(57)【要約】【課題】燃料電池スタックの積層方向の温度分布を均一化することにより、発電の効率化を図る。【解決手段】発電セル５とセパレータ８を交互に積層して燃料電池スタック１を構成する。各発電セル５には、マニホールド１５、１６より各ガス接続管１３、１４を通して反応用ガスを供給するように構成する。燃料電池スタック１の両端に位置する発電セル５に空気を供給する酸化剤接続管１４の内の少なくとも一方を、前記燃料電池スタック１の周域で迂回させることにより管路を長くし、管内の流通空気を加熱する。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電セルとセパレータを交互に積層して燃料電池スタックを構成すると共に、マニホールドより複数のガス接続管を通して各発電セルに反応用ガスを供給するように構成した燃料電池において、
前記燃料電池スタックの両端に位置する発電セルに空気を供給する酸化剤接続管の内の少なくとも一方を前記燃料電池スタックの周域で迂回させることにより管路を長くしたことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記管路を長くした酸化剤接続管は、前記燃料電池スタックの周囲を取り巻くように配管されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記燃料電池スタックの中段部に対応する酸化剤接続管に冷空気を導入する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。
【請求項４】
前記燃料電池スタックの中段部に対応する酸化剤接続管に冷空気を導入すると共に、前記燃料電池スタックの両端部に対応する酸化剤接続管の内の少なくとも一方に温空気を導入する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。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発電セルとセパレータを交互に積層したスタック構造を有する燃料電池に関し、特に、燃料電池スタックにおける積層方向の温度分布を均一化することにより発電の効率化を図った燃料電池に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
固体酸化物形燃料電池は、第三世代の発電用燃料電池として開発が進んでいる。現在、この固体酸化物形燃料電池は、円筒型、モノリス型、および平板積層型の３種類が提案されており、何れも酸化物イオン伝導体から成る固体電解質を空気極層と燃料極層との間に挟んだ積層構造を有する。この積層体から成る発電セルとセパレータを交互に積層することにより所定出力の燃料電池スタックが構成できる。
【０００３】
発電セルには、空気極側に酸化剤ガスとしての酸素（空気）が、燃料極側に燃料ガス（Ｈ２  、ＣＯ、ＣＨ４  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。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。
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【０００５】
ところで、特に平板積層型の燃料電池スタックでは、発電セルの積層方向において燃料電池スタック両端付近の温度が中段部分に比べて極端に低下するという傾向が見られる（図３参照）。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り上下で挟まれる構造であるため、運転時の発電セルのジュール熱が外に発散し難く、セル内部に蓄積され易くなっており、一方、燃料電池スタック両端部の発電セルはその片面部分が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。温度が低い部分の発電セルは、高温部分の発電セルに比べて電極反応が活発に行われないため、発電性能（電流密度）が低下している。
【０００６】
燃料電池スタックの積層方向における温度分布の均一化を図るための技術として特許文献１が開示されている。
【０００７】
【特許文献１】
特開昭６０−２５４５６８号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
複数の発電セルを直列に接続して構成される燃料電池スタックでは、発電セルの積層方向に上記したような両肩下がりの温度分布が生じていると、燃料電池の発電性能が低温部の発電セルの発電性能で制限されることになり、よって、燃料電池スタック中段部分の発電セルに高い発電性能が得られていても総合的にみると性能向上に与らない全く無意味な発電になってしまう。
【０００９】
そこで、本発明は、燃料電池スタックの積層方向の温度分布を均一化することにより、発電の効率化を図った燃料電池を提供することを目的としている。
【００１０】
【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、発電セルとセパレータを交互に積層して燃料電池スタックを構成すると共に、マニホールドより複数のガス接続管を通して各発電セルに反応用ガスを供給するように構成した燃料電池において、前記燃料電池スタックの両端に位置する発電セルに空気を供給する酸化剤接続管の内の少なくとも一方を前記燃料電池スタックの周域で迂回させることにより管路を長くしたことを特徴としている。
本構成では、酸化剤接続管内の空気が燃料電池スタックの周域を迂回しながら流通する過程で発電セルからの放射熱を受熱し、その際の高温空気が発電セル内に導入されることにより、燃料電池スタックの端部を積極的に昇温することができる。これにより、燃料電池スタックの積層方向の温度分布は均一化され、効率的な発電が可能となる。
【００１１】
また、請求項２に記載の本発明は、請求項１に記載の燃料電池において、前記管路を長くした酸化剤接続管は、前記燃料電池スタックの周囲を取り巻くように配管されていることを特徴としている。
