(57)【要約】【課題】  円筒セルタイプ固体酸化物形燃料電池において、燃料の流れを発電室全体において平均化する事で、燃料電池の発電性能と耐久性を良好に維持する。【解決手段】  隔壁で囲まれた発電室に配置された複数のセルからなるスタックを有する円筒セルタイプ固体酸化物形燃料電池において、前記発電室下部に燃料入口を備え、前記発電室内に前記セルの並列方向に燃料流路を区切る区切部を備える事を特徴とする円筒セルタイプ固体酸化物形燃料電池を提供する。また前記区切部の一部が、前記セル間を並列方向に電気的に接続する集電板である事を特徴とする請求項１記載の円筒セルタイプ固体酸化物形燃料電池であることを特徴とする。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
隔壁で囲まれた発電室に配置された複数のセルからなるスタックを有する円筒セルタイプ固体酸化物形燃料電池において、前記発電室下部に燃料入口を備え、前記発電室内に前記セルの並列方向に燃料流路を区切る区切部を備える事を特徴とする円筒セルタイプ固体酸化物形燃料電池。
【請求項２】
前記区切部の一部が、前記セル間を並列方向に電気的に接続する集電板である事を特徴とする請求項１記載の円筒セルタイプ固体酸化物形燃料電池。
【請求項３】
前記発電室と前記集電板の接触部に溝部が有る事を特徴とする請求項１または請求項２記載の円筒セルタイプ固体酸化物形燃料電池。
【請求項４】
前記隔壁の内側、または前記スタックの外周部分に前記隔壁と前記スタックの間隔を調整する間隔調整部を備える事を特徴とする請求項１から３のいずれか１項記載
の円筒セルタイプ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、複数のセルからなるスタックを内部に備える発電室を有する円筒セルタイプ固体酸化物形燃料電池において、発電室を流れる燃料の流路に係り、特に燃料を均等に分配する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
図７は、従来知られている代表的な円筒セルタイプ固体酸化物形燃料電池の発電室内の側面断面図である。この燃料電池の中枢部であるスタックは、ケーシング４０内の発電室内に納められている。スタックを構成する各セルは、そのボトム４３においてセラミックハニカム４５に置かれている。セラミックハニカム４５の下にはセラミックボールからなるガス整流層４６が形成されその下部のケーシング底板４７の燃料供給孔より燃料が供給される。
【０００３】
ガス整流層の厚さを４０ｍｍ以上にする事により、発電室に供給される燃料は整流層を通過する際に、十分整流化され、各セルに燃料の流速のバラツキが５％程度以内となり、燃料電池の発電性能、耐久性を良好に維持する事ができる。
【特許文献１】特開２０００―５８０８７号公報（第５頁、第１図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
図７のような従来の燃料電池にあっては、スタックのボトム部すなわち、燃料入り口での燃料は整流化されて発電室に供給されており、整流化されていなかった以前の燃料電池に比べ、良好な発電性能、耐久性を維持する事ができていた。しかし、発電反応による燃料電池セル自身の発熱や電流が流れる事により発生するジュール熱により、スタック中央部の温度が相対的に高くなり、スタック全体で燃料の分布を均等にするには更なる改良が必要であった。
【０００５】
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、発電室内において、燃料を発電室全体に平均的に供給する事である。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
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、発電室内にセルの並列方向に燃料流路を区切る区切部を備えることにより、発電室を流れる燃料の流れを平均化する事を可能とした。
【０００７】
また、請求項２記載の発明によれば、区切部の一部に集電板を使用する事により、従来の基本構造から抜本的に構造を変更する事無く、簡易的な区切構造を可能とした。
