JP7828208B2

JP7828208B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP7828208B2
Application number: JP2022049617A
Authority: JP
Inventors: 雅也佐々木
Original assignee: Osaka Gas Co Ltd
Current assignee: Osaka Gas Co Ltd
Priority date: 2022-03-25
Filing date: 2022-03-25
Publication date: 2026-03-11
Anticipated expiration: 2042-03-25
Also published as: JP2023142630A

Description

本発明は、電池セルが積層されたセルスタックを備えた燃料電池システムに関する。

燃料電池システムとして、平板状の電池セルが積層されたセルスタックと、セルスタックのアノード室にアノードガス（燃料ガス）を供給するアノードガス供給流路と、セルスタックのカソードガス室にカソードガス（酸化剤ガス）を供給するカソードガス供給流路と、アノードガスを供給するためのアノードガス供給手段と、カソードガスを供給するためのカソードガス供給手段とを備えたものが知られている。このような燃料電池システムにおいては、セルスタックでの燃料利用率を一定の範囲内に維持する必要があり、この燃料利用率が過剰に高い状態（所謂、アノードガスの不足状態）で運転を継続すると、電池セルが破損し、発電運転の継続が困難となる。

平板状の電池セルを複数積層したセルスタックでは、積層方向（即ち、厚み方向）に温度分布を持つようになり、積層方向の中央側部位（所謂、中央段の部位）ほど熱がこもりやすく、この中央側部位の温度がその両端側部位（所謂、端部段の部位）よりも高くなる傾向にある。

また、一般的に、燃料電池システムは、経時的に劣化してセルスタックの抵抗が増え、この抵抗が大きくなった部位では発熱量が増える傾向にある。特に、温度が高いセルスタックの中央側部位は、劣化進行が速いため、両端側部位に比べ、更に温度が高くなる。

この平板状の電池セルを積層したセルスタックでは、アノードガス供給流路を通して供給されるアノードガスは、初期状態（設置当初の状態）において複数の電池セルに均等に分配されて供給されるように設定される。ところが、アノードガスは、温度が高いほど粘性が大きくなって圧損が大きくなるために、セルスタックの経年劣化によりその温度分布が変わると、この温度分布に起因して、各電池セルのアノード室の流入部の圧損も変わり、この圧損の変動によって各電池セルへのアノードガスの分配量が変化する。

例えば、セルスタックの温度の高い部位（中央側部位）ではアノード室の流入部の圧損が大きくなり、これによって、このアノード室へのアノードガスの分配流量が少なくなってアノードガスの供給不足（所謂、燃料枯れ）が生じ、このアノードガスの供給不足の状態が継続すると、電池セルが破損することになる。

このようなことから、セルスタックでのアノードガスの供給不足を解消するようにした燃料電池システムが提案されている。例えば、電池セルごとの抵抗値を計測して各電池セルにおける燃料利用率を把握し、把握した燃料利用率に基づいてアノードガスの供給不足を防ぐようにしたもの（例えば、特許文献１参照）、セルスタックの出力電流ー燃料利用率データを用い、アノードガスの供給流量を調整して燃料利用率が所定値以下となるようにしたもの（例えば、特許文献２参照）、またセルスタックの電圧変化率、抵抗変化率を指標としてアノードガスの供給不足（燃料枯れ）を検知し、アノードガスの供給流量又はセルスタックの発電出力を調整してセルスタックの破損を防止するようにしたもの（例えば、特許文献３参照）が提案されている。

特開２００９－１１０６６６号公報特開２００６－５９５５０号公報特開２００８－１０３１９８号公報

しかしながら、従来のこれらの燃料電池システムでは、次の通りの問題がある。例えば、特許文献１の燃料電池システムでは、アノードガスの供給不足を検知したときに、セルスタックの電池セルの全てに対してアノードガスの供給流量を増やすことになるが、このようなアノードガスの供給制御では、アノードガスの供給不足が発生していない電池セルに対してもアノードガスの供給流量を増やすことになり、その結果、発電効率が低下するという問題がある。

また、特許文献２の燃料電池システムでは、セルスタック全体としての燃料利用率を把握することができるが、セルスタックの一部の電池セルについての燃料利用率を把握することができず、セルスタックの部分的なアノードガスの供給不足を解消することができない。

