JP5394998B2 - 平板型固体酸化物形燃料電池マルチスタックモジュール - Google Patents

平板型固体酸化物形燃料電池マルチスタックモジュール Download PDF

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Description

本発明は、平板型固体酸化物形燃料電池を用いたセルスタックを複数基並設した平板型固体酸化物形燃料電池マルチスタックモジュールに関するものである。
平板型の固体酸化物形燃料電池(SOFC:Solid Oxide Fuel Cell、以下、平板型SOFCともいう)モジュールは、平板型の固体酸化物からなる電解質層と、この電解質層の表裏面にそれぞれ形成した空気極および燃料極とからなる平板型の単セルを備え、燃料極に燃料ガスを供給し、空気極に酸化剤ガスを供給することにより発電を行なうようにした燃料電池である。このような平板型SOFCモジュールは、他の燃料電池に比べて発電効率が高く、また作動温度(700°〜1000℃)が高いため高温の熱を利用することができるという利点を有している(例えば、特許文献1、非特許文献1参照)。
図3ないし図6に従来の平板型SOFCモジュールの要部を示す。これらの図において、平板型固体酸化物形燃料電池は、セルスタック2と、このセルスタック2の周囲に配設され各単セル3(以下、セルともいう)に対して燃料ガス、酸化剤ガスの給排気を行う4つのマニホールドM1〜M4とを備えている。このうち、マニホールドM1は、セルスタック2に対して燃料ガスを供給する燃料ガス供給マニホールドを構成し、マニホールドM2はセルスタック2から燃料ガスの排気ガスを排気する排気マニホールドを構成し、マニホールドM3はセルスタック2に対して酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給マニホールドを構成し、マニホールドM4はセルスタック2から酸化剤ガスの排気ガスを排気する排気マニホールドを構成している。
図3において、固体酸化物形燃料電池の単セル3は、平板形の燃料極25と、この燃料極25の上に積層形成された平板型固体酸化物からなる電解質層26および空気極27とで構成され、これによって燃料極支持型のセルを構成している。
セル3の各電極26,27とインターコネクタ12との電気的な接続は、インターコネクタ12のそれぞれの表面の平坦性を確保することが困難なことから、変形可能な集電材28を介して行うことが好ましい。
図4ないし図6において、インターコネクタ12は、円板状に形成されて単セル3、集電材28を収納し、これらを電気的に直列に接続するとともに、単セル3への燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給を可能にしている。このため、インターコネクタ12の上面側には単セル3と集電材28を収納する凹部31が形成されている。単セル3は、燃料極25を下にして凹部31に収納されている。
また、インターコネクタ12の下面側には、凸部32が一体に突設されており、この凸部32には各マニホールドM1〜M4にそれぞれ連通するガス給気通路34a,35aと、ガス排気通路34b,35bがそれぞれ形成されている。各ガス給気通路34a,35aの一端は、インターコネクタ12の凹部31にそれぞれ連通し、他端は前記マニホールドM1,M3に給気パイプ37a,38aを介してそれぞれ接続されている。各ガス排気通路34b,35bの一端は、インターコネクタ12の凹部31にそれぞれ連通し、他端は前記凸部32の外縁で各マニホールドM2,M4に排気パイプ37b,38bを介してそれぞれ接続されている。このようなインターコネクタ12は、単セル3と交互に複数段積層されて図示を省略した加圧機構により加圧されることにより、凸部32が空気極集電材28を下段側の単セル3の空気極27に押し付けている。セル3のスタック化は、インターコネクタ12の凹部31内に単セル3と集電材28を収納してシールしたものをスタックに必要な段数積層することにより行う。
