(57)【要約】【課題】発電効率の向上と低価格化を図る。【解決手段】固体電解質層２の両面に燃料極層３と酸化剤極層４を配置して発電セル５を構成し、発電セル５とセパレータ８を交互に複数積層して電池スタック１を構成する。積層方向を水平にして電池スタック１を函体２０に設置し、燃料電池モジュール１０を構成する。燃料電池モジュール１０の下部中央部分に酸化剤ガスの供給口２１を、上部中央部分に反応ガスの排気口２２を設け、高温雰囲気中の自然対流を利用して供給口２１より酸化剤ガスを流入し、電池反応で生じた排ガスを排気口２２より排出する構成とする。本構成では、酸化剤ガスを導入するためのコンプレッサー等が不要となり、その分、燃料電池の負荷が軽減でき発電効率が向上する。また、酸化剤ガス分配用のディストリビュータを無くすこにより構造が簡略化し安価になる。【選択図】　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質層の両面に燃料極層と酸化剤極層を配置して発電セルを構成し、当該発電セルとセパレータを交互に複数積層してスタックを構成すると共に、積層方向を水平にして当該スタックを函体に設置して燃料電池モジュールを構成し、
前記燃料電池モジュールの下部中央部分に酸化剤ガスの供給口を設けると共に、これと対向する当該燃料電池モジュールの上部中央部分に反応ガスの排気口を設け、
高温雰囲気中の自然対流を利用して前記供給口より酸化剤ガスを流入すると共に、内部の電池反応により生成された反応ガスを前記排気口より排出することを特徴とする燃料電池用酸化剤ガス供給機構。
【請求項２】
前記酸化剤ガスの供給口近傍および／または前記反応ガスの排気口近傍に送風ファンを設置したことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用酸化剤ガスの供給機構。
【請求項３】
前記セパレータの前記酸化剤極層と接する表面に、積層方向に垂直な溝部を設けたことを特徴とする請求項１または請求項２の何れかに記載の燃料電池用酸化剤ガスの供給機構。
【請求項４】
前記反応ガスの排気口付近に第１の熱交換器を設けると共に、前記酸化剤ガスの供給口付近に第２の熱交換器を設け、前記第１の熱交換器で熱交換された排ガスの熱を前記第２熱交換器に伝達することを特徴とする請求項１から請求項３までの何れかに記載の燃料電池用酸化剤ガスの供給機構。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池における反応用ガスの供給機構に係り、特に平板積層型の固体酸化物形燃料電池に適用して好適な酸化剤ガスの供給機構に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
酸化物イオン伝導体からなる固体電解質層を空気極層（酸化剤極層）と燃料極層との間に挟んだ積層構造を持つ固体電解質型燃料電池は、第三世代の発電用燃料電池として開発が進んでいる。固体電解質型燃料電池では、空気極側に酸素（空気）が、燃料極側には燃料ガス（Ｈ２　、ＣＯ等）が供給される。空気極と燃料極は、ガスが固体電解質との界面に到達することができるように、いずれも多孔質とされている。
【０００３】
空気極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、燃料極の方向に向かって固体電解質層内を拡散移動する。燃料極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（Ｈ２　Ｏ、ＣＯ２　等）を生じ、燃料極に電子を放出する。
【０００４】
燃料に水素を用いた場合の電極反応は次のようになる。
空気極：　１／２　Ｏ２　＋　　　　　２ｅ−　　→　Ｏ２−
燃料極：　　　　　Ｈ２　＋　　　　　Ｏ２−　　→　Ｈ２　Ｏ＋２ｅ−
全体　：　　　　　Ｈ２　＋　１／２　Ｏ２　　　→　Ｈ２　Ｏ
【０００５】
固体電解質層は、酸化物イオンの移動媒体であると同時に、燃料ガスと空気を直接接触させないための隔壁としても機能するので、ガス不透過性の緻密な構造となっている。この固体電解質層は、酸化物イオン伝導性が高く、空気極側の酸化性雰囲気から燃料極側の還元性雰囲気までの条件下で化学的に安定で、熱衝撃に強い材料から構成する必要があり、かかる要件を満たす材料として、イットリアを添加した安定化ジルコニア（ＹＳＺ）が一般的に使用されている。
【０００６】
