JP6368762B2

JP6368762B2 - 燃料電池スタック

Info

Publication number: JP6368762B2
Application number: JP2016231311A
Authority: JP
Inventors: 遥平三浦; 梨沙子伊藤; 誠大森
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2016-11-29
Filing date: 2016-11-29
Publication date: 2018-08-01
Anticipated expiration: 2036-11-29
Also published as: JP2018088359A

Description

本発明は、燃料電池スタックに関する。

従来、燃料電池スタックの一種として、一列に並べられた複数の燃料電池と、各燃料電池の基端部を支持するマニホールドとを備える燃料電池スタックが知られている（例えば、特許文献１参照）。

各燃料電池の内部には燃料ガス流路が形成されており、燃料電池スタックの作動時、マニホールドの内部から各燃料電池の燃料ガス流路に燃料ガス（例えば、水素）が供給されるとともに、各燃料電池の外側に酸素含有ガス（例えば、空気）が供給される。燃料ガス流路を流れる燃料ガスのうち発電に使用されなかった余剰燃料ガスは、燃料ガス流路から外部に排出される。燃料ガス流路から排出される余剰燃料ガスは、酸素含有ガスと反応して燃焼する。余剰燃料ガスの燃焼熱によって各燃料電池が適切な作動温度に保持される。

特開２０１５−１８７９９５号公報

しかしながら、燃料ガス流路から排出される余剰燃料ガスが失火する場合がある。余剰燃料ガスが失火すると、燃料電池を適切な作動温度に保持できなくなってしまう。

本発明は、上述の状況に鑑みてなされたものであり、各燃料電池を適切な作動温度に保持可能な燃料電池スタックを提供することを目的とする。

燃料電池スタックは、複数の燃料電池と、複数の流速調整部材と、マニホールドとを備える。複数の燃料電池は、配列方向に配列され、燃料ガス流路を有する。複数の流速調整部材は、複数の燃料電池それぞれの先端部に取り付けられ、燃料ガス流路に連なる燃料ガス排出路を有する。マニホールドは、複数の燃料電池それぞれの基端部を支持する。複数の流速調整部材は、配列方向の中央部に位置する中央部燃料電池に取り付けられる中央部流速調整部材と、配列方向の端部に位置する端部燃料電池に取り付けられる端部流速調整部材とを含む。中央部流速調整部材が有する燃料ガス排出路の第１内径は、端部流速調整部材が有する燃料ガス排出路の第２内径と異なる。

本発明によれば、各燃料電池を適切な作動温度に保持可能な燃料電池スタックを提供することができる。

実施形態に係る燃料電池スタックの側面図流速調整部材が取り付けられた燃料電池の斜視図流速調整部材が取り付けられた燃料電池の斜視図

（燃料電池スタック１００）
図１は、実施形態に係る燃料電池スタック１００の側面図である。燃料電池スタック１００は、複数の燃料電池１と、複数の流速調整部材２と、マニホールド３とを備える。

複数の燃料電池１は、配列方向に配列される。各燃料電池１は、平板状に形成される。各燃料電池１は、略等間隔で略平行に配置される。本実施形態では、１５枚の燃料電池１が設けられているが、燃料電池１の枚数は適宜変更可能である。

各燃料電池１は、内部に燃料ガス流路１１を有する。燃料ガス流路１１は、燃料電池１の長手方向に延びる。燃料電池スタック１００の作動時、マニホールド３の内部から各燃料電池１の燃料ガス流路１１に燃料ガス（例えば、水素）が供給されるとともに、各燃料電池１の外側に酸素含有ガス（例えば、空気）が供給される。

各燃料電池１の基端部４は、マニホールド３に固定される。各燃料電池１の先端部５は、自由端である。このように、各燃料電池１は、マニホールド３によって片持ち状態で支持される。

複数の燃料電池１の配列方向外側には、一対の導電部材６が配置される。各導電部材６の基端部は、マニホールド３に支持される。本実施形態において、各導電部材６は板状に形成されているが、これに限られるものではない。各導電部材６には、電流を引き出すための電流引き出し線６ａが接続されている。

