(57)【要約】【課題】  隙間流路部に流れる燃料が効果的に利用されていなかった。  【解決手段】  本発明では、複数の燃料電池セルを接続した燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックを内部に備える絶縁壁と、前記絶縁壁を囲む金属壁と、からなる固体酸化物型燃料電池において、前記絶縁壁に前記金属壁との間の隙間流路部と、前記燃料電池スタックのある発電室とを連通する流路部を備えていることを特徴とする固体酸化物型燃料電池を提供する。さらに、前記絶縁壁の四側面全てに前記流路部があることを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物型燃料電池を提供する。【選択図】  図１
2006252916.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の燃料電池セルを接続した燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックを内部に備える絶縁壁と、
前記絶縁壁を囲む金属壁と、
からなる固体酸化物型燃料電池において、
前記絶縁壁に前記金属壁との間の隙間流路部と、
前記燃料電池スタックのある発電室とを連通する流路部を備えていることを特徴とする固体酸化物型燃料電池。
【請求項２】
前記絶縁壁の四側面全てに前記流路部があることを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物型燃料電池。
【請求項３】
前記流路部内面の少なくとも１面が、前記隙間流路部側から前記発電室側に向かって斜め上方に傾斜していることを特徴とする請求項１まはた２に記載の固体酸化物型燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体酸化物型燃料電池に係り、特に複数の燃料電池セルを接続した燃料電池スタックと、燃料電池スタックを内部に備える絶縁壁と、絶縁壁を囲む金属壁と、
からなる固体酸化物型燃料電池に関する発明である。 
【背景技術】
【０００２】
固体酸化物型燃料電池とは、異なった成分のセラミック材料を空気極、電解質および燃料極として積層して作られた燃料電池セルから成り、約７００℃から１０００℃で最も効率的に発電するタイプの燃料電池で、特に燃料電池セルの形状が円筒形のものを円筒形固体酸化物形燃料電池という。従来の代表的な円筒形固体酸化物形燃料電池の一例を図４に示す。金属壁４の内部に複数の燃料電池セル１を電気的に接続し集合体とした燃料電池スタック２を配し、この燃料電池スタック２と金属壁４の間に絶縁壁３を配している。燃料電池セル１の開口部付近には仕切り板７が取付けられおり、この仕切り板７より燃料電池スタック２側を発電室８、燃料電池セル１開口部側を燃焼室９としている。燃料供給管１４により供給された燃料ガスは燃料電池スタック２の下方に位置する燃料分配室１１により効果的に分散されて燃料分散板１６から発電室８に入り、上方の仕切り板７に向かって流れながら各燃料電池セル１の外表面に接触する。一方、空気は空気供給管１５から空気分配器６に供給され、ここで効果的に分散され、燃料電池セル１の内側に挿入された導入管５を通じて空気が導入され燃料電池セル１の内表面に接触する。このように構成された固体酸化物型燃料電池を作動温度約７００℃から１０００℃まで昇温すると、燃料電池セル１の内側の空気極側から燃料電池セル１の外側の燃料極側にＯ２-イオンが移動して電気化学的反応が起こり、発電が行われる。発電の際に生成された水蒸気および未反応燃料ガスはある適正な圧力損失と通気機能を持った仕切り板７を通り抜けて燃焼室９に入り、ここで燃料電池セル１の内側で未反応となった空気と混合され、着火燃焼後排ガスダクト１０から排出される。仕切り板７は適正な圧力損失を持つため、燃焼室９内のガスが発電室８に逆流するのを防いでいる。
【０００３】
