JP5469050B2 - 平板型固体酸化物形燃料電池スタック - Google Patents

Description

本発明は、平板型固体酸化物形燃料電池スタックに関するものである。

平板型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）は、他の燃料電池に比べて発電効率が高く、また作動温度が高い（７００〜１０００℃）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１参照）。

図４ないし図８に従来の平板型ＳＯＦＣスタックを示す。図４において、１は１枚の単セルと複数枚のセパレータ等で構成される発電ユニット、２は発電ユニット１を複数、例えば８枚積層して電気的に直列に接続することにより形成された平板型ＳＯＦＣスタックである。また、３，４は平板型ＳＯＦＣスタック２の上下面を挟持する金属製のトッププレートおよびベースプレート、５は平板型ＳＯＦＣスタック２を収納する断熱容器、６は平板型ＳＯＦＣスタック２を加圧、シールする荷重機構で、これら部材によって平板型ＳＯＦＣモジュール７を構成し、平板型ＳＯＦＣスタック２に燃料ガスＧ２と酸化剤ガスＧ１を供給することにより発電を行なうようにしている。

荷重機構６は、トッププレート３の上方に配置された押圧板８と、トッププレート３と押圧板８との間に介在された加圧手段９とを備えている。加圧手段９としては、金属酸化物を高温で熱処理して焼き固めた高温仕様に耐え得るばね、言い換えればセラミックス製の圧縮コイルばね（以下、セラミックスばねという）が用いられ、その弾撥力でトッププレート３を平板型ＳＯＦＣスタック２に押し付けることにより、各発電ユニット１のセル間の密着度を高め（常温では隙間だらけ）、接続部分での電力の伝達損失を少なくしている。なお、加圧手段として用いるばねは、上記金属酸化物のほか、非金属酸化物または非酸化物の材質も使用できる。

押圧板８は、ベースプレート４上に立設した複数本の支持部材としてのボルト１０の上部に上下動自在に取り付けられ、セラミックスばね９による平板型ＳＯＦＣスタック２への荷重を調整する荷重調整手段としてのナット１１によってセラミックスばね９に押し付けられている。荷重機構６によって平板型ＳＯＦＣスタック２に掛ける荷重は、ナット１１を回転させて押圧板８の高さを調整し、セラミックスばね９の圧縮量を変えることにより自由に調整することができる。

図５および図６において、発電ユニット１は、１枚の単セル１５と、複数枚のセパレータセット１６と、セルホルダー１７等で構成されている。単セル１５は、平板型の固体酸化物からなる電解質層１８と、この電解質層１８の表裏面にそれぞれ形成した空気極１９および燃料極２０とからなり、燃料極支持型の単セルを形成している。

セパレータセット１６は、酸化剤ガスＧ１および燃料ガスＧ２のそれぞれの経路となる穴２９ｂおよび２９ａと、酸化剤ガスＧ１および燃料ガスＧ２のそれぞれの排出経路となる穴２９ｃおよび２９ｄとを有する、例えば４枚の金属製のセパレータ２２〜２５とセルホルダー１７を重ね合わせることにより構成されている。これらのセパレータ２２〜２５とセルホルダー１７は、単セル１５を収納する空間１７ａと、空気極１９に酸化剤ガスＧ１を供給する酸化剤ガス供給経路２７および酸化剤ガスＧ１を排出する酸化剤ガス排出経路（図示せず）と、燃料極２０に燃料ガスＧ２を供給する燃料ガス供給経路２８および燃料ガスＧ２を排出する燃料ガス排出経路（図示せず）と、単セル１５から電気を取り出す経路（図示せず）を形成している。

