JP5267820B2 - 固体電解質型燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、炭化水素燃料ガスの水蒸気改質を行う改質器と、電解質層を空気極および燃料極で挟み込んで形成される発電用のセルを積層してなり、例えば、電気自動車の駆動源として用いられる固体電解質型燃料電池に関するものである。

上記した固体電解質型燃料電池において、その発電反応（２Ｈ_２＋Ｏ_２→Ｈ_２Ｏ）は発熱反応であり、とくに高温となる固体酸化物型燃料電池の場合には、セル自身やセルの周辺部材を傷めてしまう恐れがある。

そこで、改質器とセルとの積層体（スタック）内に冷却板を挿入したり、セルの近傍に冷却用のガス流路を設けたりして（特許文献１参照。）、セルやスタックを冷却するようになすと、部品点数の増加および発電システム全体としての効率の低下を招いてしまうという問題があり、この際、改質器における炭化水素の水蒸気改質反応（メタンガスの場合：ＣＨ_４＋２Ｈ_２Ｏ→４Ｈ_２＋ＣＯ_２）が吸熱反応であることを利用して、改質器をセルの近傍に配置してセルの発熱反応とバランスさせようとしても（特許文献２参照。）、セルおよび改質器の双方に導入するガスの消費による濃度差により、セルの発電反応のし易さと改質器の水蒸気改質反応のし易さに差が生じて発熱量および吸熱量の各分布がずれてしまい、セル全体として十分な冷却がなされないという問題があり、これらの問題を解決することが従来の課題となっていた。

特開平１０−２１９４０号公報 特開２００１−４３８８１号公報

本発明は、上記した従来の課題に着目してなされたもので、セル全体を過不足なくほぼ均一に冷却することができ、その結果、セルの信頼性および耐久性の向上を実現することが可能であると共に、高出力化および高効率化をも実現可能であり、加えて、セルの冷却部材を必要としない分だけ、自動車搭載時に要求をされる小型化に対応することが可能である固体電解質型燃料電池を提供することを目的としている。

本発明の請求項１に係わる発明は、改質触媒に炭化水素燃料ガスを通して水蒸気改質を行う改質器と、この改質器で水蒸気改質がなされた改質ガスを空気極とともに電解質層を挟み込む燃料極に沿って流して発電を行うセルを交互に積層してなる固体電解質型燃料電池において、改質器の改質触媒が充填した触媒充填流路を通過する炭化水素燃料ガスの流れ方向と、セルの燃料極に沿って、且つ該触媒充填流路に沿う燃料極側流路を流れる改質ガスの流れ方向とを、該触媒充填流路内とセル積層方向で対応する該燃料極側流路内とでセルの燃料極の燃料極側流路の全体にわたって、略一致させることで、改質器の水蒸気改質反応による吸熱量分布と、セルの発電反応による発熱量分布とを略一致させた構成としており、この固体電解質型燃料電池の構成を前述した従来の課題を解決するための手段としている。

本発明の請求項２に係わる固体電解質型燃料電池において、改質器は、改質触媒を充填した触媒充填流路と、この触媒充填流路に沿って配置されてセルの燃料極とともに燃料極側流路を形成する燃料極側流路形成部を備え、触媒充填流路の炭化水素燃料ガス流入口および燃料極側流路の改質ガス流入口を隣接させると共に、触媒充填流路の改質ガス流出口と燃料極側流路の改質ガス流入口とをリターン流路を介して連通させた構成としている。

本発明の請求項３に係わる固体電解質型燃料電池において、改質器は、改質触媒を充填しかつ炭化水素燃料ガス流入口および改質ガス流出口をそれぞれ略同一方向に向けて開口させた触媒充填流路を備え、セルの燃料極を流路内に露出させて形成した燃料極側流路を触媒充填流路に沿って設置すると共に、互いに近傍に位置する触媒充填流路の改質ガス流出口と燃料極側流路の改質ガス流入口とをリターン流路を介して連通させた構成としている。

本発明に係わる固体電解質型燃料電池では、セル全体を過不足なく冷却することができるので、セルの信頼性を向上させることが可能であり、また、セルの温度分布を緩和することができるため、熱応力によるストレスを減らして長寿命化を実現することができ、さらに、セルの反応性をほぼ均一にして反応抵抗を減らすことができるので、高出力化および高効率化をも実現することが可能であり、さらにまた、セルの冷却部材を必要としない分だけ、自動車に搭載する際の小型化の要求を満たすことが可能であるという非常に優れた効果がもたらされる。