各燃料電池１の間、及び、燃料電池１と導電部材６との間には、集電部材７が配置される。集電部材７は、各燃料電池１同士、及び、燃料電池１と導電部材６とを電気的に接続する。集電部材７は、隣接する２つの燃料電池１の間を基端部４側から先端部５側に向かって流れる酸素含有ガスの流れを妨げないように構成されていればよく、集電部材７の形状は特に制限されない。

各流速調整部材２は、各燃料電池１の先端部５に取り付けられる。各流速調整部材２は、燃料ガス流路１１を流れる燃料ガスのうち発電に使用されずに燃料ガス流路１１から排出される余剰燃料ガスの流速を調整するための部材である。本実施形態では、１５個の流速調整部材２が設けられているが、流速調整部材２の個数は燃料電池１の枚数に応じて適宜変更可能である。

各流速調整部材２は、内部に燃料ガス排出路２１を有する。燃料ガス排出路２１は、燃料電池１の燃料ガス流路１１に連なる。燃料ガス流路１１から燃料ガス排出路２１に流入した余剰燃料ガスは、燃料ガス排出路２１から外部に排出される。燃料ガス排出路２１から外部に排出された余剰燃料ガスは、酸素含有ガスと反応して燃焼する。

マニホールド３は、各燃料電池１の基端部４を支持する。マニホールド３は、各燃料電池１の燃料ガス流路１１に燃料ガスを分配するように構成される。マニホールド３は、中空状の箱体であり、内部空間を有する。マニホールド３の内部空間には、図示しない燃料ガス供給源から燃料ガスが供給される。

（燃料ガス排出路２１の内径）
図１に示すように、複数の燃料電池１は、中央部燃料電池１ａと、端部燃料電池１ｂと、中間部燃料電池１ｃとを含む。

中央部燃料電池１ａは、複数の燃料電池１のうち配列方向の中央部に配置された燃料電池１である。配列方向の中央部には、配列方向の中央とその近傍とが含まれる。具体的には、配列方向の中央を中心として、配列方向における複数の燃料電池１の全長の１／５程度の領域に配置された燃料電池１を、中央部燃料電池１ａとすることができる。図１に示すように、本実施形態では、３枚の中央部燃料電池１ａが設けられているが、中央部燃料電池１ａの枚数は、複数の燃料電池１の全長と各燃料電池１のサイズに応じて適宜変更できる。

端部燃料電池１ｂは、複数の燃料電池１のうち配列方向の端部に配置された燃料電池１である。配列方向の端部には、配列方向の両端とその近傍とが含まれる。具体的には、配列方向の両端から複数の燃料電池１の全長の１／５程度までの領域に配置された燃料電池１を、端部燃料電池１ｂとすることができる。図１に示すように、本実施形態では、中央部燃料電池１ａの両側に端部燃料電池１ｂが３枚ずつ設けられているが、端部燃料電池１ｂの枚数は、複数の燃料電池１の全長と各燃料電池１のサイズに応じて適宜変更できる。

中間部燃料電池１ｃは、複数の燃料電池１のうち、配列方向の中央部と端部の間の中間部に配置された燃料電池１である。具体的には、配列方向の中央部と端部との間における複数の燃料電池１の全長の１／５程度の領域に配置された燃料電池１を、中間部燃料電池１ｃとすることができる。図１に示すように、本実施形態では、中央部燃料電池１ａの両側に中間部燃料電池１ｃが３枚ずつ設けられているが、中間部燃料電池１ｃの枚数は、複数の燃料電池１の全長と各燃料電池１のサイズに応じて適宜変更できる。

本実施形態において、中央部燃料電池１ａと、端部燃料電池１ｂと、中間部燃料電池１ｃそれぞれの構成及び外形は略同じである。また、中央部燃料電池１ａと、端部燃料電池１ｂと、中間部燃料電池１ｃそれぞれに形成された燃料ガス流路１１の内径は略同じである。

図１に示すように、複数の流速調整部材２は、中央部流速調整部材２ａと、端部流速調整部材２ｂと、中間部流速調整部材２ｃとを含む。

中央部流速調整部材２ａは、複数の流速調整部材２のうち中央部燃料電池１ａに取り付けられた流速調整部材２である。端部流速調整部材２ｂは、複数の流速調整部材２のうち端部燃料電池１ｂに取り付けられた流速調整部材２である。中間部流速調整部材２ｃは、複数の流速調整部材２のうち中間部燃料電池１ｃに取り付けられた流速調整部材２である。本実施形態において、中央部流速調整部材２ａと、端部流速調整部材２ｂと、中間部流速調整部材２ｃそれぞれの外形は略同じであるが、異なっていてもよい。

