WO2007148793A1 - 固体電解質形燃料電池スタック - Google Patents

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WO2007148793A1
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gas
cell
solid oxide
stack
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Hideki Uematsu
Masahiro Shibata
Hiroshi Sumi
Hiroya Ishikawa
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Ngk Spark Plug Co., Ltd.
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Definitions

  • the present invention relates to a solid oxide fuel cell stack in which a plurality of solid electrolyte fuel cell cells each including a solid electrolyte body having a fuel electrode and an air electrode are stacked.
  • SOFC solid oxide fuel cell
  • solid oxide solid electrolyte
  • this SOFC includes, for example, a fuel cell having a fuel electrode and an air electrode on each surface of a plate-shaped solid electrolyte body, and a separator (for example, an interconnector).
  • a fuel cell having a fuel electrode and an air electrode on each surface of a plate-shaped solid electrolyte body, and a separator (for example, an interconnector).
  • a stack in which a large number of layers are stacked is used.
  • fuel gas for example, H, methane, ethanol, etc.
  • the oxidant gas is supplied to the air electrode.
  • Electric power is generated by supplying gas (for example, air) and chemically reacting fuel and oxygen in the air through the solid electrolyte body.
  • gas for example, air
  • each cell is electrically connected in the stacking direction. Therefore, in order to increase the power generation capacity of the entire stack, the cells are operated uniformly and efficiently. Is important.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Laid-Open No. 2004-207008
  • Patent Document 2 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-022343
  • Patent Document 3 Japanese Patent Laid-Open No. 2005-203255
  • Patent Documents 1 to 3 have problems such as complicated piping, large stacks, and low volumetric energy density.
  • the present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to simplify the structure of the conventional structure, to make the stack compact, and to improve the energy density. To provide a stack.
  • the invention of the first embodiment includes a stack of solid electrolyte fuel cell cells each including a solid electrolyte body having a fuel electrode in contact with a fuel gas and an air electrode in contact with an oxidant gas, Solids in which an interconnector that separates the gas flow between the solid electrolyte fuel cells and ensures electrical continuity between the solid electrolyte fuel cells is disposed between the solid electrolyte fuel cells.
  • the fuel gas is supplied to the solid oxide fuel cell so that part or all of the solid electrolyte fuel cell stack penetrates in the stacking direction of the stack. Two or more vent holes or two or more vent holes for supplying the oxidant gas are provided, and the different vent holes are communicated with the different solid oxide fuel cells.
  • the present invention relates to a so-called internal mold structure.
  • two or more vent holes through which the fuel gas flows are provided so as to penetrate the solid oxide fuel cell stack.
  • the pores (or vent holes with different oxidant gases) communicate with different solid oxide fuel cell cells (specifically, the fuel gas flow path or the oxidant gas flow path that is the internal flow path).
  • the temperature of the oxidant gas for the cells at both ends is increased to increase the temperature of the cells at both ends.
  • the power generation capacity of each cell can be made uniform, so that the power generation capacity of the entire stack can be increased.
  • the stack structure can be made compact by the structure of the internal mold unique to the present invention, and the power generation performance of the entire stack can be improved by equalizing the power generation capacity of each cell, etc. There is a remarkable effect that it can be improved.
  • vent hole a vent hole penetrating the stack or a bottomed vent hole penetrating a part of the stack can be adopted (the same applies hereinafter).
  • the invention of the second embodiment is such that, in the solid electrolyte fuel cell stack, the different vent holes for supplying the oxidant gas are communicated with the different solid electrolyte fuel cell cells. It is characterized by.
  • vent holes for fuel gas communicate with different solid electrolyte fuel cell units
  • vent holes for oxidant gas communicate with different solid electrolyte fuel cell units.
  • the invention of the third embodiment is characterized in that, in the solid oxide fuel cell stack, the state of each gas can be controlled independently for each of the different vent holes.
  • the present invention relates to a so-called internal mold structure.
  • two or more vent holes through which fuel gas flows are provided so as to penetrate through the solid oxide fuel cell stack.
  • the state of the fuel gas (or oxidant gas) supplied to different solid oxide fuel cells can be controlled independently for each cell.
  • the stack can be made compact, and the power generation performance of the entire stack can be improved by equalizing the power generation capacity of each cell, so that the energy density can be improved. There is an effect.
  • the invention of the fourth embodiment makes it possible to independently control the state of the oxidant gas for each of the different vents supplying the oxidant gas in the solid oxide fuel cell stack. It is characterized by that.
  • the state of the fuel gas supplied to different solid electrolyte fuel cells via different vents can be controlled independently for each cell, and different solid electrolytes can be given via different vents.
  • the state of the oxidant gas supplied to the fuel cell can be controlled independently for each cell.
  • the invention of the fifth embodiment is characterized in that, in the solid oxide fuel cell stack, two or more vent holes are provided for supplying the oxidant gas to control the temperature of each cell. It is a sign.
  • the vent hole is for supplying the oxidant gas, it can be used for controlling the temperature of the stack. By controlling this supply gas for each vent hole (and thus for example for each cell), Temperature difference can be reduced.
  • the temperature in the stack can be controlled by the flow rate of the supplied oxidant gas.
  • the operating temperature can be lowered by increasing the flow rate of the oxidant gas and discharging the heat to the outside.
  • the temperature in the stack can be controlled by the temperature of the oxidant gas.
  • the temperature of the entire stack can be equalized by changing the temperature of the oxidizing gas for each cell.
  • the gas temperature should be lower at the center of the stack than at the end of the stack. In other words, the stack tends to be hot at the center, so doing this can reduce the temperature difference in the stack.
  • the invention of the sixth embodiment is characterized in that, in the solid oxide fuel cell stack, two or more vent holes are provided for supplying the fuel gas to control the power generation amount of each cell. It is a sign.
  • the vent hole is for supplying fuel gas, it can be used to control the amount of power generated in the stack. By controlling this supply gas for each vent hole (for example, for each cell), each cell can be used. The power generation amount can be made uniform.
  • the power generation amount of each cell can be controlled by the flow rate of the supplied fuel gas. In other words, power generation can be increased by increasing the fuel gas supply. In addition, it is desirable that the flow rate of the fuel gas be larger at the stack end than at the center of the stack. Since the power generation amount at the stack end tends to be lower than the center of the stack due to its low temperature, this makes it possible to equalize the power generation amount of each cell.
  • the invention of the seventh embodiment is such that the solid electrolyte fuel cell unit includes a frame portion that surrounds a cell body including a fuel electrode, an air electrode, and a solid electrolyte body from an outer peripheral side in a planar direction. The frame portion is provided with a vent hole for the fuel gas and a vent hole for the oxidant gas.
  • the present invention exemplifies a configuration in which the vent hole penetrates the frame portion on the outer peripheral side of the solid oxide fuel cell.
  • examples of the frame portion include those in which a plurality of frames (a metal frame, an insulating frame, a separator that supports the cell body, etc.) are stacked. Further, when there is no frame portion, a vent hole may be provided on the outer periphery or the center of the cell body or the like.
  • the invention of the eighth embodiment is a gas (fuel gas or oxidizing agent) to be supplied to the solid oxide fuel cell at the end in the stacking direction of the solid oxide fuel cell stack. It is characterized by controlling the state of gas).
  • the temperature (and hence the power generation capacity) tends to be low.
  • the cells on both ends are increased.
  • the power generation capacity can be increased.
  • the power generation capacity itself can be directly increased by, for example, increasing the fuel gas flow rate.
  • the power generation performance of the cells in the stack can be made uniform, so that the power generation capacity of the entire stack can be increased.
  • the invention of the ninth embodiment is characterized in that the state of the solid oxide fuel cell at the end in the stacking direction of the solid oxide fuel cell stack is feedback controlled to a predetermined state. To do.
  • the cell state includes the cell temperature, the flow rate of the gas flowing through the cell, the gas temperature, and the like.
  • a hollow bolt penetrating the solid oxide fuel cell stack in the stacking direction is disposed, and an internal hole of the hollow bolt is used as a vent hole for the gas. It is characterized by.
  • an example in which an internal hole of a hollow bolt is used as a vent hole is shown.
  • This hollow bolt can be used as a bolt for stacking and fixing the stack. That is, the function as a bolt and the function as a gas supply path can be used together. This allows a compact stack structure.
  • the number of stacked layers of each cell constituting the solid oxide fuel cell stack is preferably 2 to 30 (especially 5 to 15), which is smaller. This is because by reducing the number of stages in this way, the number of pipes for controlling gas supply can be reduced, and the stack structure can be simplified.
  • the power generation amount per cell is desirably 50 W or more (particularly 100 W or more).
  • the amount of power generated per sheet it is possible to generate large-capacity power even with a stack with few stages. For example, if a 100W cell is used, an lkW-class stack can be configured with a 10-stage stack.
  • the structure of the solid oxide fuel cell stack includes: (a) a power generation part of a solid electrolyte fuel cell (that is, a cell body in which an air electrode, a solid electrolyte body, and a fuel electrode are stacked) and an interconnector. And (b) a structure in which the cell body and the interconnector are stacked so as to contact each other via a current collector, and (c) a frame such as a support plate on the cell body. It is possible to adopt a structure in which a part provided with a portion and an interconnector are laminated so as to contact each other via (or without) a current collector. Note that (c) a frame that supports the cell body from the outer peripheral side is suitable because it can relieve the stress applied to the cell body during stacking or operation.
  • a gas flow provided in a frame portion eg, having a concave surface
  • a predetermined interconnector or separator e.g., A method of communicating a road with a predetermined through path.
  • a method of communicating each cell with each communication hole as shown in Fig. 1A, a method can be adopted in which one cell (3) communicates with one air hole (1).
  • the gas flow rate supplied to each cell can be controlled independently, so that efficient power generation is possible.
  • a method of communicating a plurality of vent holes (13), (15) with respect to one cell (11) can be adopted. This method is effective when the gas supply amount of a given cell must be larger than other cells! /.
  • the solid electrolyte body is capable of moving one part of the fuel gas introduced into the fuel electrode or the oxidant gas introduced into the air electrode during the operation of the battery as ions.
  • ions Have sex. Examples of these ions include oxygen ions and hydrogen ions.
  • the fuel electrode comes into contact with the fuel gas serving as a reducing agent and functions as a negative electrode in the cell.
  • the air electrode comes into contact with an oxidant gas serving as an oxidant and functions as a positive electrode in the cell.
  • the material of the solid electrolyte body for example, a zirconia-based electrolyte material (YSZ, ScSZ), a ceria-based electrolyte material (SDC, GDC), a perovskite-based oxide, and the like can be given.
  • YSZ, ScSZ zirconia-based electrolyte material
  • SDC, GDC ceria-based electrolyte material
  • GDC ceria-based electrolyte material
  • perovskite-based oxide a perovskite-based oxide
  • ZrO series stabilized by at least one of rare earth elements such as Sc and Y.