一方、電極である空気極層（カソード）と燃料極層（アノード）はいずれも電子伝導性の高い材料から構成する必要がある。空気極材料は、７００℃前後の高温の酸化性雰囲気中で化学的に安定でなければならないため、金属は不適当であり、電子伝導性を持つペロブスカイト型酸化物材料、具体的にはＬａＭｎＯ３　もしくはＬａＣｏＯ３　、または、これらのＬａの一部をＳｒ、Ｃａ等に置換した固溶体が一般に使用されている。また、燃料極材料は、Ｎｉ、Ｃｏなどの金属、或いはＮｉ−ＹＳＺ、Ｃｏ−ＹＳＺなどのサーメットが一般的である。
【０００７】
固体酸化物型燃料電池には、１０００℃前後の高温で作動させる高温作動型のものと、７００℃前後の低温で作動させる低温作動型のものとがある。低温作動型の固体酸化物型燃料電池は、例えば電解質であるイットリアを添加した安定化ジルコニア（ＹＳＺ）の厚さを１０μｍ程度まで薄膜化して電解質の抵抗を低くし、低温でも燃料電池として発電するように改良された発電セルを使用する。
【０００８】
高温の固体酸化物型燃料電池では、セパレータには、例えばランタンクロマイト（ＬａＣｒＯ３　）等の電子伝導性を有するセラミックスが用いられるが、低温作動型の固体酸化物燃料電池では、ステンレス等の金属材料を使用することができる。
【０００９】
また、固体酸化物型燃料電池の構造には、円筒型、モノリス型、及び平板積層型の３種類が提案されている。それらの構造のうち、低温作動型の固体酸化物型燃料電池には、金属のセパレータを使用できることから、金属のセパレータに形状付与しやすい平板積層型の構造が適している。
【００１０】
平板積層型の固体電解質型燃料電池のスタックは、発電セル、集電体、セパレータを交互に積層した構造を持つ。一対のセパレータが発電セルを両面から挟んで、一方は空気極集電体を介して空気極と、他方は燃料極集電体を介して燃料極と接している。燃料極集電体には、Ｎｉ基合金等のスポンジ状の多孔質体を使用することができ、空気極集電体には、Ａｇ基合金等の同じくスポンジ状の多孔質体を使用することができる。スポンジ状多孔質体は、集電機能、ガス透過機能、均一ガス拡散機能、クッション機能、熱膨脹差吸収機能等を兼ね備えるので、多機能の集電体材料として適している。
【００１１】
セパレータは、発電セル間を電気接続すると共に、発電セル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外周面から導入してセパレータの燃料極層に対向する面から吐出させる燃料通路と、酸化剤ガスをセパレータ外周面から導入してセパレータの酸化剤極層に対向する面から吐出させる酸化剤通路とをそれぞれ有している。
【００１２】
図３はスタック１の一構成例を示し、固体電解質層２の両面に燃料極層３と空気極層４（酸化剤極層）を配した発電セル５と、燃料極層３の外側の燃料極集電体６と、空気極層４の外側の空気極集電体７（酸化剤極集電体）と、各集電体６、７の外側のセパレータ８をそれぞれ順番に複数枚積層した構造を有する。
【００１３】
セパレータは、発電セル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、その内部に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の燃料極集電体に対向する面のほぼ中央部から吐出させる燃料通路１１と、酸化剤ガス（空気）をセパレータ８の外周面より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部から吐出させる酸化剤通路１２とを有している。
【００１４】
また、スタック１の一方側には、各セパレータ８の燃料通路１１に接続管１３を通して外部からの燃料ガスを分配する燃料用ディストリビュータ１５が、また、他方側には、各セパレータ８の酸化剤通路１２に接続管１４を通して外部からの酸化剤ガスを分配する酸化剤用ディストリビュータ１６が発電セルの積層方向に沿って立設されている。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、固体酸化物形燃料電池では、スタック１を構成する各発電セル（単電池）に反応ガスを供給する方法として上記のようなディストリビュータ機構を用いるのが一般的であるが、このディストリビュータ機構は、以下のような幾つかの問題点を有していた。
【００１６】
即ち、各ディストリビュータと、これより分岐する多数の接続管、これら接続管のセパレータへの取り付け（締め付け）機構において、例えば、１０００℃といった高温雰囲気での他の電池構成部材との熱膨張係数の整合性を得るため（熱膨張係数を完全に一致させないと各部材の熱膨張の違いで応力が発生し、接合部材に変形や破損が生じて発電効率が低下する）、締め付け機構が複雑となりコスト高となると共に、スタック自体が大型化するといった問題である。
