JP5394998B2

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

Info

Publication number: JP5394998B2
Application number: JP2010149273A
Authority: JP
Inventors: 雅之横尾; 創荒井; 克也林; 吉晃吉田
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2010-06-30
Filing date: 2010-06-30
Publication date: 2014-01-22
Anticipated expiration: 2030-06-30
Also published as: JP2012014917A

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

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。