(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電池セルを中心軸方向に積層して構成され、中心部を支持体で下方から支持されることによりスタック容器内に収容されると共に、その下側の支持体が燃料ガス及び酸化ガスの供給手段を兼ねたセルスタックを具備しており、セルスタックから外周側へ排出される高温の排ガスがスタック容器の外へ排出される際に、その排ガスがセルスタックの支持側の中心部近傍まで回り込むように、前記排ガスの排出孔をスタック容器の支持体側で且つセルスタック外周縁より内側の中心部近傍に設けたことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記排出孔は、セルスタックの半径を１として、セルスタック外周縁からの距離が０．２の位置より内側に設けられている請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記支持体は、前記セルスタックにおける電池反応領域より内側を支持する請求項１又は２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記排出孔は、スタック容器の支持体側の端板に、支持体の直近で該支持体を取り囲むように複数設けられている請求項１〜３の何れかに記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素リッチの燃料ガスと酸化ガスとを反応させて発電を行なう燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
代表的な燃料電池の一つとして、固体酸化物型燃料電池〔ＳＯＦＣ（Solid Oxide Fuel Cells）〕がある。この燃料電池では、イットリア安定化ジルコニアなどからなる薄く脆い円形の固体電解質板の一方の表面にアノード電極層を形成し、他方の表面にカソード電極層を形成した円板状の電極付き固体電解質が、電池セルとして使用される。
【０００３】
通常この電池セルは、複数枚を中心軸方向に積層して構成されたセルスタックとして使用される。より具体的には、電池セルを間に挟み、セルの両面側に反応空間が形成されるように、円板状のインターコネクタを板厚方向へ積層することにより、円柱形状のセルスタックに構成され、使用される。
【０００４】
運転では、セルスタックの中心部に水素リッチの燃料ガスと空気などの酸化ガスが供給される。セルスタック内に供給された燃料ガスは、電池セルの一面側に形成されたアノード側の反応空間を内周部から外周部へ流通する。また、酸化ガスは電池セルの他面側に形成されたカソード側の反応空間を内周部から外周部へ流通する。これより発電が行なわれる。
【０００５】
このような燃料電池では、発電に伴ってセルスタックから外周側へ高温の燃焼ガスが排出される。未反応の燃料ガスを回収する場合があり、その場合は高温の酸化ガスがセルスタックから外周側へ排出される。このため、セルスタックは、耐熱金属からなる円筒形状のスタック容器内に収容され、その容器内を介して高温の排ガスを外部へ排出する（特許文献１参照）。
【０００６】
【特許文献１】ＥＰ１３４７５２９Ａ２明細書
【０００７】
セルスタックをスタック容器内に支持する形態としては、セルスタックの中心部を下方から支持体で支持するのが一般的であり、更に、この支持体が、セルスタック内へ燃料ガス及び酸化ガスを供給するガス供給手段を兼ねるのが構成の簡略化の点から好ましい。
【０００８】
このようなセルスタックの支持構造によると、セルスタックの保有熱が下方の支持体を介して外部へ逸散する。支持体がガス供給手段を兼ねる場合は、支持体の温度が低温に保たれることから、支持体を介した下方への奪熱が一層促進される。その結果、セルスタックにおける積層セルの軸方向の温度分布は下側のセルほど温度が下がる傾向となる。
【０００９】
ここで、セルスタックにおける複数の電池セルは、電気的にも直列に接続されている。図７は電池セルの発電特性を、運転温度が８５０℃、８００℃、７５０℃、７００℃の４種類について示したグラフである。電池セルは、電流が増加するにつれて電圧が低下する特性を示し、電池セルの運転温度が低下するほど電圧の低下が顕著となる。その結果、運転ポイントである電流１００％で比較すると、運転温度が８００℃から７５０℃に５０℃低下した場合は電圧が０．７５Ｖから０．６Ｖへ約２０％低下し、運転温度が７５０℃から７００℃に５０℃低下した場合は電圧が０．６Ｖから０．４Ｖへ３０％以上低下する。このようにセル温度が低下するほど電圧低下が顕著とるなる結果、支持体を介した抜熱による下部セルの温度低下が、セルスタックの発電効率低下に大きな影響を与えることになる。
