(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電セルとセパレータとを交互に積層してなり、かつ発電反応に消費されなかった残余のガスおよび発電反応によって生成されたガスを上記発電セルの外周部からスタック外に放出するシールレス構造の燃料電池スタックと、この燃料電池スタックを収容する筐体と、この筐体の外部から上記燃料電池スタックの内部に燃料ガスと酸化剤ガスとをそれぞれ供給する燃料ガス供給手段および酸化剤ガス供給手段と、上記燃料電池スタックから放出されたガスを上記筐体外に排気する排気手段とを備える固体酸化物型燃料電池において、
上記排気手段として、上記筐体の壁面を貫通して上記筐体内に延び、先端部にガスの取込口を有する排気管を用いてなり、かつ上記排気管は、上記積層方向に異なる複数箇所から上記筐体内のガスを筐体外に排気可能に構成されていることを特徴とする固体酸化物型燃料電池。
【請求項２】
上記排気管は、上記積層方向に異なる複数箇所に上記取込口が配設されていることを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物型燃料電池。
【請求項３】
上記排気管は、上記取込口が上記積層方向に移動自在に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物型燃料電池。
【請求項４】
上記燃料電池スタックの上記積層方向の両端部の少なくとも一方の近傍に、上記取込口が配置されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の固体酸化物型燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ：Solid Oxide Fuel Cell）に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
周知のように、固体酸化物型燃料電池は第三世代の発電用燃料電池として研究開発が進められている。この固体酸化物型燃料電池の構造には、円筒型、モノリス型および平板積層型の３種類が現在のところ提案されているが、これら構造のうち、低温作動型の固体酸化物型燃料電池には、平板積層型の構造が多く採用されている。
【０００３】
この平板積層型の固体酸化物型燃料電池においては、集電体を介して発電セルとセパレータとが交互に積層されて燃料電池スタックが構成され、当該燃料電池スタックが筐体内に収容されている。
発電セルは、酸化物イオン伝導体からなる固体電解質を空気極（カソード）と燃料極（アノード）との間に挟んだ積層構造を有する。この発電セルの空気極側には、酸化剤ガスとしての酸素（空気）が供給される一方、燃料極側には、燃料ガス（Ｈ2  、ＣＨ4  等）が供給されるようになっている。空気極と燃料極は、酸素および燃料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。
【０００４】
一方、セパレータは、発電セル間を電気的に接続する機能と、発電セルに対してガスを供給する機能とを有するもので、筐体外部から導入された燃料ガスを燃料極に対向する面から吐出させる燃料通路と、筐体外部から導入された酸化剤ガスとしての空気を空気極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。このセパレータと発電セルの空気極との間には、Ａｇ基合金等のスポンジ状の多孔質焼結金属板等からなる空気極集電体が配置され、セパレータと発電セルの燃料極との間には、Ｎｉ基合金等のスポンジ状の多孔質焼結金属板等からなる燃料極集電体が配置されている。
【０００５】
上記構成からなる固体酸化物型燃料電池においては、セパレータおよび空気極集電体を介して発電セルの空気極側に供給された酸素が、空気極内の気孔を通って固体電解質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（Ｈ２Ｏ 等）を生じ、燃料極に電子を放出する。この電子を燃料極集電体により取り出すことによって電流が流れ、所定の起電力が得られる。
【０００６】
因みに、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
【０００７】