  • the material of the fuel electrode for example, Ni, cermet of Ni and ceramic, or the like can be used.
  • ZrO-based ceramics such as zirconium oxide and CeO-based ceramics stabilized with at least one of metals such as Ni and Fe and rare earth elements such as Sc and Y.
  • metals such as Pt, Au, Ag, Pd, Ir, Ru, Rh, Ni, and Fe can be mentioned. These metals may be only one kind or an alloy of two or more kinds of metals. In addition, mixtures (including cermets) of these metals and Z or alloys with at least one of each of the above ceramics may be mentioned. Also, a mixture of metal oxides such as Ni and Fe and at least one of each of the above ceramics [0053]
  • a mouth-bumite-based oxide various precious metals, cermets of precious metals and ceramics, and the like can be used.
  • various metals, metal oxides, metal double oxides, and the like can be used.
  • the metal include metals such as Pt, Au, Ag, Pd, Ir, Ru and Rh, or alloys containing two or more metals.
  • the metal oxide include oxides such as La, Sr, Ce, Co, Mn, and Fe.
  • the double oxide include double oxides containing at least La, Pr, Sm, Sr, Ba, Co, Fe, Mn, and the like.
  • the material of the frame portion materials having excellent heat resistance, chemical stability, strength, etc. can be used.
  • materials having excellent heat resistance, chemical stability, strength, etc. can be used.
  • ceramic materials such as alumina and zirconia, stainless steel, nickel base alloy, chromium base alloy And metal materials such as heat-resistant alloys.
  • the stainless steel include ferritic stainless steel, martensitic stainless steel, and austenitic stainless steel.
  • the interconnector separates the gas flow between the solid oxide fuel cells and secures continuity (connected in series) between the solid electrolyte fuel cells.
  • the connector materials include heat-resistant alloys such as conductive stainless steel, nickel-base alloys, and chromium-base alloys. Metal materials can be used.
  • Examples of the fuel gas include hydrogen, a hydrocarbon as a reducing agent, a mixed gas of hydrogen and hydrocarbon, a fuel gas obtained by passing these gases through water at a predetermined temperature and humidifying them, and water vapor is added to these gases.
  • the mixed fuel gas etc. are mentioned.
  • the hydrocarbon is not particularly limited, and examples thereof include natural gas, naphtha, and coal gasification gas. Hydrogen is preferred as this fuel gas. These fuel gases may be used alone or in combination of two or more. Further, containing 50 vol 0/0 following nitrogen and inert gas such as argon, also.
  • Examples of the oxidant gas include a mixed gas of oxygen and another gas. Further, this mixed gas may contain 80% by volume or less of an inert gas such as nitrogen and argon. Of these oxidant gases, they are safe and inexpensive, so air (approximately 80 Contains volume percent nitrogen. ) Is preferred.
  • FIG. 1 is an explanatory view showing a connection state between the solid oxide fuel cell and the air vent.
  • FIG. 2 is a front view showing a solid oxide fuel cell stack of an example.
  • FIG. 3 is an explanatory diagram showing the arrangement of each bolt used in the solid oxide fuel cell stack as viewed from the bottom of FIG. 2.
  • FIG. 4 is a schematic view showing a part of a solid oxide fuel cell stack in a broken view.
  • FIG. 5 is an explanatory diagram showing the bolt and its usage in a broken state.
  • FIGS. 6A-6E are explanatory views showing air flow paths in each interconnector.
  • FIGS. 7A-7E are explanatory diagrams showing fuel gas flow paths in each cell.
  • FIGS. 7A-7E are explanatory diagrams showing fuel gas flow paths in each cell.
  • FIG. 8 is a flowchart showing a main routine of control of the present embodiment.
  • FIG. 9 is a flowchart showing cell voltage control.
  • FIG. 10 is a flowchart showing cell temperature control 1.
  • FIG. 11 is a flowchart showing cell temperature control 2.
  • FIG. 12 is a flowchart showing fuel exhaust concentration control.
  • FIG. 13 is a flowchart showing air exhaust concentration control.
  • the solid oxide fuel cell stack 21 of the present embodiment supplies fuel gas (for example, hydrogen) and oxidant gas (for example, air (specifically, oxygen in the air)). It is a device that receives electricity and generates electricity.
  • fuel gas for example, hydrogen
  • oxidant gas for example, air (specifically, oxygen in the air)
  • the solid oxide fuel cell 23 and the interconnector (a plate that ensures conduction between the cells 23 and blocks the gas flow path) 25 are alternately stacked. Is.
  • the solid oxide fuel cell stack 21 includes a stacked body (stack body) 2 7 in which a plurality (for example, 10) of solid electrolyte fuel cell cells 23 are stacked via an interconnector 25, and a stacked body.
  • Bolts 29 to 40 (see FIG. 3 showing the bottom surface in the lower part of FIG. 2) arranged on the outer peripheral edge of the body 27 and penetrating the laminated body 27 in the laminating direction, and nuts 71, 73 ( 05).
  • interconnector 25 between the adjacent solid electrolyte fuel cells 23 is shared, one interconnector is provided between the cells 23 except for the solid electrolyte fuel cells 23 at the upper and lower ends. Only 25 are placed.
  • the upper and lower interconnectors 25 are referred to as outer connectors.
  • the solid electrolyte fuel cell 23 is a so-called fuel electrode supporting membrane type cell, and a fuel electrode (anode) 47 is provided on the fuel gas channel 45 side.
  • the thin-film solid electrolyte body 49 is formed on the upper surface of the fuel electrode 47 in the figure, and the air electrode (force sword) 51 is formed on the surface of the solid electrolyte body 49 on the air flow path 53 side.
  • LSCF La Sr Co Fe O
  • LS M La Sr MnO
  • a current collector 57 is disposed between the connector 25c and the connector 25c.
  • the fuel electrode 47, the solid electrolyte body 49, and the air electrode 51 are referred to as a cell body 59.
  • each solid oxide fuel cell 23 includes a cell body 59, upper and lower current collectors 55, 57, a metal air electrode frame 61 on the air flow path 53 side, An insulating frame 63 made of ceramic, a metal separator (support plate) 65 that joins and supports the cell body 59 and blocks the gas flow path, a metal fuel electrode frame 67 on the fuel gas flow path 45 side, and Talk with you.
  • the air electrode frame 61, the insulating frame 63, the separator 65, and the fuel electrode frame 67 constitute a frame portion 69 of the solid oxide fuel cell 23 through which the bolts 29 to 40 penetrate.
  • the bolts 29 to 40 are used to press the solid electrolyte fuel cells 23, the interconnector 25, and the like in the stacking direction so as to constrain the stacked body 27, and also to supply fuel gas and air to the cells Used to supply and discharge.
  • the first bolt 29 supplies fuel gas to the ninth stage cell 23, and the second bolt 30 supplies fuel gas to the tenth stage cell 23.
  • the third bolt 31 supplies air to the first-stage cell 23, and the fourth bolt 32 is configured to supply air to the second-stage cell 23.
  • the fifth bolt 33 is configured to exhaust the fuel gas from all the cells 23.
  • the sixth bolt 34 supplies air to the third to eighth cell 23, the seventh bolt 35 supplies air to the ninth cell 23, and the eighth bolt 36 supplies air to the tenth cell 23.
  • the ninth bolt 37 supplies fuel gas to the first-stage cell 23, and the tenth bolt 38 is configured to supply fuel gas to the second-stage cell 23.
  • the eleventh bolt 39 is configured to exhaust air from all the cells 23.
  • the twelfth bolt 40 is configured to supply fuel gas to the cells 23 in the third to eighth stages. Each stage indicates the number (number of stages) of each cell 23 having the upward force in FIG.
  • each bolt 29-40 will be described by taking one bolt as an example (the shape of each bolt 29-40 is the same).
  • the twelfth bolt 40 is a long cylindrical hollow bolt, and nuts 71 and 73 are screwed to the upper and lower ends of the bolt 40.
  • the force described in the example using a pair of hexagonal nuts 71 and 73 can be used which is a normal headed bolt that fixes the nut to only one end.
  • a bottomed vent hole 75 used as a gas flow path is opened until reaching the same position as the upper surface of the nut 73 at the bottom of the figure.
  • a plurality of lateral holes 77 are formed from the pores 75 in the radial direction (left-right direction in the figure).
  • the twelfth bolt 40 is inserted into the twelfth through-hole 791 opened in the vicinity of the outer periphery of the laminated body 27 (in the stacking direction), and the outer peripheral surface of the twelfth bolt 40 and the twelfth through-hole are inserted.
  • a space 81 serving as a cylindrical gas flow path is formed between the inner surface of the hole 791.
  • flange-shaped insulating rings 83 and 85 are externally fitted between the nuts 71 and 73 and the laminated body 27 in the vertical direction of the twelfth bolt 40. Since the flange portions 83a and 85a of the insulating rings 83 and 85 are sandwiched between the nuts 71 and 73 and the laminated body 27, the distance between the twelfth bolt 40 and the laminated body 27 is maintained. The cylindrical portions 83b and 85b of the insulating rings 83 and 85 are disposed between the twelfth bolt 40 and the laminated body 27, whereby the space 81 is maintained.
  • the fuel gas supplied from the vent hole 75 to the space 81 through the lateral hole 77 enters the predetermined cell 23 via the predetermined opening 91 (see FIG. 4) communicating with the space 81. Supplied. That is, in the case of the twelfth bolt 40, since the openings 91 are provided in the cells 23 in the third to eighth stages, the fuel gas is introduced into the cells 23 through the openings 91.
  • a joint 87 is screwed onto the upper end of the twelfth bolt 40, and a gas pipe 89 for gas supply (or discharge) is attached to the joint 87.
  • FIGS. 7A-7E are views seen from the lower surface side of FIG.
  • FIG. 6A shows an interconnector (outer connector) 25a arranged at the upper end of FIG.
  • a concave portion 93 is formed on the lower surface of the outer connector 25a to serve as a flow path for air.
  • the concave portion 93 is provided with a third bolt 31 (for supplying air to the first-stage cell 23).
  • Intrusion The third through hole 79c communicates with the eleventh through hole 79k through which the eleventh bolt 39 (for exhausting air from all the cells 23) is inserted.
  • Each interconnector 25 is formed with first to twelve through holes 79a to l through which first to twelve bolts 29 to 40 are respectively inserted.
  • FIG. 6B shows an interconnector 25b arranged between the first-stage cell 2 and the second-stage cell 23.
  • a recess 95 is formed on the lower surface of the interconnector 25b to serve as a flow path for air.
  • the recess 95 is penetrated by the fourth bolt 32 (for supplying air to the second-stage cell 23).
  • the eleventh bolt 39 (for exhausting air from all the cells 23) communicates with the fourth through hole 79d to be inserted, and communicates with the eleventh through hole 79k through which the eleventh bolt 39 is inserted.
  • Figure 6C shows the second and third stages, the third and fourth stages, the fourth and fifth stages, the fifth and sixth stages, the sixth and seventh stages, and the seventh stage.