更に、特許文献３の燃料電池システムでは、セルスタックでのアノードガスの供給不足を検知すると、セルスタックの電池セルの全てに対してアノードガスの供給流量を増やすことになるが、このようなアノードガスの供給制御では、上述したように、アノードガスの供給不足が発生していない電池セルに対してもアノードガスの供給流量を増やすことになって発電効率が低下する。

本発明の目的は、経年後のアノードガスの供給不足を抑制することができる燃料電池システムを提供することである。

本発明の請求項１に記載の燃料電池システムは、イオンを伝導する電解質層、前記電解質層の片面側に配設されたアノード及び前記電解質層の他面側に配設されたカソードを有する複数の電池セルが積層されたセルスタックと、前記セルスタックのアノード室にアノードガスを供給するアノードガス供給流路と、前記セルスタックのカソード室にカソードガスを供給するカソードガス供給流路と、アノードガスを供給するためのアノードガス供給手段と、カソードガスを供給するためのカソードガス供給手段とを備えた燃料電池システムであって、
前記セルスタックは、前記複数の電池セルを支持するためのスタック本体を備え、前記スタック本体には、前記アノードガス供給流路からのアノードガスが流入するアノードガス流入流路及びアノードガスを分配するアノードガス分配流路が設けられているとともに、前記カソードガス供給流路からのカソードガスが流入するカソードガス流入流路及びカソードガスを分配するカソードガス分配流路が設けられており、
前記アノードガス流入流路及び前記アノードガス分配流路は前記複数の電池セルの積層方向に延び、前記アノードガス分配流路には、前記複数の電池セルのアノード室に連通するアノードガス導入流路が前記積層方向に間隔をおいて設けられており、
また、前記カソードガス流入流路及び前記カソードガス分配流路は前記複数の電池セルの積層方向に延び、前記カソードガス分配流路には、前記複数の電池セルのカソード室に連通するカソードガス導入流路が前記積層方向に間隔をおいて設けられており、
更に、前記カソードガス分配流路は、前記複数の電池セルの積層方向に前記アノードガス分配流路と並行に延び、前記複数の電池セルの前記カソードガス導入流路と前記アノードガス導入流路とは近接して配置されており、
前記アノードガス流入流路からのアノードガスは、前記アノードガス分配流路における前記複数の電池セルの前記積層方向における中央側部位に対応する部位から前記アノードガス分配流路に送給され、前記アノードガス分配流路内を両端側に流れて分配された後に対応する前記アノードガス導入流路を通して前記複数の電池セルの前記アノード室に送給され、また前記カソードガス流入流路からのカソードガスは、前記カソードガス分配流路における前記複数の電池セルの前記積層方向における中央側部位に対応する部位から前記カソードガス分配流路に送給され、前記カソードガス分配流路内を両端側に流れて分配された後に対応する前記カソードガス導入流路を通して前記複数の電池セルの前記カソード室に送給されることを特徴とする。

また、本発明の請求項２に記載の燃料電池システムでは、前記アノードガス流入流路は、前記アノードガス分配流路と並行に前記積層方向に延び、前記アノードガス流入流路と前記アノードガス分配流路とがアノードガス接続流路を介して連通され、前記アノードガス接続流路は、前記スタック本体における前記複数の電池セルの前記中央側部位に対応する部位に設けられており、前記アノードガス供給流路からのアノードガスは、前記アノードガス流入流路及び前記アノードガス接続流路を通して前記アノードガス分配流路に送給されることを特徴とする。

更に、本発明の請求項３に記載の燃料電池システムでは、前記カソードガス流入流路は、前記カソードガス分配流路と並行に前記積層方向に延び、前記カソードガス流入流路と前記カソードガス分配流路とがカソードガス接続流路を介して連通され、前記カソードガス接続流路は、前記スタック本体における前記複数の電池セルの前記中央側部位に対応する部位に設けられており、前記カソードガス供給流路からのカソードガスは、前記カソードガス流入流路及び前記カソードガス接続流路を通して前記カソードガス分配流路に送給されることを特徴とする。