また、上記電極反応によって生成されたガスは、筐体壁面の上部または下部に形成された排気口から筐体外に排気される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、上記平板積層型の固体酸化物型燃料電池にあっては、上記発電反応に伴い発生するジュール熱の放熱状態等の違いから、発電セルの積層方向に温度差が生じ易く、図６に示すように、燃料電池スタックの中央部の温度が最も高く、上下両端部の温度が低くなるという傾向がある。さらに、上下両端部についても、発電反応によって生成された高温ガスの排気方向によっては温度差が生じてしまう。
【０００９】
一方、上記固体酸化物型燃料電池においては、各発電セルが直列に接続された状態となっているために、一番温度の低い発電セル（すなわち、低電流となる発電セル）によって発電性能が規定されてしまい、上述したように、発電セルの積層方向に温度差が生じると、全体として発電効率が低下してしまうという問題点があった。
【００１０】
そこで、上記問題点を解決するために、例えば、燃料電池スタックの温度を全体的に高くして、相対温度の低いスタック両端部の温度を引き上げることにより、発電性能を向上させるという方法も考えられるが、その方法の場合、相対温度の高いスタック中央部の温度も上昇して、発電反応に適した温度（図６のＴ２）を越えてしまい、却って上記発電効率が低下してしまう虞がある。
【００１１】
他方、上記固体酸化物型燃料電池においては、筐体内に複数の燃料電池スタックを設置する場合もあり、このような場合には、筐体内におけるスタックの位置（他のスタックに対する相対位置）によって、近隣のスタックから受ける熱の影響度合いがそれぞれ異なることから、個々のスタックの積層方向だけでなく、スタック間においても温度条件に差異が生じて、スタック間で発電性能にバラツキが生じる懸念もあった。
【００１２】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたもので、従来のものと比較して、各発電セルの温度の一層の均一化を図ることができ、これにより、全体としての発電効率を向上させることが可能な固体酸化物型燃料電池を提供することを目的とする。さらに、本発明は、筐体内に複数の燃料電池スタックを設置する場合においても、スタック間で温度条件に差異が生じるのを抑制することができる固体酸化物型燃料電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
請求項１に記載の発明は、発電セルとセパレータとを交互に積層してなり、かつ発電反応に消費されなかった残余のガスおよび発電反応によって生成されたガスを上記発電セルの外周部からスタック外に放出するシールレス構造の燃料電池スタックと、この燃料電池スタックを収容する筐体と、この筐体の外部から上記燃料電池スタックの内部に燃料ガスと酸化剤ガスとをそれぞれ供給する燃料ガス供給手段および酸化剤ガス供給手段と、上記燃料電池スタックから放出されたガスを上記筐体外に排気する排気手段とを備える固体酸化物型燃料電池において、上記排気手段として、上記筐体の壁面を貫通して上記筐体内に延び、先端部にガスの取込口を有する排気管を用いてなり、かつ上記排気管は、上記積層方向に異なる複数箇所から上記筐体内のガスを筐体外に排気可能に構成されていることを特徴とするものである。
【００１４】
請求項１に記載の発明によれば、筐体内のガスを排気する排気手段として、筐体の壁面を貫通して筐体内に延び先端部にガスの取込口を有する排気管を用いるようにしたので、筐体内のガスの取込口の位置を筐体の壁面ではなく筐体内の所望位置に設定することが可能となり、その設定を調節することによって、筐体内に所望のガス流を形成することが可能となる。その結果、当該ガス流を利用して、燃料電池スタックの温度分布の均一化を図ることが可能になる。すなわち、従来の固体酸化物型燃料電池においては、筐体の壁面にガスの取込口が形成されていたために、筐体内に形成し得るガス流が限定されてしまい、そのガス流を利用して燃料電池スタックの温度分布の均一化を図ることが困難であったのに対して、請求項１に記載の発明によれば、上述したように、所望のガス流を筐体内に形成することが可能であることから、そのガス流を利用して燃料電池スタックの温度分布の均一化を図ることが可能になる。
