外枠を構成する各板状部材は、その周辺部に切欠き部を備え、平板型燃料電池スタックの積層方向の中心に近い板状部材ほど前記切欠き部が大きくなることを特徴とするものである。

また、本発明は、平板型燃料電池スタックを同一容器内に複数配置した平板型燃料電池モジュールにおいて、隣り合う二つの平板型燃料電池スタックの前記切欠き部を合わせるように各平板型燃料電池スタックを密接して配置することにより、隣り合う二つの平板型燃料電池スタックの間に空間を形成した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モジュールの１構成例は、各平板型燃料電池スタックの板状部材の四隅のマニホールドのうち一つを空気供給マニホールドとして用い、四つの平板型燃料電池スタックの前記空気供給マニホールドが中心に集まるように各平板型燃料電池スタックを密接して配置し、隣り合う二つの平板型燃料電池スタックの間の前記空間に改質器を配置した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モジュールの１構成例は、各板状部材の各辺に設けられた前記切欠き部とは別に、各板状部材の一隅に設けられた切欠き部が中心に集まるように四つの平板型燃料電池スタックを密接して配置し、この四つの平板型燃料電池スタックの中心に形成された空間に改質器を配置し、隣り合う二つの平板型燃料電池スタックの間の前記空間を給気供給マニホールドとして用いることを特徴とするものである。

本発明によれば、平板型燃料電池スタックの外枠を構成する各板状部材の周辺部に切欠き部を設けることにより、従来の平板型燃料電池スタックと比べて重量を軽くすることができる。また、本発明では、各板状部材の周辺部に切欠き部を設けることにより、この切欠き部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、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、従来よりも軽量で且つ性能の高い平板型燃料電池スタックを構築することができる。

また、本発明では、各板状部材に設けた切欠き部が、積層の方向の中心に近づくほど大きくなるようにすることにより、平板型燃料電池スタックの積層方向の温度勾配をより小さくすることができる。

また、本発明では、平板型燃料電池スタックの外枠を構成する各板状部材の周辺部に切欠き部を設け、隣り合う二つの平板型燃料電池スタックの切欠き部を合わせるように各平板型燃料電池スタックを密接して配置することにより、従来よりも軽量で且つ性能の高い平板型燃料電池モジュールを構築することができる。

また、本発明では、隣り合う二つの平板型燃料電池スタックの間の切欠き部によって形成される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。

また、本発明では、各板状部材の各辺に設けられた切欠き部とは別に、各板状部材の一隅に設けられた切欠き部が中心に集まるように四つの平板型燃料電池スタックを密接して配置し、この四つの平板型燃料電池スタックの中心に形成された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、２は燃料供給マニホールド、３は空気供給マニホールド、４は燃料排出マニホールド、５は燃料、６は空気、７ａはセパレータ（板状部材）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７ａ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７０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７１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。

セパレータ７ａ（７０，７１）には、燃料供給マニホールド２から平板型燃料電池１の燃料極に燃料５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３から平板型燃料電池１の空気極に空気６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５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６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。

図１、図２では記載を容易にするために単セルスタック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、図１の破線で示すように単セルスタック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。そして、セパレータ７ａの四隅に設けられた孔は、単セルスタックを積層することによってマニホールド２〜４となる。

燃料５は、燃料供給マニホールド２からセパレータ７ａ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６は、空気供給マニホールド３からセパレータ７ａ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５は、セパレータ７ａ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６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。

次に、従来の平板型燃料電池スタックとの違いについて説明する。本実施の形態の平板型燃料電池スタックでは、セパレータ７ａにおいてマニホールド２〜４の形成やスタック構造の保持に寄与していない余分な箇所（図５の１０に相当する箇所）に切欠き部１１を設けている。本実施の形態では、セパレータ７ａに切欠き部１１を設けることにより、従来の平板型燃料電池スタックと比べて重量を軽くすることができる。
図１の例では、セパレータ７ａの一辺につき切欠き部１１を１箇所ずつ設けているが、各辺にそれぞれ複数箇所設けてもよい。

図３は、図１の平板型燃料電池スタックを複数並べた平板型燃料電池モジュールの構成を示す斜視図である。図３において、８は改質器（図３では不図示）を設置するための改質空間である。この改質空間８は、隣り合う二つの平板型燃料電池スタックの切欠き部１１を合わせることによって形成される。
図３では、図１と同様にそれぞれの平板型燃料電池スタックが単セルの状態で示しているが、実際には図３の破線で示すように１セットを多数積層することによって平板型燃料電池モジュールが構成される。

