(57)【要約】【課題】燃料電池スタックの積層方向の温度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る。【解決手段】固体電解質層の両面に燃料極層と空気極層を配した発電セル５を複数積層して燃料電池スタック１を構成すると共に、各発電セル５に燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給して発電反応を生じさせる固体酸化物形燃料電池の酸化剤ガスの供給方法であって、前記燃料電池スタック１の中段部に位置する発電セル５に供給する酸化剤ガスの量を標準量より多くすると共に、前記燃料電池スタック１の端部に位置する発電セル５に供給する酸化剤ガスの量を標準量より少なくする。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体電解質層の両面に燃料極層と空気極層を配した発電セルを複数積層して燃料電池スタックを構成すると共に、各発電セルに燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給して発電反応を生じさせる固体酸化物形燃料電池の酸化剤ガスの供給方法であって、
前記燃料電池スタックの中段部に位置する発電セルに供給する酸化剤ガスの量を標準量より多くすることを特徴とする酸化剤ガスの供給方法。
【請求項２】
固体電解質層の両面に燃料極層と空気極層を配した発電セルを複数積層して燃料電池スタックを構成すると共に、各発電セルに燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給して発電反応を生じさせる固体酸化物形燃料電池の酸化剤ガスの供給方法であって、
前記燃料電池スタックの中段部に位置する発電セルに供給する酸化剤ガスの量を標準量より多くすると共に、前記燃料電池スタックの端部に位置する発電セルに供給する酸化剤ガスの量を標準量より少なくすることを特徴とする酸化剤ガスの供給方法。
【請求項３】
固体電解質層の両面に燃料極層と空気極層を配して構成した発電セルと、内部に燃料ガス流路と酸化剤ガス流路を備えた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、前記燃料ガス流路と酸化剤ガス流路を介して各発電セルに燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給して発電反応を生じさせる固体酸化物形燃料電池において、
前記酸化剤ガス流路に、当該酸化剤ガス流路のガス流量を調整するガス流量調整手段が設けられ、
当該ガス流量調整手段により、前記燃料電池スタックの中段部に位置する発電セルに供給する酸化剤ガスの量を標準量より多くすることを特徴とする固体酸化物形燃料電池。
【請求項４】
固体電解質層の両面に燃料極層と空気極層を配して構成した発電セルと内部に燃料ガス流路と酸化剤ガス流路を備えた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、前記燃料ガス流路と酸化剤ガス流路を介して各発電セルに燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給して発電反応を生じさせる固体酸化物形燃料電池において、
前記酸化剤ガス流路に、当該酸化剤ガス流路のガス流量を調整するガス流量調整手段が設けられ、
当該ガス流量調整手段により、前記燃料電池スタックの中段部に位置する発電セルに供給する酸化剤ガスの量を標準量より多くすると共に、前記燃料電池スタックの端部に位置する発電セルに供給する酸化剤ガスの量を標準量より少なくすることを特徴とする固体酸化物形燃料電池。
【請求項５】
前記酸化剤ガス流路のガス供給口の絞り機構にて流路抵抗を制御するガス流量調整手段を有することを特徴とする請求項３または請求項４の何れかに記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項６】
前記酸化剤ガス流路の断面積にて流路抵抗を制御するガス流量調整手段を有することを特徴とする請求項３または請求項４の何れかに記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項７】