【００１０】
（削除）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明の目的は、支持体を介した奪熱による発電効率の低下を効果的に回避できる燃料電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するために、本発明の燃料電池は、電池セルを中心軸方向に積層して構成され、中心部を支持体で下方から支持されることによりスタック容器内に収容されると共に、その下側の支持体が燃料ガス及び酸化ガスの供給手段を兼ねたセルスタックを具備しており、セルスタックから外周側へ排出される高温の排ガスがスタック容器の外へ排出される際に、その排ガスがセルスタックの支持側の中心部近傍まで回り込むように、前記排ガスの排出孔をスタック容器の支持体側で且つセルスタック外周縁より内側の中心部近傍に設けたものである。排出孔の位置は、具体的には、セルスタックの半径を１として、セルスタック外周縁からの距離が０．２の位置より内側が好ましく、０．３の位置より内側が更に好ましい。
【００１３】
本発明の燃料電池においては、セルスタックから外周側へ排出される排ガスの排出孔の位置に工夫を講じることにより、その排ガスがセルスタックの支持側である下側の中心部近傍まで回り込む。これにより、支持体を介した奪熱が進む下側の電池セルが、高温の排ガスにて強制的に加熱され、昇温することにより、積層方向でのセル温度分布が均一化され、支持体側である下側の電池セルでの電圧低下が阻止される。
【００１４】
前記支持体は、前記セルスタックにおける電池反応領域より出来るだけ内側を支持する構成が好ましい。これにより支持体側の電池セルの電池反応領域を高温の排ガスにより、より効果的に加熱することができる。
【００１５】
前記排出孔は、スタック容器の端板に支持体の直近で該支持体を取り囲むように複数設けるのが好ましい。これにより、支持体側の電池セルの電池反応領域を、高温の排ガスにより、より効果的に加熱することができる。
【００１６】
本発明の燃料電池においては、前記支持体は、前記セルスタックへ燃料ガス及び酸化ガスを供給するガス供給手段を兼ねるので、構成の簡略化が図られる。このような構成を採用すると、支持体の温度が低くなり、支持体を介した奪熱が進むが、その場合にあっても、高温の排ガスによる加熱により発電効率の低下を効果的に回避することができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の燃料電池は、セルスタックから外周側へ排出される排ガスの排出孔の位置に工夫を講じることにより、セルスタックへの燃料ガス及び酸化ガスの供給手段を兼ねる下側の支持体を介した奪熱が進む支持体側の電池セル、すなわち下側の電池セルを、高温の排ガスにより強制的に加熱し、支持体を介した奪熱による発電効率の低下を効果的に回避することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下に本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明の一実施形態を示す燃料電池の縦断面図、図２は同燃料電池を構成するセルスタックの構成図、図３は同セルスタックを構成する電池セルの２面図、図４は同セルスタックを構成するインターコネクタの２面図である。
【００１９】
本実施形態の燃料電池は、図１に示すように、円柱形状のセルスタック１０と、これを収容する円筒形状のスタック容器２０とを備えている。スタック容器２０は上面が閉塞さた容器本体２１と、その下面開口部を閉塞する底板２２とからなり、底板２２は、セルスタック１０の支持部材を兼ねている。
【００２０】
セルスタック１０は、図２に示すように、所定枚数の円板状のインターコネクタ１１，１１・・を、隣接するインターコネクタ間に円板状の電池セル１２を間に挟みながら軸方向に積層することにより構成されている。この積層体は、上側の端板１３と下側の端板１４との間に挟持されている。なお、後で説明するが、下側の端板１４は、スタック容器２０の底板２２に一体的に形成されている。
【００２１】
スタック容器２０の底板２２は、スタック容器２０の容器本体２１の下面開口部を塞ぐ環状の本体２２ａと、本体２２ａの内周縁部から上方へ立ち上がった円筒形状の支持体２２ｂとを有している。本体２２ａ及び支持体２２ｂの内側は、セルスタック１０に酸化ガスとしての空気を供給するガス流路２２ｃである。支持体２２ｂの内部には、セルスタック１０に燃料ガスを供給するための環状のガス流路２２ｄが形成されている。
