JP5662221B2 - 固体酸化物形燃料電池セル、それを備えた燃料電池モジュール、および燃料電池装置 - Google Patents
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Description
セルの一方側に設けられる燃料ガス供給部から前記燃料ガス流路に燃料ガスの供給を受けるとともに、セルの他方側に設けられるオフガス放出部へ前記燃料ガス流路を介して燃料ガスを放出する構成で、
前記導電性支持体の内部に、複数の前記燃料ガス流路を並設して備えた固体酸化物形燃料電池セル、それを備えた燃料電池モジュール、および燃料電池装置に関する。
この種の固体酸化物形燃料電池セルは、その複数と、前記空気極層に電気的に接続される第一面と、前記インターコネクタに電気的に接続される第二面とを備えた集電部材との複数とを、集電部材の第一面に特定の固体酸化物形燃料電池セルの空気極層が電気的に接続され、集電部材の第二面に別の固体酸化物形燃料電池セルのインターコネクタが電気的に接続される形態で、固体酸化物形燃料電池セルと集電部材とを交互に配置して設け、固体酸化物形燃料電池モジュールを構成する。
更に、当該固体酸化物形燃料電池モジュールを所定形状の収納容器内に収納し、前記燃料ガス流路に燃料ガスを、さらに、前記燃料ガスに対する酸素含有ガスを前記収納容器内に供給することで、電力を発生させることができる。
ここで、特許文献1の図1、2から明らかなように、並設される燃料ガス流路は、多くの場合、その流路径が同一とされるとともに、その流路長も同一とされ、燃料ガスは、燃料ガス流路を下方から上方へ並行流を成して流れる構成とされていた。
セルの一方側に設けられる燃料ガス供給部から前記燃料ガス流路に燃料ガスの供給を受けるとともに、セルの他方側に設けられるオフガス放出部へ前記燃料ガス流路を介して燃料ガスを放出する構成で、
前記導電性支持体の内部に、複数の前記燃料ガス流路を並設して備えた固体酸化物形燃料電池セルの、本願第1の特徴構成は、
前記並設される前記複数の燃料ガス流路のうち、並設方向で隣接する一対の燃料ガス流路に関して、
一方の燃料ガス流路を、前記燃料ガス供給部側に開放されかつ前記オフガス放出部側で閉止されて、前記燃料ガス供給部から燃料ガスの供給を受け、且つ前記オフガス放出部へ燃料ガスの放出を行わない上流側燃料ガス流路として構成し、
他方の燃料ガス流路を、前記燃料ガス供給部側で閉止されかつ前記オフガス放出部側に開放されて、前記上流側燃料ガス流路から燃料ガスの供給を受け、且つ前記オフガス放出部へ燃料ガスの放出を行う下流側燃料ガス流路として構成したことにある。
さらに、上流側燃料ガス流路を流れる燃料ガスのガス圧は、相対的に、従来のオフガス放出部側が開放された燃料ガス流路のガス圧より上昇する。結果、導電性支持体内への燃料ガスの送り込み、及び導電性支持体内からの生成ガスの排出を、従来より効率的に行うことができ、固体酸化物形燃料電池セルの利用効率を向上させることができた。
さらに、上流側燃料ガス流路と下流側燃料ガス流路とを備えた「複合形燃料ガス流路」全体で、圧力損失が増加することとなるため、結果的に複数並列配置される固体酸化物形燃料電池セル間で、流量のばらつきを抑えることが可能となった。
この構成では、前記並設される前記複数の燃料ガス流路のうち、並設方向で隣接する3の燃料ガス流路として、
前記燃料ガス供給部側に開放され、前記燃料ガス供給部から燃料ガスの供給を受け、前記オフガス放出部へ燃料ガスの放出を行わない上流側燃料ガス流路と、
当該上流側燃料ガス流路に連通され、前記上流側燃料ガス流路から燃料ガスの供給を受ける中間燃料ガス流路と、
当該中間燃料ガス流路に連通されかつ前記オフガス放出部側に開放されて、前記中間燃料ガス流路から燃料ガスの供給を受け、且つ前記オフガス放出部へ燃料ガスの放出を行う下流側燃料ガス流路とを有するように構成する。
前記燃料ガス流路の燃料ガス供給部側若しくはオフガス放出部側を閉止するに、前記燃料ガス供給部から前記オフガス放出部に向かう方向であるガス流通方向において、
セルに設けられる発電に寄与する発電寄与部分の端面位置を越えた位置の燃料ガス流路端部側部位で前記燃料ガス流路を閉止する。