セパレータ２２は空気供給板として機能するものであって、図８において下面に、図７（Ａ）に示すように、一端側が穴２９ｂに連通され他端側が中心にまで延設された深さＨＡの溝２７、すなわち酸化剤ガス供給経路２７が形成されている。セパレータ２３は空気流路板として機能するものであって、図８において下面に、図７（Ｂ）に破線で示す平面視円形の領域内に酸化剤流路２３ａが形成されており、中心には、この酸化剤流路２３ａに上記酸化剤ガス供給経路２７からの酸化剤ガスＧ１を供給するための供給孔２３ｂが形成されている。

セパレータ２５は燃料供給板として機能するものであって、図８において上面に、図７（Ｅ）に示すように一端側が穴２９ａに連通され他端側が中心にまで延設された深さＨＦの溝２８、すなわち燃料ガス供給経路２８が形成されている。セパレータ２４は燃料流路板として機能するものであって、図８において上面に、図７（Ｄ）に実線で示す平面視円形の領域内に燃料流路２４ａが形成されており、中心には、この燃料流路２４ａに上記燃料ガス供給経路２８からの燃料ガスＧ２を供給するための供給孔２４ｂが形成されている。

このような構成において、ドライ水素等の燃料ガスＧ２は、セパレータ２５の燃料ガス供給経路２８から供給孔２４ｂを介して燃料流路２４ａを通り、単セル１５の燃料極２０に供給される。一方、空気等の酸化剤ガスＧ１は、セパレータ２２の酸化剤ガス供給経路２７から供給孔２３ｂを介して酸化剤流路２３ａを通り、単セル１５の空気極１９に供給される。

このように、燃料ガスＧ２および酸化剤ガスＧ１が所定の温度下において単セル１５に供給されると、燃料極２０と空気極１９とにおいて電気化学反応が発生する。このような状態で、平板型ＳＯＦＣスタック２の上端のセパレータ２２と下端のセパレータ２５とを端子として負荷回路に接続すると、電力を取り出すことができる。

このような平板型ＳＯＦＣモジュール７は、定常運転を想定する温度（８００〜１０００℃）に昇温した後に、アノードの還元を行ってから発電を開始する。一度還元した単セル１５は、アノード側を還元雰囲気に保ち続ければ、再度酸化されることはない。すなわち、還元作業が必要なのは、最初に昇温した時のみである。アノードを還元すると、アノードの厚さが減少して単セル１５が薄くなる。このため、初期の還元で、平板型ＳＯＦＣスタック２の高さは、単セル１５自体の痩せや、柔らかい集電部材の潰れや、シール材（ガラス）の溶融等により低くなる。

次に、本発明の平板型ＳＯＦＣモジュール７の運転方法について説明する。平板型ＳＯＦＣモジュール７の初期還元運転時には、荷重機構６によって大きな荷重を掛ける必要がある。大きな荷重を掛ける場合は、ナット１１を締め付けることにより押圧板８を押し下げ、セラミックスばね９を圧縮させる。これにより、荷重機構６による初期還元時の荷重が平板型ＳＯＦＣスタック２に掛けられる。

初期還元運転が終了した後も大きな荷重を掛け続けると、ボルト１０が破断して、発電装置を破壊するおそれがある。そのため初期還元後は、ナット１１を緩め荷重機構６による荷重を調整して通常運転時と同じ荷重にし、通常運転を行なう。

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.

平板型ＳＯＦＣスタックにおいて、セパレータに金属材料を用いると、平板型ＳＯＦＣスタックの重量が重くなるという課題があった。したがって、平板型ＳＯＦＣスタックでは、小型化・軽量化が要求されている。上述したような従来の平板型ＳＯＦＣスタック２では、四枚のセパレータ２２ないし２５を用いて、最小の発電単位である発電ユニット１を構築している。この発電ユニット１のポイントは、単セル１５の中心にフレッシュな酸化剤ガスＧ１および燃料ガスＧ２を吹き付けている点にある。