【００１７】
また、これとは別に、特に、固体酸化物形燃料電池の場合、一般的に酸化剤ガス（空気が使用される）は反応用ガスとしてだけでなく冷却用としても使用し、量的、価格的な面で制限されないため、極力大量に供給する傾向にあった。
このため、従来では、ディストリビュータから径細の酸化剤通路を介して各発電セルに十分な酸化剤ガスを供給（噴出）できるよう、外部にコンプレッサーやブロワ等の高出力の補助動力機器を設置して圧縮空気を流入するようにしているが、このような補助動力機器の駆動電力は燃料電池の起電力を使用しているため、本来不要な電力消費が多くなり（例えば、起電力の５〜１０％が駆動電力として使用される）、その分、発電システムの効率が低下するといった弊害や、補助動力機器の設置場所を確保しなければならない等の問題もあった。
【００１８】
本発明は、このような問題に鑑みて成されたもので、高温雰囲気中における自然対流を利用して酸化剤ガスを供給することで不要な電力消費を削減し、発電効率の向上を図ると共に、構成の簡略化により低価格かを図った燃料電池用酸化ガスの供給機構を提供することを目的としている。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
すなわち、請求項１に記載の本発明は、電解質層の両面に燃料極層と酸化剤極層を配置して発電セルを構成し、当該発電セルとセパレータを交互に複数積層して電池スタックを構成すると共に、積層方向を水平にして当該電池スタックを函体に設置して燃料電池モジュールを構成し、前記燃料電池モジュールの下部中央部分に酸化剤ガスの供給口を設けると共に、これと対向する当該燃料電池モジュールの上部中央部分に反応ガスの排気口を設け、高温雰囲気中の自然対流を利用して前記供給口より酸化剤ガスを流入すると共に、内部の電池反応により生成された反応ガスを前記排気口より排出することを特徴としている。
上記構成では、外部より酸化剤ガスを燃料電池モジュール内に導入するためのコンプレッサーやブロワが不要となり、その分、燃料電池の負荷が軽減されるので、発電効率が向上する。また、従来より設置の酸化剤ガス分配用のディストリビュータ機構を無くすことができ、ガス供給機構を簡略化し安価にできる。
【００２０】
また、請求項２に記載の本発明は、請求項１に記載の燃料電池用酸化剤ガスの供給機構において、前記酸化剤ガスの供給口近傍および／または前記反応ガスの排気口近傍に送風ファンを設置したことを特徴としている。
簡易な電気駆動式ファンを設けることにより、外部から燃料電池モジュール内へ供給される酸化剤ガスの流入量を増加できるため、発電効率は向上する。
【００２１】
また、請求項３に記載の本発明は、請求項１または請求項２の何れかに記載の燃料電池用酸化剤ガスの供給機構において、前記セパレータの前記酸化剤極層と接する表面に、積層方向に垂直な溝部を設けたことを特徴としている。
これにより、供給口を介してセパレータの下方から導入される酸化剤ガスが各発電セルの全面を容易に通過できるようになり、よって、酸化剤ガスの利用率が増大し、発電効率が向上する。
【００２２】
また、請求項４に記載の本発明は、請求項１から請求項３までの何れかに記載の燃料電池用酸化剤ガスの供給機構において、前記反応ガスの排気口付近に第１の熱交換器を設けると共に、前記酸化剤ガスの供給口付近に第２の熱交換器を設け、前記第１の熱交換器で熱交換された排ガスの熱を前記第２熱交換器に伝達することを特徴としている。
上記構成のように、排気口からの排出される排ガスの熱を利用して燃料電池モジュール内に供給される酸化剤ガスを加熱することにより、酸化剤ガスの自然対流現象が活発となると共に電池反応が活性化されるため、発電効率が向上する。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、図１、図２に基づいて本発明の一実施形態を説明する。
ここで、図１は本実施形態に係る燃料電池モジュールの内部構造を示す断面図、図２はセパレータの構造を示す断面図である。尚、説明を簡略化するため、以下の説明において従来と共通する部分については同一の符号を用いた。
【００２４】