  • an interconnector 25c arranged between each cell 23 in the eighth row.
  • a recess 97 is formed as a flow path through which air flows.
  • the recess 97 is provided with a sixth bolt (for supplying air to the cells 23 in the third to eighth stages). It communicates with the sixth through hole 79f through which 34 is inserted, and communicates with the eleventh through hole 79k through which the eleventh bolt 39 (for air exhaust of all the cells 23) is inserted.
  • FIG. 6D shows an interconnector 25d disposed between the cells 23 in the eighth and ninth stages.
  • the lower surface of the interconnector 25d is formed with a recess 98 that serves as a flow path for air, and this recess 98 is penetrated by the seventh bolt 35 (for supplying air to the cell 23 in the ninth stage). It communicates with the inserted seventh through hole 79g and communicates with the eleventh through hole 79k through which the eleventh bolt 39 (for exhausting air from all the cells 23) is inserted.
  • FIG. 6E shows an interconnector 25e disposed between the ninth and tenth cells 23.
  • a concave portion 99 is formed on the lower surface of the interconnector 25e to serve as a flow path for air.
  • the concave portion 99 is inserted with an eighth bolt 36 (for supplying air to the cell 23 in the tenth stage). It communicates with the inserted eighth through hole 79h and communicates with the eleventh through hole 79k through which the eleventh bolt 39 (for exhausting air from all the cells 23) is inserted.
  • FIG. 7A shows the fuel electrode 47 side of the first-stage cell 23a.
  • a recess 101 that serves as a flow path for the fuel.
  • the 9th bolt 37 (for the fuel supply of the cell 23a) is connected to the 9th through hole 79i through which the 9th bolt 37 is inserted, and the 5th penetration through which the 5th bolt 33 (for the fuel exhaust of all the cells 23) is inserted. It communicates with hole 79e.
  • FIG. 7B shows the fuel electrode 47 side of the second-stage cell 23b.
  • the lower surface of the cell 23b is formed with a recess 103 that serves as a flow path for the fuel.
  • the recess 103 is inserted with a tenth bolt 38 (for supplying fuel to the second-stage cell 23b).
  • the fifth through hole 79e through which the fifth bolt 33 (for exhausting the fuel in all the cells 23) is inserted.
  • FIG. 7C shows the fuel electrode 47 side of the third to eighth stage cells 23c.
  • the lower surface of the cell 23c is formed with a recess 105 that serves as a flow path for the fuel.
  • the recess 105 is provided with a twelfth bolt 40 (for supplying fuel to the third to eighth stage cells 23b).
  • the 5th bolt 33 (for fuel exhaust of all the cells 23) communicates with the 5th through hole 79e to be inserted.
  • FIG. 7D shows the fuel electrode 47 side of the cell 23d in the ninth stage.
  • the lower surface of the cell 23d is formed with a recess 107 that serves as a flow path for fuel.
  • the recess 107 is inserted with a first bolt 29 (for supplying fuel to the ninth-stage cell 23d).
  • the first through hole 79a communicates with the fifth through hole 79e through which the fifth bolt 33 (for fuel exhaust of all the cells 23) is inserted.
  • FIG. 7E shows the fuel electrode 47 side of the tenth stage cell 23e.
  • the lower surface of the cell 23e is formed with a recess 109 that serves as a flow path for fuel.
  • the recess 109 penetrates the second bolt 30 (for supplying fuel to the 10th cell 23d). It communicates with the second through hole 79b to be inserted, and communicates with the fifth through hole 79e into which the fifth bolt 33 (for fuel exhaust of all the cells 23) is inserted.
  • a green sheet containing spinel as a main component is formed into a predetermined shape by a conventional method, and sintered. Insulating frame 63 was manufactured.
  • the cell main body 59 of the solid oxide fuel cell 23 was produced according to a conventional method. Specifically, the material of the solid electrolyte body 49 was printed on the green sheet of the fuel electrode 47 and fired, the material of the air electrode 51 was printed thereon, and then fired further. The cell body 59 was fixed to the separator 65 by brazing.
  • bolts 29-40 for air and fuel were manufactured according to the following procedure.
  • a round bar made of SUS430 with a diameter of 15mm x length of 120mm was subjected to counterboring at the center of the shaft to form a vent hole 75 having an inner diameter of 9mm x depth of 100mm. Screws were cut on the outer circumference of the upper and lower ends of the round bar to form a 30 mm long screw part and a 20 mm long screw part.
  • step 100 when fuel gas and air are supplied to the solid oxide fuel cell stack 21 for power generation, the cell is removed at step 100) as will be described in detail later.
  • Perform voltage control perform cell temperature control 1 in step 110, step 120mm Temperature control 2 is performed, fuel exhaust gas concentration control is performed at step 130, air exhaust gas concentration control is performed at step 140, and this process is temporarily terminated.
  • steps 100 to 140 may be performed.
  • the cell voltage control is a process in which the amount of fuel gas supplied is adjusted and the voltage generated in each cell 23 is feedback-controlled at a constant level.
  • the voltage can be obtained by measuring the voltage between the interconnectors 25 on both sides of each cell 23.
  • step 210 it is determined whether or not the voltage of the cell 23 is higher than the reference voltage K1. If an affirmative determination is made here, the process proceeds to step 220. If a negative determination is made, the process proceeds to step 230.
  • step 230 since the voltage of the cell 23 is lower than the desired voltage range (K1 to K2: K1 ⁇ K2), a process of increasing the fuel flow rate is performed to increase the voltage, and this process is performed. finish.
  • step 220 it is determined whether or not the voltage of the cell 23 is lower than the reference voltage 2! If an affirmative determination is made here, the present process is temporarily terminated, whereas if a negative determination is made, the process proceeds to step 240.
  • step 240 since the voltage of the cell 23 is higher than the desired voltage range, in order to lower the voltage, a process of decreasing the fuel flow rate is performed, and this process is terminated.
  • the voltage of the cell 23 can be controlled within a desired voltage range.
  • the cell temperature control 1 is a process for performing feedback control of the temperature of each cell 23 by adjusting the supply amount of fuel gas.
  • step 300 the temperature of each cell 23 is measured.
  • the temperature can be obtained by arranging a sensor such as a thermocouple in the vicinity of each cell 23, for example.
  • step 310 it is determined whether or not the temperature of the cell 23 is higher than the reference temperature K3. If an affirmative determination is made here, the process proceeds to step 320, whereas if a negative determination is made, the process proceeds to step 330.
  • step 330 since the temperature of the cell 23 is lower than the desired temperature range (K3 to K4: K3 ⁇ K4), in order to increase the temperature, a process of increasing the fuel flow rate is performed, and this process is performed. finish.
  • step 320 it is determined whether or not the temperature of the cell 23 is lower than the reference temperature ⁇ 4. If an affirmative determination is made here, the present process is temporarily terminated, whereas if a negative determination is made, the process proceeds to step 340.
  • step 340 since the temperature of the cell 23 is higher than the desired temperature range, in order to lower the temperature, a process of decreasing the fuel flow rate is performed, and this process is terminated.
  • the temperature of the cell 23 can be controlled within a desired temperature range.
  • the power generation amount is considered to be the same if other conditions are the same.
  • the cell temperature control 2 is a process in which the temperature of each cell 23 is controlled to be constant by adjusting the air supply amount. Since air also functions as a cooling gas, the temperature can be controlled by adjusting the air flow rate.
  • the temperature of each cell 23 is measured by troweling step 400 mm.
  • step 410 it is determined whether or not the temperature of the cell 23 is higher than the reference temperature ⁇ 5. If an affirmative determination is made here, the process proceeds to step 420, while if a negative determination is made, the process proceeds to step 430.
  • step 430 since the temperature of the cell 23 is lower than the desired temperature range ( ⁇ 5 to ⁇ 6: ⁇ 5 ⁇ 6), a process of decreasing the air flow rate is performed to increase the temperature. finish.
  • step 420 it is determined whether or not the temperature of the cell 23 is lower than the reference temperature ⁇ 6. If an affirmative determination is made here, the process is temporarily terminated. Proceed to 40.
  • step 440 since the temperature of the cell 23 is higher than the desired temperature range, in order to lower the temperature, a process of increasing the air flow rate is performed, and this process is terminated.
  • the temperature of the cell 23 can be controlled within a desired temperature range.
  • the power generation amount is considered to be the same if other conditions are the same.
  • Fuel exhaust gas concentration control analyzes the components contained in the exhaust of fuel gas, adjusts the supply amount of fuel gas and air according to the amount of the component, and controls the power generation state (for example, voltage) of each cell 23. This is a process to control the constant.
  • step 500 the concentration of H gas in the exhaust of fuel gas is increased.
  • the H gas concentration in the fuel gas exhaust is higher than the reference H concentration K7.
  • step 530 It is determined whether or not. If an affirmative determination is made here, the process proceeds to step 530, whereas if a negative determination is made, the process proceeds to step 540.
  • Step 540 the H gas concentration is lower than the desired concentration range (K7 to K8: K7 ⁇ K8)
  • the process to be added is performed, and this process is terminated.
  • step 530 it is determined whether the soot gas concentration is lower than the reference soot concentration ⁇ 8.
  • step 550 If an affirmative determination is made here, the process proceeds to step 550, whereas if a negative determination is made, the process proceeds to step 560.
  • step 560 the soot gas concentration is higher than the desired concentration range.
  • step 550 it is determined whether the CO gas concentration in the exhaust of the fuel gas is higher than the reference CO concentration ⁇ 9. If an affirmative determination is made here, the process proceeds to step 580, whereas if a negative determination is made, the process proceeds to step 570.
  • step 570 the CO gas concentration is lower than the desired concentration range (K9 to K10: K9 ⁇ K10), so to increase the CO gas concentration (and thus increase the amount of power generation), the fuel flow rate A process for increasing the value is performed, and this process is terminated.
  • Step 580 it is determined whether or not the CO gas concentration is lower than the reference CO concentration K10. If an affirmative determination is made here, this processing is once terminated. On the other hand, if a negative determination is made, the process proceeds to step 590.
  • step 590 the CO gas concentration is higher than the desired concentration range. Therefore, in order to reduce the CO gas concentration (and thus reduce the power generation amount), a process for reducing the fuel flow rate is performed. This process ends.
  • the power generation amount is adjusted by controlling the supply state of the fuel gas according to the component state of the exhaust gas of the fuel gas, so that the power generation amount of each cell 23 is made uniform. Can do. As a result, power generation in the stack 21 can be performed efficiently.
  • air exhaust concentration control components contained in air gas exhaust are analyzed, and the amount of air supplied is adjusted according to the amount of components to control the power generation state (for example, voltage) of each cell 23 at a constant level. It is processing to do.
  • step 600 the O gas concentration in the air exhaust is determined.
  • step 610 is the O gas concentration in the exhaust air higher than the reference O concentration K11?