ここで、発電に寄与する発電寄与部分とは、燃料極層、固体電解質層及び空気極層が積層された部分であり、多くの場合、ガス流通方向の当該発電寄与部分に集電部材が電気的に接続して設けられる。
導電性支持体内に設けられた孔を閉止する構造とする場合、その閉止体が、導電成支持体の熱膨張率より大きいと、熱膨張量の差に起因して、導電性支持体に無理な熱応力がかかり損傷する可能性がある。これに対して、閉止体の熱膨張率を導電性支持体の熱膨張率と同じかより低く抑えることで、熱ひずみの発生、損傷の発生を抑えることができる。
上記の閉止構造においては、燃料ガス流路の閉止を行うのに、導電性支持体内に形成された燃料ガス流路内に閉止体を挿入して、閉止を行う構造に関して説明したが、燃料ガス流路の入口或いは出口に、その流路への燃料ガスの流入、流出、或いはその燃料ガス流路から他の燃料ガスの流出をコントロール(調整)するための燃料ガス流路調整部材(例えば、調整用プレート)を設けてもよい。
前記燃料ガス供給部から前記オフガス放出部に向かう方向であるガス流通方向の複数の燃料ガス流路の端部外側に、燃料ガス流路調整部材を設け、
前記燃料ガス流路調整部材により、前記燃料ガス流路の閉止、開放あるいは、他の燃料ガス流路と連通を行うのである。
燃料電池装置FCの概略
図1に燃料電池装置FCの概略構造を、図2に、燃料電池モジュールFCMの外観斜視図を示した。
図1、図2に示すように、燃料電池装置FCは、概略、外装ケース50内に燃料電池モジュールFCMと、燃料電池セルスタック装置CSを動作させるための補機とを収納して構成されている。
これら図からも判明するように、燃料電池装置FCは、外装ケース50内を仕切板51により上下に区画した構成とされており、その上方室52が燃料電池モジュールFCMを収納するモジュール収納室とされ、下方室53が燃料電池モジュールFCMを動作させるための補機類(図示省略)を収納する補機収納室とされている。
図2は、燃料電池モジュールFCMの一例を示す外観斜視図であり、燃料電池モジュールFCMは直方体状の収納容器30の内部に燃料電池セルスタック装置CSを収納して構成されている。
以下、本願独特の構成を有する燃料電池セルについて説明する。本願では、燃料電池セルの実施形態として、第1実施形態、第2実施形態を紹介する。これらの実施形態において、その異なるところは、「複合形燃料ガス流路200」の形成形態であるため、先ず、全ての実施形態で共通する共通構成に関して説明する。
以下、第1実施形態、第2実施形態を紹介する。
図5、図7,図8は、上下方向が図3(a)の上下方向である。ここで、下方から上方に向かう方向で、本願における「ガス流通方向」である。即ち、図3(a)下側に、マニホールドMが位置されており、このマニホールドMが燃料ガス供給部70となっている。一方、図3(a)上側が、燃料ガス流路2からオフガス(生成ガス及び燃料ガスから成る)が放出されるオフガス放出部80となっている。先にも説明したように、このオフガス放出部80では、燃料ガスが酸素含有ガスと混合され、燃焼炎81が形成される。図5、図7、図8には、実線矢印で、主に燃料ガスの流れ方向を示している。
図5に示すように、この実施形態の燃料電池セル10では、並設方向で隣接する燃料ガス流路2がそれぞれ対を成して、本願に言う「複合形燃料ガス流路200」を構成する。
即ち、対を成す一方の燃料ガス流路2の上部側先端に閉止部40を設け、燃料ガス供給部70側に開放され、オフガス放出部80側で閉止された上流側燃料ガス流路2Uとして構成する。一方、図上他方の燃料ガス流路2の下部側先端に閉止部40を設け、燃料ガス供給部70側で閉止され、オフガス放出部80側に開放された下流側燃料ガス流路2Dとして構成する。
