(57)【要約】 【課題】燃料電池スタックの積層方向の温度分布を均一化することにより、発電の効率化を図る。【解決手段】発電セルとセパレータを交互に積層して燃料電池スタックを構成すると共に、燃料電池スタック積層方向の中段部分においてセパレータとセパレータの間に放熱体２０を配置する。この放熱体２０は、主にセル電流の経路となると共に積層方向の荷重を支える柱状の支持部２２と、この支持部２２の両端に設けられて隣接セパレータとの接触を得るフランジ部２１と、放熱用のプレート部材２３とで構成されている。【選択図】図２
2006222074.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電セルとセパレータを交互に積層して燃料電池スタックを構成すると共に、各発電セルに反応用ガスを供給して発電反応を生じさせる燃料電池において、
前記燃料電池スタック積層方向の中段部分において、前記セパレータと前記セパレータの間に放熱体が配設されており、
当該放熱体は、主にセル電流の経路となると共に積層方向の荷重を支える柱状の支持部と、この支持部の両端に設けられて隣接セパレータとの接触を得るフランジ部と、放熱用の部材とで構成されることを特徴とする固体酸化物形燃料電池。
【請求項２】
前記支持部が前記燃料電池スタック面方向の中央部分に位置することを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項３】
前記放熱用の部材は、前記支持部の周側面より、放射状に複数突設されていることを特徴とする請求項１または請求項２の何れかに記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項４】
発電セルとセパレータを交互に積層して燃料電池スタックを構成すると共に、各発電セルに反応用ガスを供給して発電反応を生じさせる燃料電池において、
前記燃料電池スタック積層方向の中段部分において、前記セパレータと前記セパレータとの間に放熱体が配設されており、
前記放熱体は、積層方向に起立して並設され、セル電流の経路となると共に積層方向の荷重を支える複数の放熱用の部材と、これら部材の両端に設けられて隣接セパレータとの接触を得るフランジ部とで構成されることを特徴とする固体酸化物形燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電セルとセパレータを交互に積層した構造の固体酸化物形燃料電池に関し、特に、スタック積層方向における温度の均一化を図った固体酸化物形燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、燃料の有する化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する固体酸化物形燃料電池が高効率でクリーンな発電装置として注目されている。この固体酸化物形燃料電池は、酸化物イオン導電体から成る固体電解質層を両側から空気極層（カソード）と燃料極層（アノード）で挟み込んだ積層構造を有する。
【０００３】
発電時、反応用ガスとして空気極層側に酸化剤ガス（酸素) が、また燃料極層側に燃料ガス (Ｈ2、ＣＯ、ＣＨ4等) が供給される。空気極層と燃料極層は、反応用ガスが固体電解質層との界面に到達することができるよう、何れも多孔質の層とされている。
【０００４】
空気極層側に供給された酸素は、空気極層内の気孔を通って固体電解質層との界面近傍に到達し、この部分で空気極層から電子を受け取って酸化物イオン（Ｏ2-）にイオン化される。この酸化物イオンは、燃料極層に向かって固体電解質層内を拡散移動し、燃料極層との界面近傍に到達した酸化物イオンはこの部分で燃料ガスと反応して反応生成物（Ｈ2Ｏ、ＣＯ2等）を生じ、燃料極層に電子を放出する。電極反応（発電反応）で生じた電子は、別ルートの外部負荷にて起電力として取り出すことができる。
【０００５】
平板積層型の固体酸化物形燃料電池は、発電セル、集電体、セパレータを交互に複数積層してスタック化すると共に、この積層体（これを燃料電池スタックという）に積層方向の荷重を掛けて上記した各構成要素を相互に圧接・密着させることにより構成されている。