同様に、筐体内に複数の燃料電池スタックを設置する場合には、筐体内に所望のガス流を形成することにより、スタック間で温度条件に差異が生じるのを抑制することが可能になる。
【００１６】
具体的に、上記積層方向に異なる複数箇所から筐体内のガスを排気する方法としては、例えば、請求項２に記載の発明のように、上記積層方向に異なる複数箇所に取込口を設ける方法や、請求項３に記載の発明のように、排気管自体を上記積層方向に移動自在とする方法などが挙げられ、前者の方法には、上記積層方向における長さの異なる複数の排気管を用いる方法と、一つの排気管に複数の取込口を設ける方法とが含まれる。
【００１７】
請求項１〜３の何れかに記載の発明によれば、発電セルの積層方向に異なる複数箇所から筐体内のガスを排気するようにしたので、発電セルの積層方向に温度の偏りが生じ難くなり、従来のものと比較して、各発電セルの温度の一層の均一化を図ることができる。その結果、各発電セルの温度を発電反応に最適な温度に設定することが可能となり、燃料電池スタック全体としての発電効率を向上させることが可能となる。すなわち、従来では、各発電セルの温度のバラツキが大きかったために、最も温度の高い発電セルが、発電反応に適した温度範囲の上限を超過しないように、燃料電池スタックの温度を全体的に低くせざるを得なかったが、本発明によれば、各発電セルの温度のバラツキが小さいことから、燃料電池スタックの温度を全体的に高くすることが可能となり、これによって、燃料電池スタック全体としての発電効率を向上させることが可能となる。
【００１８】
請求項４に記載の発明は、請求項１〜３の何れかに記載の固体酸化物型燃料電池において、上記燃料電池スタックの上記積層方向の両端部の少なくとも一方の近傍に、上記取込口が配置されていることを特徴とするものである。
【００１９】
請求項４に記載の発明によれば、燃料電池スタックの積層方向の両端部と中央部との間に温度差が生じるのを抑制することができ、発電セルの積層方向における燃料電池スタック内の温度のバラツキを効果的になくすことができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、各発電セルの温度の一層の均一化を図ることができ、その結果として、各発電セルの温度を発電反応に最適な温度に設定することができるので、全体としての発電効率を大幅に向上させることができる。また、筐体内に複数の燃料電池スタックを設置する場合においても、スタック間で温度条件に差異が生じるのを抑制することができ、スタック間で発電性能にバラツキが生じるのを防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
図１は本発明の一実施形態を示すもので、図中符号１は燃料電池（燃料電池モジュールとも呼ばれる）、２は筐体、３は積層方向を縦にして筐体２内に配置された燃料電池スタックである。この燃料電池スタック３は、図２に示すように、固体電解質層４の両面に燃料極層５及び空気極層（酸化剤極層）６を配した発電セル（発電部）７と、燃料極層５の外側の燃料極集電体８と、空気極層６の外側の空気極集電体（酸化剤極集電体）９と、各集電体８、９の外側のセパレータ（最上層及び最下層のものは端板である）１０とを順番に積層した構造を持つ。
【００２２】
ここで、固体電解質層４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５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６はＬａＭｎＯ3 、ＬａＣｏＯ3 等で構成され、燃料極集電体８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９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１０はステンレス等で構成されている。
【００２３】