図３を用いて、本実施の形態の平板型燃料電池モジュールについて説明する。図３の例では、２×２個の平板型燃料電池スタックが平面的に配置されている。そして、図４に示すように、改質空間８には、燃料５の改質反応により水素リッチガスを生成する改質器９が配置される。
また、各平板型燃料電池スタックの四隅のマニホールドのうち一つを空気供給マニホールド３として用い、四つの平板型燃料電池スタックの空気供給マニホールド３が平板型燃料電池モジュールの中心に集まるように、平板型燃料電池スタックは配置されている。

さらに、各平板型燃料電池スタックの四隅のマニホールドのうち一つを燃料供給マニホールド２として用い、それぞれの平板型燃料電池スタックにおいて燃料供給マニホールド２が空気供給マニホールド３の対角に位置するように、平板型燃料電池スタックは配置されている。そして、各平板型燃料電池スタックの四隅のマニホールドのうち残った二つを燃料排出マニホールド４としている。

図４のように改質器９を用いる場合、改質器９は、燃料５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２からセパレータ７ａ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、平板型燃料電池スタックの周辺部に切欠き部１１を設けることにより、この切欠き部１１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モジュールと異なり、改質器９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９に必要な反応熱として利用することができ、この改質器９の熱利用によって各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モジュールでは、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９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、各平板型燃料電池スタックのセパレータ７ａにおいて切欠き部１１の形状を全て同一にしているが、積層方向の中心に近づくほど切欠き部１１が大きくなるようにしてもよい。平板型燃料電池１の発電によって生じる熱は積層方向の中心に近づくほど、こもり易くなることは明らかである。そこで、積層方向の中心に近づくほどセパレータ７ａの切欠き部１１を大きくして、放熱面積を増やし放熱効果を上げることで、各平板型燃料電池スタックの積層方向の温度勾配をより小さくすることができる。

また、本実施の形態では、各平板型燃料電池スタックの空気供給マニホールド３を平板型燃料電池モジュールの中心に集め、改質空間８に改質器９を配置しているが、これに限るものではない。図１、図３に示した切欠き部１１とは別にセパレータ７ａの少なくとも一隅にマニホールドの代わりに切欠き部を設けて、この切欠き部が平板型燃料電池モジュールの中心に集まるように四つの平板型燃料電池スタックを配置し、これらの切欠き部を合わせることによって平板型燃料電池モジュールの中心に改質空間を形成し、この改質空間に改質器を配置するようにしてもよい。この場合は、図３の改質空間８を給気供給マニホールドとして用い、この空気供給マニホールドから平板型燃料電池１に空気を供給すればよい。

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。 図１の平板型燃料電池スタックを複数並べた平板型燃料電池モジュールの構成を示す斜視図である。 改質器を含む平板型燃料電池モジュールの外観図である。 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、２…燃料供給マニホールド、３…空気供給マニホールド、４…燃料排出マニホールド、５…燃料、６…空気、７ａ…セパレータ、８…改質空間、９…改質器、１１…切欠き部、７０…アノードセパレータ、７１…カソードセパレータ。

Claims (4)

1. 平板型燃料電池を含む単セルを複数積層した平板型燃料電池スタックにおいて、
   各平板型燃料電池の周囲に配設され、平板型燃料電池スタックの外枠を構成する各板状部材は、その周辺部に切欠き部を備え、
   平板型燃料電池スタックの積層方向の中心に近い板状部材ほど前記切欠き部が大きくな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を同一容器内に複数配置した平板型燃料電池モジュールにおいて、
   隣り合う二つの平板型燃料電池スタックの前記切欠き部を合わせるように各平板型燃料電池スタックを密接して配置することにより、隣り合う二つの平板型燃料電池スタックの間に空間を形成したことを特徴とする平板型燃料電池モジュール。
3. 請求項２に記載の平板型燃料電池モジュールにおいて、
   各平板型燃料電池スタックの板状部材の四隅のマニホールドのうち一つを空気供給マニホールドとして用い、四つの平板型燃料電池スタックの前記空気供給マニホールドが中心に集まるように各平板型燃料電池スタックを密接して配置し、隣り合う二つの平板型燃料電池スタックの間の前記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モジュール。
4. 請求項２に記載の平板型燃料電池モジュールにおいて、
   各板状部材の各辺に設けられた前記切欠き部とは別に、各板状部材の一隅に設けられた切欠き部が中心に集まるように四つの平板型燃料電池スタックを密接して配置し、この四つの平板型燃料電池スタックの中心に形成された空間に改質器を配置し、隣り合う二つの平板型燃料電池スタックの間の前記空間を給気供給マニホールドとして用いることを特徴とする平板型燃料電池モジュール。

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