【００２２】
支持体２２ｃの上端側には、セルスタック１０の端板１４が一体的に形成されている。端板１４の中心部には、ガス流路２２ｃに連通する空気供給孔１５が設けられると共に、ガス流路２２ｄに連通する複数の燃料供給孔１６，１６が、空気供給孔１５を取り囲むように設けられている。そして底板２２の本体２２ａには、セルスタック１０から外周側へ排出される高温の排ガスを容器外へ排出するために、複数のガス排出孔２２ｅ，２２ｅが支持体２２ｂの直近でこれを包囲するように設けられている。
【００２３】
ここで重要なのは、支持体２２ｂの外径が端板１４の外径より十分に小さく設計されていることである。ちなみに、端板１４の外径はセルスタック１０の外径と同一である。より具体的には、セルスタック１０では、内周部に燃料ガス及び空気が供給され、外周部が電池反応領域となるが、その電池反応領域よりも支持体２２ｂが内側に位置するように、支持体２２ｂの外径は設定されているのである。そして、この支持体２２ｂの直近でこれを包囲するように複数のガス排出孔２２ｅ，２２ｅが設けられているのである。
【００２４】
次に、セルスタック１０の内部構造を図２〜図４により説明する。
【００２５】
前述したとおり、セルスタック１０では、所定枚数の円板状のインターコネクタ１１，１１・・が、隣接するインターコネクタ間に円板状の電池セル１２を間に挟みながら軸方向に積層されている（図２参照）。電池セル１２は、図３に示すように、イットリア安定化ジルコニアなどからなる薄く脆い円形の固体電解質板１２ａの一方の表面にアノード電極層１２ｂを形成し、他方の表面にカソード電極層１２ｃを形成した薄い円板である。電池セル１２の中心部には、空気を流通させる比較的大径の第１ガス孔１２ｄが設けられると共に、燃料ガスを流通させる複数の比較的小径の第２ガス孔１２ｅ，１２ｅ・・が第１ガス孔１２ｄを取り囲むように設けられている。
【００２６】
インターコネクタ１１は、図４に示すように、電池セル１２と同じ外径の円板であり、ステンレス鋼などの耐熱金属からなる。インターコネクタ１１の中心部には、空気を流通させる第１ガス孔１１ａが電池セル１２の第１ガス孔１２ｄに対応して設けられている。第１ガス孔１１ａは電池セル１２の第１ガス孔１２ｄより小径であり、第１ガス孔１１ａの外周側には複数の支持棒貫通孔１１ｂ，１２ｂが、大径の第１ガス孔１２ｄに内接するか、これより内側に位置するように設けられている。支持棒貫通孔１１ｂ，１２ｂの更に外周側には、燃料ガスを流通させる複数の第２ガス孔１１ｃ，１１ｃ・・が、電池セル１２の第２ガス孔１２ｅ，１２ｅ・・に対応するように設けられている。第２ガス孔１１ｃ，１１ｃ・・の内径は電池セル１２の第２ガス孔１２ｅ，１２ｅ・・の内径と同じである。
【００２７】
インターコネクタ１１のカソード側の表面（電池セル１２のカソード電極層１２ａに対向する表面）は、図４（Ａ）に示されている。この表面には、第２ガス孔１１ｃ，１１ｃ・・を流通する燃料ガスの流入を阻止するために、第２ガス孔１１ｃ，１１ｃ・・を各包囲する複数の環状凸部１１ｄ，１１ｄ・・がスペーサーを兼ねて設けられている。また、環状凸部１１ｄ，１１ｄ・・より外周側には、多数の小径突起１１ｅ，１１ｅ・・がスペーサーとして設けられている。
【００２８】
一方、インターコネクタ１１のアノード側の表面（電池セル１２のアノード電極層１２ｂに対向する表面）は、図４（Ｂ）に示されている。この表面には、第１ガス孔１１ａを流通する空気の流入を阻止するために、第１ガス孔１１ａを包囲する環状凸部１１ｆがスペーサーを兼ねて設けられている。環状凸部１１ｆは第２ガス孔１１ｃ，１１ｃ・・の直近まで設けられており、その更に外周側には、各第２ガス孔１１ｃから流出する燃料ガスを蛇行させながら外周側へ導くために、半径方向の直線状リブ１１ｇと周方向の円弧状リブ１１ｈとがスペーサーを兼ねて複合的に設けられている。
【００２９】
このようなセルスタック１０は、位置決め用の支持棒を用いながら、所定枚数の円板状のインターコネクタ１１，１１・・を、隣接するインターコネクタ間に円板状の電池セル１２を間に挟みながら軸方向に積層し、上下の端板１３，１４間に挟持することにより組み立てられる。
【００３０】
