(57)【要約】 【課題】燃料電池スタックのにおける各発電セルのセル電圧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を複数集合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燃料ガスの供給方法であって、前記燃料電池スタック１の端部に位置する前記発電セル５への燃料ガス供給量を他の発電セル５に比べて多くする。【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集合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燃料ガスの供給方法であって、
前記燃料電池スタックの端部に位置する前記発電セルへの燃料ガス供給量を他の発電セルに比べて多くすることを特徴とする燃料ガスの供給方法。
【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集合して燃料電池スタックを構成すると共に、それぞれ燃料マニホールドに連通される燃料ガス流路、および酸化剤ガスマニホールドに連通される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、
前記燃料電池スタックの端部に位置する前記発電セルの燃料ガス流路に、当該燃料ガス流路の流路抵抗を減少する流路抵抗緩和手段が設けられ、当該流路抵抗緩和手段によって前記発電セルに供給する燃料ガス量を他の発電セルに比べて多くしたことを特徴とする固体酸化物形燃料電池。
【請求項３】
前記燃料電池スタックの内部に放熱手段が設けられ、且つ、当該放熱手段の近傍に位置する各発電セルの燃料ガス流路に前記流路抵抗緩和手段が設けられていることを特徴とする請求項２に記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項４】
前記燃料ガス流路の燃料供給口の絞り機構にて流路抵抗を減少する流路抵抗緩和手段を有することを特徴とする請求項２または請求項３の何れかに記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項５】
前記燃料ガス流路の断面積にて流路抵抗を減少する流路抵抗緩和手段を有することを特徴とする請求項２または請求項３の何れかに記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項６】
前記燃料ガス流路の流路長にて流路抵抗を減少する流路抵抗緩和手段を有することを特徴とする請求項２または請求項３の何れらかに記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項７】
未使用の燃料ガスを発電セルの外周より放出するシールレス構造を有することを特徴とする請求項２から請求項６までの何れ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、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集合してスタック化した固体酸化物形燃料電池に関し、特に、各発電セルの電圧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、燃料電池スタック両端付近の温度が中段部分の温度に比べて極端に低下す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いる。
固体酸化物形燃料電池の場合は、発電セルの温度が低下すると、主に固体電解質層の電気的抵抗が増加し、熱損失が大きくなるため、図５（ａ）の破線（ロ）に示すように、高温部分の発電セルに比べてセル電圧は低下する。
【０００７】
このように、複数の発電セルにセル電圧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（セル電圧）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。加えて、セル電圧が所定以下に低下すると、内部抵抗が高くなるため、発電セルの発熱量が増えてセル面内において温度差が生じ、発電セルが破損するという問題も生じる。
尚、このような問題は、上述した円筒型の発電セルを多数集合したバンドル構造の燃料電池スタックについても起こり得るものである。
【０００８】
尚、燃料電池スタックの積層方向の温度分布を均一化する技術として、特許文献１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、放熱部の構造は極めて複雑である。
また、別の方法として、スタック温度の低下部分に断熱材を設置することも考えられるが、断熱材により発電セルの放熱を完全に抑えることは困難である。