  • step 620 Determine whether or not. If an affirmative determination is made here, the process proceeds to step 620. On the other hand, if a negative determination is made, the process proceeds to step 630.
  • the O gas concentration is within the desired concentration range (K11 to K12: K11 ⁇ K12).
  • a process of increasing the amount is performed, and this process is terminated.
  • step 620 it is determined whether or not the soot gas concentration is lower than the reference soot concentration K12.
  • step 640 If an affirmative determination is made here, the present process is terminated, whereas if a negative determination is made, the process proceeds to step 640.
  • step 640 the soot gas concentration is higher than the desired concentration range, so the soot gas concentration is reduced.
  • a process for reducing the air flow rate is performed and this process is terminated.
  • the power generation amount is adjusted by controlling the air supply state according to the component state of the exhaust gas of the air, so the power generation amount of each cell 23 can be made uniform. . As a result, power generation in the stack 21 can be performed efficiently.
  • each of the processes described above is desirably performed in units of cells.
  • each cell may be grouped and performed in units of groups.
  • the force S is used to divide the gnole at the cell 23 of the first, second, ninth, and tenth tiers and the cenore 23 of the third to eighth tiers.
  • a plurality of bolts 29, 30, 37, 38, 40 for supplying fuel gas and a plurality of bolts 31, 32 for supplying air are provided so as to penetrate the solid oxide fuel cell stack 21.
  • 34, 35, 36 are provided, and different bolts 29, 30, 37, 38, 40 for the fuel gas and different bolts 31, 32, 34, 35, 36 for air are used for different solid oxide fuel cells. It communicates with the cell 23 (specifically, the fuel gas channel 45 and the air channel 53 which are the internal channels).
  • each solid oxide fuel cell 23 is introduced into each vent hole 75 formed by each bolt 29-32, 34-38, 40 inside the solid oxide fuel cell stack 21.
  • the supply state of air or fuel gas for example, supply amount, supply temperature, etc.
  • the supply state of air or fuel gas can be controlled for different solid oxide fuel cells 23.
  • the temperature and power generation amount of the cells 23 at both ends of the solid oxide fuel cell stack 21 in the stacking direction are low, the supply amount of air or fuel gas to the cells 23 at both ends is changed.
  • the temperature of the cells 23 at both ends can be increased to make the temperature inside the stack 21 uniform, and the power generation capacity of the cells 21 at both ends can be increased to increase the power generation capacity of the stack 21 as a whole.
  • the power generation capacity of each cell 23 can be equalized, so the power generation of the entire stack 21 is possible.
  • Ability can be increased.
  • the stack 21 can be made compact by the unique internal hold structure of the present invention, and the overall power generation performance of the stack 21 can be achieved by equalizing the power generation capacity of each cell 23. As a result, the energy density can be improved.

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Abstract

　固体電解質形燃料電池スタックは、燃料ガスに接する燃料極と酸化剤ガスに接する空気極とを有する固体電解質体を備えた固体電解質形燃料電池セルを積層し、且つ、前記各固体電解質形燃料電池セル間に、前記固体電解質形燃料電池セル間のガスの流通を分離するとともに、前記固体電解質形燃料電池セル間の電気的導通を確保するインターコネクタを配置したものである。固体電解質形燃料電池スタックは、該燃料電池スタックの一部又は全体を、当該スタックの積層方向に貫くように、固体電解質形燃料電池セルに、燃料ガスを供給する２以上の通気孔又は前記酸化剤ガスを供給する２以上の通気孔を設け、異なる前記通気孔を、それぞれ異なる前記固体電解質形燃料電池セルに連通させたことが特徴である。

Description

明 細 書
固体電解質形燃料電池スタック
技術分野
[0001] 本発明は、燃料極及び空気極を有する固体電解質体を備えた固体電解質形燃料 電池セルを複数積層した固体電解質形燃料電池スタックに関するものである。
背景技術
[0002] 従来より、燃料電池として、固体電解質（固体酸化物）を用いた固体酸化物形燃料 電池（以下 SOFCとも記す）が知られて 、る。
[0003] この SOFCとしては、発電量を大容量化するために、例えば板状の固体電解質体 の各面に燃料極と空気極とを備えた燃料電池セルを、セパレータ (例えばインターコ ネクタ）を介して多数積層したスタックが用いられている。このスタックでは、燃料極に 燃料ガス (例えば H、メタン、エタノール等)を供給するとともに、空気極に酸化剤ガ
2
ス (例えば空気)を供給し、燃料及び空気中の酸素を固体電解質体を介して化学反 応させることによって電力を発生させている。
[0004] 上述した SOFCスタックでは、各層のセルに燃料ガスと酸化剤ガスを供給するため に、 SOFC内部に、ガス導入用の通気孔が形成されており（いわゆる内部マ-ホール ド構造）、ガスはその通気孔力 各セパレータの流路を介して各セルに供給されてい る。
[0005] また、この種の SOFCスタックでは、各セルは積層方向に電気的に接続されている ので、スタック全体の発電能力を高めるためには、各セルを如何に均質に効率よく運 転させるかが重要になる。
[0006] しかし、実際に SOFCスタックにより発電を行ってみると、各層のセルを均質に効率 よく運転させることが容易でない。この理由としては、（a)ガスが各層のセルに均一に 分配されていないこと、（b)スタックの端部と中心部で運転温度に差が発生することが 知られている。
[0007] このうち、前記 (a)の対策として、ガスを均一に供給できるマ-ホールド構造が提案 されている (特許文献 1参照)。 [0008] また、前記 (b)の対策として、中心部の熱を端部に移動させる外部マ-ホールドの システム (特許文献 2参照)や、マ-ホールド内に各層につながる配管を設ける構造（ 特許文献 3参照）が提案されて!ヽる。
特許文献 1：特開 2004— 207008号公報
特許文献 2：特開 2004— 022343号公報
特許文献 3：特開 2005 - 203255号公報
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0009] し力しながら、特許文献 1〜3の技術では、いずれも配管等が複雑になって、スタツ クが大きくなつてしま 、、体積エネルギー密度が小さ 、と 、う問題があった。
[0010] 本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、その目的は、従来 より構造を簡易化して、スタックをコンパクトにできるとともに、エネルギー密度を向上 できる固体電解質形燃料電池スタックを提供することにある。
課題を解決するための手段
[0011] (1)第 1実施態様の発明は、燃料ガスに接する燃料極と酸化剤ガスに接する空気 極とを有する固体電解質体を備えた固体電解質形燃料電池セルを積層し、且つ、前 記各固体電解質形燃料電池セル間に、前記固体電解質形燃料電池セル間のガス の流通を分離するとともに、前記固体電解質形燃料電池セル間の電気的導通を確 保するインターコネクタを配置した固体電解質形燃料電池スタックにお 、て、前記固 体電解質形燃料電池スタックの一部又は全体を、当該スタックの積層方向に貫くよう に、前記固体電解質形燃料電池セルに、前記燃料ガスを供給する 2以上の通気孔 又は前記酸化剤ガスを供給する 2以上の通気孔を設け、異なる前記通気孔を、それ ぞれ異なる前記固体電解質形燃料電池セルに連通させたことを特徴とする。