即ち、セルスタック１０の組み立てにおいては、セラミックからなる複数本（ここでは２本）の支持棒１９，１９をインターコネクタ１１の支持棒貫通孔１１ｂ，１２ｂを刺し通すことにより、インターコネクタ１１，１１・・間の位置決めを行う。同時に、別の複数本（通常は２〜３本）の支持棒をインターコネクタ１０の第２ガス孔１１ｃ，１１ｃ・・及び電池セル１２の第２ガス孔１２ｅ，１２ｅ・・に選択的に刺し通し、インターコネクタ１１，１１・・と電池セル１２，１２・・との間の位置決めを行う。インターコネクタ１１，１１・・及び電池セル１２，１２・・の積層を終えた後は、前者の支持棒１９，１９を残し、後者の支持棒を抜いてから、積層体を積層方向に締め付ける。
【００３１】
前者の支持棒１９，１９を積層体内に残すことにより、インターコネクタ１１，１１・・間の位置ずれが防止される。支持棒１９，１９は電池セル１２，１２・・に対してはこれらに内接するかその内側に位置し、電池セル１２，１２・・の位置決めには直接寄与しない。しかし、積層方向の締め付けにより、インターコネクタ１１，１１・・及び電池セル１２，１２・・が圧接されるため、インターコネクタ１１，１１・・が位置ずれしなければ、電池セル１２，１２・・も位置ずれしない。このため、インターコネクタ１１，１１・・に対する支持棒１９，１９のみで両者の位置ずれが防止される。
【００３２】
即ち、電池セル１２，１２・・に支持棒を差し通さずとも、その位置決めが行われる。換言すれば、電池セル１２に専用の支持棒貫通孔を設けずとも、組み立て時に電池セル１２の第２ガス孔１２ｅ，１２ｅ・・を支持棒貫通孔として利用すれば、電池セル１２はインターコネクタ１１と共に固定されるのである。電池セル１２に支持棒貫通孔を形成しない利点を以下のとおりである。
【００３３】
電池セル１２は、金属板からなるインターコネクタと異なり、セラミックスの焼きっぱなしであるため、支持棒貫通孔を設けも、高い位置精度を確保することが難しく、必ずしも高い位置決め精度を確保できるとは限らない。また、電池セル１２の支持棒貫通孔に支持棒を残した場合、熱膨張差で電池セル１２が破損する危険がある。これに加え、電池セル１２の第１ガス孔１２ｄと第２ガス孔１２ｅ，１２ｅ・・との間に支持棒貫通孔を形成するとなると、第１ガス孔１２ｄを小さくする必要があり、その分、電池セル１２の面積が小さくなり、材料コストが増大する。支持棒貫通孔を省略し、第１ガス孔１２ｄを大きくすることにより、材料コストを節減できるのである。
【００３４】
組み立てを終えたセルスタック１０は、スタック容器２０内にセットされ、燃料電池として完成される。完成された燃料電池では、本体２２ａ及び支持体２２ｂの内側に形成されたガス流路２２ｃからセルスタック１０の中心部に空気が供給される。また、支持体２２ｂの内部に形成された環状のガス流路２２ｄからセルスタック１０の中心部に燃料ガスが供給される。
【００３５】
セルスタック１０の中心部に供給された空気は、インターコネクタ１１の第１ガス孔１１ａ及び電池セル１２の第１ガス孔１２ｄが軸方向に連続して形成されたガス流路を上昇し、電池セル１０とそのカソード側に配置されたインターコネクタ１１との間の空間を外周側へ放射状に流通する（図４（Ａ）参照）。また、セルスタック１０の中心部に供給された燃料ガスは、インターコネクタ１１の第２ガス孔１１ｃ，１１ｃ・・及び電池セル１２の第２ガス孔１２ｅ，１２ｅ・・が軸方向に連続して形成された複数のガス流路を上昇し、電池セル１０とそのアノード側に配置されたインターコネクタ１１との間の空間を外周側へ放射状に流通する（図４（Ｂ）参照）。
【００３６】
このように、電池セル１２を挟んで燃料ガス及び空気が中心部から外周部へ流通することにより、発電が行われる。燃料ガス及び空気は最終的に燃焼反応を起こし、高温の燃焼ガスとなってセルスタック１０の外周側へ排出される。未反応の燃料ガスを回収する場合は、高温の空気スがセルスタックから外周側へ排出される。排出された高温の排ガスは、底板２２の本体２２ａに設けられた複数のガス排出孔２２ｅ，２２ｅからスタック容器２０の外に排出される。
【００３７】
ここで、排ガスを容器外へ排出する複数のガス排出孔２２ｅ，２２ｅは、底板２２の本体２２ａに、支持体２２ｂの直近でこれを包囲するように設けられている。また、支持体２２ｂは、セルスタック１０の中心部より外側の外周部に形成される電池反応領域の内側に位置している。この結果、セルスタック１０から排出された高温の排ガスは、スタック容器２０内を下降し、セルスタック１０における電池反応領域の下側に周り込んでからスタック容器２０の外に排出される。
【００３８】