平板型ＳＯＦＣスタック２において軽量化を図るために、セパレータ２２，２５の板厚を薄くすることが考えられるが、単に、板厚を薄くするだけでは、酸化剤ガス供給経路２７および燃料ガス供給経路２８も浅くなってしまい経路２７，２８を通過するガスの圧力損失が大きくなるという問題が生じる。

また、空気供給板２２と燃料供給板２５とを共通化するために、例えば、一枚の共通供給板のいずれか一方の面に酸化剤ガス供給経路２７を設け、他方の面に燃料ガス供給経路２８を設け、構成部品の点数を削減することにより、小型化・軽量化を図ることはできる。しかし、酸化剤ガス供給経路２７および燃料ガス供給経路２８は、ガスの圧力損失を低減させるためには、これら供給経路２７，２８を共通供給板の板厚の半分以上の深さにする必要があり、両面に供給経路２７，２８を設けると、中心付近で供給経路２７，２８が連通してしまう。このように、酸化剤ガスＧ１と燃料ガスＧ２とが単セル１５に供給される以前に混ざると、単なる燃料の燃焼反応が起こってしまい、燃料がロスされることになり、電池性能が大幅に低下する。

また、中心付近での干渉を避けるために、供給経路２７，２８の経路を変えるということが考えられるが、その場合、酸化剤ガスＧ１または燃料ガスＧ２のいずれか一方を単セル１５の中心に対して供給するのを諦めることになる。すなわち、酸化剤ガスＧ１または燃料ガスＧ２とのいずれか一方を単セル１５の中心からずれた位置に供給することになる。電流密度が最も高くなる単セル１５の中心に対してフレッシュな酸化剤ガスＧ１と燃料ガスＧ２を供給することが最も望ましいので、酸化剤ガスＧ１または燃料ガスＧ２のいずれか一方の供給が単セル１５の中心からずれると、電池性能が低下する。

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、電池性能を低下させることなく、小型化・軽量化を図った平板型ＳＯＦＣスタック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、電解質および前記電解質の一面に設けられた燃料極ならびに前記電解質の他面に設けられた空気極からなる単セルと、前記燃料極に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給経路および前記空気極に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給経路が設けられたセパレータと、を備えた発電ユニットを積層して電気的に直列に接続することにより形成された平板型固体酸化物形燃料電池スタックにおいて、前記セパレータは、前記燃料極に燃料ガスを供給する燃料流路が設けられた燃料流路板と、前記空気極に酸化剤ガスを供給する酸化剤流路が設けられた空気流路板と、一面に第１のガス供給経路が設けられ他面に第２のガス供給経路が設けられた燃料・空気共通供給板とを備え、前記燃料・空気共通供給板に対する上面からの平面視において、前記第１のガス供給経路および第２のガス供給経路を、互いの先端が重ならないように共に前記燃料・空気共通供給板の中心方向に向かって延設し、前記燃料流路板に、前記第１のガス供給経路に対向するように前記単セルの中心まで延設され当該第１のガス供給経路と協働して前記燃料ガス供給経路を形成する燃料ガス補助経路を設け、前記空気流路板に、前記第２のガス供給経路に対向するよう前記単セルの中心まで延設され当該第２のガス供給経路と協働して前記酸化剤ガス経路を形成する酸化剤ガス補助経路を設け、前記第１および第２のガス供給経路は、互いの深さの合計が前記燃料・空気共通供給板の厚みより大きく形成されているものである。

本発明は、前記発明において、前記第１および第２のガス供給経路のうち、いずれか一方のガス経路のみが前記燃料・空気共通供給板の中心まで延設されているものである。

本発明は、前記発明のいずれか一つの発明において、前記第１および第２のガス供給経路は、互いの深さの合計が前記燃料・空気共通供給板の厚みより大きく形成されているものである。