図１に示すように、本実施形態の燃料電池モジュール１０は、固体電解質層２の一方の面に燃料極層３を他方の面に酸化剤極層４を配置して発電セル５を構成し、この発電セル５とセパレータ８を交互に複数枚積層してスタック１を構成すると共に、このスタック１を発電セル５の積層方向が水平に向くように横向きにして断熱材や耐熱金属あるいはセラミックス等から構成される函体２０の内部に設置したものである。この函体２０の左右両端には、スタック１の最端部に配置されるセパレータ８、８より引き出された正極端子１８および負極端子１９が相対向する形で突設している。
【００２５】
ここで、スタック１の構成は、図３に示した従来型と略同様であるが、本実施形態では、図３に示したような酸化剤側ディストリビュータ１６を備えておらず、よって、セパレータ内に従来のような酸化剤通路１２は無い。これに代わり、本実施形態のセパレータ８は、図２に示すように、セパレータ８が酸化剤極層４と接する表面に、積層方向と垂直に横断する（即ち、燃料通路１１と平行する）溝部９を設けた構造を有する。全体形状は、所定肉厚の四角状体、或いは円状体である。
【００２６】
また、この函体２０の下部中央の部位に供給口２１が設けてあり、この供給口２１に接続された供給管２３を通して外部より酸化剤ガス（空気）が函体内に流入するようになっている。尚、図１では、酸化剤ガスの供給口２１を１個としたが、ガス供給量に応じて複数個設けても勿論構わない。更に、この函体２０の上部中央に排気口２２が設けてあり、内部の電池反応により生成された反応ガス（排気ガス）がこの排気口２２に接続された排気管２４より外部に排出されるようになっている。
【００２７】
このように、本発明は、高温雰囲気中の自然対流を利用して下方の供給口２１より酸化剤ガスを流入し、上方の排気口２２より反応ガスを排出するようにした酸化剤ガスの供給機構であり、この自然対流現象をより効率的にするために、函体内の供給口２１の近傍と排気口２２の近傍に小電力で駆動可能な送風ファン１７が各２個づつ設置されている。尚、これらの送風ファン１７は函体外の供給口２１および排気口２２の近傍に設置しても良い。
【００２８】
上記構成では、外部から導入された燃料ガス（Ｈ２　）は、一旦、ディストリビュータ１５で複数の各燃料用接続管１３に分岐され、それぞれの接続管１３から各々セパレータ８の燃料通路１１を介してその中心部より噴出し、各発電セル５の燃料極層３に供給される。そして、既述した電極反応で生成された水蒸気と少量の過剰燃料（未反応ガス）はスタック５の外周部から函体内に排出される。
【００２９】
一方、外部からの酸化剤ガス（空気）は、函体２０下方部の供給口２１より高温雰囲気による自然対流で函体内に流入し、更に、送風ファン１７による吸引力で矢印で示す左右方向に拡散されながらスタック１の中央下部に向けて上昇する。縦方向に配置される各セパレータ８に達した酸化剤ガスは、当該セパレータ８に設けた複数の溝部９（図２参照）による発電セル５との隙間に流れ込み、溝部９を通してゆっくり上昇し、この間に酸化剤極層４において酸素イオンとなり、固体電解質内部を拡散して前記燃料極層３に到達し、燃料ガスと反応する。
【００３０】
図２に示すように、セパレータ全面に亘って溝部９を均等に設けることにより酸化剤ガスが酸化剤極層４の全面に均等に流通するようになり、電極反応による濃度分極を低く抑えて高い出力を得ることができる。反応後の酸化剤ガスはスタック外に排出され、前記燃料極層３より排出される過剰燃料（未反応ガス）と反応してスタック１の周辺で燃焼し、その際の高温排気ガス（ＣＯ２　）が水蒸気（Ｈ２　Ｏ）と共に函体上部の排気口２２より排気管２４を通して電池外に排出される。尚、この場合も、送風ファン１７の吸引作用により排気能力が強化されている。
【００３１】
このように、送風ファンを用いることにより、外部から燃料電池モジュール内へ供給される酸化剤ガスの流入量を増加でき、且つ、導入された酸化剤ガスを函体内の隅々に満遍なく拡散できるため、酸化剤ガスの有効利用が可能となる。
加えて、セパレータ８に上方に向けた溝部９を複数設けることにより、セパレータ８の下方から導入される酸化剤ガスが各発電セル５の面を満遍なく、且つ容易に通過できるようになり、よって、酸化剤ガスの利用率を増大させて発電効率を向上させる効果がある。
【００３２】
また、本実施形態では、図１に示すように、上部排気管２４の排気口付近に第１の熱交換器２５を設け、且つ、下部供給管２３の供給口付近に第２の熱交換器２６を設けており、この第１の熱交換器２５と第２熱交換器２６をダクト２７で接続して第１の熱交換器２５で熱交換された高温排ガスの熱を炭酸塩等の液状の媒体を介して第２の熱交換器２６に伝達し、この第２の熱交換器２６の熱交換作用で供給管２３内を通過する酸化剤ガスを加熱しながら函体内に供給するようになっている。
【００３３】