本構成では、発電セルからの放射熱を効率良く受熱できるようになり、燃料電池スタックの温度分布をより効果的に均一化することができる。
【００１２】
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において、前記燃料電池スタックの中段部に対応する酸化剤接続管に冷空気を導入することを特徴としている。
通常、燃料電池においては、反応用ガス（燃料ガス、および酸化剤ガスとしての空気）は発電セルの積層方向に延設した燃料マニホールド、酸化剤マニホールドの各マニホールドを通して各々対応する発電セルに供給されるように構成されている。従って、請求項１、請求項２の奏する作用効果に加え、本構成では燃料電池スタック中段部の発電セルは冷空気により冷却されることになるため、燃料電池スタックの温度分布をより効果的に均一化することができる。
【００１３】
また、請求項４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において、前記燃料電池スタックの中段部に対応する酸化剤接続管に冷空気を導入すると共に、前記燃料電池スタックの両端部に対応する酸化剤接続管の内の少なくとも一方に温空気を導入することを特徴としている。
本構成では、上記請求項３の奏する作用効果に加え、更にスタック両端部の酸化剤接続管には温空気が導入されるため、燃料電池スタック端部の昇温効果が向上し、燃料電池スタックの温度分布をより効果的に均一化することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図１、図２に基づいて本発明の実施形態を説明する。
図１は本発明が適用された固体酸化物形燃料電池の内部概略構成を示し、図２は本発明による酸化剤接続管の接続・配置状態を示している。
【００１５】
図１中、符号１は燃料電池スタックを示し、固体電解質層２の両面に燃料極層３と空気極層（酸化剤極層）４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（酸化剤極集電体）７と、各集電体６、７の外側のセパレータ８を順番に積層した構造を有する。
【００１６】
ここで、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、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４はＬａＭｎＯ３  、ＬａＣｏＯ３  等で構成され、燃料極集電体６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７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８はステンレス等で構成されている。
【００１７】
セパレータ８は、発電セル５間を電気的に接続すると共に、発電セル５に反応ガスを導入する機能を有するもので、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８の燃料極集電体６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に対向する面から吐出させる酸化剤通路１２を有している。但し、燃料電池スタック１両端のセパレータ８（８Ａ、８Ｂ）は、燃料通路１１または酸化剤通路１２の何れか一方を有することから、これらを他のセパレータ８と区別して特に端板８Ａ、端板８Ｂと呼んでいる。本実施形態では、端板８Ａは燃料通路１１のみを有し、端板８Ｂは酸化剤通路１２のみを有する。材料は他のセパレータ８と同様にステンレス等で構成されている。
【００１８】
また  図１に示すように、燃料電池スタック１の側方には、各セパレータ８および端板８Ａの燃料通路１１にステンレス製の燃料接続管１３を通して燃料ガスを供給する燃料マニホールド１５と、各セパレータ８および端板８Ｂの酸化剤通路１２にステンレス製の酸化剤接続管１４を通して酸化剤ガス（空気）を供給する酸化剤マニホールド１６とが、発電セル５の積層方向に延在して設けられている。
【００１９】
これら、燃料電池スタック１や各マニホールド１５、１６を断熱材等の保温用部材を付装した筒状のハウジング（図示せず）内に収納してモジュール化することによって、固体酸化物形燃料電池が構成される。
【００２０】
本実施形態において、固体酸化物形燃料電池は、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、運転時には、燃料通路１１および酸化剤通路１２を通してセパレータ８や端板８Ａ、８Ｂの略中心部から発電セル５に向けて供給される燃料ガスおよび酸化剤ガスを、発電セル５の外周方向に拡散させながら燃料極層３および空気極層４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、発電反応で消費されなかった余剰ガス（排ガス）を発電セル５の外周部から外側に自由に放出するようになっている。
【００２１】
ところで、特に平板積層型の燃料電池スタックでは、発電セルの積層方向において燃料電池スタック両端付近の温度が中段部分に比べて極端に低下するという傾向が見られ、これが電池性能に大きく影響していることは従来技術の欄で述べた通りである。
【００２２】
そこで、本実施形態では、酸化剤マニホールド１６と端板８Ｂを接続する酸化剤接続管１４については、他の酸化剤接続管１４の接続形態のように、酸化剤マニホールド１６と端板８Ｂを最短距離で直線的に接続するのではなく、酸化剤接続管１４を、一旦、端板８Ｂの回りに、燃料電池スタック１の外周部から放出される排ガスの熱（放射熱）を直接受熱可能な所定の距離をおいて１周半程度、螺旋状に周回させた後、その端部を端板８Ｂの酸化剤通路１２に接続するようにした。酸化剤接続管１４を端板８Ｂの回りに周回させる配管構造（蛇管という）とすることにより、配管自体をコンパクトに収めながら酸化剤接続管１４の管路を燃料電池スタック１の周域において長くすることができる。