【０００６】
ところで、上記した平板積層型の燃料電池スタックでは、図４の温度分布（イ）に示すように、スタック中段部のセル温度（セパレータ温度）がスタック端部のセル温度に比べて極端に高くなる傾向がある。これは、燃料電池スタックが積層構造であるため両端部に比べて中段部の放熱性が悪く、発電時のジュール熱をセル外に発散し難くなっていることに起因している。
【０００７】
燃料電池スタックの積層方向に温度差が生じると高温部においては流通ガスの濃度が低下し、各発電セルへの反応用ガスの等流配が崩れるため、セル電圧の不均一が生じることになる。
多数の発電セルを直列に接続して構成される燃料電池スタックでは、各発電セルにこのような電圧の不均一が生じていると燃料電池のトータル出力が一部の低電圧セルにより制限されることになり、効率的な発電が行えないという問題を有していた。
【０００８】
燃料電池スタックの温度を均一化する技術として、各セパレータに放熱部を設けることにより放熱を制御するようにした燃料電池が例えば、特許文献１に開示されている。特許文献１は、発電体とセパレータとが積層される積層方向に関して、セパレータの配置される位置に応じて放熱部の断面積を異なるように設定したものである。
【特許文献１】特開２００４−２７３１４０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、燃料電池スタックの積層方向の温度分布を均一化することにより、発電効率の向上と耐久性の向上を図った燃料電池を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
すなわち、請求項１に記載の本発明は、発電セルとセパレータを交互に積層して燃料電池スタックを構成すると共に、各発電セルに反応用ガスを供給して発電反応を生じさせる燃料電池において、前記燃料電池スタック積層方向の中段部分において、前記セパレータと前記セパレータの間に放熱体が配設されており、当該放熱体は、主にセル電流の経路となると共に積層方向の荷重を支える柱状の支持部と、この支持部の両端に設けられて隣接セパレータとの接触を得るフランジ部と、放熱用の部材とで構成されることを特徴としている。
【００１１】
また、請求項２に記載の本発明は、請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池において、前記支持部が前記燃料電池スタック面方向の中央部分に位置することを特徴としている。
【００１２】
また、請求項３に記載の本発明は、請求項１または請求項２の何れかに記載の固体酸化物形燃料電池において、前記放熱用の部材は、前記支持部の周側面より、放射状に複数突設されていることを特徴としている。
【００１３】
また、請求項４に記載の本発明は、発電セルとセパレータを交互に積層して燃料電池スタックを構成すると共に、各発電セルに反応用ガスを供給して発電反応を生じさせる燃料電池において、前記燃料電池スタック積層方向の中段部分において、前記セパレータと前記セパレータとの間に放熱体が配設されており、前記放熱体は、積層方向に起立して並設され、セル電流の経路となると共に積層方向の荷重を支える複数の放熱用の部材と、これら部材の両端に設けられて隣接セパレータとの接触を得るフランジ部とで構成されることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、高温となるスタック中段部に放熱体を配設したので、その放熱効果により、発電反応で生じたジュール熱を隣接するセパレータを介して放熱体より放熱することができ、よって、スタック中段部における過度の温度上昇を抑え、スタック積層方向の温度分布を均一化できる。これにより、スタック全体としての発電の効率化が図れると共に、高温下において生じ易い電極層の剥離等、発電セルの破損を防止することができ、燃料電池の耐久性を向上できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、図１〜図４に基づいて本発明の一実施形態を説明する。
図１は平板積層型の固体酸化物形燃料電池スタックの構成を示し、図２、図３は燃料電池スタックに用いる放熱体の構造を示し、図４は燃料電池スタックの積層方向の温度分布を示している。