そして、加圧機構によってセルスタック2に所定の荷重をかけることにより、各単セル3の燃料極25および空気極27ならびに集電材28がそれぞれ密着して電気的に直列に接続され、これにより積層されている全ての単セル3も直列に接続されるため、発電時に高い電圧が得られる。
前記各マニホールドM1〜M4は略同一構造であり、金属製のマニホールド部材44と、絶縁性の材料で作られたマニホールドコネクタ45を交互に複数個積み重ねることにより形成されており、ガスが漏れないように加圧機構によってそれぞれ加圧されている。各マニホールドM1〜M4を金属製のマニホールド部材44と、絶縁材料からなるマニホールドコネクタ45を交互に積層して構築する理由は、単セル3を一段毎に絶縁する必要があるためである。
このような構造において、空気極27と燃料極25は、電解質層26を介して隔離されており、空気極27には酸化剤ガスが供給され、燃料極25には燃料である水素と一酸化炭素がそれぞれ供給されている。すなわち、酸化剤ガスは、図6に示すように給気用のマニホールドM3のマニホールド部材44−給気パイプ38a−ガス給気通路35aを通って、セルスタック2のインターコネクタ12を構成する各インターコネクタ12の凹部31内に上方から供給されると、単セル3の空気極27に接触する。電解質層26と空気極27の界面では、電極反応に寄与する三層界面が形成されており、空気極反応により酸化剤ガス中の酸素と電子が反応して酸素イオンに変わる。そして、この酸素イオンは、電解質層26の内部を移動して燃料極25に到達する。なお、生成物のガスおよび未反応の燃料ガスはガス排気パイプ35b−排気パイプ38b−排気用マニホールドM4を通って外部に排出される。
一方、給気用のマニホールドM1に供給された燃料ガスは、図5に示すようにマニホールド部材44−給気パイプ37a−ガス給気通路34aを通って、セルスタック2のインターコネクタセル接続部6を構成する各インターコネクタ12の凹部31内に供給されると、単セル3の燃料極25に接触する。燃料極25では、Ni−YSZサーメット、Pt等から形成された燃料極25の働きで、空気極27から電解質層26の内部を通って移動してきた酸素イオンが燃料極25に供給された水素および一酸化炭素と反応し、水蒸気または二酸化炭素と電子が生成される。そして、未反応の酸化剤ガスは、ガス排気通路34b−排気パイプ37b−排気用マニホールドM2を通って外部に排気される。
燃料極25で生成した電子は、外部回路を移動し空気極27に到達する。空気極27に到達した電子は、空気極反応により酸素と反応する。この電子が外部回路を移動する過程で電気エネルギーを出力として取り出すことができる。単セル3とインターコネクタ12は交互に積層され、各セル3の燃料極25に燃料ガスを供給し、空気極27に酸化剤ガスを供給することにより、図4に示したようなガス供給系と電気的接続が実現され、これにより接続損失の少ない高出力な固体酸化物形燃料電池を実現できる。
特開2006−339035号公報
S.Sugita,H.Arai,Y.Yoshida,H.Orui,and M.Arakawa: "Anode-supported planar-type SOFC development at NTT", ECS Transactions,5(2007)491-497.