本発明に係わる固体電解質型燃料電池の一実施例を示す固体酸化物型燃料電池の分解斜視説明図（ａ）および改質器の底面説明図（ｂ）である。 本発明に係わる固体電解質型燃料電池の他の実施例を示す固体酸化物型燃料電池の部分斜視説明図である。 図２に示した固体酸化物型燃料電池の分解斜視説明図（ａ）および改質器の底面説明図（ｂ）である。 本発明に係わる固体電解質型燃料電池のさらに他の実施例を示す固体酸化物型燃料電池の部分斜視説明図である。 図４に示した固体酸化物型燃料電池の改質器の平面説明図（ａ）および改質器の底面説明図（ｂ）である。 図４に示した固体酸化物型燃料電池のセル支持体の平面説明図である。 本発明に係わる固体電解質型燃料電池のさらに他の実施例を示す固体酸化物型燃料電池の分解斜視説明図である。 図７に示した固体酸化物型燃料電池の改質器の横断面説明図（ａ）および改質器の底面説明図（ｂ）である。 本発明に係わる固体電解質型燃料電池の改質器およびセルの各熱量分布を並べて示す熱量分布説明である。

固体電解質型燃料電池において、とくに固体酸化物型燃料電池において、セルの発電反応（水の生成反応：２Ｈ_２＋Ｏ_２→Ｈ_２Ｏ）のモルエネルギーΔＨは、運転温度領域（５００〜１０００℃）において約５００ｋＪ／ｍｏｌであり、一方、改質器における炭化水素の水蒸気改質反応（メタンガスの場合：ＣＨ_４＋２Ｈ_２Ｏ→４Ｈ_２＋ＣＯ_２）のモルエネルギーΔＨは、運転温度領域（５００〜１０００℃）において約２００ｋＪ／ｍｏｌである。固体酸化物型燃料電池の効率を考慮すると、セルにおける発電反応のモルエネルギーΔＨのうち電流として取り出される割合は４０〜６０％であり、残り（２５０ｋＪ／ｍｏｌ前後）が熱として放出される。

そして、図９に示すように、改質器には、炭化水素燃料ガスの流れ方向に吸熱量分布（ガスの流入部分近傍で最もよく反応して吸熱量が多くなる分布）があり、一方、セルにも、改質ガスの流れ方向に発熱量分布（ガスの流入部分近傍で最もよく反応して発熱量が多くなる分布）があることから、改質器の改質触媒を通過する炭化水素燃料ガスの流れ方向と、セルの燃料極に沿って流れる改質ガスの流れ方向とを略一致させる一実施形態を採用して、改質器の水蒸気改質反応による吸熱量分布と、セルの発電反応による発熱量分布とを略一致させれば、改質触媒の改質効率やセルの電流密度変動やガス流量の影響を受けるものの、熱力学的に十分に成立することになる。

本発明に係わる固体電解質型燃料電池では、上記した構成としているので、吸熱側の改質器および発熱側のセルの間で効率のよい熱の授受がなされることとなる。

つまり、改質器の加熱がなされるのに加えて、セル全体が過不足なく冷却されることとなって、すなわち、セルの温度が局所的に上昇することがなくなって、セルの信頼性および耐久性の向上が図られると共に高出力化および高効率化が図られるうえ、セルの冷却部材を必要としない分だけ小型化が図られ、自動車搭載時の要求に対応し得ることとなる。

以下、本発明を図面に基づいて説明する。

［実施例１］
図１は、本発明に係わる固体電解質型燃料電池の一実施例を示しており、この実施例では、本発明に係わる固体電解質型燃料電池が固体酸化物型燃料電池である場合を示す。

図１（ａ）に示すように、この固体酸化物型燃料電池１は、ニッケル系触媒などの改質触媒に炭化水素燃料ガスを通して水蒸気改質を行う改質器２と、電解質層３Ｂを燃料極３Ａおよび空気極３Ｃで挟み込んでなるセル３を交互に積層してなっており、改質器２で水蒸気改質がなされた改質ガスをセル３の燃料極３Ａに沿って流すと共に空気をセル３の空気極３Ｃに沿って流して発電を行うようになっている。

改質器２は薄型角筒形状をなしており、中空部分を改質触媒（図示省略）が充填される触媒充填流路４としている。改質器２の一方の面（図示上面）には、改質ガスを流す燃料極側流路５を燃料極３Ａとともに形成する燃料極側流路形成溝（燃料極側流路形成部）６が触媒充填流路４に沿って設けてあり、一方、改質器２の他方の面（図示下面）には、図１（ｂ）にも示すように、空気極３Ｃとともに空気極側流路７を形成する空気極側流路形成溝８が触媒充填流路４に沿って設けてある。