【０００８】
また、請求項３記載の発明によれば、隔壁に溝部を形成する事により、集電板を溝部に嵌めこむ事で簡易に発電室を区切る事を可能とした。
【０００９】
また、請求項４記載の発明によれば、隔壁とスタック間の間隔調整部により、隔壁とスタック間の間隔を一定に確保でき、燃料の流路の均等性を確保する事ができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、発電室内において、燃料を平均的にいきわたらせる事ができる。
【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、第一実施例に係る複数のセル１からなるスタック２とスタック２を囲む隔壁３、隔壁４、隔壁５等からなるモジュール６を示し、隔壁３と隔壁４の一部を取除いたモジュール６の斜視図である。
図２は、第一実施例に係るスタック２を組み込んだモジュール６内部の発電室７を示し、セル１内部に空気、セル１外部に燃料をそれぞれ供給する事により発電反応が起こった際に、発電室７を流れる燃料の様子を示した概念図である。
図３は、第一実施例に係るモジュール６内部の発電室７の断面図である。
【００１２】
次に、図１を用いて第一実施例に係る発電室７を区切る構成について具体的に説明する。セル１は、直列方向８で隣り合うセル間に配置される集電板９及び集電部材１０を介して電気的に接合され、更にセル１の直列配列が集電板９を介して並列方向１１に電気的に接合されスタック２を構成している。集電板９は、セル軸方向１２に沿って、セルにおいて実際に発電反応の起こる電極形成箇所１５の上端から下端の長さを有する。
集電板９と隔壁３との接触する位置には、セル軸方向１２に沿って隔壁３の下端から上端まで溝部１３が形成され、溝部１３に集電板９が嵌り込む事により、集電板９と隔壁３が接触し、集電板６と隔壁３により区切部１４が形成され、発電室７を電極形成箇所１５において並列セル毎に区切る事ができる。本実施例では、集電板９以外に余分な構成部材を追加する事無く区切部が構成できるので、発電室を流れる燃料の流れに障害を与える事なく良好な発電を維持する事ができる。
【００１３】
集電部材１０としてはニッケルフェルトやニッケルフォームが使用できる。集電板９としては、ニッケルを使用する事ができるが、１０００℃の運転温度における強度と電気伝導性を満足できる他の金属材料を用いても良い。
【００１４】
次に、図２を用いて第一実施例に係るモジュール６の発電動作について具体的に説明する。モジュール６は、セル１、集電板９、集電部材１０から構成されるスタック２とスタック２周囲を囲む隔壁３、隔壁４、隔壁５、隔壁５に設けられた燃料入口１７、及び仕切板１８で構成され、モジュール６内部に発電室７が形成される。発電室７内には、燃料１９が進む燃料流路を有する。空気２０がセル１内部に供給され、同時に燃料１９が燃料入口１７よりモジュール６に供給され、燃料分散室２１にて燃料が分散されて、セル外部に燃料２０が供給される。供給された空気と燃料により、セル１の電極形成箇所１５で、セル１内側からO2-イオンが移動して電気化学反応が起こり、空気極と燃料極との間に電位差が生じ発電が行われる。この際、セル１の電極形成箇所１５おいて、発電反応による燃料電池セル自身の発熱や電流が流れる事により発生するジュール熱により、発電室中央部の温度が相対的に高くなり、発電室中央部へ燃料が流れ難くなる。しかし、集電板９と隔壁３よりなる区切部１４により、発電室７はスタック並列毎に区切られる為、発電室７内部を流れる燃料の流路は区切られ、燃料が発電室中央部から発電室外側に逃げる事を防ぐ事ができ、燃料の流量を発電室内で平均化する事ができる。これにより、燃料の利用効率を考慮した高燃料利用率運転時にも全てのセルにおいて良好な燃料分配状態が保持され、セル１の耐久性を確保する事ができる。
【００１５】