図１に示すように、中央部流速調整部材２ａが有する燃料ガス排出路２１の内径Ｒａ（第１内径の一例）は、端部流速調整部材２ｂが有する燃料ガス排出路２１の内径Ｒｂ（第２内径の一例）よりも小さい。すなわち、内径Ｒｂは内径Ｒａよりも大きく、Ｒｂ＞Ｒａが成立している。

ここで、燃料電池スタック１００の作動時、各燃料電池１は、燃料電池１自身のジュール熱や反応熱による熱エネルギーを放出する。この際、中央部燃料電池１ａの両側には多数の燃料電池１が配置されているため、中央部燃料電池１ａからの熱エネルギーは端部燃料電池１ｂに比べて外部に放散されにくいのに対して、端部燃料電池１ｂは隣接する燃料電池１が少ないため、端部燃料電池１ｂからの熱エネルギーは外部に放散されやすい。そのため、中央部燃料電池１ａは、端部燃料電池１ｂに比べて高温になるため、中央部燃料電池１ａの燃料ガス流路１１を流れる燃料ガスの粘性が高くなりやすい。その結果、中央部燃料電池１ａの燃料ガス流路１１を流れる燃料ガスの流速が、端部燃料電池１ｂの燃料ガス流路１１を流れる燃料ガスの流速よりも遅くなり、中央部流速調整部材２ａから排出される余剰燃料ガスが失火するおそれがある。

そこで、本実施形態では、中央部流速調整部材２ａが有する燃料ガス排出路２１の内径Ｒａが、端部流速調整部材２ｂが有する燃料ガス排出路２１の内径Ｒｂよりも小さくされている。これにより、端部燃料電池１ｂに比べて燃料ガスの流速が遅くなりやすい中央部燃料電池１ａに取り付けられた中央部流速調整部材２ａの燃料ガス排出路２１において、燃料ガスの流速を速めることができるため、中央部流速調整部材２ａから排出される余剰燃料ガスが失火してしまうことを抑制することができる。

中央部流速調整部材２ａの燃料ガス排出路２１は、略均一な太さに形成されている。すなわち、内径Ｒａは、全体的に略均一である。内径Ｒａは、燃料ガス排出路２１の流入口の口径と、排出口の口径と、長手方向中央の直径との算術平均値である。流入口の口径、排出口の口径、及び長手方向中央の直径は、２次元光学透過式の寸法測定器を用いて測定するものとする。

本実施形態において、中央部流速調整部材２ａが有する燃料ガス排出路２１の内径Ｒａは、中央部燃料電池１ａの燃料ガス流路１１の内径と略同じであるが、燃料ガス流路１１の内径より大きくても小さくてもよい。

本実施形態において、中央部流速調整部材２ａが有する燃料ガス排出路２１の内径Ｒａは、中央部燃料電池１ａの燃料ガス流路１１の内径と略同じであるが、燃料ガス流路１１の内径より大きくてもよいし、小さくてもよい。

また、図１に示すように、中間部流速調整部材２ｃが有する燃料ガス排出路２１の内径Ｒｃは、端部流速調整部材２ｂが有する燃料ガス排出路２１の内径Ｒｂよりも小さい。すなわち、内径Ｒｃは内径Ｒｂよりも小さく、Ｒｃ＜Ｒｂが成立している。これにより、端部燃料電池１ｂに比べて燃料ガスの流速が遅くなりやすい中間部燃料電池１ｃに取り付けられた中間部流速調整部材２ｃの燃料ガス排出路２１において、燃料ガスの流速を速めることができるため、中間部流速調整部材２ｃから排出される余剰燃料ガスが失火してしまうことを抑制することができる。