このような従来の燃料電池の構成では、燃料電池セル１および導入管５、絶縁壁３、燃料分散板１６はセラミック系材料、金属壁４および燃料供給管１４・排ガスダクト１０などの配管類と空気分配器６はインコネルまたはステンレス、ニッケルなどの耐熱金属材料、仕切り板７はアルミナ繊維などのセラミック系材料を使用することが一般的である。
【０００４】
上述の燃料電池の組立て作業は常温下で行われる。その後、固体酸化物型燃料電池の作動温度である約７００℃〜１０００℃近傍まで昇温されるがその過程において金属壁４と絶縁壁３との線膨張係数の違いにより寸法差が生じてしまい、金属壁４と絶縁壁３との間に隙間流路部１３が生じる。
例えば金属壁４を構成する金属材料の線膨張係数はインコネルの場合約１６μ／Ｋであり絶縁壁３の線膨張係数６μ／Ｋよりかなり大きい。これは金属壁４の幅方向内寸が５００ｍｍの場合、１０００℃作動時に金属壁４と仕切り板７との間に片側２．５ｍｍの隙間が生じる計算となる。当然ながら発電容量を大型化するために燃料電池スタック２の搭載数を増加させるにつれて金属壁４の幅が大きくなり、前述した隙間流路部１３の断面積が増加する。
隙間流路部１３が生じると、隙間流路部１３と燃料分散板１６との圧損差に応じて隙間流露１３にも燃料が流れてしまい、その燃料は絶縁壁３に遮られ燃料電池セル１の表面に接触せず、つまり発電に寄与せずに燃焼室９へ流れ燃焼してしまう。
燃料電池の起電力は、一般に燃料電池セル１近傍の燃料残量つまり燃料濃度の影響を強く受ける。よって燃料電池セル１近傍の燃料濃度が低下することで起電力が弱まり電圧が低下する。
よって前述のように隙間流路部１３を流れる燃料が存在することは、実質的には燃料電池セル１近傍を流れる燃料を減らしていることとなり、燃料電池全体に投入した燃料流量で期待する電圧より低くなってしまい、発電出力が低下し、発電効率を低下させる。
【０００５】
従来の燃料電池では前述の隙間流路部１３の発生を抑える提案が出されている。例えば絶縁壁３を金属壁４に密着させる手段として、予め組立て時に金属壁４の内面に絶縁壁３をボルトによる締結や鍵形による嵌合を施すことで密着させていた。（特許文献１参照。同文献中では断熱ボードが絶縁壁３、ケーシングが金属壁４に相当する）
この手段によれば金属壁４と絶縁壁３を密着させた面では金属壁４と絶縁壁３との間に生じる隙間流路部１３の発生を抑えることができるが、密着させた面と直角となる面では金属壁４と絶縁壁３は線膨張係数の違いに従い隙間流路部１３が生じてしまう。
また、発電室８内に温度分布が生じている場合は、金属壁４にも同様の温度分布が生じ、膨張量の違いから金属壁４が変形しようとする力が加わり、金属壁４と絶縁壁３のボルトによる締結や鍵形による嵌合を施していない部分において隙間流路部１３が発生する可能性がある。
【特許文献１】特開２００１−１７６５３７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、上記問題を解決するためになされたもので、本発明の課題は、金属壁４と絶縁壁３との間に生じる隙間流路部１３の発生による発電効率の低下を抑えることである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために請求項１記載の発明によれば、複数の燃料電池セルを接続した燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックを内部に備える絶縁壁と、前記絶縁壁を囲む金属壁と、からなる固体酸化物型燃料電池において、前記絶縁壁に前記金属壁との間の隙間流路部と、前記燃料電池スタックのある発電室とを連通する流路部を備えることにより、前記金属壁と前記絶縁壁との間に生じる前記隙間流路部の発生による発電効率の低下を抑えることを可能とした。
このように構成された固体酸化物型燃料電池では、作動温度である約７００℃〜１０００℃まで昇温すると、前記絶縁壁と前記金属壁との線膨張係数の違いにより前記絶縁壁と前記金属壁との間に隙間が生じ、これが前記隙間流路部となりここを燃料が燃料電池セルの外表面に接触せず上方に流れようとするが、前記絶縁壁に設けた前記流路部から前記隙間流路部を流れる燃料が発電室内に拡散現象により流れ込むことができる。よって、燃料電池セル近傍の燃料濃度を高めることで起電力が高まり、高い発電効率を発揮することができる。