近年、発電出力を上げるために、セルを多数積載したスタックを複数基搭載した平板型固体酸化物形燃料電池(SOFC)マルチスタックモジュールが開発されている。この平板型SOFCマルチスタックモジュールにおいては、複数基のスタックを水平方向に並設されるため、各スタックへの燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給と排出とがアンバランスとなって、スタックの作動不良を起こすという問題があった。
本発明は上記した従来の問題に鑑みなされたものであり、その目的とするところは、各スタックへの燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給および排出のバランスを良好にし、スタックの作動不良を防止した平板型SOFCマルチスタックモジュールを提供するところにある。
この目的を達成するために、本発明は、平板型固体酸化物形燃料電池が用いられ燃料ガスおよび空気を供給することにより発電を行うセルスタックを複数基並設した平板型固体酸化物形燃料電池マルチスタックモジュールにおいて、前記複数のセルスタックを平面視同心円上に位置させ、互いに円周方向に等角度をおいて配置し、これら複数の各セルスタックに空気を供給する各空気供給路を、装置の中央部側において平面視同心円上に位置付け、円周方向に互いに等角度をおいて配置し、前記複数の各セルスタックに燃料ガスを供給する各燃料ガス供給路を、装置の半径方向において前記複数の空気供給路の外側で平面視同心円上に位置付け、円周方向に互いに等角度をおいて配置し、前記複数のセルスタックに供給した空気または燃料ガスを排出する各空気排出路または燃料ガス排出路を、装置の半径方向において前記複数の空気供給路と前記複数の燃料ガス供給路との間において平面視同心円上に位置付け、円周方向に互いに等角度をおいて配置したものである。
本発明によれば、複数の各セルスタックに空気を供給する各空気供給路を平面視において同心円上で互いに円周方向に等間隔をおいて配置したことにより、各セルスタックに空気をバランスよく供給することができるため、スタックの作動不良を防止できる。また、複数の空気供給路を装置の中央部側に配置し、装置の中央部に籠もりやすい熱を相対的に風量の多い空気によって冷却することにより、装置の半径方向における熱勾配を小さくして装置全体の均熱を図ることができる。同時に、空気供給路を装置の中央部側に配置することにより、空気の供給源と空気供給路との距離を短くすることができるため、空気の圧損を防止できる。
本発明によれば、複数の各セルスタックに燃料ガスを供給する各燃料ガス供給路を平面視において同心円上で互いに円周方向に等間隔をおいて配置したことにより、各セルスタックに燃料ガスをバランスよく供給することができるため、スタックの作動不良を防止できる。
また、本発明によれば、複数のセルスタックに供給した空気および燃料ガスを排出する各ガス排出路を平面視において同心円上で互いに円周方向に等間隔をおいて配置したことにより、各セルスタックからのガスをバランスよく排出することができるためスタックの作動不良を防止することができる。
本発明に係る平板型SOFCマルチスタックモジュールの概略の構成を示す平面図である。 図1におけるII-II 線断面図である。 燃料極支持型固体酸化物形燃料電池セルの側面図である。 従来の平板型SOFCモジュールにおいて、セルスタックとマニホールドの分解斜視図である。 従来の平板型SOFCモジュールにおいて、燃料ガスの流れを示すセルスタックとマニホールドの断面図である。 従来の平板型SOFCモジュールにおいて、酸化剤ガスの流れを示すセルスタックとマニホールドの断面図である。
以下、本発明の実施の形態を図1および図2に基づいて説明する。
図1に全体を符号1で示す平板型固体酸化物形燃料電池マルチスタックモジュール(以下、平板型SOFCマルチスタックモジュールともいう)は、水平方向に並設された四基のセルスタック2を備えている。これら四基のセルスタック2は、平面視において装置(平板型SOFCマルチスタックモジュール1)の中心G1点を中心とした同心円R3上に位置付けられ、互いに円周方向に等角度(90°)をおいて配置されている。
各セルスタック2には、図示を省略した空気供給源から空気が供給される空気供給路4と、図示を省略した燃料ガス供給源から燃料ガスが供給される燃料ガス供給路5と、空気供給路4からガス給気通路35aを介して空気極27に供給された空気をガス排気通路(図示せず)を介して装置外部に排出する空気排出路6と、燃料ガス供給路5からガス給気通路34aを介して燃料極25に供給された燃料ガスをガス排気通路(図示せず)を介して装置外部に排出する燃料ガス排出路7とを備える。