前記酸化剤ガス流路の流路長にて流路抵抗を制御するガス流量調整手段を有することを特徴とする請求項３または請求項４の何れらかに記載の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、円筒型、モノリス型、および平板積層型が提案されており、何れも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と燃料極層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】
ところで、平板積層型の燃料電池スタックは、発電セルとセパレータを交互に多数積層することにより構成されるが、その積層方向の温度分布をみると、図５（ａ）の実線（イ）に示すように、燃料電池スタックの中段部分で高く、両端部分で低くなるという傾向が見られる。
【０００６】
これは、燃料電池スタックの両端を除く部分は各発電セルが別の発電セルによって上下で挟まれる構造であるため、発電セルのジュール熱が外に発散し難く、他方、燃料電池スタック両端部の発電セルはモジュール内雰囲気に直接接触しているため、ジュール熱が発散し易いことに起因しており、温度が低い部分の発電セルは、内部抵抗が大きくセル電圧が低下しているため、高温部分の発電セルに比べて電極反応が不活発となり、発電性能が低下している。
【０００７】
このように、燃料電池スタックの積層方向において温度の不均一が生じていると、燃料電池の総合的な発電性能が低温部の発電セルの発電性能で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が有った。また、高温部分の発電セルは発電性能は良好であるが、発電セルや金属セパレータ等のスタック構成部品が高温雰囲気に晒されることにより劣化し易いという問題がある。
【０００８】
尚、燃料電池スタックの温度を均一化する技術として、例えば、特許文献１、特許文献２が開示されている。
特許文献１は、積層方向の各セパレータに放熱部を設けて、その放熱作用によりスタック温度を制御するもので、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変えるようにしているため、放熱部の構造が複雑化している。
また、特許文献２は、燃料電池本体に供給する冷却水の一部を分流し、分流した冷却水を用いて燃料電池本体の両端部に位置する単位電池セルの温度低下を抑制するもので、冷却水の配管構造が複雑化している。
【特許文献１】特開２００４−２７３１４０号公報
【特許文献２】特開２００５−２０３１８９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、上記問題に鑑み成されたもので、燃料電池スタックの積層方向の温度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固体酸化物形燃料電池と、そのための好ましい酸化剤ガスの供給方法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に記載の酸化剤ガスの供給方法は、固体電解質層の両面に燃料極層と空気極層を配した発電セルを複数積層して燃料電池スタックを構成すると共に、各発電セルに燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給して発電反応を生じさせる固体酸化物形燃料電池の酸化剤ガスの供給方法であって、前記燃料電池スタックの中段部に位置する発電セルに供給する酸化剤ガスの量を標準量より多くすることを特徴としている。
【００１１】
また、請求項２に記載の酸化剤ガスの供給方法は、固体電解質層の両面に燃料極層と空気極層を配した発電セルを複数積層して燃料電池スタックを構成すると共に、各発電セルに燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給して発電反応を生じさせる固体酸化物形燃料電池の酸化剤ガスの供給方法であって、前記燃料電池スタックの中段部に位置する発電セルに供給する酸化剤ガスの量を標準量より多くすると共に、前記燃料電池スタックの端部に位置する発電セルに供給する酸化剤ガスの量を標準量より少なくすることを特徴としている。
【００１２】
また、請求項３に記載の固体酸化物形燃料電池は、体電解質層の両面に燃料極層と空気極層を配して構成した発電セルと、内部に燃料ガス流路と酸化剤ガス流路を備えた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、前記燃料ガス流路と酸化剤ガス流路を介して各発電セルに燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給して発電反応を生じさせる固体酸化物形燃料電池において、前記酸化剤ガス流路に、当該酸化剤ガス流路のガス流量を調整するガス流量調整手段が設けられ、当該ガス流量調整手段により、前記燃料電池スタックの中段部に位置する発電セルに供給する酸化剤ガスの量を標準量より多くすることを特徴としている。