この場合、燃料極側流路５の改質ガス流入口５ａを触媒充填流路４の炭化水素燃料ガス流入口４ａに隣接して設けており、触媒充填流路４の改質ガス流出口４ｂは、リターン流路９を介して燃料極側流路５の改質ガス流入口５ａに連通させてある。

そして、改質器２およびセル３は、燃料極側流路形成溝６が位置する改質器２の一方の面にセル３の燃料極３Ａを接触させ、空気極側流路形成溝８が位置する改質器２の他方の面にセル３の空気極３Ｃを接触させるようにして、交互に積層してある。

セル３の電解質層３Ｂは、セル３の形状に加工したグリーンシート（テープキャスト法により作成した厚さ５００μｍのランタンガレート系材料からなるシート）を１５００℃で焼成してなっており、この電解質層３Ｂの一方の面に、ＮｉＯとＳｍＣｅＯ_２とを重量比８：２で混合したものをスクリーン印刷法により塗布して１２００℃で焼成することによって燃料極３Ａを形成していると共に、電解質層３Ｂの他方の面に、ＳｍＳｒＣｏＯ_３をスクリーン印刷法により塗布して１１００℃で焼成することによって空気極３Ｃを形成している。

上記構成の固体酸化物型燃料電池１では、改質ガスを流す燃料極側流路５を炭化水素燃料ガスを流す触媒充填流路４に沿って設けているので、すなわち、改質器２の改質触媒を通過する炭化水素燃料ガスの流れ方向（白抜き矢印方向）と、セル３の燃料極３Ａに沿って流れる改質ガスの流れ方向（矢印方向）とをほぼ一致させるようにしているので、改質器２の水蒸気改質反応による吸熱量分布と、セル３の発電反応による発熱量分布とがほぼ一致することとなって、吸熱側の改質器２および発熱側のセル３の間で効率のよい熱の授受がなされることとなる。

つまり、改質器２の加熱がなされるのに加えて、セル３全体が過不足なく冷却されて、セル３の温度が局所的に上昇することがなくなり、その結果、セル３の信頼性および耐久性の向上が図られると共に高出力化および高効率化が図られるうえ、セル３の冷却部材を必要としない分だけ小型化が図られ、自動車搭載時の要求に対応し得ることとなる。

［実施例２］
図２および図３は、本発明に係わる固体電解質型燃料電池の他の実施例を示しており、この実施例においても、本発明に係わる固体電解質型燃料電池が固体酸化物型燃料電池である場合を示す。

図２に示すように、この固体酸化物型燃料電池２１は、薄型箱形状をなす改質器２２と、薄型箱形状をなすセル支持体２６に取付けた板状のセル２３を交互に積層してなっており、セル２３は先の実施例におけるセル３と同じ構成をなしている。

図３（ａ）に示すように、改質器２２の中空部分はＵ字形に仕切ってあり、このＵ字形の中空部分を改質触媒（図示省略）が充填されかつ炭化水素燃料ガス流入口２４ａおよび改質ガス流出口２４ｂをそれぞれ略同一方向に向けて開口させた触媒充填流路２４としている。

一方、セル支持体２６の中空部分もＵ字形に仕切ってあり、セル２３は、その燃料極２３Ａがセル支持体２６の中空部分に露出するようにして取付けてある。このセル２３の燃料極２３Ａが露出するセル支持体２６の中空部分は、触媒充填流路２４に沿う燃料極側流路２５としている。

この場合、セル支持体２６の外部に位置するセル２３の空気極２３Ｃは、図３（ｂ）にも示すように、改質器２２の図示下面に設けた空気極側流路形成溝２８とともに空気極側流路２７を形成するようになっており、この空気極側流路２７に対しては、改質器２２およびセル２３の隙間からに空気を導入するようになっている。

この固体酸化物型燃料電池２１では、セル支持体２６上のセル２３の空気極２３Ｃに改質器２２の空気極側流路形成溝２８が位置する面を接触させるようにして、改質器２２およびセル２３を積層した状態において、互いに近傍に位置する触媒充填流路２４の改質ガス流出口２４ｂと燃料極側流路２５の改質ガス流入口２５ａとをリターン流路２９を介して連通させてある。