[0012] 本発明は、いわゆる内部マ-ホールド構造に関するものである。本発明では、固体 電解質形燃料電池スタックを貫くように、燃料ガスが流通する 2以上の通気孔 (又は 酸化剤ガスが流通する 2以上の通気孔）を設けており、その燃料ガスの異なる通気孔 (又は酸化剤ガスの異なる通気孔）は、それぞれ異なる固体電解質形燃料電池セル ( 詳しくはその内部流路である燃料ガスの流路又は酸化剤ガスの流路）に連通して ヽ る。
[0013] 従って、固体電解質形燃料電池スタックの内部に形成された各通気孔を介して各 固体電解質形燃料電池セルに酸化剤ガスや燃料ガスを供給する場合には、異なる 固体電解質形燃料電池セルに対して、酸化剤ガスや燃料ガスの供給状態 (例えば 供給量や供給温度等)を制御することができる。
[0014] よって、例えば固体電解質形燃料電池スタックの積層方向両端のセルの温度や発 電量が低い場合には、その両端のセルに対する酸化剤ガスの温度を増加させて、両 端のセルの温度を高めてスタック内部の温度を均一化でき、また、燃料ガスの供給量 を増加させて、両端のセルの発電量を高めて、スタック全体の発電能力を高めること ができる。特に、積層方向に直列に電気的に接続されたスタックの場合には、各セル の発電能力を均一化することができるので、スタック全体の発電能力を高めることが できる。
[0015] つまり、本発明独自の内部マ-ホールドの構造により、スタックをコンパクトにできる とともに、各セルの発電能力の均一化等によってスタック全体の発電性能を高めるこ とができるので、エネルギー密度を向上することができるという顕著な効果を奏する。
[0016] 尚、前記通気孔としては、スタックを貫く通気孔や、スタックの一部を貫く有底の通 気孔を採用できる (以下同様)。
[0017] (2)第 2実施態様の発明は、上記固体電解質形燃料電池スタックにおいて、前記 酸化剤ガスを供給する異なる通気孔を、それぞれ異なる前記固体電解質形燃料電 池セルに連通させたことを特徴とする。
[0018] 本発明では、燃料ガスの異なる通気孔は、それぞれ異なる固体電解質形燃料電池 セルに連通するとともに、酸化剤ガスの異なる通気孔は、それぞれ異なる固体電解 質形燃料電池セルに連通して 、る。
[0019] これにより、異なる固体電解質形燃料電池セル毎に、燃料ガスの供給状態と酸ィ匕 剤ガスの供給状態とを制御できるので、温度や発電量などの制御性が一層向上する という利点がある。
[0020] (3)第 3実施態様の発明は、上記固体電解質形燃料電池スタックにおいて、異なる 前記通気孔毎に前記各ガスの状態を独立して制御可能としたことを特徴とする。 [0021] 本発明は、いわゆる内部マ-ホールド構造に関するものである。本発明では、固体 電解質形燃料電池スタックを貫くように、燃料ガスが流通する 2以上の通気孔 (又は 酸化剤ガスが流通する 2以上の通気孔）を設けており、異なる通気孔を介して異なる 固体電解質形燃料電池セルに供給する燃料ガス (又は酸化剤ガス)の状態を、各セ ル毎に独立して制御可能としている。
[0022] 従って、固体電解質形燃料電池スタックの内部に形成された各通気孔を介して各 固体電解質形燃料電池セルに酸化剤ガスや燃料ガスを供給する場合には、異なる 固体電解質形燃料電池セルに対して、酸化剤ガスや燃料ガスの供給状態 (例えば 供給量や供給温度等)を制御することができる。
[0023] よって、例えば固体電解質形燃料電池スタックの積層方向両端のセルの温度や発 電量が低い場合には、その両端のセルに対する酸化剤ガスの温度を増加させて、両 端のセルの温度を高めてスタック内部の温度を均一化でき、また、燃料ガスの供給量 を増加させて、両端のセルの発電量を高めて、スタック全体の発電能力を高めること ができる。特に、積層方向に直列に電気的に接続されたスタックの場合には、各セル の発電能力を均一化することができるので、スタック全体の発電能力を高めることが できる。
[0024] つまり、本発明により、スタックをコンパクトにできるとともに、各セルの発電能力の均 一化等によってスタック全体の発電性能を高めることができるので、エネルギー密度 を向上することができるという顕著な効果を奏する。
[0025] (4)第 4実施態様の発明は、上記固体電解質形燃料電池スタックにおいて、前記 酸化剤ガスを供給する異なる通気孔毎に前記酸化剤ガスの状態を独立して制御可 能としたことを特徴とする。
[0026] 本発明では、異なる通気孔を介して異なる固体電解質形燃料電池セルに供給する 燃料ガスの状態を、各セル毎に独立して制御可能するとともに、異なる通気孔を介し て異なる固体電解質形燃料電池セルに供給する酸化剤ガスの状態を、各セル毎に 独立して制御可能として 、る。
[0027] これにより、異なる固体電解質形燃料電池セル毎に、燃料ガスの供給状態と酸ィ匕 剤ガスの供給状態とを制御できるので、温度や発電量などの制御性が一層向上する という利点がある。
[0028] (5)第 5実施態様の発明は、上記固体電解質形燃料電池スタックにおいて、前記 酸化剤ガスの供給用に 2以上の通気孔を設けて、各セルの温度制御を行うことを特 徴とする。
[0029] 本発明では、通気孔が酸化剤ガスの供給用であるので、スタックの温度制御に利 用でき、この供給ガスを通気孔毎 (従って例えばセル毎）に制御することで、スタック 内の温度差を低減できる。
[0030] スタック内の温度は、供給する酸化剤ガスの流量で制御することができる。つまり、 固体電解質形燃料電池は、発電で発熱するため、酸化剤ガスの流量を大きくして熱 量を外部に排出することで、運転温度を下げることができる。また、ガス流量は、スタ ック端部よりスタック中心部を大きくすることが望ましい。つまり、スタックは中心部の温 度が高くなる傾向があるので、こうすることで、スタック内の温度差を低減できる。
[0031] 更に、スタック内の温度は、酸化剤ガスの温度で制御することができる。例えば酸ィ匕 剤ガスの温度をセル毎などに変えることで、スタック全体を均熱化できる。また、ガス 温度は、スタック端部よりスタック中心部を低くすることが望ましい。つまり、スタックは 中心部の温度が高くなる傾向があるので、こうすることで、スタック内の温度差を低減 できる。
[0032] (6)第 6実施態様の発明は、上記固体電解質形燃料電池スタックにおいて、前記 燃料ガスの供給用に 2以上の通気孔を設けて、各セルの発電量制御を行うことを特 徴とする。
[0033] 本発明では、通気孔が燃料ガスの供給用であるので、スタックの発電量制御に利 用でき、この供給ガスを通気孔毎 (従って例えばセル毎）に制御することで、各セルの 発電量を均一化できる。
[0034] 各セルの発電量は、供給する燃料ガスの流量で制御することができる。つまり、燃 料ガスの供給量を上げることで発電量を上げることができる。また、燃料ガスの流量 は、スタック中心部よりスタック端部を大きくすることが望ましい。スタック端部の発電 量は、その温度が低いために、スタック中心部より低くなる傾向にあるので、こうするこ とで、各セルの発電量を均一化することができる。 [0035] (7)第 7実施態様の発明は、上記固体電解質形燃料電池セルは、燃料極と空気極 と固体電解質体とを備えたセル本体を、その平面方向の外周側から囲む枠部を備え 、前記枠部に、前記燃料ガスの通気孔及び前記酸化剤ガスの通気孔を設けたことを 特徴とする。
[0036] 本発明は、通気孔が固体電解質形燃料電池セルの外周側の枠部を貫通した構成 を例示したものである。
[0037] 尚、枠部としては、複数の枠 (金属フレーム、絶縁フレーム、セル本体を支持するセ パレータ等）が積層されたものが挙げられる。また、枠部が無い場合には、セル本体 などの外周や中央に通気孔を設けてもよい。
[0038] (8)第 8実施態様の発明は、上記固体電解質形燃料電池スタックの積層方向の端 部における前記固体電解質形燃料電池セルに対して、供給するガス (燃料ガスや酸 ィ匕剤ガス)の状態を制御することを特徴とする。
固体電解質形燃料電池スタックの全体にて発電を行って ヽる場合でも、その積層方 向の両端側のセルは、外部環境に近いので、他のセルと同様にガスが供給されても
、その温度 (従って発電能力）が低い傾向にある。
[0039] よって、その様な場合には、例えば酸化剤ガスの温度を高める等の方法によって、 両端側のセルの温度が他のセルと同程度となる様に高めることにより、両端側のセル の発電能力を高めることができる。或いは、例えば燃料ガスの流量を増カロさせる等の 方法によって、直接に発電能力自体を高めることもできる。
[0040] これにより、スタックのセルの発電性能を均一化できるので、スタック全体の発電能 力を高めることができる。
[0041] (9)第 9実施態様の発明は、上記固体電解質形燃料電池スタックの積層方向の端 部における前記固体電解質形燃料電池セルの状態を、所定状態にフィードバック制 御することを特徴とする。
例えば固体電解質形燃料電池スタックの両端側のセルの温度が低 ヽ場合には、両 端側のセルの温度が他のセルの温度と同様になるように、例えば酸化剤ガスの流量 を調節するようにして、温度に関するフィードバック制御を行う。これにより、各セルの 発電能力を高めることができる。 [0042] 尚、セルの状態としては、セルの温度、セルを流れるガスの流量、ガスの温度など が挙げられる。
[0043] (10)第 10実施態様の発明では、上記固体電解質形燃料電池スタックをその積層 方向に貫通する中空ボルトを配置し、前記中空ボルトの内部孔を、前記ガスの通気 孔として用いることを特徴とする。
[0044] 本発明では、通気孔として、中空ボルトの内部孔を用いる例を示している。この中 空ボルトは、スタックを積層して固定する際のボルトとして利用できる。つまり、ボルトと しての機能とガス供給路としての機能を併用させることができる。これにより、コンパク トなスタック構造とすることができる。
[0045] 'ここで、前記固体電解質形燃料電池スタックを構成する各セルの積層段数として は、少ない方が望ましぐ 2〜30段 (特に 5〜15段）が好適である。このように段数を 少なくすることによって、ガス供給を制御する配管数を低減でき、スタック構造を簡素 化できるからである。
[0046] また、セル 1枚当たりの発電量としては、 50W以上（特に 100W以上）であることが 望ましい。 1枚当たりの発電量を大きくすることで、段数の少ないスタックでも大容量 の発電が可能だ力もである。例えば 1枚当たり 100Wのセルを用いれば、 10段スタツ クで lkW級スタックを構成できる。
[0047] ，前記固体電解質形燃料電池スタックの構造としては、 (a)固体電解質形燃料電池 セルの発電部分 (即ち空気極と固体電解質体と燃料極とを積層したセル本体)とイン ターコネクタとを、直接に接触するように積層した構造、（b)セル本体とインターコネク タとを、集電体を介して接触するように積層した構造、（c)セル本体に支持板等の枠 部を設けたものとインターコネクタとを、集電体を介して (又は介さずして)接触するよ うに積層した構造を採用できる。尚、（c)のセル本体を外周側より支える枠部を設け たものは、積層時又は運転時にセル本体に加わる応力を緩和できるので好適である
[0048] ·前記通気孔と各段のセルとを連通させる方法としては、例えば所定のインターコネ クタ又はセパレータ等カもなる枠部に設けた (例えばその表面を凹状にして形成した )ガス流路と所定の貫通路とを連通させる方法を採用できる。 •各セルと各連通孔を連通させる組み合わせとしては、図 1 Aに示す様に、 1つの通 気孔（1)に対して 1つのセル（3)を連通させる方法を採用できる。この場合、各セル に供給されるガス流量は、それぞれに独立に制御できるので、効率的な発電ができ る。尚、更に、図 1Bに示す様に、 1つの通気孔（5)に対して複数のセル（7)、 （9)を 連通させる構成（ 1つの通気孔を分岐させる構成）を備えて ヽてもよ ヽ。この場合は、 同じ条件で発電できるスタック領域が分力つている場合に有効である。
