(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、発電効率の向上を図る。【解決手段】  発電セル５とセパレータ８を交互に積層して燃料電池スタック１を構成する。燃料電池スタック１の両端の端板９Ａ、９Ｂに燃焼触媒を配置し、燃焼触媒で生成した燃焼熱により燃料電池スタック１の端部を加熱する。これにより、温度の低下し易い燃料電池スタック１の両端部分を積極的に昇温することができ、積層方向の温度分布を均一化することができる。【選択図】    図１
2006054133.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し、前記セパレータのガス通路を通して各発電セルに反応用ガスを供給することにより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の端部に燃焼触媒を配置し、燃焼触媒で生成した燃焼熱により前記燃料電池スタックの端部を加熱することを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記燃料電池スタックの端部に端板を配設し、当該端板に燃料ガスが流通するガス通路を設けると共に、当該ガス通路に燃焼触媒を担持して燃料ガスを燃焼することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記燃料電池スタックの端部に端板を配設すると共に、当該端板の外表面に燃焼触媒を担持して前記燃料電池スタックから放出される排ガスを燃焼することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【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燃料電池に関し、特に、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を図った燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池の内、固体酸化物形燃料電池は、第三世代の発電用燃料電池として開発が進んでおり、現在、円筒型、モノリス型、および平板積層型の３種類が知られている。これら固体酸化物形燃料電池は、何れも酸化物イオン伝導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し、この積層体から成る発電セルとセパレータを交互に複数積層することによりスタック化されている。
【０００３】
固体酸化物形燃料電池では、反応用ガスとして空気極層側に酸化剤ガス（酸素) が供給され、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】
発電セル内において、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する。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。
このような電極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】
ところで、平板積層型の燃料電池スタックでは、積層方向の温度分布がスタックの端部付近で極端に低下することが知られている。これは、燃料電池スタック端部が中段部分に比べて発電セルの発電反応で生じたジュール熱が発散し易いことに起因している。温度が低い部分の発電セルは、高温部に比べて発電反応が活性化されず、発電性能が低下することになる。
【０００６】
燃料電池スタックの温度分布を均一化する技術として、例えば、特許文献１が開示されている。特許文献１には、発熱スタックと吸熱スタックを組み合わせて発電効率を向上させた燃料電池が開示されている。
【特許文献１】特開２００３−２７２６４５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
多数の発電セルを直列に接続して構成した燃料電池スタックでは、発電セルの積層方向に肩下がりの温度分布が生じると、燃料電池全体の発電性能が低温部の発電性能で制限され、効率的な発電が行えなくなるという問題がある。
【０００８】
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】
【０００９】
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し、前記セパレータのガス通路を通して各発電セルに反応用ガスを供給することにより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の端部に燃焼触媒を配置し、燃焼触媒で生成した燃焼熱により前記燃料電池スタックの端部を加熱することを特徴としている。
