(57)【要約】【課題】固体酸化物形燃料電池システムにおいて、圧力損失が小さく、コンパクトな緩衝、整流、及び支持機能を備えた燃料電池支持機構を提供する。【解決手段】燃料電池１の外側の発電部空間である燃料流路２４で投影される緩衝材領域８１の流動抵抗を、燃料電池１で投影される緩衝材領域８２の流動抵抗よりも低くして、圧力損失が小さく、かつガス整流分配機能を持った緩衝支持機構８〜１０を提供する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質を介して両側にアノードおよびカソードを有する複数の燃料電池と、発電部内で前記アノード面に隣接した燃料流路と前記カソード面に隣接した空気流路と、前記発電部への燃料又は空気の導入部又は排出部に配置され、複数の前記燃料電池を緩衝支持する緩衝材を備えた燃料電池発電システムにおいて、複数の前記燃料電池の周辺の前記燃料流路又は空気流路が、その流路方向に投影する前記緩衝材の流路投影領域の一部又は全部の流動抵抗を、この緩衝材の他の領域よりも小さくしたことを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項２】
請求項１において、前記緩衝材の前記流路投影領域の一部に通気孔を備えたことを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項３】
請求項１において、前記緩衝材の前記流路投影領域のうち、複数の位置によって前記流動抵抗の大きさを変化させたことを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項４】
請求項１において、前記緩衝材に対して密接配置した整流層を備えたことを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項５】
請求項４において、前記緩衝材と前記整流層は、前記発電部から見て、緩衝材、整流層の順に密接配置したことを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項６】
請求項４において、前記緩衝材の前記流路投影領域の一部に通気孔を備えたことを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項７】
請求項４において、複数の前記燃料電池の周辺の前記燃料流路又は空気流路が、その流路方向に投影する前記整流層の流路投影領域の一部又は全部の流動抵抗を、この整流層の他の領域よりも小さくしたことを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項８】
請求項４において、複数の前記燃料電池の周辺の前記燃料流路又は空気流路が、その流路方向に投影する前記整流層の流路投影領域の一部又は全部の空隙率を、この整流層の他の領域よりも小さくしたことを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項９】
請求項４において、前記整流層の前記流路投影領域の一部に通気孔を備えたことを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項１０】
請求項４において、前記整流層を、前記緩衝材よりも流動抵抗の小さい多孔質体で形成するとともに、この整流層を、前記緩衝材の前記通気孔に埋め込んだことを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項１１】
請求項４において、前記整流層を多孔体で形成したことを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項１２】
請求項４において、前記整流層を多孔体で形成し、この整流層の外側に密接して、格子状又はハニカム状の金属またはセラミックで形成された支持構造を配置したことを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項１３】
請求項１において、前記緩衝材の外側に密接して整流層を配置し、この整流層に密接して格子状又はハニカム状の金属またはセラミックで形成された支持構造を配置したことを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項１４】