本発明の請求項１に記載の燃料電池システムによれば、複数の電池セルを支持するためのスタック本体には、複数の電池セルのアノード室にそれぞれ連通するアノードガス分配流路が設けられ、アノードガス供給流路からのアノードガスは、複数の電池セルの積層方向における中央側部位に対応する部位からアノードガス分配流路に送給され、このアノードガス分配流路内を両端側に流れて分配された後に複数の電池セルのアノード室に送給されるので、複数の電池セルの積層方向における中央側部位に対応する部位には温度の低い状態のアノードガスが送給され、またアノードガス分配流路に流入したアノードガスは温められながらその両端側に流れ、セルスタックにおけるアノードガスの流れをこのようにすることによって、セルスタックの中央側部位と両端側部位のアノードガス導入流路の温度が均一化され、その結果、アノードガスの供給不足（燃料枯れ）を回避することができる。
また、スタック本体にカソード分配流路が設けられ、このカソード分配流路には複数の電池セルのカソード室に連通するカソードガス導入流路が設けられ、カソードガス供給流路からのカソードガスは、複数の電池セルの積層方向における中央側部位に対応する部位からカソードガス分配流路に送給され、このカソードガス分配流路内を両端側に流れて分配された後に複数の電池セルのカソード室に送給されるので、複数の電池セルの積層方向における中央側部位に対応する部位には温度の低い状態のカソードガスが送給され、またカソードガス分配流路に流入したカソードガスは温められながらその両端側に流れ、セルスタックにおけるカソードガスの流れをこのようにすることによって、セルスタックの中央側部位と両端側部位のカソードガス導入流路の温度の均一化を図ることができる。
更に、カソードガス分配流路はアノードガス分配流路と並行に延び、このカソード分配流路には複数の電池セルのカソード室に連通するカソードガス導入流路が設けられ、カソードガス供給流路からのカソードガスは、複数の電池セルの積層方向における中央側部位に対応する部位からカソードガス分配流路に送給され、このカソードガス分配流路内を両端側に流れて分配された後に複数の電池セルのカソード室に送給されるので、複数の電池セルの積層方向における中央側部位に対応する部位には温度の低い状態のカソードガスが送給され、またカソードガス分配流路に流入したカソードガスは温められながらその両端側に流れ、セルスタックにおけるカソードガスの流れをこのようにすることによって、セルスタックの中央側部位と両端側部位のカソードガス導入流路の温度の均一化を図ることができる。また、複数の電池セルのカソード導入流路とアノードガス導入流路とが近接して配置されているので、カソードガスの温度の均一化がアノードガス導入流路に寄与し、これによって、アノードガス導入流路の温度のより均一化を図ることができる。

また、本発明の請求項２に記載の燃料電池システムによれば、アノードガス流入流路がアノードガス分配流路と並行に延び、このアノードガス流入流路とアノードガス分配流路とが、複数の電池セルの中央側部位に対応する部位にてアノードガス接続流路を介して連通されているので、アノードガス流入流路を通して供給されたアノードガスはアノード接続流路を通してアノード分配流路に送給され、このアノードガス分配流路に流入したアノードガスは温められながらその両端側に流れ、アノードガスをこのように流すことによって、セルスタックの中央側部位と両端側部位のアノードガス導入流路の温度を均一化することができる。

更に、本発明の請求流路に記載の燃料電池システムによれば、カソードガス流入流路はカソードガス分配流路と並行に延び、このカソードガス流入流路とカソードガス分配流路とが、複数の電池セルの中央側部位に対応する部位にてカソードガス接続流路を介して連通されているので、カソードガス流入流路を通して供給されたカソードガスはカソード接続流路を通してカソードガス分配流路に送給され、このカソードガス分配流路に流入したカソードガスは温められながらその両端側に流れ、カソードガスをこのように流すことによって、セルスタックの中央側部位と両端側部位のカソードガス導入流路の温度が均一化されるとともに、これがアノードガス導入流路にも寄与し、アノードガス導入流路の温度のより一層の均一化を図ることができる。

本発明に従う燃料電池システムの第１の実施形態を簡略的に示す全体図。図１の燃料電池システムのセルスタックを簡略的に示す簡略斜視図。図２のセルスタックを簡略的に示す平面図。図２のセルスタックを簡略的に示す断面図。本発明に従う燃料電池システムの第２の実施形態におけるセルスタックを簡略的に示す平面図。