本構成では、温度が低下し易い燃料電池スタックの端部を積極的に昇温することができる。これにより、燃料電池スタックの積層方向の温度分布は均一化され、発電効率の向上が図れる。
【００１０】
また、請求項２に記載の本発明は、請求項１に記載の燃料電池において、前記燃料電池スタックの端部に端板を配設し、当該端板に燃料ガスが流通するガス通路を設けると共に、当該ガス通路に燃焼触媒を担持して燃料ガスを燃焼することを特徴としている。
本構成では、外部より供給される燃料ガスを端板内部で燃焼することにより、燃料電池スタックの端部を内側から加熱することができ、これにより、燃料電池スタックの積層方向の温度分布は均一化され、発電効率の向上が図れる。
【００１１】
また、請求項３に記載の本発明は、請求項１に記載の燃料電池において、前記燃料電池スタックの端部に端板を配設すると共に、当該端板の外表面に燃焼触媒を担持して前記燃料電池スタックから放出される排ガスを燃焼することを特徴としている。
本構成では、排ガス中の可燃成分（未燃焼炭化水素）を有効に利用して燃料電池スタックの端部で燃焼することにより、燃料電池スタックの端部を外側から加熱することができ、これにより、燃料電池スタックの積層方向の温度分布は均一化され、発電効率の向上が図れる。
また、本構成を発電セルの発電反応で消費されなかった残余のガスをスタックの外周部から放出する構造の燃料電池に適用すると、排ガスの燃焼とその燃焼熱の回収を１つのケーシング内で連続的に行うことができるので構造が簡略化でき、コンパクト化できるというメリットを有する。
【発明の効果】
【００１２】
以上説明したように、本発明によれば、燃料電池スタックの端部に燃焼触媒を配置し、燃焼触媒で生成した燃焼ガスにより燃料電池スタックの端部を加熱するように構成したので、温度が低下し易い燃料電池スタックの端部を積極的に昇温することができる。これにより、燃料電池スタックの積層方向の温度分布は均一化され、発電効率の向上が図れる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図１〜図３に基づいて本発明の一実施形態を説明する。
図１は本発明が適用された固体酸化物形燃料電池スタックの構成を示し、図２は本発明に係る端板の内部構造を示し、図３はシールレス構造の燃料電池スタックにおける運転時のガスの流れを示している。
【００１４】
図１に示す燃料電池スタック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とで構成した単セル１０を縦方向に多数積層したものである。
【００１５】
ここで、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１８はステンレス等で構成されている。
【００１６】
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に対して反応ガスを供給する機能を有するもので、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を備えている。
【００１７】
また、この燃料電池スタック１の両端には、一対の端板９Ａ、９Ｂがセパレータ８と密着した一体的な状態で配設されている。燃料電池スタック１からの電力（電流出力）は、この上下一対の端板９Ａ、９Ｂを介して外部回路（負荷）を接続することにより取り出すことができる。これらの端板９Ａ、９Ｂはセパレータ８と同じ材料のステンレス等で構成され、耐熱性、熱伝導性に優れている。
【００１８】
また  燃料電池スタック１の側方には、外部からの燃料ガスを各セパレータ８に分配・供給する燃料ガス用マニホールド１５と、外部からの酸化剤ガス（空気）を各セパレータ８に分配・供給する酸化剤ガス用マニホールド１６とが積層方向に列設されている。燃料ガス用マニホールド１５は、多数の接続管１３を介して各セパレータ８の燃料ガス通路１１に接続されており、酸化剤ガス用マニホールド１６は多数の接続管１４を介して各セパレータ８の酸化剤ガス通路１２に接続されている。
【００１９】
これら、燃料電池スタック１や各マニホールド１５、１６を断熱材を付装したケーシング（図示せず）内に収納することにより、固体酸化物形燃料電池が構成される。
【００２０】
本実施形態の固体酸化物形燃料電池は、発電セル５の外周部にガス漏れ防止シールを設けないシールレス構造とされており、運転時には、図３の示すように、燃料ガス通路１１および酸化剤ガス通路１２を通してセパレータ８の略中心部から発電セル５に向けて供給される燃料ガスおよび酸化剤ガス（空気）を、発電セル５の外周方向に拡散させながら燃料極層３および空気極層４の全面に良好な分布で行き渡らせて発電反応を生じさせると共に、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５の外周部から外側に自由に放出するようになっている。