請求項１３において、前記整流層を多孔体で形成したことを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項１５】
電解質を介して両側にアノードおよびカソードを有する複数の燃料電池と、発電部内で前記アノード面に隣接した燃料流路と前記カソード面に隣接した空気流路と、前記発電部への燃料又は空気の導入部又は排出部に配置され、複数の前記燃料電池を緩衝支持する緩衝材と、この緩衝材に隣接して配置した整流層を備えた燃料電池発電システムにおいて、複数の前記燃料電池の周辺の前記燃料流路又は空気流路が、その流路方向に投影する前記整流層の流路投影領域の一部又は全部の流動抵抗を、この整流層の他の領域よりも小さくしたことを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項１６】
電解質を介して両側にアノードおよびカソードを有する複数の燃料電池と、発電部内で前記アノード面に隣接した燃料流路と前記カソード面に隣接した空気流路と、前記発電部への燃料又は空気の導入部又は排出部に配置され、複数の前記燃料電池を緩衝支持する緩衝材と、この緩衝材に隣接して配置した整流層を備えた燃料電池発電システムにおいて、前記緩衝材と前記整流層を、前記発電部から見て、緩衝材、整流層の順に配置したことを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項１７】
電解質を介して両側にアノードおよびカソードを有する複数の燃料電池と、発電部内で前記アノード面に隣接した燃料流路と前記カソード面に隣接した空気流路と、前記発電部への燃料又は空気の導入部又は排出部に配置された整流層と前記発電部の支持構造とを具備した燃料電池発電システムにおいて、前記整流層を多孔体で形成し、前記支持構造を格子状またはハニカム状の金属又はセラミックで形成し、それらを発電部から見て整流層、支持構造の順に密接配置したことを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項１８】
電解質を介して両側にアノードおよびカソードを有する複数の燃料電池と、発電部内で前記アノード面に隣接した燃料流路と前記カソード面に隣接した空気流路と、前記発電部への燃料又は空気の導入部又は排出部に配置され、複数の前記燃料電池を緩衝支持する緩衝材と、前記燃料又は空気の流れを整える整流層と、前記発電部の支持構造とを具備した燃料電池発電システムにおいて、前記緩衝材、前記整流層、及び前記支持構造を、前記発電部から見て、緩衝材、整流層、支持構造の順に配置したことを特徴とする燃料電池発電システム
【請求項１９】
袋管円筒形の電解質の外側にアノードを、内側にカソードを有する複数の燃料電池と、発電部内で前記アノード面に隣接した燃料流路と、前記袋管円筒形の電解質の内側のカソード面に隣接した空気流路と、前記発電部への燃料の導入部に配置され、複数の前記燃料電池を緩衝支持する緩衝材を備えた燃料電池発電システムにおいて、複数の前記燃料電池の周辺の前記燃料流路が、その流路方向に投影する前記緩衝材の流路投影領域の一部に配置した通気孔と、前記緩衝材の燃料導入側に密接して配置した整流層と、この整流層のさらに燃料導入側に密接して配置され、格子状またはハニカム状の金属またはセラミックで形成された支持構造とを備えたことを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項２０】
請求項４において前記通気孔径を前記整流層の孔ピッチの４倍以上としたことを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項２１】
請求項４において前記緩衝材における前記通気孔の開口率を２〜２０％としたことを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項２２】
請求項１１において整流層をセラミックまたは金属の発泡体で形成したことを特徴とする燃料電池発電システム。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