【００１６】
図１に示すように、燃料電池スタック１は、固体電解質層２の両面に燃料極層３と空気極層４を配して構成した発電セル５と、燃料極層３の外側に配した燃料極集電体６と、空気極層４の外側に配した空気極集電体７と、各集電体６、７の外側に配したセパレータ８とで構成される単セル１０を多数積層して構成されている。
【００１７】
上記構造の単セル１０において、固体電解質層２はイットリアを添加した安定化ジルコニア（ＹＳＺ）等で構成され、燃料極層３はＮｉ、Ｃｏ等の金属、あるいはＮｉ−ＹＳＺ、Ｃｏ−ＹＳＺ等のサーメットで構成され、空気極層４はＬａＭｎＯ3、ＬａＣｏＯ3等で構成され、燃料極集電体６はＮｉ基合金等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成され、空気極集電体７はＡｇ基合金等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成され、セパレータ８はステンレス等で構成されている。
【００１８】
上記セパレータ８は、発電セル５間を電気的に接続すると共に、発電セル５に対して反応用ガスを供給する機能を有し、燃料ガスをセパレータ８の外周面から導入してセパレータ８の燃料極集電体６に対向する面のほぼ中央部１１ａから吐出する燃料ガス通路１１と、酸化剤ガスをセパレータ８の外周面から導入してセパレータ８の空気極集電体７に対向する面のほぼ中央１２ａから吐出する酸化剤ガス通路１２を有する。
【００１９】
また  燃料電池スタック１の内部には、図１に示すように、スタック積層方向に延びる燃料ガス用マニホールド１３と酸化剤ガス用マニホールド１４が形成されており、燃料ガス用マニホールド１３には、各セパレータ８の燃料ガス通路１１が連通し、酸化剤ガス用マニホールド１４には、各セパレータの酸化剤ガス通路１２が連通している。そして、運転時には、各マニホールド１３、１４に外部から供給された燃料ガスと酸化剤ガス（空気）が導入され、各反応用ガスが各セパレータ８の各ガス通路１１、１２を介して燃料極集電体６側と空気極集電体７側に吐出し、これら集電体６、７の内部を拡散・移動して各発電セル５の各電極に誘導され、発電反応を生じさせる。
【００２０】
この燃料電池スタック１は、発電セル５の外周部にガス漏れ防止シールを敢えて設けないシールレス構造を採用しており、発電反応で消費されなかった余剰ガス（排ガス）を発電セルの外周部から自由に放出するようになっている。また、この発電反応の際に生じた発電セル部分のジュール熱は隣接のセパレータ８に熱伝導され、セパレータの外周部より放熱される。
【００２１】
また、本発明では、図１に示すように、燃料電池スタック１の中段付近において、上下をセパレータ８に挟まれる形で放熱体２０が配設されている。
この放熱体２０は、熱伝導性に優れるステンレス鋼板にて構成されており、図２に示すように、円柱状の支持部２２と、この支持部２２の周側面より放射状に突設した複数（８枚）の放熱用プレート部材２３（放熱フィン２３）と、支持部２２の上下両端に設けたフランジ部２１、２１とを備え、上記支持部２２が燃料電池スタック１の面方向のほぼ中央に位置するように配設されている。
【００２２】
フランジ部２１は、セパレータ８と同形、同サイズの矩形状に形成されており、セパレータ８とセパレータ８の間に一体的に密接した状態で配設されることにより、隣接セパレータ８、８との良好な電気的接触が得られるようになっている。尚、隣接セパレータとの接触性をより良好にするため、セパレータ８とフランジ部２１の間に、例えば、Ｎｉ基合金等による薄いスポンジ状の多孔質焼結金属板を介在しても良い。
【００２３】
支持部２２は、主にセル電流の経路となると共に、上部フランジ部２１に加わる積層方向の荷重を支える。この支持部２２をスタック面方向のほぼ中央部に配置することにより、発電セル５の中央部に集中して積層方向に流れるスタック電流を効率良く次段の発電セル５に中継することができる。尚、図２では、この支持部２２を中央部に１本設けたが、複数本設けても良い。また、支持部２２は中実としたが、中空としても構わない。但し中空とした場合は、中空部に生じる熱溜まりを外部に逃がすための孔を円柱の側部に設ける必要がある。
