(57)【要約】【課題】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。【解決手段】発電セル７とセパレータ１０を交互に積層して燃料電池スタック３を構成する。前記燃料電池スタック３の中段部より冷空気を供給すると共に、前記燃料電池スタック３の両端部より温空気を供給する。これにより、温度の高い燃料電池スタック中段部の発電セル７は冷空気により冷却され、温度の低いスタック両端部の発電セル７は温空気により昇温されるため、燃料電池スタック３の積層方向の温度分布は均一化され、発電の効率化が図れる。【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し、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中段部より冷空気を供給することを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
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し、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中段部より冷空気を供給すると共に、前記燃料電池スタックの両端部より温空気を供給することを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
前記燃料電池スタックの端部に当該燃料電池スタックからの排ガスを流通させることを特徴とする請求項１または請求項２のい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構造を有する燃料電池に関し、特に、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。
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】
ところで、特に平板積層型の燃料電池スタックでは、その積層方向の温度分布をみると、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熱体（発電セル）が別の発熱体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、一方、燃料電池スタック両端部の発電セルは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、燃料電池スタック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、燃料電池全体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し、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中段部より冷空気を供給することを特徴としている。
【００１１】
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各マニホールドを介して各発電セルに供給されるように構成されている。従って、上記構成では、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と共に、スタック両端部の発電セルは冷空気がマニホールドの中央から端部に流通する過程で暖められた温空気により暖められる。その結果、燃料電池スタックにおける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。
【００１２】
また、請求項２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し、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中段部より冷空気を供給すると共に、前記燃料電池スタックの両端部より温空気を供給することを特徴としている。
【００１３】
本構成では、上記請求項１の作用効果に加え、更にマニホールドの両端部より予熱した温空気が導入されるため、スタック両端部の昇温効果が向上し、燃料電池スタックの温度分布はより一層均一化できる。
【００１４】
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端部に当該燃料電池スタックからの排ガスを流通させることを特徴としている。
【００１５】
上記構成では、請求項１および請求項２の作用効果に加え、燃料電池スタックの端部が高温の排ガスにより外側から加熱されることになるため、スタック両端部の昇温効果は更に向上する。
【００１６】
【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は燃料電池スタックの要部概略構成を示している。
【００１７】
図１において、符号１は固体酸化物形燃料電池、符号２は内壁に断熱材２１を層状に付装した円筒状のハウジング、符号３は積層方向を縦にしてハウジング２内の中央に配置された円筒状の燃料電池スタックである。図２に示すように、この燃料電池スタック３は、固体電解質層４の両面に燃料極層５および空気極層（酸化剤極層）６を配した発電セル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１０を順番に積層した構造を有する。
【００１８】
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。
【００１９】
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２６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１３と、各セパレータ１０の酸化剤通路２５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１４とが、発電セル７の積層方向に延在して設けられている。
【００２０】
また、マニホールド１３、１４の外周側には、燃料ガス予熱管１５および酸化剤ガス予熱管１６が一定の間隔で螺旋状に配設されている。これら予熱管１５、１６は、ハウジング２の内部に収容されており、ハウジング２内の各予熱管１５、１６に対して外部の燃料ガス供給管１７、酸化剤ガス供給管１８がそれぞれ接続されている。
【００２１】
また、この固体酸化物形燃料電池１は、発電セル７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、図２に示すように、燃料通路２６および酸化剤通路２５を通してセパレータ１０の略中心部から発電セル７に向けて供給される燃料ガスおよび酸化剤ガス（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および空気極層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、発電反応で消費されなかった残余のガスを発電セル７の外周部から外側に自由に放出するようになっている。
【００２２】
ところで、本実施形態では、酸化剤ガス供給管１８は、ハウジング内において酸化剤ガス予熱管１６に接続され、その下流側の端部が酸化剤用マニホールド１４の両端に接続されており、且つ、酸化剤用マニホールド１４の長手中央部には外部からの冷却用空気配管２２が接続されている。
【００２３】
本構成では、運転時、一方では、外部からの冷空気が冷却用空気配管２２を通して直接酸化剤用マニホールド１４の長手中央部に導入される。既述したように、酸化剤用マニホールド１４と各発電セル７とは複数の接続管１２を介して個々に接続される構造であるから、燃料電池スタック３の中段部に当たる発電セル７には中央部分の接続管１２を通して冷空気が導入されると共に、スタック両端部の発電セル７には冷空気が酸化剤用マニホールド１４の中央部から末端部に流通する過程で（図１中の矢印参照）排熱と熱交換して暖められた温空気が導入される。
更に、これと併行して、酸化剤ガス供給管１８より供給された冷空気が酸化剤ガス予熱管１６を通して断熱材２１の層内を周回する過程で予熱され、温空気となって酸化剤用マニホールド１４の両端部に導入されているため、燃料電池スタック両端部の昇温効果はより高められている。
【００２４】
このように、燃料電池の運転時、温度の高い燃料電池スタック３の中段部は外部の冷空気により冷却され、温度の低い燃料電池スタック３の両端部は排ガスと熱交換した温空気により昇温される。その結果、燃料電池スタック３における積層方向の温度分布は均一化される。
【００２５】
また、本実施形態では、燃料電池スタック３の両端部の昇温効果を更に高めるため、例えば、図１に示すように、温度の低い燃料電池スタック３の上下端部に対応するハウジング２の部位に排気口１９ａ、１９ｂを設け、発電反応室２０内に放出された高温排ガスが矢印で示すように燃料電池スタック３の端部をなめるように流通してハウジング２の外に排出されるように構成した。
これにより、燃料電池スタック３の両端部が近傍を流通する高温の排ガスにより外側から加熱されることになり、よって、燃料電池スタックの積層方向の温度分布は、より一層均一化されることになる。
【００２６】
図３は運転時の燃料電池スタック３における積層方向の温度分布を示しており、実線は酸化剤用マニホールド１４の長手中央部より酸化剤ガス予熱管１６からの温空気を供給した場合（従来型）、破線は図１に示した本発明の構成によるものである。
図３に示すように、従来型の場合は燃料電池スタック３の積層方向の温度分布が両肩下がりの特性となるが、本発明のように燃料電池スタックの高温部分を冷却し、低温部分を昇温することにより、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。加えて、破線のように高温部の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の剥離等、発電セル７の破損が防止でき、燃料電池の耐久性（熱サイクル特性）が向上する。
【００２７】
以上、本実施形態では、各マニホールド１３、１４を燃料電池スタック３の側方に延設した構造のものについて述べたが、各マニホールド１３、１４を燃料電池スタック３の内部において積層方向に設けた構造のものについても適用できることは勿論である。
また、冷空気の予熱手段として、螺旋状の予熱管を用いたが、高温排ガスを利用した他の公知の熱交換機構を採用することもできる。
【００２８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、燃料電池スタックの中段部に冷空気が供給され両端部に温空気が供給され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均一化でき、これにより効率的な発電が可能となる。
【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】燃料電池スタックの要部概略構成図で、運転時のガスの流れを示す。
【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（固体酸化物形燃料電池）
３  燃料電池スタック
７  発電セル
１０  セパレータ
【図１】
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【図２】
2005005074.tif 000004
【図３】
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