JPWO2014156314A1 - 燃料電池 - Google Patents
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Abstract
Description
このSOFCでは、発電単位として、例えば固体電解質膜の一方の側に燃料ガスに接する燃料極を設けるとともに、他方の側に酸化剤ガス(空気)と接する酸化剤極(空気極)を設けた燃料電池セル(発電セル)が使用されている。さらに、所望の電圧を得るために、インターコネクタを介して複数の発電セルを積層した燃料電池が開発されている。
そこで、燃料電池に対し、積層方向の中心側における一方の側面に冷空気を供給するとともに、燃料電池における積層方向での端部に熱交換した温ガスを供給する技術が提案されている(特許文献1参照)。
本発明の第2の局面の燃料電池は、隣接する2つの発電セル間、及び複数の発電セルのうち積層の方向における端に位置する発電セルの外側の少なくとも一方に設けられた熱交換部を備え、その熱交換部に燃料ガスを流すことにより発電セルを効果的に冷却することができる。なお、熱交換部は、「隣接する2つの発電セル間」、「発電セルの積層方向における上端の外側」、「発電セルの積層方向における下端の外側」のうち、少なくとも一カ所に設けられている。あるいは、熱交換部は、上記の3カ所のうちいずれかの2カ所に設けられても良く、上記の3カ所の全てに設けられても良い。
<第1の実施形態>
1.燃料電池1の全体構成
燃料電池1の構成の構成を図1〜図8に基づいて説明する。燃料電池1は、固体酸化物形燃料電池であり、燃料ガス(例えば水素)と空気(酸化剤ガスの一例に相当)との供給を受けて発電を行う装置である。
エンドプレート8は、発電セル3Aの外側(図1、図2における上側)に位置し、発電セル3Aに接触している。また、エンドプレート9は、発電セル3Hの外側(図1、図2における下側)に位置し、発電セル3Hに接触している。
また、ボルト27は、ガス通路37からボルト27の外表面に至り、燃料ガス流路41に接続する孔である出口47を備えている。
発電セル3の構成を図5、図6に基づき説明する。図6は、発電セル3のうち、発電セル3Dの構成を表す。発電セル3は、いわゆる燃料極支持膜形タイプの板状セルである。発電セル3は、薄膜の固体電解質体101と、その両側にそれぞれ形成された、燃料極(アノード)103、及び薄膜の空気極(カソード)105とを備える。以下では、固体電解質体101、燃料極103、及び空気極105をあわせてセル本体107とする。セル本体107の空気極105側には発電セル内空気流路67が存在し、燃料極103側には発電セル内燃料ガス流路49が存在する。
ガスシール部113は、マイカ又はバーミュライトから成り、中心に正方形の開口部127を有する枠状の板材であり、その外縁部には、孔11〜18に対応する8つの孔129が設けられている。孔129のうち、孔14、18に対応する2つと、開口部127とは、連通溝131により連通している。この連通溝131はガスシール部113を厚み方向に貫通する溝ではなく、ガスシール部113の一方の表面を掘って形成された溝であり、レーザやプレス加工によって形成することができる。
熱交換部7の構成を図6〜図8に基づき説明する。熱交換部7は、空気極側部材145と、燃料極側部材147とから成る。空気極側部材145は、発電セル3Dに隣接する板状部材であって、発電セル3D側の面の中心に、正方向の凹部149を備える。また、空気極側部材145の外縁部に、孔11〜18に対応する8つの孔151が設けられている。孔151のうち、孔13、18に対応する2つの孔151A、151Bと、凹部149とは、連通溝153、154により連通されている。なお、凹部149及び連通溝153、154は空気極側部材145を厚み方向に貫通するものではなく、発電セル3D側の面の表面を掘って形成されたものである。
燃料電池1の製造方法を説明する。まず、フェライト系ステンレスの板材から打ち抜く方法で、上述した形状のインターコネクタ109、111、セパレータ115、及び燃料極フレーム117を形成する。また、マイカ又はバーミュライトから成るシートから切り出す方法で、上述した形状のガスシール部113、119を形成する。
まず、燃料ガスの流れを説明する。図1、図3、図7における矢印は燃料ガスの流れを表し、そのうち、実線の矢印は第1の経路での燃料ガスの流れを表し、点線の矢印は第2の経路での燃料ガスの流れを表し、一点鎖線の矢印は第3の経路での燃料ガスの流れを表す。