以下、添付図面を参照して、本発明に従う燃料電池システムの各種実施形態について説明する。まず、図１～図４を参照して、本発明に従う燃料電池システムの第１の実施形態について説明する。

図１において、第１の実施形態の燃料電池システムは、アノードガス（例えば、燃料ガスとしての水素など）及びカソードガス（例えば、酸化剤ガスとしての空気など）による電気化学反応により発電するセルスタック２を備え、このセルスタック２の流入側に、アノードガス（燃料ガス）を供給するアノードガス供給流路４及びカソードガス（酸化剤ガス）を供給するカソードガス供給流路６が設けられている。また、このセルスタック２の排出側に、アノードオフガスを排出するアノードオフガス排出流路８及びカソードオフガスを排出するカソードオフガス排出流路１０が設けられている。

アノードガス供給流路４には、アノードガスを供給するためのアノードガス供給手段１２が設けられ、このアノードガス供給手段１２は、例えば燃料ポンプ、燃料ブロアなどから構成される。このアノードガス供給流路４の上流側は、アノードガス供給源としての例えばアノードガスボンベ１８に接続され、アノードガスボンベ１８からのアノードガスは、がアノードガス供給流路４を通して供給される。また、カソードガス供給流路６には、カソードガス供給手段としての例えば空気ブロア１６が配設され、カソードガスはカソードガス供給流路４を通して供給される。

主として図２及び図４を参照してセルスタック２について説明すると、図示セルスタック２は、図２及び図４において上下方向に積層された複数の電池セル２０を備えており、各電池セル２０は、実質上同じ形状の平板状セルから構成されている。各電池セル２０は、具体的に図示していないが、例えばイオンを伝導する固体酸化物電解質層と、この電解質層の片側（図４において下側）に配設されたアノード（燃料極）と、この電解質層の他側（図４において上側）に配設されたカソード（空気極）とを備え、各電池セル２０間にインターコネクタ２６が配設され、各電池セル２０のアノード側にアノード室２２が規定され、そのカソード側にカソード室２４が規定されている。複数の電池セル２０は、インターコネクタ２６を介して電気的に接続され、これら電池セル２０の発電電力はセルスタック２の両端部に配設された集電板２８に集電されて取り出される。

この実施形態では、セルスタック２は、複数の電池セル２０を支持するためのスタック本体３０を備え、このスタック本体３０にアノードガス供給流路４に連通するアノードガス流入流路３２と、アノードオフガス排出流路８に連通するアノードオフガス流出流路３４が設けられている。この実施形態では、アノードガス流入流路３２は、アノードガス流入マニホールド３６から構成され、このアノードガス流入マニホールド３６は、複数の電池セル２０の積層方向に延びている。また、アノードオフガス流出流路３４は、アノードオフガス流出マニホールド３８から構成され、このアノードオフガス流出マニホールド３８は、複数の電池セル２０の積層方向に延びている。このアノードオフガス流出マニホールド３８には、セルスタック２の複数の電池セル２０のアノード室２２の各々に対応して、この積層方向に間隔をおいてアノードガス導出流路４０（図４参照）が設けられている。

この実施形態では、アノードガス流入マニホールド３６に並行に延びるアノードガス分配マニホールド４２が設けられ、このアノードガス分配マニホールド４２は、アノードガスを各電池セル２０のアノード室２２に分配するアノードガス分配流路４４を規定する。このアノードガス分配マニホールド４２は、複数の電池セル２０の積層方向に延び、各電池セル２０のアノード室２２に対応して、その積層方向に間隔をおいてアノードガス導入流路４６が設けられている。

アノードガス流入マニホールド３６（アノードガス流入流路３２）とアノードガス分配マニホールド４２（アノードガス分配流路４４）とは、例えばアノードガス接続マニホールド４８（アノードガス接続流路５０を規定する）を介して接続されている。このアノードガス接続マニホールド４８（アノードガス接続流路５０）は、図２に示すように、セルスタック２（複数の電池セル２０）の積層方向の中央側部位（中央段部位）に対応して設けられ、このアノードガス接続マニホールド４８（アノードガス接続流路５０）が、アノードガス分配マニホールド４２（アノードガス分配流路４４）における、複数の電池セル２０の積層方向の中央側部位（中央段部位）に対応する部位に接続される。