[0049] また、図 1Cに示す様に、 1つのセル（11)対して複数の通気孔（13)、 （15)を連通 させる方法を採用できる。この方法は、所定のセルのガス供給量を他のセルより多く しなければならな!/、ことが分力つて 、る場合に有効である。
[0050] ，前記固体電解質体は、電池の作動時に燃料極に導入される燃料ガス又は空気極 に導入される酸化剤ガスのうちの一方の一部をイオンとして移動させることができるィ オン伝導性を有する。このイオンとしては、例えば酸素イオン及び水素イオン等が挙 げられる。また、燃料極は、還元剤となる燃料ガスと接触し、セルにおける負電極とし て機能する。空気極は、酸化剤となる酸化剤ガスと接触し、セルにおける正電極とし て機能する。
[0051] ·固体電解質体の材料としては、例えばジルコユア系電解質材料 (YSZ、 ScSZ)、 セリア系電解質材料（SDC、 GDC)、ぺロブスカイト系酸ィ匕物等が挙げられる。これら のうちでは、 Sc、Y等の希土類元素のうち少なくとも 1種により安定ィ匕された ZrO系セ
2 ラミック (YSZ、 ScSZ等）が好まし ヽ。
[0052] ·燃料極の材料としては、例えば Ni、 Niとセラミックとのサーメット等が使用できる。
詳しくは、 Ni及び Fe等の金属と、 Sc、 Y等の希土類元素のうちの少なくとも 1種により 安定化されたジルコユア等の ZrO系セラミック、 CeO系セラミック等のセラミックのう
2 2
ちの少なくとも 1種との混合物などが挙げられる。また、 Pt、 Au、 Ag、 Pd、 Ir、 Ru、 R h、 Ni及び Fe等の金属が挙げられる。これらの金属は 1種のみでもよいし、 2種以上 の金属の合金でもよい。更に、これらの金属及び Z又は合金と、上記セラミックの各 々の少なくとも 1種との混合物（サーメットを含む）が挙げられる。また、 Ni及び Fe等の 金属の酸化物と、上記セラミックの各々の少なくとも 1種との混合物などが挙げられる [0053] ·空気極の材料としては、例えばべ口ブスカイト系酸ィ匕物、各種貴金属、貴金属とセ ラミックとのサーメット等が使用できる。詳しくは、各種の金属、金属の酸化物、金属の 複酸化物等を用いることができる。金属としては、 Pt、 Au、 Ag、 Pd、 Ir、 Ru及び Rh 等の金属又は 2種以上の金属を含有する合金が挙げられる。更に、金属の酸化物と しては、 La、 Sr、 Ce、 Co、 Mn及び Fe等の酸化物が挙げられる。また、複酸化物とし ては、少なくとも La、 Pr、 Sm、 Sr、 Ba、 Co、 Fe及び Mn等を含有する複酸化物が挙 げられる。
[0054] ·前記枠部の材料としては、耐熱性、化学的安定性、強度等の優れた材料を使用 でき、例えばアルミナ、ジルコユア等のセラミックス材料や、ステンレス鋼、ニッケル基 合金、クロム基合金等の耐熱合金等の金属材料が挙げられる。具体的には、ステン レス鋼としては、フェライト系ステンレス鋼、マルテンサイト系ステンレス鋼、オーステナ イト系ステンレス鋼が挙げられる。
[0055] ·前記インターコネクタは、固体電解質形燃料電池セル間のガスの流通を分離する ととも〖こ、固体電解質形燃料電池セル間の導通（直列に接続)を確保するものであり 、インターコネクタの材料としては、前記枠部に用いた耐熱性、化学的安定性、強度 等の優れた材料のうち、導電性を有するステンレス鋼、ニッケル基合金、クロム基合 金等の耐熱合金等の金属材料を採用できる。
[0056] 'そして、固体電解質形燃料電池を用いて発電を行う場合、燃料極側には燃料ガス を導入し、空気極側には酸化剤ガスを導入する。
[0057] 燃料ガスとしては、水素、還元剤となる炭化水素、水素と炭化水素との混合ガス、及 びこれらのガスを所定温度の水中を通過させ加湿した燃料ガス、これらのガスに水蒸 気を混合させた燃料ガス等が挙げられる。炭化水素は特に限定されず、例えば、天 然ガス、ナフサ、石炭ガス化ガス等が挙げられる。この燃料ガスとしては水素が好まし い。これらの燃料ガスは 1種のみを用いてもよいし、 2種以上を併用することもできる。 また、 50体積0 /0以下の窒素及びアルゴン等の不活性ガスを含有して 、てもよ 、。
[0058] 酸化剤ガスとしては、酸素と他の気体との混合ガス等が挙げられる。更に、この混合 ガスには 80体積％以下の窒素及びアルゴン等の不活性ガスが含有されていてもよ い。これらの酸化剤ガスのうちでは安全であって、且つ安価であるため、空気 (約 80 体積％の窒素が含まれている。）が好ましい。
図面の簡単な説明
[0059] [図 1A-1C]固体電解質形燃料電池セルと通気孔との接続状態を示す説明図である。
[図 2]実施例の固体電解質形燃料電池スタックを示す正面図である。
[図 3]固体電解質形燃料電池スタックに用いる各ボルトの配置を図 2の下方から見た 状態を示す説明図である。
[図 4]固体電解質形燃料電池スタックの一部を破断して示した模式図である。
[図 5]ボルトとその使用状態を破断して示す説明図である。
[図 6A-6E]各インターコネクタにおける空気の流路を示す説明図である。
[図 7A-7E]各セルにおける燃料ガスの流路を示す説明図である。
[図 8]本実施例の制御のメインルーチンを示すフローチャートである。
[図 9]セル電圧制御を示すフローチャートである。
[図 10]セル温度制御 1を示すフローチャートである。
[図 11]セル温度制御 2を示すフローチャートである。
[図 12]燃料排気濃度制御を示すフローチャートである。
[図 13]空気排気濃度制御を示すフローチャートである。
符号の説明
[0060] 1、 5、 13、 15、 75· ··通気孔
21· ··固体電解質形燃料電池スタック
3、 7、 9、 11、 23· ··固体電解質形燃料電池セル
25…インターコネクタ
29、 30、 31、 32、 33、 34、 35、 36、 37、 38、 39、 40· ··ボルト
45…燃料ガス流路
47…燃料極
49· ··固体電解質体
51…空気極
53· ··空気流路
59· ··セノレ本体 69…枠部
発明を実施するための最良の形態
[0061] 次に、本発明の最良の形態の例（実施例）について、すなわち、固体電解質形燃 料電池スタックの実施例にっ 、て説明する。
実施例
[0062] a)まず、固体電解質形燃料電池スタックの構成につ!ヽて説明する。
[0063] 図 2に示す様に、本実施例の固体電解質形燃料電池スタック 21は、燃料ガス (例え ば水素）と酸化剤ガス (例えば空気 (詳しくは空気中の酸素)）との供給を受けて発電 を行う装置である。
[0064] この固体電解質形燃料電池スタック 21は、固体電解質形燃料電池セル 23とインタ 一コネクタ（セル 23間の導通を確保するとともにガス流路を遮断するプレート） 25とが 交互に積層されたものである。
[0065] 詳しくは、固体電解質形燃料電池スタック 21は、固体電解質形燃料電池セル 23が インターコネクタ 25を介して複数個（例えば 10個）積層された積層体 (スタック本体） 2 7と、積層体 27の外周縁部に配置されて積層体 27を積層方向に貫くボルト 29〜40 ( 図 2下方の底面を示す図 3参照）と、各ボルト 29〜40に螺合するナット 71, 73 (05 参照)などを備えている。
[0066] 尚、隣り合う固体電解質形燃料電池セル 23の間のインターコネクタ 25は共有され るので、上下両端の固体電解質形燃料電池セル 23以外は、セル 23間には、 1枚の インターコネクタ 25が配置されるだけである。ここで、上下両端のインターコネクタ 25 は、外側コネクタと称する。
[0067] 図 4に模式的に示す様に、前記固体電解質形燃料電池セル 23は、いわゆる燃料 極支持膜タイプのセルであり、燃料ガス流路 45側には、燃料極 (アノード) 47が配置 され、燃料極 47の同図上側の表面には薄膜の固体電解質体 49が形成され、その固 体電解質体 49の空気流路 53側の表面には、空気極 (力ソード） 51が形成されている
[0068] また、空気極 51と上方の金属製のインターコネクタ 25bとの間には、その電気的導 通を確保するために、（例えば空気極 51と同様な LSCF(La Sr Co Fe O )、 LS M(La Sr MnO )等力もなる)集電体 55が配置され、同様に、燃料極 47と下方のィ
0.6 0.4 3
ンターコネクタ 25cとの間には、集電体 57が配置されている。尚、燃料極 47と固体電 解質体 49と空気極 51とをセル本体 59と称する。
[0069] つまり、本実施例では、各固体電解質形燃料電池セル 23は、セル本体 59と、上下 の集電体 55、 57と、空気流路 53側の金属製の空気極フレーム 61と、セラミックス製 の絶縁フレーム 63と、セル本体 59に接合して支持するとともにガス流路を遮断する 金属製のセパレータ (支持板) 65と、燃料ガス流路 45側の金属製の燃料極フレーム 67とを備えて ヽる。
[0070] 尚、空気極フレーム 61と絶縁フレーム 63とセパレータ 65と燃料極フレーム 67とに より、ボルト 29〜40が貫く固体電解質形燃料電池セル 23の枠部 69が構成されてい る。
[0071] b)次に、前記ボルト 29〜40について説明する。
前記ボルト 29〜40は、各固体電解質形燃料電池セル 23やインターコネクタ 25等を 積層方向に押圧して、積層体 27を一体に拘束するために用いられるとともに、燃料 ガスや空気を各セル 23に供給したり排出するために用いられる。
[0072] 具体的には、前記図 3に示す様に、第 1ボルト 29は 9段目のセル 23に燃料ガスを 供給し、第 2ボルト 30は 10段目のセル 23に燃料ガスを供給し、第 3ボルト 31は 1段 目のセル 23に空気を供給し、第 4ボルト 32は 2段目のセル 23に空気を供給するよう に構成されて 、る。第 5ボルト 33は全てのセル 23から燃料ガスを排気するように構成 されている。第 6ボルト 34は 3〜8段目のセル 23に空気を供給し、第 7ボルト 35は 9段 目のセル 23に空気を供給し、第 8ボルト 36は 10段目のセル 23に空気を供給し、第 9 ボルト 37は 1段目のセル 23に燃料ガスを供給し、第 10ボルト 38は 2段目のセル 23 に燃料ガスを供給するように構成されている。第 11ボルト 39は全てのセル 23から空 気を排気するように構成されている。第 12ボルト 40は 3〜8段目のセル 23に燃料ガ スを供給するように構成されている。尚、各段とは、図 2の上方力もの各セル 23の個 数 (段数)を示している。
ここで、各ボルト 29〜40の形状について、 1つのボルトを例に挙げて説明する（各ボ ルト 29〜40の形状は同一である）。 [0073] 図 5に示す様に、例えば第 12ボルト 40は、円柱状の長尺の中空ボルトであり、その ボルト 40の上下両端には、ナット 71、 73が螺合されている。尚、ここでは、六角形の 一対のナット 71、 73を用いた例で説明している力 通常の有頭のボルトで一端のみ にナットを固定するものを使用できる。
[0074] 前記第 12ボルト 40の軸中心には、ガス流路として用いられる有底の通気孔 75が、 同図下方のナット 73の上面とほぼ同位置に達する程度まで開けられるとともに、その 通気孔 75から径方向（同図左右方向）に複数の横穴 77が形成されている。