本発明によれば、第１および第２のガス供給経路が互いに重ならないように形成されているため、これらガス供給経路を深く形成することができるため、圧力損失を低減することができる。また、燃料ガス供給経路および酸化剤ガス供給経路を共に、単セルの中心まで延設することができるため、電流密度が最も高くなる単セルの中心に対してフレッシュな酸化剤ガスと燃料ガスを供給することができるから、電池性能を向上させることができる。また、単セルの中心付近で燃料ガス供給経路および酸化剤ガス供給経路が連通するようなことがないので、酸化剤ガスと燃料ガスとが単セルに供給される以前に混ざるようなことがない。このため、単なる燃料の燃焼反応が起こるようなことがないから、燃料のロスがなくなり、電池性能の低下を阻止することができる。

前記発明のうちの一つの発明によれば、一枚の燃料・空気共通供給板に十分な深さの燃料ガス供給経路および酸化剤ガス供給経路を形成することができるため、圧力損失を発生させることなく、装置の薄型化を図ることができる。

本発明に係る平板型固体酸化物形燃料電池スタックを構成する発電ユニットの分解斜視図である。 本発明に係る平板型固体酸化物形燃料電池スタックを構成する発電ユニットの各セパレータの平面図である。 図２（Ａ）ないし（Ｄ）におけるIII-III 線断面図である。 一般的な平板型固体酸化物形燃料電池モジュールの側面図である。 従来の発電ユニットの分解斜視図である。 燃料極支持型の単セルの側面図である。 従来の発電ユニットの各セパレータの平面図である。 図７（Ａ）ないし（Ｅ）に示す各セパレータを重ね合わせた状態におけるVIII-VIII 線断面図である。

以下、本発明の実施の形態を図１ないし図３に基づいて説明する。これらの図において、上述した図４ないし図８に示す従来技術において説明した同一または同等の部材については同一の符号を付し、詳細な説明は適宜省略する。

本発明の第１の特徴は、従来四枚必要としていたセパレータ２２ないし２５を三枚として、このうちの一枚のセパレータ３０を燃料・空気共通供給板として機能させ、表裏のそれぞれに第１および第２のガス供給経路３０ａ，３０ｂを設けた点にある。第２の特徴は、これら第１および第２のガス供給経路のうち、一方の第１のガス供給経路３０ａはセパレータ３０の中心まで延設され、他方の第２のガス供給経路３０ｂは第１のガス供給経路３０ａに重ならないようにセパレータ３０の中心に向かって延設されている点にある。第３の特徴は、第１のガス供給経路３０ａと協働して燃料ガス供給経路２８を形成する燃料ガス補助経路２４ｃをセパレータ２４に設け、第２のガス供給経路３０ｂと協働して酸化剤ガス供給経路２７を形成する酸化剤ガス補助経路２３ｃをセパレータ２３に設けた点にある。

すなわち、図３に示すようにセパレータ２３の上面に燃料・空気共通供給板として機能するセパレータ３０が重ね合わされており、このセパレータ３０の上面には、図２（Ａ）に示すように、穴２９ａに一端が連通され、他端部がセパレータ３０の中心にまで延設された溝状の第１のガス供給経路３０ａが設けられている。また、このセパレータ３０の裏面には、穴２９ａと対角線上に位置する穴２９ｂに一端が連通され、他端部が平面視において上記第１のガス供給経路３０ａに重ならないようにセパレータ３０の中心方向に延設された溝状の第２のガス供給経路３０ｂが設けられている。すなわち、この第２のガス供給経路３０ｂは、穴２９ａの方向（第１のガス供給経路３０ａの延在方向に一致する方向）に延設され、この延設された他端部の先端３０ｄと、第１のガス供給経路３０ｂの延設された他端部の先端３０ｃとの間は平面視のおいて間隔３１だけ隔てられている。

第１のガス供給経路３０ａの深さＨＦ１と、第２のガス供給３０ｂの深さＨＡ１とは同じ深さに形成され、これら深さＨＦ１とＨＡ１とを合計した深さは、セパレータ３０の厚みｔよりも大きく形成されている。上述したように、第２のガス供給経路３０ｂの他端部の先端３０ｄと、第１のガス供給経路３０ａの他端部の先端３０ｃとが平面視において重なっていないので、これら第１および第２のガス供給経路３０ａ，３０ｂは連通していない。