このスタック本体３０には、更に、カソードガス供給流路６に連通するカソードガス流入流路５４と、アノードオフガス排出流路１０に連通するアノードオフガス流出流路５６が設けられている。この実施形態では、カソードガス流入流路５４は、カソードガス流入分配マニホールド５８から構成され、このカソードガス流入分配マニホールド５８は、複数の電池セル２０の積層方向に延びている。また、カソードオフガス流出流路５６は、カソードオフガス流出マニホールド６０から構成され、このカソードオフガス流出マニホールド６０は、複数の電池セル２０の積層方向に延びている。

このカソードガス流入分配マニホールド５８には、セルスタック２の複数の電池セル２０のカソード室２４の各々に対応して、複数の電池セル２０の積層方向に間隔をおいてカソードガス導入流路６２（図４参照）が設けられ、またカソードオフガス流出マニホールド５６には、セルスタック２の複数の電池セル２０のカソード室２２の各々に対応して、この積層方向に間隔をおいてカソードガス導出流路６４（図４参照）が設けられている。

このセルスタック２においては、アノードガス供給流路４を通して供給されるアノードガスは、図４に実線の矢印で示すように、アノードガス流入マニホールド３６（アノードガス流入流路３２）及びアノードガス接続マニホールド４２（アノードガス接続流路４４）を通してアノードガス分配マニホールド４２（アノードガス分配流路４４）に送給され、このアノードガス分配マニホールド４２（アノードガス分配流路４４）から対応するアノードガス導入流路４６を通して各電池セル２０のアノード室２２に送給される。

このとき、温度の低いアノードガスが、アノードガス流入マニホールド３４（アノードガス流入流路３２）及びアノードガス接続マニホールド４２（アノードガス接続流路４４）を通してアノードガス分配マニホールド４２（アノードガス分配流路４４）に送給されるので、セルスタック２の積層方向中央側部位（即ち、複数の電池セル２０の中央段部位）では温度の低いアノードガスが流れ、これによって、温度が上昇しやすいセルスタック２の中央側部位（複数の電池セル２０の中央段部位）の温度上昇を抑えられ、またアノードガス分配マニホールド４２（アノードガス分配流路４４）に流入したアノードガスは、図２及び図４から理解されるように、アノードガス分配マニホールド４２（アノードガス分配流路４４）における、セルスタック２の積層方向中央側部位（中央段部位）に対応する部位（アノードガス接続マニホールド４８が接続された部位）から両端側に流れ、この流れの際に温められたアノードガスがアノードガス導入流路４６を通して対応する電池セル２０のアノード２４室に送給され、このようにアノードガスを流すことによって、アノードガス導入流路４６の温度の均一化を図ることができ、その結果、経年でセルスタックの中央側部位が高温となり、温度分布が変化することによって発生するアノードガス供給不足（所謂、燃料枯れ）を回避することができる。

また、カソードガス供給流路６を通して供給されるカソードガスは、図４に破線の矢印で示すように、カソードガス流入分配マニホールド５８（カソードガス流入流路５４）に送給され、このカソードガス流入分配マニホールド５８（カソードガス流入流路５４）にて分配された後に対応するカソードガス導入流路６２を通して各電池セル２０のカソード室２４に送給される。

セルスタック２の各電池セル２０では、アノードガス供給流路４、アノードガス流入流路３２及びアノードガス分配流路４４を通してアノード室２２に送給されたアノードガスと、カソードガス供給流路６を通してカソード室２４に送給されたカソードガスとが電気化学反応を行い、この電気化学反応により発電が行われる。

図１に戻って、この燃料電池システムでは、セルスタック２及び燃焼器７２は、外面が断熱材で覆われた高温モジュール７４により規定された高温空間７６に収容されている。電池セル２０のアノード室２２（図４参照）からのアノードオフガス及びカソード室２４（図４参照）からのカソードオフガスは燃焼器７２に送給され、この燃焼器７２にてアノードオフガスが燃焼され、この燃焼熱により高温モジュール７４内が高温状態に保持され、燃焼後の燃焼排気ガスは、燃焼排気ガス排出流路７８を通して外部に排出される。