燃料電池は、電解質を挟んで一方の側にアノード（燃料極）を備え、他方の側にカソード（空気極）を備えている。そして、アノード表面を流れるアノードガス中の燃料と、カソード表面を流れるカソードガス中の酸化剤とを電解質を介して電気化学反応（電池反応）させることによって発電する発電素子である。燃料電池の種類の一つである固体酸化物形燃料電池は、電解質として、酸素イオン伝導性のセラミックスを使用した燃料電池である。
【０００２】
固体酸化物形燃料電池は、セラミック製であるため、衝撃によって割れる可能性がある。そこで、例えば、特許文献１に開示されているように、振動などの衝撃から燃料電池を保護するため、セラミック繊維又は金属繊維製の緩衝材によって発電部を支持している。なお、燃料又は空気（酸化剤）は、緩衝材を透過して供給される。
【０００３】
また、供給されるガスの流速を均一化するために、発電部の下部には、整流層が設置されている。整流層としては、例えば、特許文献２や特許文献３に開示されているように、金属やセラミックの発泡体、又はセラミック充填層が使用されている。
【０００４】
さらに、特許文献１に開示されているように、緩衝材を介して燃料電池やそれ以外の発電部の内容物を支え、かつ発電部へ供給されるガスを透過させるため、支持部平面のうちで内容物が当接しない領域に穴を開けたセラミックや金属の分散板が用いられている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−２１６５７９号公報
【特許文献２】特開２００３−１００３３８号公報
【特許文献３】特開２０００−５８０８７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記した従来技術において、十分な強度を持つ繊維同士が密に絡んだ緩衝材を使用した場合、燃料又は酸化剤ガスの流動抵抗が大きいために圧力損失が大きく、ガスの供給のために大きな動力が必要であった。
【０００７】
また、整流層は厚く、発電システムのコンパクト化の妨げとなっていた。
【０００８】
本発明の目的とするところは、燃料または酸化剤ガスの供給における圧力損失を小さくした燃料電池の発電部の支持機構を提供することである。
【０００９】
本発明の他の目的とするところは、コンパクトにして、十分な緩衝、整流、分配、および支持機能を発揮できる燃料電池の発電部の支持機構を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明はその一面において、電解質を介して両側にアノードおよびカソードを有する複数の燃料電池と、発電部内で前記アノード面に隣接した燃料流路と前記カソード面に隣接した空気流路と、前記発電部への燃料又は空気の導入部又は排出部に配置され、複数の前記燃料電池を緩衝支持する緩衝材を備えた燃料電池発電システムにおいて、複数の前記燃料電池の周辺の前期燃料流路又は空気流路が、その流路方向に投影する前記緩衝材の流路投影領域の一部又は全部の流動抵抗を、この緩衝材の他の領域よりも小さくしたことを特徴とする。
【００１１】
本発明の望ましい実施態様においては、前記緩衝材の前記流路投影領域の一部に通気孔を備える。
【００１２】
また、本発明の望ましい実施態様においては、前記緩衝材に対して密接配置した整流層を備える。
【００１３】
さらに、本発明の望ましい実施態様においては、前記整流層に密接して格子状またはハニカム状の金属またはセラミックで形成された支持構造を配置する。
【００１４】
本発明は他の一面において、複数の燃料電池の周辺の燃料流路又は空気流路が、その流路方向に投影する整流層の流路投影領域の一部又は全部の流動抵抗を、この整流層の他の領域よりも小さくしたことを特徴とする。
【００１５】
本発明はさらに他の一面において、前記燃料または空気の流れを整える整流層と、前記発電部の支持構造とを具備した燃料電池発電システムにおいて、前記緩衝材、前記整流層、及び前記支持構造を、前記発電部から見て、緩衝材、整流層、支持構造の順に配置したことを特徴とする。
【００１６】