【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、上記問題に鑑み成されたもので、燃料電池スタックの温度低下によるセル電圧の低下を防止し、各セル電圧を均一化すことにより、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燃料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に記載の燃料ガスの供給方法は、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集合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燃料ガスの供給方法であって、前記燃料電池スタックの端部に位置する前記発電セルへの燃料ガス供給量を他の発電セルに比べて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た発電セルを複数集合して燃料電池スタックを構成すると共に、それぞれ燃料マニホールドに連通される燃料ガス流路、および酸化剤ガスマニホールドに連通される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、前記燃料電池スタックの端部に位置する前記発電セルの燃料ガス流路に、当該燃料ガス流路の流路抵抗を減少する流路抵抗緩和手段が設けられ、当該流路抵抗緩和手段によって前記発電セルに供給する燃料ガス量を他の発電セルに比べて多くしたことを特徴としている。
【００１２】
また、請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の固体酸化物形燃料電池において、前記燃料電池スタックの内部に放熱手段が設けられ、且つ、当該放熱手段の近傍に位置する各発電セルの燃料ガス流路に前記流路抵抗緩和手段が設けられていることを特徴としている。
【００１３】
また、請求項４に記載の発明は、請求項２または請求項３の何れかに記載の固体酸化物形燃料電池において、前記燃料ガス流路の燃料供給口の絞り機構にて流路抵抗を減少する流路抵抗緩和手段を有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２または請求項３の何れかに記載の固体酸化物形燃料電池において、前記燃料ガス流路の断面積にて流路抵抗を減少する流路抵抗緩和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２または請求項３の何れらかに記載の固体酸化物形燃料電池において、前記燃料ガス流路の流路長にて流路抵抗を減少する流路抵抗緩和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２から請求項６までの何れかに記載の固体酸化物形燃料電池において、未使用の燃料ガスを発電セルの外周より放出するシールレス構造を有することを特徴としている。
【発明の効果】
【００１７】
請求項１〜７に記載の発明によれば、燃料電池スタックの端部や放熱手段の近傍等、スタック温度が相対的に低下する部分に位置する発電セルへの燃料ガス供給量を他の発電セルに比べて多くするようにしたので、温度の低い発電セルにおいては、燃料極層の過電圧が低下してセル電圧が上昇するため、各発電セルの電圧を均一化することができ、効率的な発電が可能となる。
また、セル電圧の上昇によって発電セルの内部抵抗が低下し、ジュール発熱が減少するため、同一セル面内での温度差が減少して、発電セルの破損が防止され、燃料電池の耐久性が向上する。
【００１８】
特に、請求項７に記載の発明のように、シールレス構造の燃料電池であれば、スタック端部に位置する発電セルの外周部には、未使用の燃料ガスが他の発電セルに比べて多量に放出され、セル近傍で燃焼されるため、この燃焼熱によってスタック端部の発電セルを昇温させることができる。これにより、昇温された発電セルの内部抵抗は減少し、セル電圧が上昇するため、より効率的な発電が行えるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、図１〜図６に基づいて本発明の実施形態を説明する。
【００２０】
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、図６は燃料電池スタックにおける各発電セルへの燃料ガスの供給方法を示している。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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、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の側面より外部に放出される。
【００２７】
また、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設けないシールレス構造とされており、発電反応で使用されなかった残余の燃料ガスが発電セル５の周部から外に自由に放出されるようになっている。
【００２８】
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差が生じ、低温部分のセル電圧が極端に低下することにより、効率的な発電がなされなくなるという問題があることは既述した通りである。
【００２９】
そこで、従来、各発電セルに供給される燃料ガスの量は均一としていたが、本発明では、温度低下の著しいスタック両端部に位置する単セル１０（すなわち、発電セル５）について、そのセパレータ８の燃料ガス流路１１に流路抵抗を小さくするための流路抵抗緩和手段を講じることにより、図５（ｂ）の破線に示すように、発電セル５に供給される燃料ガスの量を他の発電セル５に比べて多くするようにした。
【００３０】
本実施形態では、スタック低温部分の発電セル５へ供給する燃料ガスの量は他の高温部分の発電セル５の約１．１〜２倍を目安としているが、燃料ガスの増量は発電セル５の温度低下に応じて設定するようにする。尚、この部分の発電セル５に燃料ガスが多く供給されるため酸化剤ガス不足が危惧されるが、シールレス構造の場合、モジュール中に冷却のため必要十分な空気、すなわち、酸素が存在するため、爆発などの危険性はない。逆に、シール構造の場合、燃料ガスは循環されるため全く問題は生じない。