同図において、「A」「B」「C」「D」「E」は、燃料ガス流路2(2U,2D)及び導電性支持体1内の位置に対応している(図6(b)において同じ)。本願に係る固体酸化物形燃料電池においては、導電性支持体1内に進入した燃料ガス(H2,CO)は燃料極層3において酸素の供与を受けて、生成ガス(H2O,CO2)を生成する。図6(b)に、本願構成(左図)と従来構成(右図)に関して、導電性支持体1内における燃料ガス濃度及び燃料ガスの流量を示した。実線が本願構造の燃料ガス濃度を示し、実線矢印が燃料ガスの流れ方向及びその流量を示している。実線矢印の矢示方向が燃料ガスの流れ方向であり、その太さが燃料ガス流量を示している。ここで、太い方が流量が大きい。矢印の表記において、図6(b)では、下側を燃料ガス供給部70側とし、上側をオフガス放出部80側として模式的にしている。この図から判明するように、本願構成にあっては、上流側燃料ガス流路2Uのガス圧が上昇することとなるため、従来構造に比較して、燃料ガスの導電性支持体1内への進入効率が高くなるとともに、反応面での燃料ガス濃度が上昇し、さらに導電性支持体1内からの生成ガス(H2O,CO2)の排出効率も上昇する。結果、全体として燃料電池の利用効率を上昇させることができる。
図7に示すように、この実施形態では、並設方向で隣接する3の燃料ガス流路2で、本願に言う「複合形燃料ガス流路200」を構成している。この実施形態は、先に説明した調整用プレートMc(燃料ガス流路調整部材の一例)を採用する例であり、入口側調整用プレートMcI及び出口側調整用プレートMcOを設けている。
この実施形態では、一対の「複合形燃料ガス流路200」を備えており、断面視で燃料電池セル10の幅方向両端側で燃料ガスの供給を受け、中央側で開放して、燃料炎81が形成される構造が採用されている。
以下、図上、左側に位置する「複合形燃料ガス流路200」に関して説明する。
この例では、図上、3の燃料ガス流路2のうち、左側に位置する(即ち一方の並設方向端に位置する)一端側燃料ガス流路を、燃料ガス供給部70側に開放され、下流側の燃料ガス流路2Mに連通された上流側燃料ガス流路2Uとしている。一方、3の燃料ガス流路2のうち、最も右側に位置する(他方の並設方向端に位置する)他端側燃料ガス流路を上流側の燃料ガス流路2Mに連通され、オフガス放出部80側に開放された下流側燃料ガス流路2Dとして構成している。さらに、一端側燃料ガス流路2Uと他端側燃料ガス流路2Dとの間に位置する燃料ガス流路2を、一端側燃料ガス流路2Uから燃料ガスの供給を受け、他端側燃料ガス流路2Dに燃料ガスを供給する中間燃料ガス流路2Mとして構成している。
即ち、燃料電池セル10の両端部に、入口側調整用プレートMcI及び出口側調整用プレートMcOを設け、燃料ガス流路調整部材により、燃料ガス流路の開放、閉止、上流側或いは下流側燃料ガス流路との連通を行っている。
入口側調整用プレートMcIには、燃料ガス供給部70側に開口する連通路p1と、燃料ガス供給部70側に対して閉止され、中間燃料ガス流路2Mと下流側燃料ガス流路2Dとを連通する連通路p2を設けている。ここで、連通路p1,p2は、燃料ガス供給部70側において遮断されている。
出口側調整用プレートMcOには、オフガス放出部80側に対して閉止され、上流側燃料ガス流路2Uと中間燃料ガス流路2Mとを連通する連通路p3を備えている。この出口側調整用プレートMcOは、下流側燃料ガス流路2Dのオフガス放出部80側に開口する構造を採用している。
従って、この例では、「複合形燃料ガス流路200」では、燃料ガスが実線矢印で示すように、燃料ガス供給部70から、上方流、下方流さらに上方流として移流し、オフガス放出部80に流れる。
2 燃料ガス流路
2U 上流側燃料ガス流路
2D 下流側燃料ガス流路
2M 中間燃料ガス流路
3 燃料極層
4 固体電解質層
5 中間層
6 空気極層
7 密着層
8 インターコネクタ
10 固体酸化物形燃料電池セル(燃料電池セル)
13 集電部材
40 閉止部
70 燃料ガス供給部
80 オフガス放出部
FC 燃料電池装置
FCM 燃料電池モジュール
CS 燃料電池セルスタック装置
Mc 調整用プレート(燃料ガス流路調整部材)
p1、p2、p3 連通路
Claims (8)
- 互いに平行な一対の平坦面を有し、内部に燃料ガスを流通させる燃料ガス流路を有する多孔質な導電性支持体の一方側の前記平坦面上に、燃料極層、固体電解質層、空気極層が順に積層され、他方側の前記平坦面上に、インターコネクタが積層されて成り、
セルの一方側に設けられる燃料ガス供給部から前記燃料ガス流路に燃料ガスの供給を受けるとともに、セルの他方側に設けられるオフガス放出部へ前記燃料ガス流路を介して燃料ガスを放出する構成で、