【００２３】
従って、上記構成では、外部から酸化剤マニホールド１６に供給された空気は、酸化剤マニホールド１６から多数に分岐した各酸化剤接続管１４を通して各セパレータ８に導入されるが、燃料電池スタック１最上端においては、酸化剤接続管１４を通して流通される空気は端板８Ｂの周囲を周回する過程で、燃料電池スタック１外周部からの放射熱を管内において効率的に受熱し、熱交換された高温の空気が端板８Ｂの酸化剤通路１２を通して吐出口２６から吐出すると共に、対面する空気極集電体７内を拡散して発電セル内に導入され、発電セル５を内部から加熱する。
【００２４】
このように、本実施形態では、温度低下の著しい燃料電池スタック１の端部を温空気の導入によって積極的に昇温することができ、これにより、燃料電池スタック１の積層方向の温度分布は均一化され、効率的な発電が可能となる。
【００２５】
因みに、作動温度が７００℃前後の固体酸化物形燃料電池では、酸化剤マニホールド１６に常温（２０℃）の空気を導入した場合、酸化剤マニホールド１６と端板８Ｂを酸化剤接続管１４にて直線的に接続した配管構造では、酸化剤接続管１４を経て端板８Ｂに導入される空気の発電セル５への到達時温度は３００〜４００℃程度であるが、図２のように、酸化剤接続管１４を端板８Ｂの回りに螺旋状に周回させた本実施形態の配管構造では、端板８Ｂに導入される空気の発電セル５への到達時温度を６００〜６５０℃に加熱することができ、その昇温効果は極めて大である。
【００２６】
また、図１に示すように、本実施形態では、空気供給管２７を通して外部から供給される冷却用空気を酸化剤マニホールド１６の長手中央部に供給すると共に、酸化剤マニホールド１６の端部には排ガスの熱を利用した公知の熱交換機構等により予熱された温空気を予熱空気供給管２８を通して導入するように構成されている。
【００２７】
酸化剤マニホールド１６と各セパレータ８、および端板８Ｂは、それぞれ酸化剤接続管１４を介して相互に接続されているため、燃料電池スタック１の中段部に当たる発電セル５には中央部分に配設された酸化剤接続管１４を通して空気供給管２７からの冷空気（常温空気）が故意に暖められることなく、そのまま導入されると共に、燃料電池スタック１端部の端板８Ｂには、この冷空気が酸化剤マニホールド１６の中央部から末端部に流通する過程で排熱と熱交換して暖められた温空気と、予熱空気供給管２８を通して供給される温空気との合流空気が導入されることになる。
【００２８】
このように、本構成では、温度の高い燃料電池スタック中段部のセパレータ８には外部の冷空気が直接導入されて中段部が積極的に冷却されることになり、且つ、供給する空気の量も従来に比べて大幅に減少することができる。因みに、従来では、冷却のために発電反応に必要な空気の約８倍もの多量の空気を必要としていた。
また、温度の低い燃料電池スタック１の端板８Ｂについては、上記した蛇管式の酸化剤接続管による昇温効果と、温空気による昇温効果の相乗効果により、燃料電池スタック１の端部における昇温効果が著しく向上することになり、燃料電池スタック１の積層方向の温度分布はより効果的に均一化することができるようになる。
【００２９】
以上、本実施形態では、本発明による酸化剤接続管構造を燃料電池スタック１上端部の発電セル５に適用した場合について述べたが、燃料電池スタック１下端部の発電セル５にも適用可能であることは勿論である。そもそも、蛇管は構造的に簡単であるため、適用は容易である。
【００３０】
図３は運転時の燃料電池スタック１における積層方向の温度分布を示しており、実線は従来の場合、破線は本発明の構成によるものである。
【００３１】
図３に示すように、従来型では、燃料電池スタック１の積層方向の温度分布が両肩下がりの特性となっているが、本発明のように燃料電池スタックの低温部分（端部）を昇温し、且つ、高温部分（中段部分）を冷却する構成では、高温部と低温部の温度差を極力少なくして積層方向の全域に亘ってほぼ均一な温度分布を得ることができ、これにより、発電の効率化が図れると共に、破線で示すように高温部における発電セルの温度を低減することにより、熱応力による燃料極層３の剥離等、発電セル５の破損が防止でき、燃料電池の耐久性（熱サイクル特性）を向上することができる。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、燃料電池スタック端部における空気供給用の酸化剤接続管を燃料電池スタックの周域において迂回させて管路を長くしたので、外部から供給される空気は管内において燃料電池スタックの周域を流通する過程で発電セルからの排熱を受熱して高温空気となり、この高温空気が発電セル内部に導入されることで燃料電池スタックの端部を積極的に昇温することができる。これにより、燃料電池スタックの積層方向の温度分布は均一化され、効率的な発電が可能となる。
また、酸化剤接続管を燃料電池スタックの回りを取り巻くように配置することにより、管内空気の熱交換効率を向上できる。
【００３３】
また、本発明によれば、燃料電池スタックの中段部に冷空気を供給し、端部に温空気を供給するように構成したので、燃料電池スタックの積層方向の温度分布をより効果的に均一化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明が適用された固体酸化物形燃料電池の内部概略構成を示す断面図。
【図２】本発明が適用された酸化剤接続管の接続・配置状態を示す上面図。
【図３】燃料電池スタックにおける発電セルの積層方向の温度分布を示す図。
【符号の説明】
１  燃料電池スタック
５  発電セル
８  セパレータ
１３、１４  ガス接続管（燃料接続管、酸化剤接続管）
１５、１６  マニホールド（燃料マニホールド、酸化剤マニホールド）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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