【００１３】
また、請求項４に記載の固体酸化物形燃料電池は、固体電解質層の両面に燃料極層と空気極層を配して構成した発電セルと、内部に燃料ガス流路と酸化剤ガス流路を備えた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、前記燃料ガス流路と酸化剤ガス流路を介して各発電セルに燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給して発電反応を生じさせる固体酸化物形燃料電池において、前記酸化剤ガス流路に、当該酸化剤ガス流路のガス流量を調整するガス流量調整手段が設けられ、当該ガス流量調整手段により、前記燃料電池スタックの中段部に位置する発電セルに供給する酸化剤ガスの量を標準量より多くすると共に、前記燃料電池スタックの端部に位置する発電セルに供給する酸化剤ガスの量を標準量より少なくすることを特徴としている。
【００１４】
また、請求項５に記載の発明は、請求項３または請求項４の何れらかに記載の固体酸化物形燃料電池において、前記酸化剤ガス流路のガス供給口の絞り機構にて流路抵抗を制御するガス流量調整手段を有することを特徴としている。
【００１５】
また、請求項６に記載の発明は、請求項３または請求項４の何れかに記載の固体酸化物形燃料電池において、前記酸化剤ガス流路の断面積にて流路抵抗を制御するガス流量調整手段を有することを特徴としている。
【００１６】
また、請求項７に記載の発明は、請求項３または請求項４の何れらかに記載の固体酸化物形燃料電池において、前記酸化剤ガス流路の流路長にて流路抵抗を制御するガス流量調整手段を有することを特徴としている。
【００１７】
ここで、固体酸化物形燃料電池では、例えば、燃料ガスとして水素を用いた場合、発電セルへ供給する酸化剤ガス（空気）の量は燃料ガス供給量の２．５倍が化学量論的に必要であり、この量が電気化学反応に必要な最低流量（理論値）であるが、実際に発電セルに供給する酸化剤ガスである空気の量（標準量）は、通常、燃料ガスであるＨ2 （水素）の供給量の４〜５倍であるが、０．５Ｗ／ｃｍ2 以上の高出力密度の条件では７〜８倍とし、この酸化剤ガスによる冷却作用で燃料電池スタックの最高温度を一定温度以内に抑制するようにしている。
また、燃料ガスが炭化水素のメタンの場合の酸化剤ガスである空気の標準量は、１６〜２０倍である。
【発明の効果】
【００１８】
請求項１、３に記載の発明によれば、燃料電池スタックの中段部のように、スタック温度が他より高くなる部分の発電セルへ供給する酸化剤ガスの量を標準量より多くしたので、酸化剤ガスによる燃料電池スタック中段部の冷却効果が顕著になり、その結果、スタック中段部の温度が低下し、燃料電池スタックにおける積層方向の温度分布が緩和されるため、効率的な発電が可能となる。
また、スタック中段部の温度が低下することにより、発電セルやセパレータ等のスタック構成部品に対する熱的ストレスが緩和されるため、これら部品の劣化が防止され、耐久性が向上する。
【００１９】
また、請求項２、４に記載の発明によれば、燃料電池スタックの中段部のように、スタック温度が高くなる部分の発電セルへ供給する酸化剤ガスの量を標準量より多くし、且つ、燃料電池スタックの端部のようにスタック温度が低下する部分の発電セルへ供給する酸化剤ガスの量を標準量より少なくしたので、燃料電池スタック中段部においては空気による冷却効果が顕著になり、スタック中段部の温度が低下すると共に、燃料電池スタック端部においては空気によるの冷却力が低下し、その分、スタック端部の温度が上昇するため、燃料電池スタックにおける積層方向の温度がより均一化され、更なる効率的な発電が可能となる。
また、スタック中段部の温度が低下すると発電セルやセパレータ等のスタック構成部品に対する熱的ストレスが緩和されるため、これら部品の劣化が防止され、耐久性が向上する。
【００２０】
また、請求項５〜７に記載の発明によれば、従来のような複雑な放熱機構や配管構造を用いずにスタック温度の均一化が図れ、装置の小形化、低価格化に寄与できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、図１〜図５に基づいて本発明の実施形態を説明する。