【０００８】
また、請求項２記載の発明のよれば、前記絶縁壁の四側面全てに前記流路部があることを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物型燃料電池を提供する。
前記隙間流路部は四側面全ての前記絶縁壁に発生する可能性がある。よって四側面全ての前記絶縁壁に前記流路部を設けることで、前記隙間流路部を流れる燃料が最短でかつ前記発電室内の前記燃料電池セルへより均等に拡散することができ、前記発電室内の前記燃料電池セル全てが均一的に最適な運転条件に近づくことで全体としてより高い発電効率を発揮することができる。
【０００９】
請求項３記載の発明のよれば、前記流路部内面の少なくとも１面が、前記隙間流路部側から前記発電室側に向かって斜め上方に傾斜していることを特徴とする請求項１または２に記載の固体酸化物型燃料電池を提供する。
こうすることにより、前記隙間流路部を流れる燃料が前記発電室側に流れ込む抵抗が小さくなるため、燃料の拡散がより効果的に進行する。よって燃料電池セル近傍の燃料濃度が高まることで起電力が高まり、より高い発電効率を発揮することができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、前記絶縁壁に設けた前記流路部から前記隙間流路部を流れる燃料が発電室内に拡散現象により流れ込むことができる。よって、燃料電池セル近傍の燃料濃度を高めることで起電力が高まり、高い発電効率を発揮することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下に図面を参照して本発明をより具体的に説明する。
図１は本発明の第一の実施例を略示する円筒形固体酸化物型燃料電池の立体図であり、  図２は同例を略示する円筒形固体酸化物型燃料電池の側面断面図である。
図１および図２に示すように、金属壁４の内部に、複数の燃料電池セル１を電気的に接続し集合体とした燃料電池スタック２を配し発電室８としている。燃料電池スタック２と金属壁４との間には、電気的絶縁のために絶縁壁３を配しており、絶縁壁３には流路部１２が設けられている。燃料電池スタック２の下方には適正寸法のガス導通孔が明いた燃料分散板１６が敷かれ、その下方には燃料を燃料電池スタック２に均等に分配供給する燃料分配室１１がある。燃料電池スタック２の上方には適正なガス導通穴または気孔率を持つ仕切り板７によって区切られた燃焼室９があり、発電室８内の燃料は仕切り板７が持つ圧力損失を経て燃焼室９に至るよう設計される。燃焼室９の中には空気分配器６とそれに接続された空気供給管１５が配されている。空気分配器６からは導入管５が燃料電池セル１の本数分接続されており、燃料電池セル１の内側に挿入されるように配置されている。また燃焼室９には排ガスダクト１０が接続されており、一般的には金属壁４と溶接によりシールを保ちながら固定されている。
燃料供給管１４等により燃料電池スタック２の下方から供給された燃料ガスは燃料分配室１１で効果的に分散されて発電室８に入り、上方の仕切り板７に向かって流れながら各燃料電池セル１の外表面に接触する。一方、空気は空気供給管１５から空気分配器６に供給され、ここで効果的に分散され、燃料電池セル１の内側に挿入された導入管５を通じて空気が導入され燃料電池セル１の内表面に接触する。このように構成された固体酸化物型燃料電池を作動温度約７００℃から１０００℃まで昇温すると、燃料電池セル１の内側の空気極側から燃料電池セル１の外側の燃料極側にＯ２-イオンが移動して電気化学的反応が起こり、発電が行われる。発電の際に生成された水蒸気および未反応燃料ガスはある適正な圧力損失と通気機能を持った仕切り板７を通り抜けて燃焼室９に入り、ここで燃料電池セル１の内側で未反応となった空気と混合され、着火燃焼後排ガスダクト１０から排出される。仕切り板７は適正な圧力損失を持つため、燃焼室９内のガスが発電室８に逆流するのを防いでいる。