上記したように、この実施例による固体酸化物型燃料電池２１においても、改質ガスを流す燃料極側流路２５を炭化水素燃料ガスを流す触媒充填流路２４に沿って設けることで、改質器２２の改質触媒を通過する炭化水素燃料ガスの流れ方向（矢印方向）と、セル２３の燃料極２３Ａに沿って流れる改質ガスの流れ方向（矢印方向）とをほぼ一致させるようにしているので、改質器２２の水蒸気改質反応による吸熱量分布と、セル２３の発電反応による発熱量分布とがほぼ一致することとなってセル２３全体が過不足なく冷却され、その結果、セル２３の信頼性および耐久性の向上ならびに高出力・高効率化が図られ、加えて、自動車搭載時に必要な小型化が図られることとなる。

［実施例３］
図４〜図６は、本発明に係わる固体電解質型燃料電池のさらに他の実施例を示しており、この実施例においても、本発明に係わる固体電解質型燃料電池が固体酸化物型燃料電池である場合を示す。

図４に示すように、この固体酸化物型燃料電池３１は、中空円盤形状をなす改質器３２と、これと同じく中空円盤形状をなすセル支持体３６に取付けた円板状のセル３３を交互に積層してなっており、セル３３は先の実施例におけるセル３と同じ構成をなしている。

図５（ａ）に示すように、改質器３２の中空部分は隔壁３９によってＣ字形に仕切ってあり、このＣ字形の中空部分を改質触媒（図示省略）が充填されかつ炭化水素燃料ガス流入口３４ａを外周面で開口させると共に改質ガス流出口３４ｂを底面で開口させた触媒充填流路３４としている。

一方、図６に示すように、セル支持体３６の中空部分も隔壁３９によってＣ字形に仕切ってあり、セル３３は、その燃料極３３Ａがセル支持体３６の中空部分に露出するようにして取付けてある。このセル３３の燃料極３３Ａが露出するセル支持体３６の中空部分は、触媒充填流路３４に沿いかつ改質ガス流入口３５ａを上面で開口させると共に排気ガス流出口３５ｂを外周面で開口させた燃料極側流路３５としている。

この場合、セル支持体３６の外部に位置するセル３３の空気極３３Ｃは、図５（ｂ）に示すように、改質器３２の下面に設けた空気極側流路形成溝３８とともに空気極側流路３７を形成するようになっており、この空気極側流路３７に対しては、改質器３２およびセル３３の各々の中心孔３２ａ，３３ａを通して空気を導入するようになっている。

この固体酸化物型燃料電池３１では、セル支持体３６上のセル３３の空気極３３Ｃに改質器３２の空気極側流路形成溝３８が位置する面を接触させるようにして、改質器３２およびセル３３を積層した状態において、触媒充填流路３４の改質ガス流出口３４ｂと燃料極側流路３５の改質ガス流入口３５ａとの各円周方向位置をほぼ一致させて連通させてある。

上記した固体酸化物型燃料電池３１においても、改質ガスを流す燃料極側流路３５を炭化水素燃料ガスを流す触媒充填流路３４に沿って設けることによって、改質器３２の改質触媒を通過する炭化水素燃料ガスの流れ方向（図５（ａ）矢印方向）と、セル３３の燃料極３３Ａに沿って流れる改質ガスの流れ方向（図６矢印方向）とをほぼ一致させるようにしていることから、セル３３全体が過不足なく冷却され、その結果、セル３３の信頼性および耐久性の向上ならびに高出力・高効率化が図られるうえ、自動車搭載時に必要な小型化が図られることとなる。

［実施例４］
図７および図８は、本発明に係わる固体電解質型燃料電池のさらに他の実施例を示しており、この実施例においても、本発明に係わる固体電解質型燃料電池が固体酸化物型燃料電池である場合を示す。

図７に示すように、この固体酸化物型燃料電池４１は、中空半円形状をなす改質器４２と、これと同じく中空半円形状をなすセル支持体４６に取付けた半円板状のセル４３とを一体化した構造体４０を積層してなっており、セル４３は先の実施例におけるセル３と同じ構成をなしている。

図８（ａ）に示すように、改質器４２の略半環状をなす中空部分は、改質触媒（図示省略）を充填しかつ炭化水素燃料ガス流入口４４ａを外周面で開口させた触媒充填流路４４としている。

一方、セル４３は、その燃料極４３Ａがセル支持体４６の略半環状をなす中空部分に露出するようにして取付けてあり、このセル４３の燃料極４３Ａが露出するセル支持体４６の中空部分は、触媒充填流路４４に連続しかつ排気ガス流出口４５ｂを外周面で開口させた燃料極側流路４５としている。