セパレータ２３の上面には、図２（Ｂ）および図３に示すように、一端が穴２９ｂに連通され、他端部がセパレータ２３（単セル１５）の中心までに延設され供給孔２３ｂに連通された溝状の酸化剤ガス補助経路２３ｃが設けられている。この酸化剤ガス補助経路２３ｃは上記第２のガス供給経路３０ｂに対向され、この第２のガス供給経路３０ｂと連通されており、この第２のガス供給経路３０ｂと協働して酸化剤ガス供給経路２７を形成している。この酸化剤ガス補助経路２３ｃは深さＨＡ２に形成されており、酸化剤ガス供給経路２７は、酸化剤ガス補助経路２３ｃの深さＨＡ２と第２のガス供給経路ＨＡ１とを合計した深さＨＡに形成されている。また、酸化剤ガス供給経路２７は、酸化剤ガス補助経路２３ｃがセパレータ２３の中心まで延設されていることにより、単セル１５の中心まで延設されている。

セパレータ２４の下面には、図２（Ｄ）および図３に示すように、一端が穴２９ａに連通され、他端部がセパレータ２４（単セル１５）の中心までに延設され供給孔２４ｂに連通された溝状の燃料ガス補助経路２４ｃが設けられている。この燃料ガス補助経路２４ｃは上記第１のガス供給経路３０ａに対向し、この第１のガス供給経路３０ａと連通されており、この第１のガス供給経路３０ａと協働して燃料ガス供給経路２８を形成している。この燃料ガス補助経路２４ｃは深さＨＦ２に形成されており、燃料ガス供給経路２８は、燃料ガス補助経路２４ｃの深さＨＦ２と第１のガス供給経路ＨＦ１とを合計した深さＨＦに形成されている。また、燃料ガス供給経路２８は、燃料ガス補助経路２４ｃおよび第１のガス供給経路３０ａが共にセパレータ２４，３０の中心まで延設されていることにより、単セル１５の中心まで延設されている。

このような構成において、ドライ水素等の燃料ガスＧ２は、セパレータ２４，３０の協働によって形成された燃料ガス供給経路２８から供給孔２４ｂを介して燃料流路２４ａを通り、単セル１５の燃料極２０に供給される。一方、空気等の酸化剤ガスＧ１は、セパレータ２３，３０の協働によって形成された酸化剤ガス供給経路２７から供給孔２３ｂを介して酸化剤流路２３ａを通り、単セル１５の空気極１９に供給される。

このように、第１および第２のガス供給経路３０ａ，３０ｂが互いに重ならないように形成されているため、これらガス供給経路３０ａ，３０ｂを深く形成することができるため、ガスＧ１，Ｇ２の圧力損失を低減することができる。また、燃料ガス供給経路２８および酸化剤ガス供給経路２７を共に、単セル１５の中心まで延設することができるため、電流密度が最も高くなる単セル１５の中心に対してフレッシュな酸化剤ガスＧ１と燃料ガスＧ２を供給することができるから、電池性能を向上させることができる。

また、第２のガス供給経路３０ｂが、平面視において同じセパレータ３０に形成された第１のガス供給経路３０ａに重ならないように形成され、セパレータ３０の中心付近において、これら両ガス供給経路３０ａ，３０ｂが連通することがない。したがって、単セル１５の中心付近で燃料ガス供給経路２８および酸化剤ガス供給経路２７が連通するようなことがないので、酸化剤ガスＧ１と燃料ガスＧ２とが単セル１５に供給される以前に混ざるようなことがない。このため、単なる燃料の燃焼反応が起こるようなことがないから、燃料のロスがなくなり、電池性能の低下を阻止することができる。また、一枚のセパレータ３０に十分な深さの第１および第２のガス供給経路３０ａ，３０ｂを形成することができるため、ガスの圧力損失を発生させることなく、装置の薄型化を図ることができる。