燃料電池セル１は性質の異なる導電性セラミックの円筒積層構造体、絶縁壁３はアルミナ短繊維を圧縮成形したもの、仕切り板７はアルミナ繊維を連続的に積層しブランケット状にしたもの、導入管５はアルミナ系セラミックの緻密体、空気分配器６・金属壁４および排ガスダクト１０や空気供給管１５などの各配管はインコネルやステンレスなどの耐熱合金で作られている。
【００１２】
このように構成された固体酸化物型燃料電池を、作動温度約７００℃〜１０００℃まで昇温すると、絶縁壁３と金属壁４はほぼ燃料電池スタック２の温度と同等となり膨張する。この時、絶縁壁３と金属壁４との線膨張係数の違いにより絶縁壁３と金属壁４との間に隙間が生じ、これが隙間流路部１３となりここを燃料が燃料電池セル１の外表面に接触せず上方に流れようとするが、絶縁壁３に設けた流路部１２から隙間流路部１３を流れる燃料が発電室８内に拡散現象により流れ込むことができる構造となっている。
拡散現象とは濃度勾配により物質が移動することをいい、拡散量は拡散係数と濃度勾配に比例する。燃料電池で使用している燃料である水素は非常に分子量が小さいため発電室８内の混合ガスの拡散係数が非常に小さくなり、また燃料電池セル１の表面では水素が発電のために消費されているため燃料電池セル１近傍とその他の部分、特に隙間流路部１３付近とでは大きな濃度勾配が生じており、流路部１２を設けることで水素の分配を自己調整するかのごとく水素分子が移動することとなる。
燃料電池の起電力は、一般に燃料電池セル１近傍の燃料濃度が低下すると起電力が弱まり電圧が低下する。前述のように流路部１２を設けたことにより隙間流路部１３を流れていた燃料である水素が流路部１２から燃料電池セル１近傍に拡散してくることで、起電力の低下を防ぎ燃料電池全体の電圧低下を防ぐことができる。よって燃料電池全体に投入した燃料流量で期待したような起電力を維持し、最大限の発電出力、発電効率を発揮することができる。
このことを流体解析シュミレーションにより検証した。図１の構造にてシュミレーションをおこなった。金属壁４の内部に、複数の燃料電池セル１を電気的に接続し集合体とした燃料電池スタック２を配し発電室８としている。燃料電池スタック２と金属壁４との間には絶縁壁３を配しており、金属壁４と絶縁壁３の間には隙間を設け隙間流路部１３を構成している。絶縁壁３には流路部１２が設けられていないパターン１と流路部１２が設けられたパターン２を作成した。ただし図とは異なるが、流路部１２の数は側面Ａ１７・側面Ｃ１９では高さ方向に６段・横方向の２列の１２ヶ、側面Ｂ１８・側面Ｄ２０では高さ方向に６段・横方向の３列の１８ヶとしており、絶縁壁３の外表面積の約１０％が流路部１２の面積としている。このモデルの底面全体から均等に水素を供給し、燃料電池セル外表面において水素を消費し水蒸気を発生させる化学反応と、ガス拡散を考慮したガス濃度の分布をシュミレーションした。そして底面から供給した水素に対する隙間流路部１３の上端面から流れ出た水素の量の比率を比較した。
その結果、パターン１において隙間流路部１３の上端面から流れ出た水素が、底面から供給した水素に対するモル比で１９．２％存在していたが、パターン２において隙間流路部１３の上端面から流れ出た水素が、底面から供給した水素に対するモル比で１．３％にまで減少した。これは隙間流路部１３を流れる水素の９３％を燃料電池セル１近傍に戻したことに相当する。
つまり、隙間流路部１３が発生する状況においても、流路部１２を設けることにより効率良く水素を燃料電池セル１の近傍に分配することができ、燃料電池セル１の近傍の水素濃度を高くすることで高電圧が得られ、全体として高出力および高発電効率を実現することができるのである。
【００１３】
隙間流路部１３は四側面全ての絶縁壁３に発生する可能性がある。ここで言う四側面とは図１に示す側面Ａ１７、側面Ｂ１８、側面Ｃ１９、側面Ｄ２０のことである。この時、例えば、側面Ａ１７側の絶縁壁３にのみ流路部１２が設けてある場合は、側面Ｂ１８側・側面Ｃ１９側・側面Ｄ２０側の隙間流路部１３の燃料が流路部１２まで拡散するには距離が遠く、燃料電池セル１に供与する前に燃焼室９に至ってしまう可能性が高い。また流路部１２から拡散した燃料は側面Ａ１７側の燃料電池セル１に優先的に供与され、反対面側の燃料電池セル１では燃料が希薄となる。このような不均一な燃料分布では、一部の燃料電池セル１しか最適な運転条件を与えられず、発電効率が低下する。