これら空気供給路4、燃料ガス供給路5、空気排出路6、燃料ガス排出路7は、各セルスタック2の中心G2点を中心とした同心円R5上に位置付けられ、平面視において空気供給路4と燃料ガス供給路5とがG2点を挟んで互いに対向し、空気排出路6と燃料ガス排出路7とがG2点を挟んで互いに対向するように、円周方向に等角度(90°)をおいて配置されている。
また、四基のセルスタック2は、各空気供給路4がG1点を中心とした同心円R1上に位置付けられるとともに、各空気排出路6および各燃料ガス排出路7がG1点を中心とした同心円R3上に位置付けられ、かつ各燃料ガス供給路5がG1点を中心とした同心円R4上に位置付けられるように配置されている。ここで、円R1,R3,R4の半径をそれぞれr1,r3,r4とすると、r1,r3,r4はr1<r3<r4に設定されている。
すなわち、各空気供給路4は装置としての平板型SOFCマルチスタックモジュール1の中央部側に配置されており、各燃料ガス供給路5は装置の中心G1点から装置の半径方向において空気供給路4の外側に配置され、各空気排出路6および各燃料ガス排出路7は、中心G1点から装置の半径方向において、空気供給路4と燃料ガス供給路5との間に配置されている。
また、四基のセルスタック2は、各空気供給路4が同心円R1上で互いに円周方向に等角度(90°)をおいて位置付けられるとともに、各燃料ガス供給路5が同心円R4上で互いに円周方向に等角度(90°)をおいて位置付けられ、かつ各空気排出路6が同心円R3上で互いに円周方向に等角度(90°)をおいて位置付けられ、燃料ガス排出路7が同心円R3上で互いに円周方向に等角度(90°)をおいて位置付けられるように配置されている。
このように、複数の各セルスタック2に空気を供給する各空気供給路4を、平面視において装置の中心G1点を中心とした同心円R1上に位置させ、これらを円周方向に互いに等角度をおいて配置したことにより、各セルスタック2に空気をバランスよく供給することができるため、スタックの作動不良を防止できる。また、複数の空気供給路4を装置の中央部に配置したことにより、装置の中央部に籠もりやすい熱を相対的に風量の多い空気によって冷却するができるため、装置の半径方向における熱勾配を小さくして、装置全体の均熱を図ることができる。同時に、空気供給路4を装置の中央部側に配置することにより、空気の供給源と空気供給路4との距離を距離を短くすることができるため、空気の圧損を防止できる。
また、複数の各セルスタック2に燃料ガスを供給する各燃料ガス供給路5を平面視において同心円R4上に位置させ、円周方向に互いに等間隔をおいて配置したことにより、各セルスタック2に燃料ガスをバランスよく供給することができるため、スタックの作動不良を防止できる。また、複数のセルスタック2に供給した空気および燃料ガスを排出する各ガス排出路6,7を、平面視において同心円R3上に位置させ、円周方向に互いに等間隔をおいて配置したことにより、各セルスタック2からのガスをバランスよく排出することができるためスタックの作動不良を防止することができる。
1…平板型固体酸化物形燃料電池(SOFC)マルチスタックモジュール、2…セルスタック、3…単セル、4…空気供給路、5…燃料ガス供給路、6…空気排出路、7…燃料ガス排出路、25…燃料極、27…空気極、34a,35a…ガス給気通路、34b,35b…ガス排気通路。

Claims (1)

  1. 平板型固体酸化物形燃料電池が用いられ燃料ガスおよび空気を供給することにより発電を行うセルスタックを複数基並設した平板型固体酸化物形燃料電池マルチスタックモジュールにおいて、
    前記複数のセルスタックを平面視同心円上に位置させ、互いに円周方向に等角度をおいて配置し、
    これら複数の各セルスタックに空気を供給する各空気供給路を、装置の中央部側において平面視同心円上に位置付け、円周方向に互いに等角度をおいて配置し
    前記複数の各セルスタックに燃料ガスを供給する各燃料ガス供給路を、装置の半径方向において前記複数の空気供給路の外側で平面視同心円上に位置付け、円周方向に互いに等角度をおいて配置し、
    前記複数のセルスタックに供給した空気または燃料ガスを排出する各空気排出路または燃料ガス排出路を、装置の半径方向において前記複数の空気供給路と前記複数の燃料ガス供給路との間において平面視同心円上に位置付け、円周方向に互いに等角度をおいて配置した
    ことを特徴とする平板型固体酸化物形燃料電池マルチスタックモジュール。
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