前記導電性支持体の内部に、複数の前記燃料ガス流路を並設して備えた固体酸化物形燃料電池セルであって、
前記並設される前記複数の燃料ガス流路のうち、並設方向で隣接する一対の燃料ガス流路に関して、
一方の燃料ガス流路を、前記燃料ガス供給部側に開放されかつ前記オフガス放出部側で閉止されて、前記燃料ガス供給部から燃料ガスの供給を受け、且つ前記オフガス放出部へ燃料ガスの放出を行わない上流側燃料ガス流路として構成し、
他方の燃料ガス流路を、前記燃料ガス供給部側で閉止されかつ前記オフガス放出部側に開放されて、前記上流側燃料ガス流路から燃料ガスの供給を受け、且つ前記オフガス放出部へ燃料ガスの放出を行う下流側燃料ガス流路として構成した固体酸化物形燃料電池セル。 - 互いに平行な一対の平坦面を有し、内部に燃料ガスを流通させる燃料ガス流路を有する多孔質な導電性支持体の一方側の前記平坦面上に、燃料極層、固体電解質層、空気極層が順に積層され、他方側の前記平坦面上に、インターコネクタが積層されて成り、
セルの一方側に設けられる燃料ガス供給部から前記燃料ガス流路に燃料ガスの供給を受けるとともに、セルの他方側に設けられるオフガス放出部へ前記燃料ガス流路を介して燃料ガスを放出する構成で、
前記導電性支持体の内部に、複数の前記燃料ガス流路を並設して備えた固体酸化物形燃料電池セルであって、
前記並設される前記複数の燃料ガス流路のうち、並設方向で隣接する3の燃料ガス流路として、
前記燃料ガス供給部側に開放され、前記燃料ガス供給部から燃料ガスの供給を受け、前記オフガス放出部へ燃料ガスの放出を行わない上流側燃料ガス流路と、
当該上流側燃料ガス流路に連通され、前記上流側燃料ガス流路から燃料ガスの供給を受ける中間燃料ガス流路と、
当該中間燃料ガス流路に連通されかつ前記オフガス放出部側に開放されて、前記中間燃料ガス流路から燃料ガスの供給を受け、且つ前記オフガス放出部へ燃料ガスの放出を行う下流側燃料ガス流路とを有する固体酸化物形燃料電池セル。 - 前記燃料ガス流路の燃料ガス供給部側若しくはオフガス放出部側を閉止するに、
前記燃料ガス供給部から前記オフガス放出部に向かう方向であるガス流通方向において、
セルに設けられる発電に寄与する発電寄与部分の端面位置を越えた位置の燃料ガス流路端部側部位で前記燃料ガス流路を閉止する請求項1記載の固体酸化物形燃料電池セル。 - 前記燃料ガス流路を閉止するに、前記導電性支持体の構成部材より熱膨張率が同じ若しくは閉止状態を維持できる限りにおいて小さい材料により、
前記燃料ガス流路を閉止する請求項1又は3記載の固体酸化物形燃料電池セル。 - 前記燃料ガス流路の燃料ガス供給部側若しくはオフガス放出部側を閉止、開放するに、
前記燃料ガス供給部から前記オフガス放出部に向かう方向であるガス流通方向の複数の燃料ガス流路の端部外側に、燃料ガス流路調整部材を設け、
前記燃料ガス流路調整部材により、前記燃料ガス流路を閉止、開放する請求項1記載の固体酸化物形燃料電池セル。 - 前記燃料ガス流路の燃料ガス供給部側若しくはオフガス放出部側を閉止、開放あるいは他の燃料ガス流路と連通するに、
前記燃料ガス供給部から前記オフガス放出部に向かう方向であるガス流通方向の複数の燃料ガス流路の端部外側に、燃料ガス流路調整部材を設け、
前記燃料ガス流路調整部材により、前記燃料ガス流路を閉止、開放あるいは他の燃料ガス流路と連通する請求項2記載の固体酸化物形燃料電池セル。 - 請求項1〜6の何れか一項に記載の固体酸化物形燃料電池セルの複数と、前記空気極層
に電気的に接続される第一面と、前記インターコネクタに電気的に接続される第二面とを備えた集電部材との複数とを備え、
前記集電部材の第一面に特定の固体酸化物形燃料電池セルの前記空気極層が電気的に接続され、前記集電部材の第二面に別の固体酸化物形燃料電池セルの前記インターコネクタが電気的に接続される形態で、固体酸化物形燃料電池セルと集電部材とを交互に配置して設けた固体酸化物形燃料電池モジュール。 - 請求項7に記載の固体酸化物形燃料電池モジュールを備えた燃料電池装置。
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