よって図１に示すように燃料電池スタック２を取り囲む四側面全ての絶縁壁３に流路部１２を設けることで（図１では四側面中手前の二側面のみ図示しているが、隠れている残りの二側面にも同様に流路部１２が設けられている）、隙間流路部１３を流れる燃料が最短でかつ発電室８内の燃料電池セル１へより均等に拡散することができ、発電室８内の燃料電池セル１全てが均一的に最適な運転条件に近づくことで全体としてより高い発電効率を発揮することができる。
さらには、流路部１２は隙間流路部１３からの燃料が各燃料電池セル１へ均一的に拡散させ、かつ隙間流路部１３の燃料を最短で燃料電池セル１に拡散させるために、最外周部の燃料電池セル１の流路部１２への投影面積がほぼ同一になっていることが望ましい。
水素の拡散を効果的にするためには、流路部１２の配置は水素濃度の低くなる燃料流路の下流側（図２においては上側）に不可欠であるが、ある程度上流側（図２においては下側）にも流路部１２を設けておくと水素が拡散する時間を確保することができ有効である。
また、流速を落とし拡散する時間を確保する意味と水素の拡散の障害物となる水蒸気や窒素などの混合ガス濃度を極力減らしておくことが効果的である。
絶縁壁３の表面積に対する流路部１２の面積比は高い方が効果的であるが、絶縁壁３に要する強度を十分確保するよう設計され、かつ当然ながら燃料電池スタック２と金属壁４との絶縁を確保するのに十分な流路形状および配置が考慮される。
流路部１２の製作方法は、絶縁壁３がボード状の物であれば予め設計された位置および大きさ・形状に穴あけ加工されて組立てられる。また、その他の方法として棒状の絶縁壁を格子状に組む方法でもよい。
【００１４】
図３は本発明の第二の実施例を略示する円筒形固体酸化物型燃料電池の側面断面図である。
この例では、第一の実施例と構成とほぼ同じであるが、流路部１２の内面の内、上面と下面が隙間流路部１３側から燃料電池スタック２側に向かって斜め上方に傾斜している。こうすることにより隙間流路部１３を流れる燃料が発電室８に流れ込む時の流路抵抗が小さくなり、燃料である水素の拡散速度が向上することで効率良く水素を燃料電池セル１の近傍に分配することができ、高電圧が得られ、全体として高出力および高発電効率を実現することができる。
流路部１２の内面の内、上面と下面のどちらか一方のみ傾斜している場合であっても同様の効果は発揮されるが、両方が傾斜している方が望ましい。また、図３においては流路部１２の形状が方形であったが円形の場合でも同様下半円弧面およびまたは上半円弧面が隙間流路部１３側から燃料電池スタック２側に向かって斜め上方に傾斜していることで同様の効果が発揮される。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の第一の実施例を略示する円筒形固体酸化物型燃料電池の立体図である。
【図２】同例を略示する円筒形固体酸化物型燃料電池の側面断面図である。
【図３】本発明の第二の実施例を略示する円筒形固体酸化物型燃料電池の側面断面図である。
【図４】従来の固体酸化物型燃料電池システムを示す側面断面図である。
【符号の説明】
【００１６】
１…燃料電池セル
２…燃料電池スタック
３…絶縁壁
４…金属壁
５…導入管
６…空気分配器
７…仕切り板    
８…発電室
９…燃焼室
１０…排ガスダクト
１１…燃料分配室
１２…流路部
１３…隙間流路部
１４…燃料供給管
１５…空気供給管
１６…燃料分散板
１７…側面Ａ
１８…側面Ｂ
１９…側面Ｃ
２０…側面Ｄ
【図１】
2006252916.tif 000003
【図２】
2006252916.tif 000004
【図３】
2006252916.tif 000005
【図４】
2006252916.tif 000006