なお、上述した燃料ガスの流れの経路は、燃料ガス供給経路の一例に相当する。また、上述した燃料ガスの流れの経路のうち、熱交換部7の燃料ガス流路41内を流れる部分が、第1の経路の一例に相当する。また、上述した燃料ガスの流れの経路のうち、通路35、37から発電セル3A、3B、3C、3D、3Eの発電セル内燃料ガス流路49内に入り、発電セル内燃料ガス流路49内を流れて、通路32に至る部分が第2の経路の一例に相当する。また、上述した燃料ガスの流れの経路のうち、通路32から、発電セル3F、3G、3Hの発電セル内燃料ガス流路49内に入り、発電セル内燃料ガス流路49内を流れて、通路36に至る部分が第3の経路の一例に相当する。
(1)燃料電池1は、隣接する2つの発電セル3D、3E間に熱交換部7を備え、その熱交換部7に燃料ガスを流すことができる。このことにより、発電セル3を効率的に冷却することができる。特に、熱交換部7を、熱が蓄積しやすい燃料電池1の略中央付近に設けることにより、発電セル3を冷却する効果が一層高い。
(3)燃料電池1は、第1の経路、燃料ガスが並列的に流れる第2の経路及び第3の経路を直列的に含む燃料ガス供給経路を有するので、燃料利用率が高い。
<第2の実施形態>
1.燃料電池1の構成
燃料電池1の構成は基本的には前記第1の実施形態と同様であるが、一部において相違する。以下では図9〜図12に基づき、その相違点を中心に説明し、前記第1の実施形態と同様の部分の説明は省略乃至簡略化する。
まず、燃料ガスの流れを説明する。燃料ガスは、図9、図11に示すように、通路31における発電セル3G側の端部(図9、図11においてF(IN)と表記)から導入され、通路31を通り、入口43を通って、2個の熱交換部7それぞれの燃料ガス流路41に入る。さらに、燃料ガスは、2個の熱交換部7それぞれにおいて、図9に示すように燃料ガス流路41内を流れ、出口45を通って通路35に入るとともに、出口47を通って通路37に入る。なお、入口43、出口45、47は、2個の熱交換部7のそれぞれに対応して設けられている。
次に、空気の流れを説明する。空気は、図10、図12に示すように、通路33における発電セル3A側の端部(図10、図12においてO(IN)と表記)から導入され、通路33を通り、2箇所の入口63を通って、2個の熱交換部7それぞれの空気流路61に入る。さらに、空気は、2個の熱交換部7それぞれにおいて、図10に示すように、空気流路61内を流れ、2箇所の出口65を通ってガス通路38に入る。
燃料電池1は、前記第1の実施形態と略同様の効果を奏することができる。また、熱交換部7を2個備えることにより、発電セル3を冷却する効果が一層高い。
<第3の実施形態>
1.燃料電池1の構成
本実施形態における燃料電池1の構成は基本的には前記第2の実施形態と同様であるが、一部において相違する。以下では図13、図14に基づき、その相違点を中心に説明し、前記第2の実施形態と同様の部分の説明は省略乃至簡略化する。
孔11〜18は、発熱器163、165も含め、燃料電池1を貫通している。ボルト21〜28は、孔11〜18を通り、発熱器163、165も含め、燃料電池1の一方の端から、他方の端まで達する。ボルト21〜28の一部は、筐体167の内部の空間171に存在する。
本実施形態における燃料ガス及び酸化剤ガスの流れは、基本的には前記第2の実施形態と同様である。ただし、発電セル3F、3Gを通り、通路36に入った燃料ガスは、出口174を通って、発熱器163内に入るとともに、出口175を通って、発熱器165内に入る。
発熱器163内では、出口174から導入された燃料ガスと、出口177から導入された空気とが、燃焼触媒169の作用、もしくは接触燃焼(高温状態で燃料ガスと酸化剤ガスとが出会うことで起こる燃焼)の作用により燃焼する。燃焼後の排ガスは、排気管173から外部に排出される。発熱器163における燃焼で生じた熱は、エンドプレート8を介して、発電セル3に供給される。
(1)燃料電池1は、前記第2の実施形態と略同様の効果を奏することができる。
(2)燃料電池1は、発電セル3のスタックにおける端部に発熱器163、165を備えているので、発電セル3のスタックにおける端部と中央との温度差を低減することができる。
<第4の実施形態>
1.燃料電池1の構成
本実施形態における燃料電池1の構成は基本的には前記第2の実施形態と同様であるが、一部において相違する。以下では図15、図16に基づき、その相違点を中心に説明し、前記第2の実施形態と同様の部分の説明は省略乃至簡略化する。
孔11〜18は、発熱器181も含め、燃料電池1を貫通している。ボルト21〜28は、孔11〜18を通り、発熱器181も含め、燃料電池1の一方の端から、他方の端まで達する。ボルト21〜28の一部は、筐体181の内部の空間171に存在する。
ボルト26は、発熱器181内の空間171と、通路36とを接続する孔である出口175を備えている。なお、ボルト26は、発熱器181より外側においては、通路36と外部とを接続する孔を備えていない。