次に、図３用いて、第一実施例における発電室７を区切る構成について具体的に説明する。発電室７の断面は、セル１、集電板９、集電部材１０からなるスタック２と、スタック２の周囲を囲む隔壁３、隔壁４、電極板２２より構成される。隔壁３と集電板９が接触する位置に溝部１３が形成され、溝形状が、スタックを上から見た場合にＶ字状溝形状２３になっている。集電板は製法上形状に誤差を含みやすいセラミック材料からなるセルに固定する為、設置位置は１ｍｍ程度以下でばらつくので、溝部の深さａはこのバラツキを許容できる５ｍｍ程度とする。溝の形状がＶ字状の溝である為、集電板９が簡便に隔壁３に嵌り固定でき、発電室７を区切る事ができ、従来使用されている隔壁の材料を変更することなく、隔壁に溝形状を設けることで、発電室７を区切る事ができる。
【００１６】
更に図３を用いて、燃料の流路を適正に確保する為の、スタック２と隔壁３の間隔ｂを調整する仕組みについて具体的に説明する。スタック側間隔調整部１６は、スタック２の直列方向の外周部分にあるセル２４の電極形成箇所１５の上端と下端部分に、幅１ｃｍ、長さ２ｃｍ、厚さ５ｍｍにカットされ固定されている。スタック側間隔調整部１６は、Ｎｉフェルトからなり、Ｎｉフェルトを圧縮または層間剥離させる事により簡易にスタック並列側の寸法の調整可能となる。スタック側寸法調整部１６が固定されていないスタック２の直列方向８の寸法調整は、Ｎｉフェルトからなる集電部材を圧縮、層間剥離を行う事ができる。スタック側間隔調整部１６により、スタック２と隔壁３までの間隔ｂを一定に確保でき、燃料の流路の均等性を確保する事ができる。
【００１７】
次に、図４を用いて、第二実施例に係る発電室７を区切る構成について具体的に説明する。本第二実施例は、スタック２の構造が第一実施例と同一であるが、本第一実施例とは異なり隔壁３の溝部１３に充填部材２５が存在するので構成について説明する。集電板は製法上形状に誤差を含みやすいセラミック材料からなるセルに固定する為、設置位置は１ｍｍ程度以下で左右に多少ばらつくので、溝部の深さａはこのバラツキを許容できる５ｍｍ程度とする。隔壁３と集電板９が接触する位置に形成される溝部１３には、充填部材２５が充填されている。充填部材２５としてはアルミナ繊維等の無機材料をシート状に成形した弾性を有する材料が使用できる。集電板９が充填部材２５に接触する事により、集電板９、充填部材２５、隔壁３により区切部１４が形成し、発電室７を区切る事ができる。この場合、集電板９が充填部材２５に嵌りこむ事でシール性が向上し、密着性があがり確実に区切ることができる。
【００１８】
更に、本第二実施例は、第一実施例と異なり間隔調整部を隔壁３側に備えるので構成について説明する。隔壁３のスタック２の外側のセル２４が配置する位置に、幅１ｃｍ、長さ２ｃｍ、厚さ５ｍｍの隔壁側寸法調整部２６を設ける。隔壁側寸法調整部２６を所定の高さに削る事により、スタック２と隔壁３までの間隔ｂを一定に確保でき、燃料の流路の均等性を確保する事ができる。隔壁側寸法調整部２６は、隔壁と同一材料で一体成形で作製する為、間隔調整に使用する部材を簡素化する事ができる。
【００１９】
次に、図５を用いて、第三実施例における発電室７を区切る構成について具体的に説明する。本第三実施例は、スタック２の構造が第一実施例、第二実施例とは構成部材に集電板を含まない点において異なるが、セルにおいて発電反応が起こる際には、セル１の電極形成箇所１５おいて、発電反応による燃料電池セル自身の発熱や電流が流れる事により発生するジュール熱により、発電室中央部の温度が相対的に高くなり、発電室中央部へ燃料が流れ難くなる現象は同じである為、スタック構造とこのスタック構造を用いた場合の区切構造について具体的に説明する。
【００２０】
本第三実施例では、スタック２は、セル１、集電部材１０で構成される。スタック２の直列方向８でセル間を接続している集電部材１０の位置で、隔壁３にセルの軸方向１２に沿って溝部１３が形成され、溝部１３に板材２７が嵌り固定されている。溝部がある事により簡便に板材２７を固定することができる。間隔調整部の構成は第一実施例と同じである。集電部材１０の設置位置はセル形状に影響される為、隔壁３に対して一定にはならない為、集電部材と隔壁までの間隔ｃのバラつきを許容できる幅を有する板材を用いる。板材２７は、セルの軸方向１２において、電極形成箇所１５の上端から下端までの高さを有する。隔壁３に固定した板材２７が、集電部材１０に接触し、集電部材１０、板材２７、隔壁３により区切部２８を形成し、発電室７の外側のゾーン２９を区切る事ができる。発電室７の内側のゾーン３０は、セルの軸方向１２に沿って、電極形成箇所１５の上端から下端まで連続的に配置されている集電部材１０とセル１自体で区切部３１を形成し区切られている。これらより、発電室７全域において燃料の流路を区切事が可能となる。発電室を区切事により、スタックの温度分布によらず各セルに燃料を均等に分配する事ができ、良好な発電を行う事ができる。