これにより、セルスタック１０、特にその電池反応領域が高温の排ガスにより下方から効率よく加熱される。また、セルスタック１０を支持する支持体２２ｂも、下側の端板１４などと共に加熱される。その結果、セルスタック１０を支持する支持体２２ｂを介したセルスタック１０からの抜熱が阻止され、セルスタック１０において積層された電池セル１２，１２・・の温度、特に電池反応領域における温度が積層方向で均一化される。よって、セルスタック１０の発電効率が上がる。
【００３９】
本実施形態の効果を確認するために、セルスタック１０から排出される排ガスのガス排出孔を変更した。第１の変更例では、図５（ａ）に示すように、底板２２の本体２２ａの外周部、より具体的にはセルスタック１０よりも外周側に位置するところに、複数のガス排出孔２２ｅ，２２ｅ・・を設けた。第２の変更例では、スタック容器２０の本体２１の天板部、即ち反支持体側の容器端板にガス排出孔２１ａを設けた。それぞれの場合について、電池セル１２，１２・・の積層方向における温度分布、より詳しくは電池反応領域の径方向中間点における温度分布を図６に示す。
【００４０】
図５（ａ）のガス排出構造の場合、セルスタック１０から排出される高温の排ガスは、スタック容器２０内を下降するものの、セルスタック１０の下側に周り込まないために、セルスタック１０の下部でセル温度が７５０℃を下回る。図５（ｂ）のガス排出構造の場合は、セルスタック１０から排出される高温の排ガスがスタック容器２０内を上昇するために、セルスタック１０の上部では８００℃を超える高温になるが、下部では７００℃近くまで温度が下がる。これらに対し、図１に示した実施形態の燃料電池の場合は、図５（ｂ）の場合ほど上部での温度が上がらないものの、下部でも温度が殆ど下がらず、積層方向全体で７７０℃以上の温度が維持される。温度低下の少ないことが温度上昇よりも顕著に発電効率上昇に影響することは前述したとおりである（図７参照）。
【００４１】
したがって、本実施形態の燃料電池では、インターコネクタ１０を支持する支持体２２ｂを介した抜熱を、高温の排ガスを利用して阻止することにより、高い発電効率が確保されることになる。
【００４２】
セルスタック１０における電池反応領域は、通常その半径を１とし外周縁からの距離で表して０の位置、すなわち外周縁から０．２〜０．９８の位置までの範囲である。ガス排出孔２２ｅ，２２ｅ・・は、セルスタック１０の外周縁からの距離で表して０．２〜０．９０の範囲内に形成するのが好ましく、０．３〜０．８の範囲内が特に好ましい。ガス排出孔２２ｅ，２２ｅ・・が過度に外周側へ寄ると、電池反応領域を内周部まで十分に加熱できず、加熱による効果が減少する。ガス排出孔２２ｅ，２２ｅ・・が過度に内周側に寄ると、その内側に位置する支持体２２ｂが細くなり過ぎ、機械的強度やこれを利用したガス供給に支障を生じるおそれがある。
【００４３】
ちなみに支持体２２ｂの外径は、セルスタック１０の外径の０．２〜０．７倍が好ましい。支持体２２ｂが太くなると、ガス排出孔２２ｅ，２２ｅ・・が外周側へ寄り、セルスタック１０を下から加熱する効率が低下する。支持体２２ｂが細くなると、支持体２２ｂの機械的強度やこれを利用したガス供給に支障を生じる。
【００４４】
（削除）
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の一実施形態を示す燃料電池の縦断面図である。
【図２】同燃料電池を構成するセルスタックの構成図である。
【図３】同セルスタックを構成する電池セルの２面図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。
【図４】同セルスタックを構成するインターコネクタの２面図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は底面図である。
【図５】（ａ）及び（ｂ）は比較例を示す燃料電池の縦断面図である。
【図６】電池セルの積層方向における温度分布を本発明の実施例及び比較例について示すグラフである。
【図７】セル温度が発電効率に及ぼす影響を示すグラフである。
【符号の説明】
【００４６】
１０  セルスタック
１１  インターコネクタ
１１ａ  第１ガス孔
１１ｂ  支持棒貫通孔
１１ｃ  第２ガス孔
１２  電池セル
１２ｄ  第１ガス孔
１２ｅ  第２ガス孔
１３，１４  端板
１５  空気供給孔
１６  燃料供給孔
１９  支持棒
２０  スタック容器
２１  容器本体
２２  底板
２２ａ  本体
２２ｂ  支持体
２２ｃ，２２ｄ  ガス流路
２２ｅ  ガス排出孔
【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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