上記構成のように、排気口２２からの排出される排ガスの熱を利用して燃料電池モジュール内に供給される酸化剤ガスを加熱することにより、酸化剤ガスの自然対流現象が活発となり、且つ、加熱された酸化剤ガスで電極反応も活性化されるため、発電効率を向上できる。尚、各熱交換器における熱交換率を向上するため、供給管２３や排気管２４の内部に多孔質金属等のように通気性に優れ熱保持可能な部材を挿入しておくと良い。
【００３４】
このように、本実施形態の燃料電池用酸化剤ガスの供給機構では、自然対流により外部より酸化剤ガスを燃料電池モジュール内に導入するため、従来、酸化剤ガスの供給用に設置されていたコンプレッサーやブロワ等、反応ガス供給のための高出力の補助動力機器が不要となり、その分、燃料電池の負荷が軽減でき、発電効率を向上することができる。
また、従来の酸化剤ガス分配用のディストリビュータ機構を無くすことができるため、構造も簡略化され安価となる。且つ、本構成では、函体２０の隙間を有効に活用することができるから、燃料電池モジュールの体積を削減でき、燃料電池の小型化が可能となる。
【００３５】
尚、本実施形態では、ジルコニア等の固体酸化物を電解質とする固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）について説明したが、これに限るものではなく、燃料ガスと酸化剤ガスの電極反応で発電するものであれば良く、燐酸を電解質とする燐酸形燃料電池（ＰＡＦＣ）、溶融炭酸塩を電解質とする溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）、或いは、イオン交換膜を電解質とする固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）等にも勿論適用可能である。
【００３６】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に記載の本発明によれば、燃料電池モジュールの下部中央部分に酸化剤ガスの供給口を設けると共に、これと対向する燃料電池モジュールの上部中央部分に反応ガスの排気口を設け、高温雰囲気中の自然対流を利用して供給口より酸化剤ガスを流入し、内部の電池反応により生成された反応ガスを排気口より排出する構成としたので、従来、酸化剤ガスの供給用に使用されていたコンプレッサーやブロワ等の高出力の補助動力機器の設置が不要となり、その分、燃料電池の負荷が軽減でき、発電効率が向上する。
また、従来の酸化剤ガス分配用のディストリビュータ機構を無くすことができるため構造も簡略化され、前記補助動力機器の廃止と共に小型化、低価格化が実現できる。
【００３７】
また、請求項２に記載の本発明によれば、酸化剤ガスの供給口近傍、或いは反応ガスの排気口近傍に送風ファンを設置したので、外部から燃料電池モジュール内へ供給される酸化剤ガスの流入量を増加でき、且つ、導入された酸化剤ガスを函体内に満遍なく拡散できるため、酸化剤ガスが有効利用でき、発電効率が向上する。
【００３８】
また、請求項３に記載の本発明によれば、セパレータの酸化剤極層と接する表面に、積層方向に垂直な溝部を設けたので、セパレータの下方から導入される酸化剤ガスが各発電セルの面を満遍なく容易に通過できるようになり、よって、酸化剤ガスの利用率を増大させて発電効率が向上する。
【００３９】
さらに、請求項４に記載の本発明によれば、排気口付近に第１の熱交換器を設けると共に、酸化剤ガスの供給口付近に第２の熱交換器を設け、第１の熱交換器で熱交換された排ガスの熱を第２熱交換器に伝達し、燃料電池モジュール内に供給される酸化剤ガスを加熱するようにしたので、酸化剤ガスの自然対流現象がより活発となり、且つ、加熱された酸化剤ガスにより電極反応が活性化されるため、発電効率が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃料電池モジュールの内部構造を示す断面図。
【図２】本発明で使用するセパレータの構造を示す断面図。
【図３】従来のスタックの一構成例を示す要部分解断面図。
【符号の説明】
１　スタック
２　電解質層（固体電解質層）
３　燃料極層
４　酸化剤極層（空気極層）
５　発電セル
８　セパレータ
９　溝部
１０　燃料電池モジュール
１７　送風ファン
２０　函体
２１　供給口
２２　排気口
２５　第１の熱交換器
２６　第２の熱交換器
【図１】
2004055196.tif 000003
【図２】
2004055196.tif 000004
【図３】
2004055196.tif 000005