従来の燃料電池システムでは、稼働時間が長くなるとセルスタックに経時劣化が生じてセルスタック２の温度、特にその中央側部位（中央段部位）の電池セル２０の温度が上昇する傾向にあり、この電池セル２０の温度が上昇すると、アノード室２２に流入するアノードガスの粘性が大きくなり、このアノード室２２に流入するアノードガスの流入流量が少なくなってアノードガスの供給不足（所謂、燃料枯れ）が生じるおそれがある。

これに対して、この実施形態の燃料電池システムでは、アノードガス供給流路４からのアノードガスは、上述したように、アノードガス流入流路３２及びアノードガス接続流路４４を通してアノードガス分配流路４４における、セルスタック２の積層方向の中央側部位（中央段部位）に対応する部位に送給されるので、この低い温度のアノードガスがセルスタック２の積層方向中央側部位（中央段部位）に送給され、これによって、温度が上昇しやすいセルスタック２の中央側部位（中央段部位）の温度上昇を抑えることができ、またアノードガス分配流路４４に流入したアノードガスはその両端に向かって流れ、この流れの際に温められたアノードガスがアノードガス導入流路４６を通して対応する電池セル２０のアノード２４室に送給され、このようにアノードガスを流すことによって、アノードガス導入流路４６の温度の均一化を図ることができ、アノードガスの供給不足（所謂、燃料枯れ）を回避することができる。

上述した実施形態では、アノードガス流入マニホールド３６（アノードガス流入流路３２）とアノードガス分配マニホールド４２（アノードガス分配流路４４）とをアノードガス接続マニホールド４８（アノードガス接続流路５０）を介して接続しているが、このアノードガス接続マニホールド４８（アノードガス接続流路５０）を省略し、アノードガス流入マニホールド３６（アノードガス流入流路３２）をアノードガス分配マニホールド４２（アノードガス分配流路４４）に直接的に接続するようにしてもよい。

また、上述した実施形態では、セルスタックのアノード室に供給されるアノードガスを利用してアノードガス導入流路の温度の均一化を図っているが、このアノードガスに加えてセルスタックのカソード室に供給されるカソードガスを利用してアノードガス導入流路の一層の均一化を図るようにしてもよい。

本発明の燃料電池システムの第２の実施形態におけるセルスタックを示す図５において、この形態では、セルスタック２Ａは、複数の電池セル２０を支持するためのスタック本体３０Ａを備え、このスタック本体３０Ａには、アノードガス供給流路に連通するアノードガス流入流路３２と、アノードオフガス排出流路に連通するアノードオフガス流出流路３４が設けられている。アノードガス流入流路３２は、アノードガス流入マニホールド３６から構成され、このアノードガス流入マニホールド３６は、複数の電池セル２０の積層方向に延び、この積層方向に間隔を置いて各電池セルのアノード室に対応してアノードガス導入流路（図示せず）が設けられる。

また、アノードガス流入流路３２に並行にアノードガス分配流路４４が設けられ、このアノードガス分配流路４４はアノードガス分配マニホールド４２から構成され、アノードガス分配流路４４（アノードガス分配マニホールド４２）とアノードガス流入流路３２（アノードガス流入マニホールド３６）とがアノードガス接続流路５０（アノードガス接続マニホールド）を介して接続されている。アノードガスの流入側の構成は、上述した第１の実施形態と同様でよい。

また、アノードオフガス流出流路３４は、上述した実施形態と同様に、アノードオフガス流出マニホールド３８から構成され、このアノードガス流出マニホールド３８には、この積層方向に間隔をおいて各電池セルのアノード室に対応してアノードガス導出流路が設けられる。

このスタック本体３０Ａには、更に、カソードガス供給流路に連通するカソードガス流入流路５４Ａと、このカソードガスを複数の電池セルに分配するカソードガス分配流路８０と、カソードオフガス排出流路に連通するカソードオフガス流出流路５６とが設けられている。