さらに、図１に示すように、中央部流速調整部材２ａが有する燃料ガス排出路２１の内径Ｒａは、中間部流速調整部材２ｃが有する燃料ガス排出路２１の内径Ｒｃよりも小さい。すなわち、Ｒａ＜Ｒｃが成立している。これにより、中間部燃料電池１ｃに比べて燃料ガスの流速が遅くなりやすい中央部燃料電池１ａに取り付けられた中央部流速調整部材２ａの燃料ガス排出路２１において、燃料ガスの流速を速めることができるため、中央部流速調整部材２ａから排出される余剰燃料ガスが失火してしまうことをより抑制することができる。

（燃料電池１及び流速調整部材２の構成）
図２及び図３は、流速調整部材２が取り付けられた燃料電池１の斜視図である。

図２及び図３では、燃料電池１の一例として、いわゆる横縞型の固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ：ＳｏｌｉｄＯｘｉｄｅＦｕｅｌＣｅｌｌ）が図示されている。

燃料電池１は、多孔支持基板１０、複数の発電部２０、及び緻密シール膜３０を備える。

多孔支持基板１０は、長手方向に延びる扁平な平板状に形成される。多孔支持基板１０の内部には、６本の燃料ガス流路１１が形成される。

多孔支持基板１０は、電子伝導性の低い多孔質材料によって構成される。多孔支持基板１０は、例えば、ＣＳＺ（カルシア安定化ジルコニア）、ＭｇＯ（酸化ニッケル）とＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）の複合材料、ＭｇＯ（酸化ニッケル）とＹ_２Ｏ_３（イットリア）の複合材料、ＭｇＯ（酸化マグネシウム）とＭｇＡｌ_２Ｏ_４（マグネシアアルミナスピネル）の複合材料などによって構成することができる。多孔支持基板１０は、遷移金属を含有していてもよい。多孔支持基板１０の気孔率は特に制限されないが、２０％〜６０％とすることができる。多孔支持基板１０の厚さは特に制限されないが、１ｍｍ〜１０ｍｍとすることができる。

複数の発電部２０は、多孔支持基板１０の主面上において長手方向に並べられる。複数の発電部２０は、多孔支持基板１０の両主面上に配置されていてもよい。発電部２０の個数は適宜変更することができる。

各発電部２０は、燃料極と、固体電解質層と、空気極と、インターコネクタとを有する。燃料極は、多孔支持基板１０上に配置される。固体電解質層は、燃料極と空気極の間に配置される。インターコネクタは、当該発電部２０の燃料極と隣接する他の発電部２０の空気極とを電気的に接続する。各発電部２０は、固体電解質層と空気極との間に配置されるバリア層を有していてもよい。各発電部２０は、空気極上に配置される空気極集電層を有していてもよい。

緻密シール膜３０は、多孔支持基板１０の外表面を覆う。緻密シール膜３０は、各発電部２０の固体電解質層と一体的に形成されていてもよい。緻密シール膜３０は、緻密質材料によって構成される。緻密質材料としては、例えば、ＹＳＺ、ＳｃＳＺ、ガラス、スピネル酸化物などが挙げられる。

流速調整部材２は、燃料電池１の先端部５に取り付けられる。流速調整部材２は、接合材によって、燃料電池１の先端部５に固定されていてもよい。接合材としては、例えば、結晶化ガラスを用いることができる。結晶化ガラスとしては、例えば、ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３系、ＳｉＯ_２−ＣａＯ系、又はＳｉＯ_２−ＭｇＯ系のガラスを用いることができる。

本実施形態において、流速調整部材２は、平板状の緻密体である。流速調整部材２は、緻密質材料によって構成される。緻密質材料としては、ＭｇＯ、ＺｒＯ_２、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４などのスピネル酸化物や、フェライト系ステンレス、ＳｉＯ_２−ＭｇＯ系などのガラス材料が挙げられるが、これに限られるものではない。流速調整部材２の気孔率は、２０％以下が好ましく、５％以下がより好ましい。

流速調整部材２は、内部に６本の燃料ガス排出路２１を有する。各燃料ガス排出路２１は、燃料電池１の燃料ガス流路１１に連なる。各燃料ガス排出路２１は、燃料電池１の長手方向に延びる。燃料ガス排出路２１の本数は、燃料電池１が有する燃料ガス流路１１の本数に合わせて適宜変更可能である。

（他の実施形態）
本発明は以上のような実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱しない範囲で種々の変形又は変更が可能である。