【００２２】
図１は本発明が適用された平板積層型の固体酸化物形燃料電池を示し、図２は本発明に係る単セルの構成を示し、図３はセパレータの一例を示し、図４はセパレータのガス導入部分の構造を示し、図５は燃料電池スタックにおける各発電セルへの酸化剤ガスの供給方法を示している。
【００２３】
図２に示すように、単セル１０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とで構成されている。
【００２４】
これらの構成要素の内、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等の金属、あるいはＮｉ−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等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成されている。
【００２５】
セパレータ８は、厚さ数ｍｍの角形ステンレス板等で構成され、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、図２、図３に示すように、内部に燃料ガスをセパレータ８の縁部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のガス吐出孔１１ａから吐出する燃料ガス流路１１と、酸化剤ガスをセパレータ８の縁部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のガス吐出孔１２ａから吐出する酸化剤ガス流路１２とを有し、それぞれのガス流路が渦巻状に形成されている。
【００２６】
また、図２、図３に示すように、セパレータ８の左右縁部には、板厚方向に貫通する一対のガス孔１３、１４が設けられ、一方のガス孔１３は燃料ガス流路１１に、他方のガス孔１４は酸化剤ガス流路１２に連通し、各々のガス孔１３、１４から、これらのガス流路１１、１２を通して各発電セル５の各電極面に燃料ガスおよび酸化剤ガスが供給されるようなっている。
【００２７】
本実施形態の固体酸化物形燃料電池（燃料電池スタック１）は、図１に示すように、上記構成の単セル１０を、間にリング状の絶縁性ガスケット１５、１６を介在して多数積層すると共に、その上下両端に端板２０、２０を配して周縁部をボルト２１にて締め付けて各構成要素を一体的に密着させた構造と成されており、これにより、各々のガスケット１５、１６は、セパレータ８の各ガス孔１３、１４と機械的に密着・固定された状態で多数積層方向に連結されて、スタック内部を縦方向に延びる燃料ガス導入用の燃料ガスマニホールド１７と酸化剤ガス導入用の酸化剤ガスマニホールド１８が形成される。
【００２８】
そして、上記構成では、運転時、燃料ガスマニホールド１７に、外部より燃料ガス（水素）が導入され、この燃料ガスは各セパレータ８のガス孔１３より各燃料ガス流路１１を通して燃料極集電体６側に噴出し、噴出ガスは燃料極集電体６の内部を透過・拡散して各発電セル５の燃料極層３に誘導されると共に、酸化剤ガスマニホールド１８に外部より酸化剤ガス（空気）が導入され、この空気は各セパレータ８のガス孔１４より各酸化剤ガス流路１２を通して空気極集電体７側に噴出し、噴出ガスは空気極集電体７の内部を透過・拡散して各発電セル５の空気極層４に誘導され、各電極において電極反応（発電反応）が生じる。
この発電反応の際に発電セル５の内部抵抗等によるジュール熱が発生し、その熱エネルギーが主としてセパレータ８の側面より外部に放出される。
【００２９】
ところで、平板積層型の燃料電池スタック１では、積層方向における放熱量のアンバランスからスタック積層方向に温度分布が生じ、スタック端部の低温部分においては、セル電圧の極端な低下により、効率的な発電が行われなくなると共に、スタック中段部の高温部分においては、熱的ストレスからスタック構成部品が劣化し易いという問題があることは既述した通りである。
【００３０】
そこで、従来、図５（ｂ）の破線（イ）に示すように、各発電セル５に供給する酸化剤ガスの量を全て均一（標準量）としていたが、本発明では、セパレータ８の酸化剤ガス流路１２に、その流路抵抗を変えてガス流量を調整するためのガス流量調整手段を講じ、温度の高いスタック中段部の発電セル５については、酸化剤ガス流路１２の流路抵抗を小さくして、図５（ｂ）の実線（ロ）に示すように、酸化剤ガス流路１２を通して発電セル５に供給される酸化剤ガスの量を、図５（ｂ）の破線（イ）で示す標準量より多くすると共に、温度の低いスタック両端部の発電セル５については、酸化剤ガス流路１２の流路抵抗を大きくして、発電セル５に供給される酸化剤ガスの量を標準量より少なくするようにした。