また、燃料電池スタック３の側方には、各セパレータ１０の燃料通路１０ａに接続管１１を通して燃料ガスを供給する燃料用マニホールド（図示省略）と、各セパレータ１０の酸化剤通路１０ｂに接続管１２を通して酸化剤ガスとしての空気を供給する酸化剤用マニホールド（図示省略）とが、発電セル７の積層方向に延在して設けられている。燃料用マニホールドには、筐体２の外部から当該燃料用マニホールドに燃料ガスを導入する燃料ガス導入管（燃料ガス供給手段）が接続される一方、酸化剤用マニホールドには、筐体２の外部から当該酸化剤用マニホールドに酸化剤ガスを導入する酸化剤ガス導入管（酸化剤ガス供給手段）が接続され、これら導入管には、燃料ガス流量調整バルブおよび酸化剤ガス流量調整バルブがそれぞれ介装されている。また、酸化剤ガス導入管には、冷却酸化剤ガス（室温の空気）を導入するための冷却管が接続され、この冷却管には、冷却酸化剤ガスの流量を調整するための冷却ガス流量調整バルブが設けられている。
【００２４】
そして、この燃料電池１では、発電セル７の外周部にガス漏れ防止シールを敢えて設けないシールレス構造としたことにより、運転時に、セパレータ１０の略中心部から発電セル７に向けて供給する燃料ガス及び酸化剤ガス（空気）を、発電セル７の外周方向に拡散させながら燃料極層５及び空気極層６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、発電反応に消費されなかった残余のガスや発電反応によって生成されたガスを、発電セル７の外周部からスタック外に放出するようになっている。
【００２５】
また、燃料電池スタック３の周囲には、図１に示すように、筐体２の上壁面２ａを貫通して筐体２内に延びる排気管２０、２１、２２が複数配設されている。これら排気管は、高さ方向（発電セル７の積層方向）における長さがそれぞれ異なり、ここでは、先端部が燃料電池スタック３の下端部近傍にまで至る排気管２０と、上端部近傍にまで至る排気管２１と、中央部近傍にまで至る排気管２２とが、スタック３の周囲にそれぞれ設けられている。各排気管２０、２１、２２の先端部には、筐体内のガスを取り込む取込口２０ａ、２１ａ、２２ａがそれぞれ設けられ、それら取込口２０ａ、２１ａ、２２ａの高さ位置（積層方向における位置）が互いに異なるようになっている。すなわち、本実施形態では、高さ位置の異なる複数箇所に取込口２０ａ、２１ａ、２２ａを設けて、その各々に筐体内のガスが集まるように構成することにより、各取込口近傍の温度を均一化して、燃料電池スタック３の積層方向における温度のバラツキをなくすようにしている。
【００２６】
なお、各排気管２０、２１、２２に取込口を設ける方法としては、図１に示すように、各排気管２０、２１、２２の先端部に一つずつ取込口２０ａ、２１ａ、２２ａを設ける方法の他に、例えば、図３（ａ）に示すように、各排気管２０、２１、２２を途中で複数に分岐させて、各々の先端部に取込口２０ａ、２１ａ、２２ａを設ける方法や、図３（ｂ）に示すように、各排気管２０、２１、２２の先端部に、スタック３の周囲に沿う環状のパイプ２０ｂ、２１ｂ、２２ｂを接続して、当該パイプに複数の取込口２０ａ、２１ａ、２２ａを設ける方法などが挙げられる。図３（ａ）および図３（ｂ）に示す方法によれば、スタック３の周方向に沿って均等に排気を行うことが可能になることから、スタック３の周方向にも温度分布の偏りが生じ難くなる。
【００２７】
また、各排気管２０、２１、２２には、図１に示すように、取込口２０ａ、２１ａ、２２ａより取り込んだガスの排気流量を調整するための排気流量調整バルブ２３、２４、２５が介装され、これら排気流量調整バルブ２３、２４、２５および排気管２０、２１、２２等によって、筐体内のガスを排気する排気手段が構成されている。なお、図１に示すように、筐体壁面の上部と下部とに排気口２６、２７を設けて、それら排気口２６、２７からも筐体内のガスを排気できるように構成してもよい。
【００２８】
さらに、燃料電池スタック３には、発電セル７の積層方向における温度分布を計測するための温度センサ（図示省略）が複数箇所に設置され、それら温度センサの検出信号が、図示省略のコントローラに出力されるようになっている。このコントローラは、上記温度センサからの検出信号に基づいて、各排気流量調整バルブ２３、２４、２５の開度を調整して、各排気管２０、２１、２２から筐体外に排気されるガスの流量を制御するようになっている。
【００２９】
上記構成からなる燃料電池１においては、各バルブ（燃料ガス流量調整バルブ、酸化剤ガス流量調整バルブ、排気流量調整バルブ２３、２４、２５）が開状態のときに、燃料電池スタック３内に燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されて発電反応が行われるとともに、発電反応に消費されなかった残余のガスや発電反応によって生成されたガスが、燃料電池スタック３の外周部から放出された後、各排気管２０、２１、２２を介して筐体外に排気されることとなる。