この第２の実施形態では、カソードガス流入流路５４Ａは、カソードガス流入マニホールド５８Ａから構成され、このカソードガス流入マニホールド５８Ａは、複数の電池セルの積層方向に延びている。また、カソードガス分配流路８０は、複数の電池セルの積層方向に延びるカソードガス分配マニホールド８２から構成され、このカソードガス分配マニホールド８２には、複数の電池セルのカソード室に対応して、それらの積層方向に間隔をおいてカソード導入流路が設けられる。更に、カソードオフガス流出流路５６は、上述した実施形態と同様に、カソードオフガス流出マニホールド６０から構成され、このカソードガス流出マニホールド６０には、この積層方向に間隔をおいて各電池セルのカソード室に対応してカソードガス導出流路が設けられる。

この第２の実施形態では、カソードガス流入マニホールド５８Ａ（カソードガス流入流路５４Ａ）とカソードガス分配マニホールド８２（カソードガス分配流路８０）とは、例えばカソードガス接続マニホールド（カソードガス接続流路８４）を介して接続される。このカソードガス接続マニホールド（カソードガス接続流路８４）は、上述した実施形態のアノードガス接続マニホールド４８（アノードガス接続流路５０）と同様に、セルスタック２（複数の電池セル）の積層方向の中央側部位（中央段部位）に対応して設けられ、このカソードガス接続マニホールド（カソードガス接続流路８４）が、カソードガス分配マニホールド８２（カソードガス分配流路８０）における、セルスタック（複数の電池セル）の積層方向の中央側部位（中央段部位）に対応する部位に接続される。

この第２の実施形態では、図５に示すように、アノードガス分配流路４４（アノードガス分配マニホールド４２）とカソードガス分配流路８０（カソードガス分配マニホールド８２）とが、複数の電池セルの積層方向に並行して延びている。このカソードガス分配流路８０（カソードガス分配マニホールド８２）には、セルスタック２Ａのカソード室に連通するカソードガス導入流路（図示せず）が設けられ、各電池セルのカソードガス導入流路はそのアノードガス導入流路に近接して設けられる。

この第２の実施形態では、アノードガス供給流路からのアノードガスは、アノードガス流入流路３２及びアノードガス接続流路５０を通してアノードガス分配流路４４における、セルスタックの積層方向の中央側部位（中央段部位）に対応する部位に送給されるので、この低い温度のアノードガスがセルスタックの積層方向中央側部位（中央段部位）に送給され、その後このアノードガス分配流路４４内をその中央側部位から両端側部位に流れるようになり、このようにアノードガスを流すことによって、複数の電池セルのアノードガス導入流路（即ち、アノード室の入口部）の温度の均一化を図ることができる。

加えて、この第２の実施形態では、カソードガス供給流路からのカソードガスは、カソードガス流入流路５４Ａ及びカソードガス接続流路８４を通してカソードガス分配流路８０における、セルスタックの積層方向の中央側部位（中央段部位）に対応する部位に送給されるので、この低い温度のカソードガスがセルスタックの積層方向中央側部位（中央段部位）に送給され、その後このカソードガス分配流路８０内をその中央側部位から両端側部位に流れるようになり、このようにカソードガスを流すことによって、複数の電池セルのカソードガス導入流路（即ち、カソード室の入口部）の温度の均一化が図られる。この場合、各電池セルのアノードガス導入流路とカソードガス導入流路とが近接して配置されているので、カソードガス導入流路の温度の均一化の影響がアノードガス導入流路の温度にも及び、その結果、複数の電池セルのアノードガス導入流路（アノード室の入口部）の温度のより一層の均一化を図ることができる。

この実施形態でも、カソードガス流入マニホールド５８Ａ（カソードガス流入流路５４Ａ）とカソードガス分配マニホールド８２（カソードガス分配流路８０）とをカソードガス接続マニホールド（カソードガス接続流路８４）を介して接続しているが、このカソードガス接続マニホールド（アノードガス接続流路８４）を省略し、カソードガス流入マニホールド５８Ａ（カソードガス流入流路５４Ａ）をカソードガス分配マニホールド８２（カソードガス分配流路８０）に直接的に接続するようにしてもよい。

以上、本発明に従う固体酸化物形燃料電池システムの種々の実施形態について説明したが、本発明はこれら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することなく種々の変更乃至修正が可能である。