本実施形態における燃料ガス及び酸化剤ガスの流れは、基本的には前記第2の実施形態と同様である。ただし、発電セル3F、3Gを通り、通路36に入った燃料ガスは、出口175を通って、発熱器181内に入る。また、各発電セルを通り、通路34に入った空気は、出口179を通って、発熱器181内に入る。
(1)燃料電池1は、前記第2の実施形態と略同様の効果を奏することができる。
(2)燃料電池1は、発電セル3のスタックにおける端部に発熱器181を備えているので、発電セル3のスタックにおける端部と中央との温度差を低減することができる。
<その他の実施形態>
(1)前記第1〜第4の実施形態の燃料電池1が備える発電セル3の数は7個又は8個に限定されず、適宜設定することができる。また、燃料電池1が備える熱交換部7の数は1個又は2個に限定されず、適宜設定することができる。
(3)前記第1〜第4の実施形態の燃料電池1において、入口51、53、出口59の位置関係は上述したものには限定されない。例えば、積層方向から見たとき、出口59の位置は、入口51、53から等距離であってもよいし、入口51、53のうちの一方寄りであってもよい。また、出口59の位置は、入口51、53を結ぶ直線上にあってもよいし、その直線から外れた位置にあってもよい。
Claims (6)
- 積層された複数の発電セルと、
隣接する2つの前記発電セル間に設けられた熱交換部と、
前記発電セルに燃料ガスを供給する燃料ガス供給経路と、
前記発電セルに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給経路と、
を備え、
前記燃料ガス供給経路は、前記熱交換部内を通過する第1の経路、前記複数の発電セルのうちの一部の発電セル内を並列的に通過する第2の経路、及び前記複数の発電セルのうち、前記一部以外の複数の発電セル内を並列的に通過する第3の経路を直列的に含む経路であり、
前記第2の経路において、各発電セルでの前記燃料ガスの入口の位置は、前記積層の方向から見たとき、前記発電セルの一辺に沿った2箇所の第1位置PA、第2位置PBであるとともに、前記燃料ガスの出口の位置は、前記一辺と対向する辺側の1箇所の第3位置PCであり、
前記第3の経路において、各発電セルでの前記燃料ガスの入口の位置は、前記積層の方向から見たとき、前記第3位置PCに重なる位置であるとともに、前記燃料ガスの出口の位置は、前記第1位置PA、前記第2位置PBの間の位置である、
燃料電池。 - 積層された複数の発電セルと、
隣接する2つの前記発電セル間、及び前記複数の発電セルのうち前記積層の方向における端に位置する発電セルの外側の少なくとも一方に設けられた熱交換部と、
前記発電セルに燃料ガスを供給する燃料ガス供給経路と、
前記発電セルに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給経路と、
を備え、
前記燃料ガス供給経路は、前記熱交換部内を通過する第1の経路、前記複数の発電セルのうちの一部の発電セル内を並列的に通過する第2の経路、及び前記複数の発電セルのうち、前記一部以外の複数の発電セル内を並列的に通過する第3の経路を直列的に含む経路であり、
前記第2の経路において、各発電セルでの前記燃料ガスの入口の位置は、前記積層の方向から見たとき、前記発電セルの一辺に沿った2箇所の第1位置PA、第2位置PBであるとともに、前記燃料ガスの出口の位置は、前記一辺と対向する辺側の1箇所の第3位置PCであり、
前記第3の経路において、各発電セルでの前記燃料ガスの入口の位置は、前記積層の方向から見たとき、前記第3位置PCに重なる位置であるとともに、前記燃料ガスの出口の位置は、前記第1位置PA、前記第2位置PBの間の位置である、
燃料電池。 - 前記熱交換部を複数備え、
前記第1の経路は、前記燃料ガスが、前記複数の熱交換部を並列的に流れる経路である請求項1又は2に記載の燃料電池。 - 前記燃料ガス供給経路は、前記燃料電池内を前記積層の方向に延びる複数の燃料ガス通路と、前記燃料ガス通路から前記複数の発電セルのうちの少なくとも一部の発電セルの内部又は前記熱交換部へ接続する接続口と、を備え、
前記入口及び前記出口は前記接続口の一部である請求項1〜3のいずれか1項に記載の燃料電池。 - 前記燃料電池を前記積層の方向に貫き、前記複数の発電セル及び前記熱交換部を固定する複数のボルトを備え、
前記複数の燃料ガス通路は前記複数のボルトの内部に形成された空洞である請求項4に記載の燃料電池。 - 前記積層の方向から見たとき、前記第1位置PAから前記第3位置PCまでの距離と、
前記第2位置PBから前記第3位置PCまでの距離とが略等しい請求項1〜5のいずれか1項に記載の燃料電池。
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