【００２４】
また、放熱フィン２３を支持部２２を中心に放射状に設けることにより、放熱フィン２３の周辺において排ガスの流動性を良好にできるため、放熱フィン２３による放熱効果が向上する。
【００２５】
尚、本実施形態では、放熱体２０をステンレス鋼板製としたが、この他、鉄板の表面にＡｇメッキを施したものを用いても良い。或いは、ステンレス鋼板の表面にアルミニウムを拡散浸透させ、熱放射性、耐酸化性に優れるＦｅ−Ａｇ合金層を形成したものを用いても良い。これは、後述する図３の放熱体２０についても適用できる。
【００２６】
上記したように、放熱体２０はセパレータ８とセパレータ８の間に一体的に密接した状態でスタック中段部に配設されているため、スタック内部の温度が相対的に高くなり易いスタック中段部において発電セル５からのジュール熱を隣接セパレータ８、８の全面より熱伝導して、放熱フィン２３より効率良く放熱することができ、その結果、図４の温度分布（ロ）に示すように、スタック中段部の温度をスタック上下段部の温度に近づくように積層方向の全体に亘って低下させることができる。
【００２７】
これにより、スタック積層方向の温度分布は均一化され、各発電セル５における電圧分布を抑えると共に、スタック全体の温度を発電反応温度に適した所定の温度範囲に維持することが可能となる。よって、一部の低電圧セルに規制されない効率的な発電が行えるようになると共に、高温下で生じ易い熱応力による各電極層３、４の剥離等、発電セル５の破損を防止でき、燃料電池の耐久性（熱サイクル特性）を向上することができる。
【００２８】
尚、図１の本実施形態では、放熱体２０をスタック積方向の中段部の１カ所に配設したが、図１に示す放熱体２０の配設は一例であって、熱設計に応じ、スタック中段部の任意の複数箇所に配設しても良い。
【００２９】
次ぎに、本発明による放熱体２０の別の例を図３に示す。
図３に示す放熱体２０は、上下両端に設けられて隣接するセパレータ８、８との接触を得るフランジ部２１、２１と、これら上下のフランジ部２１、２１に挟まれるように積層方向に起立して並設された複数（４枚）の放熱用のプレート部材２３とで構成されている。本実施形態では、この複数のプレート部材２３は、放熱用として、且つ、セル電流の経路として、且つ、スタック積層方向の荷重を支える支持部としての役割を有している。
本構成では、プレート部材２３の周辺のガス流はプレート部材２３に沿った一方向に規制されるものの、図２の放熱体２０に比べて構造は簡略化される。本構成においても、図２の放熱体２０と同様の作用効果が得られることは勿論である。
【００３０】
また、本発明による放熱体２０のさらに別の例を図５に示す。
図５に示す放熱体２０は、円柱状の支持部２２と、この支持部２２の上下両端に設けたフランジ部２１、２１と、これらフランジ部２１、２１の間に介装されたメッシュ状、または多孔質の材料による放熱用の部材２４とで構成されている。本実施形態では、上述のメッシュ状、または多孔質の部材２４として、例えば、電気伝導性に優れるＡｇ、Ｐｔ、Ａｕ等を用いることにより、スタック電流を効率良く中継できるようにしている。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明に係る燃料電池スタックの構成を示す図。
【図２】同、燃料電池スタックに用いる放熱体の構造を示す斜視図。
【図３】同、燃料電池スタックに用いる図２とは別の放熱体の構造を示す斜視図。
【図４】燃料電池スタックの積層方向の温度分布を示す図。
【図５】本発明に係る燃料電池スタックに用いる図３とは別の放熱体の構造を示す斜視図。
【符号の説明】
【００３２】
１  燃料電池スタック
５  発電セル
８  セパレータ
２０  放熱体
２１  フランジ部
２２  支持部
２３、２４  放熱用の部材
【図１】
2006222074.tif 000003
【図２】
2006222074.tif 000004
【図３】
2006222074.tif 000005
【図４】
2006222074.tif 000006
【図５】
2006222074.tif 000007