この場合、セル支持体４６の外部に位置するセル４３の空気極４３Ｃは、図８（ｂ）に示すように、改質器４２の下面に設けた空気極側流路形成溝４８とともに空気極側流路４７を形成するようになっており、この空気極側流路４７に対しては、構造体４０の中心孔４０ａを通して空気を導入するようになっている。

この固体酸化物型燃料電池４１では、半円形状の改質器４２と半円板状のセル４３とを一体化してなる構造体４０をほぼ１８０°ずつずらしながら順次積層する、すなわち、下側の構造体４０に対して上側の構造体４０の半環状触媒充填流路４４および半環状燃料極側流路４５が常に円周方向にほぼ１８０°ずれるようにして順次積層するようにしている。なお、図７および図８における符号４９は、炭化水素燃料ガスと改質ガスとが混合するのを阻止する隔壁である。

上記した固体酸化物型燃料電池４１では、重なり合う構造体４０，４０の各触媒充填流路４４および燃料極側流路４５の円周方向位置がほぼ１８０°ずれるようにすることによって、改質器４２の改質触媒を通過する炭化水素燃料ガスの流れ方向（図７白抜き矢印方向）と、セル４３の燃料極４３Ａに沿って流れる改質ガスの流れ方向（図７矢印方向）とをほぼ一致させるようにしていることから、セル４３全体が過不足なく冷却され、その結果、セル４３の信頼性および耐久性の向上ならびに高出力・高効率化が図られるうえ、この実施例では、半円形状の改質器４２と半円板状のセル４３とを一体化してなる構造体４０を積層するようにしているので、より一層のコンパクト化が図られることとなる。

上記した実施例では、いずれも本発明に係わる固体電解質型燃料電池が固体酸化物型燃料電池である場合を示したが、本発明を低温型の固体電解質型燃料電池に適用することも可能である。

本発明に係わる固体電解質型燃料電池の詳細な構成は、上記した実施例に限定されるものではない。

１，２１，３１，４１ 固体酸化物型燃料電池（固体電解質型燃料電池）
２，２２，３２，４２ 改質器
３，２３，３３，４３ セル
３Ａ，２３Ａ，３３Ａ，４３Ａ 燃料極
３Ｂ 電解質層
３Ｃ，２３Ｃ，３３Ｃ，４３Ｃ 空気極
４，２４，３４，４４ 触媒充填流路
４ａ，２４ａ，３４ａ，４４ａ 炭化水素燃料ガス流入口
４ｂ，２４ｂ，３４ｂ 改質ガス流出口
５，２５，３５，４５ 燃料極側流路
５ａ，２５ａ，３５ａ 改質ガス流入口
６ 燃料極側流路形成溝（燃料極側流路形成部）
９，２９ リターン流路
４０ 構造体

Claims (3)

1. 改質触媒に炭化水素燃料ガスを通して水蒸気改質を行う改質器と、この改質器で水蒸気改質がなされた改質ガスを空気極とともに電解質層を挟み込む燃料極に沿って流して発電を行うセルを交互に積層してなる固体電解質型燃料電池において、
   改質器の改質触媒が充填された触媒充填流路を通過する炭化水素燃料ガスの流れ方向と、セルの燃料極に沿って、且つ該触媒充填流路に沿う燃料極側流路を流れる改質ガスの流れ方向とを、該触媒充填流路内とセル積層方向で対応する該燃料極側流路内とでセルの燃料極の燃料極側流路の全体にわたって、略一致させることで、
   改質器の水蒸気改質反応による吸熱量分布と、セルの発電反応による発熱量分布とを略一致させたことを特徴とする固体電解質型燃料電池。
2. 改質器は、改質触媒を充填した触媒充填流路と、この触媒充填流路に沿って配置されてセルの燃料極とともに燃料極側流路を形成する燃料極側流路形成部を備え、触媒充填流路の炭化水素燃料ガス流入口および燃料極側流路の改質ガス流入口を隣接させると共に、触媒充填流路の改質ガス流出口と燃料極側流路の改質ガス流入口とをリターン流路を介して連通させた請求項１に記載の固体電解質型燃料電池。
3. 改質器は、改質触媒を充填しかつ炭化水素燃料ガス流入口および改質ガス流出口をそれぞれ略同一方向に向けて開口させた触媒充填流路を備え、セルの燃料極を流路内に露出させて形成した燃料極側流路を触媒充填流路に沿って設置すると共に、互いに近傍に位置する触媒充填流路の改質ガス流出口と燃料極側流路の改質ガス流入口とをリターン流路を介して連通させた請求項１に記載の固体電解質型燃料電池。

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