本発明の望ましい実施態様においては、袋管円筒形電解質の外側にアノードを、内側にカソードを有する複数の燃料電池と、前記発電部内で前記アノード面に隣接した燃料流路と、前記袋管円筒形の電解質の内側のカソード面に隣接した空気流路と、前記発電部への燃料の導入部に配置され、複数の前記燃料電池を緩衝支持する緩衝材を備えた燃料電池発電システムにおいて、複数の前記燃料電池の周辺の前記燃料流路が、その流路方向に投影する前記緩衝材の流路投影領域の一部に配置した通気孔と、前記緩衝材の燃料導入側に密接して配置した整流層と、この整流層のさらに燃料導入側に密接して配置され、格子状又はハニカム状の金属又はセラミックで形成された支持構造とを備える。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の望ましい実施態様によれば、ガス流路にほぼ直角面を形成する緩衝材の中で、流路投影緩衝材領域に、好ましくは通気孔を設けて流動抵抗を小さくし、緩衝材における圧力損失を低減できる。
【００１８】
また、本発明の望ましい実施態様によれば、発電部へ供給されるガスは、整流層流路投影域を流れやすく、整流層流路投影域での流速が増大し、整流層を薄くしても同等の整流効果を得ることができる。
【００１９】
また、本発明の望ましい実施態様によれば、発電部を平面的に支持しながら開口面積の大きな支持構造とすることができ、支持構造における圧力損失を低減できる。
【００２０】
本発明によるその他の目的の特徴は、以下に述べる実施形態の中で明らかにする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
固体酸化物形燃料電池は、電解質の形状により、筒形と板形に大別されるが、本発明はどちらの形状においても適用可能である。以下、特に袋管円筒形の燃料電池を例に採って詳細に説明する。
【実施例１】
【００２２】
図１は、本発明の実施例１による袋管円筒形の固体酸化物形燃料電池を備えた発電システムの概略側面断面図である。この実施例における燃料電池１は、内表面にカソード、外表面にアノードを備えているものとして説明するが、カソードとアノードの位置が逆転したタイプであっても、本発明は適用可能である。
【００２３】
また、図２は図１のA−A断面図、図３は図１のB−B断面図、図4は図１のC−C断面図である。さらに図５は図１中の緩衝材５、整流層６および支持構造７の分解斜視図である。以下に、図１〜５を参照して、本発明の実施例１による固体酸化物形燃料電池を備えた発電システムについて説明する。
【００２４】
複数の燃料電池１は、この実施例においては、上下方向の中央部において、図２に断面を示すように、集電部材２によって互いに電気的に接続され、ガスシール容器３の内部に収められ、発電部２１と呼ばれる空間を形成している。ガスシール容器３内部には、ガスシール容器３と燃料電池１の間、及びガスシール容器３と集電部材２の間の電気的絶縁を行うために電気絶縁材４が収められている。ガスシール容器３は、燃料電池１の外側に供給される燃料３１を封止する役割を果たしている。図２における発電部２１内の空間２４は、燃料流路を形成している。
【００２５】
燃料３１は、発電部２１の下方に配置された燃料供給室２２と呼ばれる空間から、発電部２１へ供給される。発電部２１内では、燃料電池１の外側のガスシール容器３に囲まれた空間である発電部内燃料流路２４を上方へ流れ、燃料電池１の外側のアノードにおいて電気化学反応を起こした後に、仕切り板７を通り、燃料室２３と呼ばれる空間へ流れる。仕切り板７は、ガスが透過できるように孔の開いた板材または多孔体が使用される。
【００２６】
空気３２は、燃料電池上方の空気ヘッダ５に供給され、空気導入管６より燃料電池１の底部へ供給され、方向反転し、燃料電池１の内側のカソードを上方へ流れ、ここで電気化学反応を起こし、残余の空気は燃焼室２３と呼ばれる空間へ流れる。
【００２７】
燃焼室２３では、電気化学反応しなかった燃料３１と空気３２が燃焼し、燃焼後のガスは、排気ガス３３として排出され、排熱回収される。
【００２８】
燃焼電池１の底面の下には、本発明の要部を構成する構造体が備えられ、まず、緩衝材８が具備され、燃料電池底部を保護している。緩衝材８には、セラミック又は金属の繊維が材料として使用される。緩衝材８は、発電部２１の水平断面のほぼ全域にわたって平面的に配置されている。
【００２９】
緩衝材８の平面は、図３に明確に示すように、発電部内燃料流路２４によって流路方向に投影された領域８１と、燃料電池１によって流路方向に投影された領域８２とから成るが、発電部内燃料流路２４による投影領域８１には、通気孔８３が設けられている。この発電部内燃料流路２４による投影領域８１には、支持すべき燃料電池１が無いため、干渉機能は必要なく、燃料３１は通気孔８３を優先的に通り、発電部２１へ供給される。このため、緩衝機能を損なうことなく、緩衝材８における圧力損失を低減することができる。