[0075] この第 12ボルト 40は、積層体 27の外周近傍にて (その積層方向に）開けられた第 12貫通孔 791に貫挿されており、第 12ボルト 40の外周面と第 12貫通孔 791との内周 面との間には、円筒状のガス流路となる空間 81が形成されている。
[0076] また、第 12ボルト 40の上下方向には、各ナット 71、 73と積層体 27との間に、フラン ジ形状の絶縁リング 83、 85が外嵌されている。この絶縁リング 83、 85の鍔の部分 83 a、 85aが各ナット 71、 73と積層体 27との間には挟まれることにより、第 12ボルト 40と 積層体 27との間隔が保たれるとともに、絶縁リング 83、 85の筒の部分 83b、 85bが第 12ボルト 40と積層体 27との間に配置されることにより、前記空間 81が保持されてい る。
[0077] 従って、例えば通気孔 75から、横穴 77を介して空間 81に供給される燃料ガスは、 この空間 81に連通する所定の開口部 91 (図 4参照）を介して所定のセル 23に供給さ れる。つまり、第 12ボルト 40の場合には、 3〜8段目のセル 23に各開口部 91が設け られているので、この開口部 91を介して、セル 23内に燃料ガス導入される。
[0078] 尚、第 12ボルト 40の上端には、ジョイント 87が螺合され、このジョイント 87には、ガ ス供給 (又は排出）用のガスパイプ 89が取り付けられて 、る。
[0079] c)次に、各セル 23にガス流路を形成する構造について説明する。
[0080] 尚、図 6A— 6E及び図 7A— 7Eは、図 2の下面側から見た図面である。
[0081] (1)空気極 51側の流路を構成するインターコネクタ 25の表面の構造
図 6Aは、図 2の上端に配置されるインターコネクタ（外側コネクタ） 25aを示している 。この外側コネクタ 25aの下側表面には、空気が流れる流路となる凹部 93が形成さ れており、この凹部 93は、（1段目のセル 23の空気供給用の）第 3ボルト 31が貫挿さ れる第 3貫通孔 79cに連通するとともに、（全セル 23の空気排気用の）第 11ボルト 39 が貫挿される第 11貫通孔 79kに連通している。尚、各インターコネクタ 25には、第 1 〜 12ボルト 29〜40がそれぞれ貫挿される第 1〜 12貫通孔 79a〜lが形成されて!、る
[0082] 図 6Bは、 1段目と 2段目のセル 23の間に配置されるインターコネクタ 25bを示して いる。このインターコネクタ 25bの下側表面には、空気が流れる流路となる凹部 95が 形成されており、この凹部 95は、（2段目のセル 23の空気供給用の）第 4ボルト 32が 貫挿される第 4貫通孔 79dに連通するとともに、（全セル 23の空気排気用の）第 11ボ ルト 39が貫挿される第 11貫通孔 79kに連通して 、る。
[0083] 図 6Cは、 2段目と 3段目、 3段目と 4段目、 4段目と 5段目、 5段目と 6段目、 6段目と 7段目、 7段目と 8段目の各セル 23の間に配置されるインターコネクタ 25cを示してい る。このインターコネクタ 25cの下側表面には、空気が流れる流路となる凹部 97が形 成されており、この凹部 97は、（3〜8段目のセル 23の空気供給用の）第 6ボルト 34 が貫挿される第 6貫通孔 79fに連通するとともに、（全セル 23の空気排気用の)第 11 ボルト 39が貫挿される第 11貫通孔 79kに連通して!/、る。
[0084] 図 6Dは、 8段目と 9段目のセル 23の間に配置されるインターコネクタ 25dを示して いる。このインターコネクタ 25dの下側表面には、空気が流れる流路となる凹部 98が 形成されており、この凹部 98は、（9段目のセル 23の空気供給用の）第 7ボルト 35が 貫挿される第 7貫通孔 79gに連通するとともに、（全セル 23の空気排気用の）第 11ボ ルト 39が貫挿される第 11貫通孔 79kに連通して 、る。
[0085] 図 6Eは、 9段目と 10段目のセル 23の間に配置されるインターコネクタ 25eを示して いる。このインターコネクタ 25eの下側表面には、空気が流れる流路となる凹部 99が 形成されており、この凹部 99は、（10段目のセル 23の空気供給用の）第 8ボルト 36 が貫挿される第 8貫通孔 79hに連通するとともに、（全セル 23の空気排気用の）第 11 ボルト 39が貫挿される第 11貫通孔 79kに連通して!/、る。
[0086] (2)燃料極 47側の流路を構成するセル 23の燃料極側の表面の構造
図 7Aは、 1段目のセル 23aの燃料極 47側を示している。このセル 23aの下側表面 には、燃料が流れる流路となる凹部 101が形成されており、この凹部 101は、（1段目 のセル 23aの燃料供給用の）第 9ボルト 37が貫挿される第 9貫通孔 79iに連通すると とも〖こ、（全セル 23の燃料排気用の）第 5ボルト 33が貫挿される第 5貫通孔 79eに連 通している。
[0087] 図 7Bは、 2段目のセル 23bの燃料極 47側を示している。このセル 23bの下側表面 には、燃料が流れる流路となる凹部 103が形成されており、この凹部 103は、（2段目 のセル 23bの燃料供給用の）第 10ボルト 38が貫挿される第 10貫通孔 7 に連通す るとともに、（全セル 23の燃料排気用の）第 5ボルト 33が貫挿される第 5貫通孔 79eに 連通している。
[0088] 図 7Cは、 3〜8段目のセル 23cの燃料極 47側を示している。このセル 23cの下側 表面には、燃料が流れる流路となる凹部 105が形成されており、この凹部 105は、 (3 〜8段目のセル 23bの燃料供給用の）第 12ボルト 40が貫挿される第 12貫通孔 791に 連通するとともに、（全セル 23の燃料排気用の)第 5ボルト 33が貫挿される第 5貫通 孔 79eに連通している。
[0089] 図 7Dは、 9段目のセル 23dの燃料極 47側を示して!/、る。このセル 23dの下側表面 には、燃料が流れる流路となる凹部 107が形成されており、この凹部 107は、（9段目 のセル 23dの燃料供給用の）第 1ボルト 29が貫挿される第 1貫通孔 79aに連通すると とも〖こ、（全セル 23の燃料排気用の）第 5ボルト 33が貫挿される第 5貫通孔 79eに連 通している。
[0090] 図 7Eは、 10段目のセル 23eの燃料極 47側を示している。このセル 23eの下側表 面には、燃料が流れる流路となる凹部 109が形成されており、この凹部 109は、（10 段目のセル 23dの燃料供給用の）第 2ボルト 30が貫挿される第 2貫通孔 79bに連通 するとともに、（全セル 23の燃料排気用の）第 5ボルト 33が貫挿される第 5貫通孔 79e に連通している。
[0091] d)次に、固体電解質形燃料電池スタック 21の製造方法について、簡単に説明する
[0092] ·まず、例えば SUS430からなる板材を打ち抜いて、インターコネクタ 25、空気極フ レーム 61、燃料極フレーム 67、セパレータ 65を製造した。
[0093] また、定法により、スピネルを主成分とするグリーンシートを所定形状に形成し、焼 成して、絶縁フレーム 63を製造した。
[0094] 固体電解質形燃料電池セル 23のセル本体 59を、定法に従って製造した。具体的 には、燃料極 47のグリーンシート上に、固体電解質体 49の材料を印刷して焼成し、 その上に空気極 51の材料を印刷し、その後更に焼成した。尚、セル本体 59は、セパ レータ 65にろう付けして固定した。
•これとは別に、空気用及び燃料用のボルト 29〜40を、下記の手順で製造した。
[0095] 具体的には、例えば SUS430からなる直径 15mm X長さ 120mmの丸棒に対して 、その軸中心にザグリ加工を行い、内径 9mm X深さ 100mmの通気孔 75を形成した 次に、丸棒の上下両端の外周にネジを切って長さ 30mmのネジ部と長さ 20mmのネ ジ部を形成した。
[0096] 次に、丸棒の軸方向に沿って、等間隔で、径方向に、通気孔 75と外周側とを連通 する直径 2mmの横穴 77を複数形成して、ボルト 29〜40を完成した。
[0097] 'そして、上述したインターコネクタ 25、空気極フレーム 61、燃料極フレーム 67、セ ル本体 59をろう付けしたセパレータ 65、集電体 55、 57などを一体にして、各固体電 解質形燃料電池セル 23を組み付けるとともに、各固体電解質形燃料電池セル 23を 積層して積層体 27を構成した。
[0098] そして、この積層体 27の各貫通孔 79a〜jにボルト 29〜40を嵌め込むとともに、そ れらの両端力ら絶&^ぺーサ 83、 85を嵌め、ボノレト 29〜40の両端にナット 71、 73 を螺合させた。
[0099] その後、このナット 71、 73を締め付けて、積層体 25を押圧して一体ィ匕して固定し、 固体電解質形燃料電池スタック 21を完成した。
[0100] e)次に、本実施例の固体電解質形燃料電池スタック 21の各種の制御について説 明する。
(1)メインルーチン
図 8に示す様に、本実施例では、固体電解質形燃料電池スタック 21に燃料ガス及び 空気を供給して発電を行う場合には、後に詳述するように、ステップ ） 100にて、セ ル電圧制御を行い、ステップ 110にて、セル温度制御 1を行い、ステップ 120〖こて、セ ル温度制御 2を行い、ステップ 130にて、燃料排気濃度制御を行い、ステップ 140に て、空気排気濃度制御を行い、一旦本処理を終了する。
[0101] 尚、ステップ 100〜140の処理の一部のみを行ってもよい。
[0102] (2)セル電圧制御
セル電圧制御とは、燃料ガスの供給量を調節して、各セル 23にて発生する電圧を 一定にフィードバック制御する処理である。
[0103] 本処理では、図 9に示す様に、ステップ 200にて、各セル 23の電圧を測定する。尚
、電圧は、各セル 23の両側のインターコネクタ 25間の電圧を測定することにより求め ることがでさる。
[0104] 続くステップ 210では、そのセル 23の電圧が基準電圧 K1より高いか否かを判定す る。ここで肯定判断されるとステップ 220に進み、一方否定判断されるとステップ 230 に進む。
[0105] ステップ 230では、セル 23の電圧が希望する電圧範囲（K1〜K2 :K1 <K2)より 低いので、電圧を高めるために、燃料流量を増加させる処理を行って、ー且本処理 を終了する。
[0106] 一方、ステップ 220では、そのセル 23の電圧が基準電圧 Κ2より低!、か否かを判定 する。ここで肯定判断されると一旦本処理を終了し、一方否定判断されるとステップ 2 40に進む。
[0107] ステップ 240では、セル 23の電圧が希望する電圧範囲より高いので、電圧を低める ために、燃料流量を低下させる処理を行って、ー且本処理を終了する。
[0108] これにより、セル 23の電圧を所望の電圧範囲に制御することができる。
[0109] 例えば、スタック 21の両端側のセル（1、 2、 9、 10段目のセル） 23の電圧が低い場 合には、それに対応する第 9、 10、 1、 2ボルト 37、 38、 29、 30に供給する燃料ガス を増加させる制御を行う。
[0110] (3)セル温度制御 1
セル温度制御 1とは、燃料ガスの供給量を調節して、各セル 23の温度を一定にフィ ードバック制御する処理である。
[0111] 本処理では、図 10に示す様に、ステップ 300にて、各セル 23の温度を測定する。 尚、温度は、例えば各セル 23近傍に熱電対等のセンサを配置することにより求める ことができる。
[0112] 続くステップ 310では、そのセル 23の温度が基準温度 K3より高いか否かを判定す る。ここで肯定判断されるとステップ 320に進み、一方否定判断されるとステップ 330 に進む。