この際に、筐体内には、各排気管２０、２１、２２の取込口２０ａ、２１ａ、２２ａに向かうガスの流れが形成され、各取込口に集まるガスによって各取込口近傍の温度が均一化される。その結果、燃料電池スタック３の積層方向に温度のバラツキが生じ難くなり、図５に示すように、発電セル７間の温度差が、従来のもの（図６）と比較して大幅に縮小されることとなる。
【００３０】
以上のように、本実施形態の燃料電池１によれば、筐体内のガスを排気する排気手段として、筐体２の壁面を貫通して筐体内に延び先端部にガスの取込口２０ａ、２１ａ、２２ａを有する排気管２０、２１、２２を用いるようにしたので、筐体内のガスの取込口２０ａ、２１ａ、２２ａの位置を筐体２の壁面ではなく筐体内の所望位置に設定することが可能となり、その設定を調節することによって、筐体内に所望のガス流を形成することが可能となる。その結果、当該ガス流を利用して、燃料電池スタック３の温度分布の均一化を図ることが可能になる。
【００３１】
特に、本実施形態では、発電セル７の積層方向に異なる複数箇所から筐体内のガスを排気するようにしたので、発電セル７の積層方向に温度の偏りが生じ難くなり、従来のものと比較して、各発電セル７の温度の一層の均一化を図ることができる。その結果、各発電セル７の温度を発電反応に最適な温度に設定することが可能となり、燃料電池スタック７全体としての発電効率を向上させることが可能となる。
【００３２】
なお、本実施形態においては、積層方向に異なる複数箇所から筐体内のガスを排気する方法として、燃料電池スタック３の周囲に複数の排気管２０、２１、２２を設けて各々の長さを異ならせる方法を採用するようにしたが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、図４に示すように、積層方向に異なる複数箇所に取込口を設ける方法や、例えば、図１の排気管２２や図３（ｂ）の排気管のように、排気管自体を積層方向に移動自在に構成して、その移動に伴い取込口の積層方向における位置を変化させる方法などを採用することも可能である。また、排気管自体を積層方向に移動させる方法の場合には、駆動手段として、モータ等の電気的駆動装置を用いることが可能であり、その場合、温度センサからの検出信号等に基づいてコントローラが上記電気的駆動装置を制御する構成とすることも可能である。
【００３３】
また、本実施形態においては、筐体２内に燃料電池スタック３を一つ設ける場合について説明したが、複数設ける場合に本発明を適用することも可能である。筐体２内に複数の燃料電池スタック３を設ける場合には、積層方向（鉛直方向）だけでなく、水平面内における位置が異なる複数箇所に、筐体内のガスを取り込む取込口を設けることによって、各スタック３の温度分布が均一化するような高温ガスの流れを筐体２内に形成し、これによって、スタック間で温度条件に差異が生じるのを抑制することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明に係る固体酸化物型燃料電池の一実施形態を示す概略構成図である。
【図２】図１の燃料電池スタックの概略構成を示す断面図である。
【図３】図１の排気管の変形例を示す図である。
【図４】図１の排気管の変形例を示す図である。
【図５】図１の燃料電池スタックの温度分布を示すグラフである。
【図６】従来の固体酸化物型燃料電池に備わる燃料電池スタックの温度分布を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３５】
１      固体酸化物型燃料電池
２      筐体
３      燃料電池スタック
７      発電セル
１０    セパレータ
２０、２１、２２  排気管（排気手段）
２０ａ、２１ａ、２２ａ  取込口
【図１】
0004815737.tif 000002
【図２】
0004815737.tif 000003
【図３】
0004815737.tif 000004
【図４】
0004815737.tif 000005
【図５】
0004815737.tif 000006
【図６】
0004815737.tif 000007