例えば、上述した実施形態では、本発明をセルスタックとして固体酸化物形のもの（ＳＯＦＣ）に適用して説明したが、この形態のものに限定されず、溶融炭酸塩形のもの（ＭＣＦＣ）、リン酸形のもの（ＰＡＦＣ）などにも同様に適用することができる。

２セルスタック
４アノードガス供給流路
６カソードガス供給流路
１２燃料ブロア（アノードガス供給手段）
１６空気ブロア
２０電池セル
２２アノード室
２４カソード室
３２アノードガス流入流路
３４アノードガス流出流路
４４アノードガス分配流路
４６アノードガス導入流路
５４，５４Ａカソードガス流入流路
５６カソードガス流出流路
６２カソードガス導入流路
８０カソードガス分配流路

Claims

イオンを伝導する電解質層、前記電解質層の片面側に配設されたアノード及び前記電解質層の他面側に配設されたカソードを有する複数の電池セルが積層されたセルスタックと、前記セルスタックのアノード室にアノードガスを供給するアノードガス供給流路と、前記セルスタックのカソード室にカソードガスを供給するカソードガス供給流路と、アノードガスを供給するためのアノードガス供給手段と、カソードガスを供給するためのカソードガス供給手段とを備えた燃料電池システムであって、
前記セルスタックは、前記複数の電池セルを支持するためのスタック本体を備え、前記スタック本体には、前記アノードガス供給流路からのアノードガスが流入するアノードガス流入流路及びアノードガスを分配するアノードガス分配流路が設けられているとともに、前記カソードガス供給流路からのカソードガスが流入するカソードガス流入流路及びカソードガスを分配するカソードガス分配流路が設けられており、
前記アノードガス流入流路及び前記アノードガス分配流路は前記複数の電池セルの積層方向に延び、前記アノードガス分配流路には、前記複数の電池セルのアノード室に連通するアノードガス導入流路が前記積層方向に間隔をおいて設けられており、
また、前記カソードガス流入流路及び前記カソードガス分配流路は前記複数の電池セルの積層方向に延び、前記カソードガス分配流路には、前記複数の電池セルのカソード室に連通するカソードガス導入流路が前記積層方向に間隔をおいて設けられており、
更に、前記カソードガス分配流路は、前記複数の電池セルの積層方向に前記アノードガス分配流路と並行に延び、前記複数の電池セルの前記カソードガス導入流路と前記アノードガス導入流路とは近接して配置されており、
前記アノードガス流入流路からのアノードガスは、前記アノードガス分配流路における前記複数の電池セルの前記積層方向における中央側部位に対応する部位から前記アノードガス分配流路に送給され、前記アノードガス分配流路内を両端側に流れて分配された後に対応する前記アノードガス導入流路を通して前記複数の電池セルの前記アノード室に送給され、また前記カソードガス流入流路からのカソードガスは、前記カソードガス分配流路における前記複数の電池セルの前記積層方向における中央側部位に対応する部位から前記カソードガス分配流路に送給され、前記カソードガス分配流路内を両端側に流れて分配された後に対応する前記カソードガス導入流路を通して前記複数の電池セルの前記カソード室に送給されることを特徴とする燃料電池システム。
前記アノードガス流入流路は、前記アノードガス分配流路と並行に前記積層方向に延び、前記アノードガス流入流路と前記アノードガス分配流路とがアノードガス接続流路を介して連通され、前記アノードガス接続流路は、前記スタック本体における前記複数の電池セルの前記中央側部位に対応する部位に設けられており、前記アノードガス供給流路からのアノードガスは、前記アノードガス流入流路及び前記アノードガス接続流路を通して前記アノードガス分配流路に送給されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
前記カソードガス流入流路は、前記カソードガス分配流路と並行に前記積層方向に延び、前記カソードガス流入流路と前記カソードガス分配流路とがカソードガス接続流路を介して連通され、前記カソードガス接続流路は、前記スタック本体における前記複数の電池セルの前記中央側部位に対応する部位に設けられており、前記カソードガス供給流路からのカソードガスは、前記カソードガス流入流路及び前記カソードガス接続流路を通して前記カソードガス分配流路に送給されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。