[0113] ステップ 330では、セル 23の温度が希望する温度範囲（K3〜K4 :K3<K4)より 低いので、温度を高めるために、燃料流量を増加させる処理を行って、ー且本処理 を終了する。
[0114] 一方、ステップ 320では、そのセル 23の温度が基準温度 Κ4より低いか否かを判定 する。ここで肯定判断されると一旦本処理を終了し、一方否定判断されるとステップ 3 40に進む。
[0115] ステップ 340では、セル 23の温度が希望する温度範囲より高いので、温度を低める ために、燃料流量を低下させる処理を行って、ー且本処理を終了する。
[0116] これにより、セル 23の温度を所望の温度範囲に制御することができる。尚、温度が 所望範囲の場合には、他の条件が同じであれば、発電量も同様であると考えられる。
[0117] (4)セル温度制御 2
セル温度制御 2とは、空気の供給量を調節して、各セル 23の温度を一定にフィード バック制御する処理である。尚、空気は冷却ガスとしても機能するので、空気の流量 を調節することにより、温度制御を行うことができる。
[0118] 本処理では、図 11に示す様に、ステップ 400〖こて、各セル 23の温度を測定する。
[0119] 続くステップ 410では、そのセル 23の温度が基準温度 Κ5より高いか否かを判定す る。ここで肯定判断されるとステップ 420に進み、一方否定判断されるとステップ 430 に進む。
[0120] ステップ 430では、セル 23の温度が希望する温度範囲（Κ5〜Κ6 :Κ5<Κ6)より 低いので、温度を高めるために、空気流量を低下させる処理を行って、ー且本処理 を終了する。
[0121] 一方、ステップ 420では、そのセル 23の温度が基準温度 Κ6より低いか否かを判定 する。ここで肯定判断されると一旦本処理を終了し、一方否定判断されるとステップ 4 40に進む。
[0122] ステップ 440では、セル 23の温度が希望する温度範囲より高いので、温度を低める ために、空気流量を増加させる処理を行って、ー且本処理を終了する。
[0123] これにより、セル 23の温度を所望の温度範囲に制御することができる。尚、温度が 所望範囲の場合には、他の条件が同じであれば、発電量も同様であると考えられる。
[0124] (5)燃料排気濃度制御
燃料排気濃度制御とは、燃料ガスの排気に含まれる成分を分析し、その成分量に応 じて、燃料ガスや空気の供給量を調節して、各セル 23の発電状態 (例えば電圧)を 一定に制御する処理である。
[0125] 本処理では、図 12に示す様に、ステップ 500にて、燃料ガスの排気中の Hガス濃
2 度を測定し、続くステップ 510にて、 COガス濃度を測定する。
[0126] 続くステップ 520では、燃料ガスの排気中の Hガス濃度が基準 H濃度 K7より高い
2 2
か否かを判定する。ここで肯定判断されるとステップ 530に進み、一方否定判断され るとステップ 540に進む。
[0127] ステップ 540では、 Hガス濃度が希望する濃度範囲（K7〜K8 :K7<K8)より低い
2
ので、 Ηガス濃度を高めるために (従って発電量を多くするために）、燃料流量を増
2
加させる処理を行って、ー且本処理を終了する。
[0128] 一方、ステップ 530では、 Ηガス濃度が基準 Η濃度 Κ8より低 、か否かを判定する
2 2
。ここで肯定判断されるとステップ 550に進み、一方否定判断されるとステップ 560に 進む。
[0129] ステップ 560では、 Ηガス濃度が希望する濃度範囲より高いので、 Ηガス濃度を
2 2
低めるために (従って発電量を低くするために）、燃料流量を低下させる処理を行つ て、ー且本処理を終了する。
[0130] また、前記ステップ 550では、燃料ガスの排気中の COガス濃度が基準 CO濃度 Κ9 より高いか否かを判定する。ここで肯定判断されるとステップ 580に進み、一方否定 判断されるとステップ 570に進む。
[0131] ステップ 570では、 COガス濃度が希望する濃度範囲（K9〜K10 :K9<K10)より 低いので、 COガス濃度を高めるために (従って発電量を多くするために）、燃料流量 を増加させる処理を行って、ー且本処理を終了する。
[0132] 一方、ステップ 580では、 COガス濃度が基準 CO濃度 K10より低いか否かを判定 する。ここで肯定判断されると一旦本処理を終了する。一方否定判断されるとステツ プ 590に進む。
[0133] ステップ 590では、 COガス濃度が希望する濃度範囲より高いので、 COガス濃度を 低めるために (従って発電量を低くするために）、燃料流量を低下させる処理を行つ て、ー且本処理を終了する。
[0134] つまり、本処理では、燃料ガスの排ガスの成分状態により、燃料ガスの供給状態を 制御することにより、発電量を調節しているので、各セル 23の発電量を均一化するこ とができる。これにより、スタック 21における発電を効率良く行うことができる。
[0135] (6)空気排気濃度制御
空気排気濃度制御とは、空気ガスの排気に含まれる成分を分析し、その成分量に応 じて、空気の供給量を調節して、各セル 23の発電状態 (例えば電圧）を一定に制御 する処理である。
[0136] 本処理では、図 13に示す様に、ステップ 600にて、空気の排気中の Oガス濃度を
2 測定する。
[0137] 続くステップ 610では、空気の排気中の Oガス濃度が基準 O濃度 K11より高いか
2 2
否かを判定する。ここで肯定判断されるとステップ 620に進み、一方否定判断される とステップ 630に進む。
ステップ 630では、 Oガス濃度が希望する濃度範囲（K11〜K12 :K11 <K12)よ
2
り低いので、 οガス濃度を高めるために (従って発電量を多くするために）、空気流
2
量を増加させる処理を行って、ー且本処理を終了する。
[0138] 一方、ステップ 620では、 Οガス濃度が基準 Ο濃度 K12より低いか否かを判定す
2 2
る。ここで肯定判断されるとー且本処理を終了し、一方否定判断されるとステップ 640 に進む。
[0139] ステップ 640では、 Οガス濃度が希望する濃度範囲より高いので、 Οガス濃度を低
2 2
めるために (従って発電量を低くするために）、空気流量を低下させる処理を行って、 ー且本処理を終了する。 [0140] つまり、本処理では、空気の排ガスの成分状態により、空気の供給状態を制御する ことにより、発電量を調節しているので、各セル 23の発電量を均一化することができ る。これにより、スタック 21における発電を効率良く行うことができる。
[0141] 尚、上述した各処理は、セル単位で行うことが望ま U、が、例えば各セルをグルー プ分けして、グループ単位で行ってよい。例えば、外側の 1、 2、 9、 10段目のセル 23 と、 3〜8段目のセノレ 23とでグノレープ分けすること力 Sでさる。
[0142] f)次に、本実施例の効果について説明する。
[0143] 本実施例では、固体電解質形燃料電池スタック 21を貫くように、燃料ガスを供給す る複数のボルト 29、 30、 37、 38、 40及び空気を供給する複数のボルト 31、 32、 34、 35、 36を設けており、その燃料ガス用の異なるボルト 29、 30、 37、 38、 40及び空気 用の異なるボルト 31、 32、 34、 35、 36は、それぞれ異なる固体電解質形燃料電池 セル 23 (詳しくはその内部流路である燃料ガス流路 45や空気流路 53)に連通してい る。
[0144] 従って、固体電解質形燃料電池スタック 21の内部に、各ボルト 29〜32、 34〜38、 40によって形成された各通気孔 75を介して各固体電解質形燃料電池セル 23に空 気や燃料ガスを供給する場合には、異なる固体電解質形燃料電池セル 23に対して 、空気や燃料ガスの供給状態 (例えば供給量や供給温度等)を制御することができる
[0145] よって、例えば固体電解質形燃料電池スタック 21の積層方向両端のセル 23の温 度や発電量が低い場合には、その両端のセル 23に対する空気や燃料ガスの供給量 を変化させて、両端のセル 23の温度を高めてスタック 21内部の温度を均一化でき、 また、両端のセル 23の発電量を高めて、スタック 21全体の発電能力を高めることが できる。
[0146] 特に、本実施例の様に、積層方向に直列に電気的に接続されたスタック 21の場合 には、各セル 23の発電能力を均一化することができるので、スタック 21全体の発電 能力を高めることができる。
[0147] つまり、本発明独自の内部マ-ホールドの構造により、スタック 21をコンパクトにで きるとともに、各セル 23の発電能力の均一化等によってスタック 21全体の発電性能 を高めることができるので、エネルギー密度を向上することができるという顕著な効果 を奏する。
尚、本発明は前記実施例になんら限定されるものではなぐ本発明を逸脱しない範 囲にぉレ、て種々の態様で実施しうることは 、うまでもな 、n

Claims

請求の範囲
[1] 燃料ガスに接する燃料極と酸化剤ガスに接する空気極とを有する固体電解質体を 備えた固体電解質形燃料電池セルを積層し、
且つ、前記各固体電解質形燃料電池セル間に、前記固体電解質形燃料電池セル 間のガスの流通を分離するとともに、前記固体電解質形燃料電池セル間の電気的導 通を確保するインターコネクタを配置した固体電解質形燃料電池スタックにおいて、 前記固体電解質形燃料電池スタックの一部又は全体を、当該スタックの積層方向 に貫くように、前記固体電解質形燃料電池セルに、前記燃料ガスを供給する 2以上 の通気孔又は前記酸化剤ガスを供給する 2以上の通気孔を設け、
異なる前記通気孔を、それぞれ異なる前記固体電解質形燃料電池セルに連通さ せたことを特徴とする固体電解質形燃料電池スタック。
[2] 前記酸化剤ガスを供給する異なる通気孔を、それぞれ異なる前記固体電解質形燃 料電池セルに連通させたことを特徴とする請求項 1記載の固体電解質形燃料電池ス タック。
[3] 異なる前記通気孔毎に前記各ガスの状態を独立して制御可能としたことを特徴とす る請求項 1記載の固体電解質形燃料電池スタック。
[4] 前記酸化剤ガスを供給する異なる通気孔毎に前記酸化剤ガスの状態を独立して制 御可能としたことを特徴とする請求項 3記載の固体電解質形燃料電池スタック。
[5] 前記酸化剤ガスの供給用に 2以上の通気孔を設けて、各セルの温度制御を行うこ とを特徴とする前記請求項 1〜4のいずれかに記載の固体電解質形燃料電池スタツ ク。
[6] 前記燃料ガスの供給用に 2以上の通気孔を設けて、各セルの発電量制御を行うこ とを特徴とする前記請求項 1〜5のいずれかに記載の固体電解質形燃料電池スタツ ク。
[7] 前記固体電解質形燃料電池セルは、前記燃料極と空気極と固体電解質体とを備 えたセル本体を、その平面方向の外周側から囲む枠部を備え、
前記枠部に、前記燃料ガスの通気孔及び前記酸化剤ガスの通気孔を設けたことを 特徴とする前記請求項 1〜6のいずれかに記載の固体電解質形燃料電池スタック。
[8] 前記固体電解質形燃料電池スタックの積層方向の端部における前記固体電解質 形燃料電池セルに対して、供給するガスの状態を制御することを特徴とする前記請 求項 1〜7のいずれかに記載の固体電解質形燃料電池スタック。
[9] 前記固体電解質形燃料電池スタックの積層方向の端部における前記固体電解質 形燃料電池セルの状態を、所定状態にフィードバック制御することを特徴とする前記 請求項 1〜8のいずれか〖こ記載の固体電解質形燃料電池スタック。
[10] 前記固体電解質形燃料電池スタックをその積層方向に貫通する中空ボルトを配置 し、前記中空ボルトの内部孔を、前記ガスの通気孔として用いることを特徴とする前 記請求項 1〜9のいずれか〖こ記載の固体電解質形燃料電池スタック。
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