【００３０】
また、通気孔８３の面積を調整することによって、各燃料電池１へ分配される燃料流量を制御することが可能である。通気孔８３から燃料電池１の間にガス流れの抵抗体はなく、燃料電池１に直接燃料を分配できる。
【００３１】
このように、この実施例においては、ガスの流路方向に投影する緩衝材８の流路投影領域８１の一部の流動抵抗を、通気孔８３を設けることによって、この緩衝材８の他の領域８２よりも小さくしている。
【００３２】
整流層９は、緩衝材８の下方に密接に隣接して配置されており、緩衝材９の通気孔８３へと流れる燃料３１の流速を均一化している。整流層９の材料としてはセラミックや金属の多孔体が使用され、周囲をシールすることが容易なように、剛性のある多孔体が使用される。剛性があり、ガス流れに対して慣性抵抗が大きい発泡体が特に整流層に適している。
【００３３】
図４は、支持構造１０の断面図である。支持構造１０の材料としては、金属又はセラミックの板が用いられ、それらを格子状に組んで使用する。なお、支持構造１０はハニカム形状であっても良い。本実施例では、整流層９が緩衝材８を介して燃料電池１を平均的に受け止めている。また、整流層９は剛性があるため、支持構造１０は、発電部２１を支持するために十分な強度を持てばよく、ガス流路としての開口面積を十分広くとることができる。このことにより、支持構造１０における圧力損失を大幅に低減することができる。
【００３４】
なお、支持構造１０の格子部分は、通気孔８３の下方と重ならないことが望ましい。また、支持構造１０の開口部分の大きさは、整流層９の強度に応じて決定される。
【００３５】
以上に説明した燃料電池１郡を緩衝支持する緩衝材８、整流層９、及び支持構造１０からなる構造の分解斜視図を図５に示している。
【００３６】
まず、支持構造１０の格子状構造上に整流層９が密接して搭載されている。したがって、セラミックや金属の多孔体が用いられる整流層９に、強度的負担は無く、ガスを整流する機能を果たせる厚みがあれば十分である。
【００３７】
また、この整流層９に密接して緩衝材８が配置されている。燃料は、緩衝材８にあけられた通気孔８３を通り各燃料電池１に分配されるので、緩衝材８に密接して設置された整流層９では、通気孔８３へ流れる燃料の流速を均一化すればよい。前述したように、緩衝材８の平面のうち、発電部内燃料流路２４による投影領域８１には、通気孔８３が設けられている。ここでの燃料の流れについて、図６を参照して説明する。
【００３８】
図６は実施例１における整流層９の内部での燃料の流線図である。図に示すように、整流層９が、通気孔８３をあけた緩衝材８に密接に隣接して設置されることによって、整流層９内のガスは、通気孔８３の下方を優先的に流れる。したがって、通気孔８３の下方の整流層９内を流れる燃料の流速が増大する。この結果、通気孔８３の下方での、整流層９の単位厚み当りで発生する圧力損失は増大し、これにより整流層９は比較的薄くても、整流効果を十分に発揮できる。
【００３９】
図１０に整流層断面の微細構造および整流層を流れるガスの流線を示す。整流層９は多孔質体を用いるため、微細な貫通穴を多数有しており、その穴をガスが流れる。本実施例では、整流層９と通気孔８３を有する緩衝材８を密接して配置するため、整流層９の穴出口が緩衝材８と接している部分ではガスはあまり流れず、整流層孔出口が緩衝材８の通気孔８３に通じている部分を主に流れる。そのため、各通気孔から流れるガス流量を均一にするためには、通気孔８３と重なっている整流層孔出口（通気孔下整流層孔）の断面積が均一になることが重要である。
【００４０】