【００２１】
このような平板積層型の燃料電池スタック１では、スタック端部の温度分布が中段部に比べて極端に低下する傾向にあり、この温度分布の不均一が燃料電池の発電効率を著しく低下させていることは周知の通りである。
【００２２】
そこで、本発明では、燃料電池スタック１の上下両端の端板９Ａ、９Ｂに燃焼触媒を配置し、この燃焼触媒で生成した燃焼ガスにより燃料電池スタックの両端部を加熱・昇温することにより、燃料電池スタック１における積層方向の温度分布を均一化するようにした。
【００２３】
以下に、その第１施形態を説明する。
本実施形態では、図２に示すように、各端板９Ａ、９Ｂに、接続管１３、１４を介して各マニホールド１５、１６に接続された燃料ガス通路１１と酸化剤ガス通路１２を設けると共に、この燃料ガス通路１１内に燃焼触媒２０を担持する構造としている。尚、燃焼触媒２０として、Ｐｔ、Ｐｄ等をアルミナ担体に担持したものを通路内に分散している。
【００２４】
上記構成では、各マニホールド１５、１６から端板９Ａ、９Ｂに供給される空気や燃料ガスはセパレータ８の場合のように発電反応用のガスとして各発電セル５に供給されるのではなく、端板内にて燃焼用に利用される。
固体酸化物形燃料電池の作動温度は７５０℃前後であるから、運転時に燃料ガス通路１１内に流入する燃料ガス（水素、メタン）はケーシング内の高温雰囲気下にあって燃焼温度を越えており、燃焼触媒２０によって燃焼が促進されることにより燃料ガスは燃焼し、高温の燃焼ガスが生成される。
端板９Ａ、９Ｂとセパレータ８は熱伝導性に優れるステンレス材等で構成されているため、燃焼ガスにより加熱された端板９Ａ、９Ｂは、これと密着するセパレータ８に伝わり、このセパレータ８の温度は上昇する。
【００２５】
このように、本実施形態では、燃料ガス用マニホールド１５より供給される燃料ガスを端板９Ａ、９Ｂの内部で燃焼することにより、燃料電池スタック１の両端部分を内側から加熱することができ、これにより、燃料電池スタック１の積層方向の温度分布は均一化され、発電効率の向上が図れる。
【００２６】
次に、本発明の第２実施形態では、上下端板９Ａ、９Ｂの外表面に燃焼触媒２０を担持して燃料電池スタック１から放出される排ガスを燃焼する構造としている。この場合も、燃焼触媒２０は第１実施形態と同様のものを使用し、図示しないが、上下端板９Ａ、９Ｂの平面や周側面にウオッシュコーティング等により層状に設けている。
【００２７】
燃料電池スタック１はシールレス構造であって、運転時には発電セル５の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５の外周部からハウジング内に放出している。
この排ガス中の可燃成分（未燃焼炭化水素）を有効に利用し、燃料電池スタック１の両端部分で燃焼することにより、燃料電池スタック１の上下端板９Ａ、９Ｂ部分を外側から加熱することができ、これにより、燃料電池スタック１の積層方向の温度分布は均一化され、発電効率の向上が図れる。
本構成では、排ガスの燃焼と、その燃焼熱の回収（端板９Ａ、９Ｂの加熱および隣接セパレータ８への放熱）がケーシング内で連続的に行われるので構造は単純であり、燃料電池のコンパクト化が図れる。
【００２８】
図４は燃料電池スタック１の積層方向の温度分布を示しており、スタック端部に燃焼触媒２０を配しない従来型の燃料電池スタック１では、積層方向の温度分布は実線で示すように中段部分が高く両肩下がりの特性となるが、スタック両端部に燃焼触媒を配した本発明の燃料電池スタック１の場合は、燃焼ガスにより燃料電池スタックの低温部分が昇温されるため、破線で示すように高温部と低温部の温度差を少なくし、積層方向の全域に亘ってほぼ均一な温度分布を得ることができる。
【００２９】
以上、本実施形態では、燃焼触媒２０を端板内部に担持した構造と、外表面に担持した構造を示したが、燃焼触媒２０を端板内部と外表面の両方に担持する構造にすることも勿論可能である。
また、上下の端板９Ａ、９Ｂの双方に燃焼触媒２０の担持したが、温度分布の状態により何れか一方の端板のみに担持するようにしても構わない。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明が適用された燃料電池スタックの構成を示す図。
【図２】端板の構造を示す平断面図。
【図３】燃料電池スタック運転時のガスの流れを示す図。
【図４】燃料電池スタックの積層方向の温度分布を示す図。
【符号の説明】
【００３１】
１  燃料電池スタック
５  発電セル
８  セパレータ
１１、１２  ガス通路
９Ａ、９Ｂ  端板
２０  燃焼触媒
【図１】
2006054133.tif 000003
【図２】
2006054133.tif 000004
【図３】
2006054133.tif 000005
【図４】
2006054133.tif 000006