また、本実施形態では、燃料ガスを増量する発電セル５は、燃料電池スタックの両端部よりセル２〜３段分としているが、必ずしもスタック両端部の発電セル５について燃料ガスの増量を行う必要はなく、スタック温度の低下状態（セル電圧の状態）によっては何れか一方の端部の発電セル５についてのみでも良い。
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、燃料ガスの増量は、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。
【００３１】
ここで、本実施形態では、上記流路抵抗緩和手段として、図４に示すように、（１）燃料ガスマニホールド１７とセパレータ８の燃料ガス流路１１の連通部分（燃料供給口１９）をオリフィス絞りとし、このオリフィス径ｄを大きくして燃料ガス流路１１に流通する燃料ガスの量を多くする流路構造、（２）燃料ガス流路１１の流路長Ｌ（燃料供給口１９からガス吐出孔１１ａ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）を大きくして燃料ガスの供給量を増大する流路構造、（３）流路断面積を一定として、燃料ガス流路１１の流路長Ｌを長くして燃料供給量を増大する流路構造を採用することができる。
【００３２】
このように、流路抵抗緩和手段によって発電セル５への燃料ガス量が増加されると、燃料極層３での化学反応が活発となって燃料極層３の過電圧が低下し、セル電圧が上昇するため、図５（ａ）の破線（ハ）に示すように、スタック両端部分のセル電圧が破線（ロ）に較べて上昇して、積層方向における各発電セル５のセル電圧が均一化される。これにより、効率的な発電が可能となると共に、セル電圧の上昇によって発電セル５の内部抵抗が低下し、ジュール発熱が減少するため、同一セル面内での温度差が減少し、発電セル５の破損が防止され、耐久性が向上する。
【００３３】
また、上述したように、本実施形態の燃料電池スタック１は、シールレス構造が採用されているため、スタック端部近傍に位置する発電セル５の外周部に他の発電セル５よりも多い未使用の燃料ガスが放出されることになり、この放出ガスがセル近傍で燃焼されるため、この燃焼熱によってスタック端部近傍の発電セル５を昇温させることができる。これにより、昇温された発電セル５の内部抵抗は減少し、セル電圧が上昇するため、より効率的な発電が行えるようになる。
【００３４】
また、上記実施形態では、燃料電池スタック１の端部近傍に位置する発電セル５の燃料ガス供給量を多くするようにしたが、例えば、図６に示すように、スタックの最高温度を低下してスタック温度を均一化する目的で、燃料電池スタック１の中段部分に放熱板３０が配設されている場合は、図６（ａ）の実線で示すように、放熱板３０の近傍で逆に温度が低下し過ぎてしまうことがあり、このことが図６（ａ）の破線（ロ）に示すようなセル電圧の低下に繋がることから、この放熱板３０の上下部分におけるセル電圧の低下を抑制するために、図６（ｂ）の破線に示すように、この温度低下部分にも本発明を適用し、発電セル５への燃料ガス供給量を多くすることも勿論可能であり、これにより、図６（ａ）の破線（ハ）に示すように、放熱板３０による影響を無くしてセル電圧の均一化を図ることができる。
【００３５】
以上、本実施形態では、平板積層型の燃料電池について説明したが、円筒型の発電セルを多数集合させたバンドル構造の燃料電池スタックについても、本発明が適用可能であることは勿論である。
【００３６】
図７はバンドル構造の燃料電池スタック５０を示し、図７中の符号４１は燃料マニホールド、符号４２は燃料ガス流路、符号４０は発電セル、符号は４３は燃料極層、符号４４は固体電解質層、符号４５は空気極層、符号４６は酸化剤ガス流路である。
【００３７】
上記構成の燃料電池スタック５０では、バンドル外周部の発電セル４０は、中央部の発電セル４０に比べてジュール熱を放熱し易いため、バンドル外周部のセル温度が中央部に比べて低くなる。そこで、バンドルの外周部に配置されている発電セル４０については、本発明を適用して他の部分の発電セル４０に比べて燃料ガスを多く供給することにより、この部分のセル電圧の低下を抑制し、セル電圧の均一化を図ることができる。
また、バンドル外周部の隅角部に位置する発電セル４０については、特に放熱量が多く、セル電圧の低下も大きいため、この部分の発電セル４０には更に多くの燃料ガスを供給することで極端な電圧低下を抑制し、更なるセル電圧の均一化を図ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【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燃料ガスの供給方法を示す説明図。
【図６】燃料電池スタックにおける各セルへの燃料ガスの図５とは別の供給方法を示す説明図。
【図７】本発明が適用された円筒型の固体酸化物形燃料電池を示し、（ａ）は側断面図、（ｂ）は平面図。
【符号の説明】
【００３９】
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
１３  燃料ガスマニホールド
１４  酸化剤ガスマニホールド
【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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