図１１に通気孔直径と整流層孔径及び整流層孔ピッチの関係を示す。通気孔直径Ｄが整流層孔（直径ｄ）の中心間距離（(整流孔ピッチｐ)と同程度の場合（D／p=１〜２倍）、通気孔設置位置による通気孔下整流層孔の断面積の差異が大きい。すなわち、各通気孔から流れるガス流量を均一にするためには、通気孔直径Ｄ／整流板孔ピッチpが十分大きい必要がある。ただし、適切なD／pは、整流板孔ピッチpに対する整流板孔の直径dの比により異なる。また、整流層孔の配置は、図１２に示すようにばらつきを持っている。このような整流層孔の配置の偏りを均一化するためにも、D／pは十分に大きい必要がある。実際の整流層では強度と流動抵抗の観点から空孔率d／p＝0.6〜1程度の材料が使用され、１０％程度の整流層孔配置の偏りがある。そのような材料を使用した実験においてはD／p＝4倍以上が必要であり、8倍以上が望ましい。なお、整流板孔径が極端に小さい場合、整流層の流動抵抗が大きくなってしまうため、整流板孔径はD／p＞４〜８となる範囲で適切な大きさを選択する必要がある。
【００４１】
また、緩衝材８における通気孔８３の開口率（通気孔の断面積／通気孔を含めた緩衝材の全断面積））が大きすぎる場合、通気孔８３の下方の整流層９内を流れる燃料の流速を高める効果が無くなってしまう。また、通気孔８３の開口率が小さすぎる場合、通気孔８３から燃料電池へ供給される燃料の流速が高くなりすぎてしまい、燃料電池１への燃料流路に不均一な流れを発生させてしまう。それらの事象を回避するため、通気孔８３の開口率は２％〜２０％にすることが望ましい。
【実施例２】
【００４２】
図７は、本発明の実施例２による整流層９における流線を示す。本実施例では、緩衝材８の通気孔８３内に整流層９を埋め込んでいる。これにより、緩衝材８と整流層９を一体化でき、コンパクト化できる。なお、緩衝材８は、整流層９よりも、流動抵抗を著しく高く設定しておくことが必要である。
【実施例３】
【００４３】
図８は、本発明の実施例３による整流層９における流線を示す。本実施例では、整流層９の空隙率が、緩衝材８の通気孔８３の下方９１で大きく、それ以外の領域９２で小さくなっている。これにより、通気孔８３の下方を優先的に燃料３１が流れるようになり、整流層９の厚みあたりの整流効果が大きくなる。また、緩衝材８が、整流層９と密着していない状態や、緩衝材８がない状態においても、同様な効果が得られる。
【実施例４】
【００４４】
図９は、本発明の実施例４による緩衝材８の通気孔８３１〜８３３の配置を示す平面断面図である。
【００４５】
発電時、燃料電池１は内部抵抗により発熱しており、空気３２と燃料３１により燃料電池１を冷却することで燃料電池温度を維持している。しかしながら、発電部２１内のすべての燃料電池を同様の手法で冷却した場合、発電部２１の内側のセルは、外側のセルよりも放熱量が小さいため、高温になりやすい。
【００４６】
そこで、図９のように、内側の通気孔８３１の断面積を外側の通気孔８３２や８３３の断面より大きくすることで、内側の燃料電池１へ供給する燃料流量を大きくでき、内側の燃料電池の冷却量を外側の燃料電池より大きくして、温度分布を低減できる。内外の燃料電池に供給する燃料流量分布は、通気孔８３１〜８３３の断面積分布により自在に設計可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の実施例１による固体酸化物形燃料電池を備えた発電システムの概略側面断面図。
【図２】図１のＡ−Ａ断面図。
【図３】図１のＢ−Ｂ断面図。
【図４】図１のＣ−Ｃ断面図。
【図５】緩衝材、整流層及び支持構造の分解斜視図。
【図６】実施例１における整流層内の燃料の流線図。
【図７】実施例２における緩衝材と整流層の断面構造と燃料の流線図。
【図８】実施例３における緩衝材と整流層の断面構造と燃料の流線図。
【図９】実施例４における緩衝材の通気孔の配置を示す平面断面図。
【図１０】実施例１における整流層を流れるガスの流線を示す流線図。
【図１１】通気孔直径と整流層孔径及び整流層孔ピッチの関係を示す説明図。
【図１２】整流層孔のばらつきを示す説明図。
【符号の説明】
【００４８】
１…燃料電池、２…集電部材、３…ガスシール容器、４…電気絶縁板、５…空気ヘッダ、６…空気導入管、７…仕切り板、８…緩衝材、８１…燃料流路に投影された緩衝材領域、８２…燃料電池に投影された緩衝材領域、８３，８３１〜８３３…通気孔、９…整流層、１０…支持構造、２１…発電部、２２…燃料供給室、２３…燃焼室、２４…発電部内燃料流路、３１…燃料、３２…空気、３３…排気ガス。
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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