なお、本実施の形態においては、燃料ガス供給経路２８を形成する第１のガス供給経路３０ａをセパレータ３０の中心まで延設するように形成したが、酸化剤ガス供給経路２７を形成する第２のガス供給経路３０ｂをセパレータ３０の中心まで延設するように形成してもよく、その場合は、第１のガス供給経路３０ａを第２のガス供給経路３０ｂに重ならないように延設すればよい。また、第１および第２のガス供給経路３０ａ，３０ｂを、互いの先端３０ｃ，３０ｄが重ならないように共にセパレータ３０の中心方向に向かって延設するようにしてもよく、その場合は、第１および第２のガス供給経路３０ａ，３０ｂを、共にセパレータ３０の中心まで延設する必要はない。また、燃料極２０に十分な強度を持たせた燃料極支持型の単セル１５を用いた例を示したが、これに限らず十分な強度を有する平板型固体電解質１８の表裏面に空気極１９、燃料極２０をそれぞれ配置した電解質支持型の単セルまたは空気極１９に十分な強度を持たせた空気極支持型の単セルを用いてもよい。

１…発電ユニット、２…平板型固体酸化物形燃料電池スタック（平板型ＳＯＦＣスタック）、７…平板型固体酸化物形燃料電池モジュール（平板型ＳＯＦＣモジュール）、１５…単セル、１６…セパレータセット、１８…電解質、１９…空気極、２０…燃料極、２２，２３，２４，２５，３０…セパレータ、２３ａ…酸化剤流路、２４ａ…燃料流路、２３ｃ…酸化剤ガス補助経路、２４ｃ…燃料ガス補助経路、２７…酸化剤ガス供給経路、２８…燃料ガス供給経路、３０ａ…第１のガス供給経路、３０ｂ…第２のガス供給経路。

Claims (2)

1. 電解質および前記電解質の一面に設けられた燃料極ならびに前記電解質の他面に設けられた空気極からなる単セルと、
   前記燃料極に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給経路および前記空気極に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給経路が設けられたセパレータと、
   を備えた発電ユニットを積層して電気的に直列に接続することにより形成された平板型固体酸化物形燃料電池スタックにおいて、
   前記セパレータは、前記燃料極に燃料ガスを供給する燃料流路が設けられた燃料流路板と、前記空気極に酸化剤ガスを供給する酸化剤流路が設けられた空気流路板と、一面に第１のガス供給経路が設けられ他面に第２のガス供給経路が設けられた燃料・空気共通供給板とを備え、
   前記燃料・空気共通供給板に対する上面からの平面視において、前記第１のガス供給経路および第２のガス供給経路を、互いの先端が重ならないように共に前記燃料・空気共通供給板の中心方向に向かって延設し、
   前記燃料流路板に、前記第１のガス供給経路に対向するように前記単セルの中心まで延設され当該第１のガス供給経路と協働して前記燃料ガス供給経路を形成する燃料ガス補助経路を設け、
   前記空気流路板に、前記第２のガス供給経路に対向するよう前記単セルの中心まで延設され当該第２のガス供給経路と協働して前記酸化剤ガス経路を形成する酸化剤ガス補助経路を設け、
   前記第１および第２のガス供給経路は、互いの深さの合計が前記燃料・空気共通供給板の厚みより大きく形成されている
   ことを特徴とする平板型固体酸化物形燃料電池スタック。
2. 請求項１記載の平板型固体酸化物形燃料電池スタックにおいて、
   前記第１および第２のガス供給経路のうち、いずれか一方のガス経路のみが前記燃料・空気共通供給板の中心まで延設されていることを特徴とする平板型固体酸化物形燃料電池スタック。

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