【００２１】
板材２８としては、アルミナを使用している。ムライト等の無機セラミックを使用しても良い。
【００２２】
次に、図６を用いて、第四実施例における発電室７を区切る構成について具体的に説明する。本第四実施例は、スタック２の構造が第一実施例、第二実施例と同一であり、間隔調整部の構成は第二実施例と同じであるが、隔壁３に溝部を形成せず隔壁３に凸部３２を設けた点において第一実施例、第二実施例、第三実施例とは異なるので、凸部３２を利用して区切部１４を形成する事について説明する。集電板９はセルに設置する為、設置位置は１ｍｍ程度以下で左右に多少ばらつくので、凸部の高さｄはこのバラツキを許容できる５ｍｍ程度とする。凸部３２の形状は、スタック２を上方から見たときに直角三角形型とし、集電板９の当る面は、段状の平面部３３を形成した。集電板９は、直角三角形型の凸部３２の段状の平面部３３に接触し、区切部１４を形成する事により、発電室７を区切る事ができる。通常スタック２を隔壁で囲んでモジュール６を作製する際には、発電中の集電不良を防止する為に、直列方向には荷重を加えてモジュール化するが、この荷重を利用する事により確実に集電板９を段状の平面部３３に接触させる事ができる。
【００２３】
上述の実施形態はいずれも本発明の一実施例を示すものであって、円筒セルタイプ固体電解質型燃料電池のタイプ、用途、運転形態などに応じて、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で様々な実施形態を採用する事ができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】第一実施例に係るモジュールの概略斜視図
【図２】第一実施例に係るモジュールの発電室内の概念図
【図３】第一実施例に係るモジュールの概略発電室断面図
【図４】第ニ実施例に係るモジュールの概略発電室断面図
【図５】第三実施例に係るモジュールの概略発電室断面図
【図６】第四実施例に係るモジュールの概略発電室断面図
【図７】従来知られている代表的な燃料電池の発電室内の側面断面図
【符号の説明】
【００２５】
１…セル
２…スタック
３…隔壁３
４…隔壁４
５…隔壁５
６…モジュール            
７…発電室              
８…直列方向                
９…集電板
１０…集電部材        
１１…並列方向        
１２…セル軸方向    
１３…溝部      
１４…区切部
１５…電極形成箇所      
１６…スタック側間隔調整部        
１７…燃料入口      
１８…仕切板    
１９…燃料    
２０…空気    
２１…燃料分散室    
２２…電極板          
２３…Ｖ字状溝形状部    
２４…外側セル
２５…充填部材      
２６…隔壁側寸法調整部    
２７…板材      
２８…区切部        
２９…外側のゾーン
３０…内側のゾーン
３１…区切部
３２…凸部
３３…段状の平面部    
３４…発電室
３５…円筒型セル集合体
３６…空気導入管
３７…円筒型セル
３８…集電板
３９…Niフェルト
４０…ケーシング
４１…インターコネクタ
４２…Niフェルト
４３…ボトム
４４…燃料供給管
４５…セラミックハニカム
４６…整流層
４７…ケーシング底板
４８…セラミック台
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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