上記実施形態では、本発明にかかる流速調整部材を横縞型の燃料電池１に適用した場合について説明したが、本発明にかかる流速調整部材は、いわゆる縦縞型の燃料電池などにも適用することができる。縦縞型の燃料電池は、導電性の支持基板と、支持基板の一主面上に配置される発電部（燃料極、固体電解質層及び空気極）と、支持基板の他主面上に配置されるインターコネクタとを備える。

上記実施形態では、流速調整部材２は、平板状の緻密体であることとしたが、これに限られるものではない。流速調整部材２は、燃料電池１の先端部５の側面上に形成された緻密膜であってもよい。このような緻密膜は、ＺｒＯ_２、ＳｉＯ_２−ＭｇＯ系の結晶化ガラスなどの緻密質材料を先端部５の側面上にディップ成膜することによって形成することができる。

上記実施形態では、図１に示したように、複数の流速調整部材２は、中間部流速調整部材２ｃを含むこととしたが、中間部流速調整部材２ｃを含んでいなくてもよい。この場合、中間部燃料電池１ｃには、中間部流速調整部材２ｃの代わりに、中央部流速調整部材２ａを取り付けてもよいし、端部流速調整部材２ｂを取り付けてもよい。

上記実施形態では、図１に示したように、複数の流速調整部材２には、中央部流速調整部材２ａ、端部流速調整部材２ｂ及び中間部流速調整部材２ｃが含まれることとしたが、中央部流速調整部材２ａと中間部流速調整部材２ｃとの間、又は／及び、端部流速調整部材２ｂと中間部流速調整部材２ｃとの間に、中央部流速調整部材２ａ、端部流速調整部材２ｂ及び中間部流速調整部材２ｃそれぞれと異なる内径を有する１以上の補充流速調整部材を含んでいてもよい。

補充流速調整部材は、中央部流速調整部材２ａと中間部流速調整部材２ｃとの間に配置される場合、中央部燃料電池１ａと中間部燃料電池１ｃのいずれに取り付けられていてもよい。この場合、補充流速調整部材が有する燃料ガス排出路２１の内径は、中央部流速調整部材２ａの内径Ｒａと中間部流速調整部材２ｃの内径Ｒｃの間であることが好ましい。

補充流速調整部材は、端部流速調整部材２ｂと中間部流速調整部材２ｃとの間に配置される場合、端部燃料電池１ｂと中間部燃料電池１ｃのいずれに取り付けられていてもよい。この場合、補充流速調整部材の内径は、端部流速調整部材２ｂの内径Ｒｂと中間部流速調整部材２ｃの内径Ｒｃの間であることがより好ましい。

上記実施形態では、図１に示したように、複数の流速調整部材２には、３種類の流速調整部材（中央部流速調整部材２ａ、端部流速調整部材２ｂ及び中間部流速調整部材２ｃ）だけが含まれることとしたが、これに限られるものではない。例えば、複数の流速調整部材２それぞれの内径が異なっており、配列方向の端部から中央部に向かって順番に内径が小さくなるように、又は、配列方向の端部から中央部に向かって順番に内径が大きくなるように並べられていてもよい。

１燃料電池
１ａ中央部燃料電池
１ｂ端部燃料電池
１ｃ中間部燃料電池
２流速調整部材
２ａ中央部流速調整部材
２ｂ端部流速調整部材
２ｃ中間部流速調整部材
１００燃料電池スタック

Claims

配列方向に配列され、配列方向に直交する方向に延びる燃料ガス流路を有する複数の燃料電池と、
前記複数の燃料電池それぞれの先端部に取り付けられ、前記燃料ガス流路に連なる燃料ガス排出路を有する複数の流速調整部材と、
前記複数の燃料電池それぞれの基端部を支持するマニホールドと、
を備え、
前記複数の流速調整部材は、前記配列方向の中央部に位置する中央部燃料電池に取り付けられる中央部流速調整部材と、前記配列方向の端部に位置する端部燃料電池に取り付けられる端部流速調整部材とを含み、
前記中央部流速調整部材が有する前記燃料ガス排出路の第１内径は、前記端部流速調整部材が有する前記燃料ガス排出路の第２内径よりも小さい、
燃料電池スタック。