【００３１】
本実施形態では、スタック高温部分の発電セル５へ供給する酸化剤ガスの量は上記標準量の１．１〜３倍としている。また、スタック低温部分の発電セル５へ供給する酸化剤ガスの量については、上記標準量の０．６〜０．９とし、少なくとも正常な発電が行える流量（すなわち、空気の場合、水素流量の２．５倍以上、好ましくは３．５倍以上）は確保しておく必要がある。何れにしても、酸化剤ガスの供給量（増量、減量）は、スタック温度に応じて設定するようにする。
【００３２】
また、本実施形態では、酸化剤ガスの供給量が減量される発電セル５は、燃料電池スタック１の両端部よりセル２〜３段分を目安としているが、必ずしもスタック両端部の発電セル５について酸化剤ガスの減量を行う必要はなく、スタック温度の低下状態によっては、何れか一方の端部の発電セル５について減量するようにしても良い。
尚、積層型の燃料電池スタック１では、スタック上端部に比べてスタック下端部の温度低下が著しいことから、酸化剤ガスの減量は、少なくともスタック下端部の発電セル５について行うのが好ましい。
【００３３】
ここで、本実施形態では、上記ガス流量調整手段として、図４に示すように、（１）酸化剤ガスマニホールド１４とセパレータ８の酸化剤ガス流路１２の連通部分（酸化剤ガス供給口１９）をオリフィス絞りとし、このオリフィス径ｄを変化させて酸化剤ガス流路１２に流通する酸化剤ガスの量を調整する流路構造、（２）酸化剤ガス流路１２の流路長Ｌ（酸化剤ガス供給口１９からガス吐出孔１２ａまでの長さ）を一定として、その流路断面積（すなわち、流路径Ｄ）を大きくして酸化剤ガスの供給量を調整する流路構造、（３）流路断面積を一定として、酸化剤ガス流路１２の流路長Ｌを長くして酸化剤ガスの供給量を調整する流路構造の何れかを採用することができる。
【００３４】
以上のように、本実施形態では、上記ガス流量調整手段によって、温度の高い燃料電池スタック中段部の発電セルへ供給する酸化剤ガスの量を多くし、且つ、温度の低い燃料電池スタックの端部の発電セルへ供給する酸化剤ガスの量を少なくすることにより、図５（ａ）の破線（ロ）で示すように、燃料電池スタック中段部においては、酸化剤ガスが流通することによる発電セル５やセパレータ８等の冷却効果が顕著になり、スタック中段部の温度を低下できると共に、燃料電池スタック端部においては、酸化剤ガスによるの冷却力が低下し、スタック端部の温度が上昇するため、燃料電池スタック１における積層方向の温度が均一化され、より効率的な発電が可能となる。
加えて、スタック中段部の温度が低下することにより、その部分の発電セル５やセパレータ８等のスタック構成部品に対する熱的ストレスが緩和されるため、これら部品の熱による劣化が防止され、耐久性が向上する。
【００３５】
また、上記ガス流量調整手段を用いることにより、特許文献１、特許文献２に示すような複雑な放熱機構や配管構造を用いずにスタック温度の均一化が図れるため、装置の小形化、低価格化に寄与できる。
【００３６】
また、本発明は、図示しないが、燃料電池スタック１の中段部分に数段あるいは数十段おきに放熱板を設け、その部分の温度を下げることによりスタック温度の均一化を図ったものにも勿論適用可能であり、この場合は、放熱板と放熱板の間の中間部分に上記ガス流路調整手段を設けて、その部分の発電セル５への酸化剤ガスの供給量を多くすることにより、放熱板と酸化剤ガスの双方による冷却効果で、スタック中段部分での温度不均一をより確実に無くすことができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明が適用された平板積層型の固体酸化物形燃料電池の外観を示す図。
【図２】本発明に係る単セルの構成を示す図。
【図３】セパレータの一例を示す平面図。
【図４】セパレータのガス導入部分を示す図。
【図５】燃料電池スタックにおける各セルへの酸化剤ガスの供給方法を示す説明図。
【符号の説明】
【００３８】
１  固体酸化物形燃料電池（燃料電池スタック）
２  固体電解質層
３  燃料極層
４  空気極層
５  発電セル
１１  燃料ガス流路
１２  酸化剤ガス流路
【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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