(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できる燃料電池のマニホールド構造を提供する。【解決手段】  固体電解質層の両面に電極層を配して構成した発電セル５と内部に反応用ガスの通路９、１０を有するセパレータ８を交互に複数積層して燃料電池スタック１を構成すると共に、前記セパレータ８を厚さ方向に貫通して積層方向に延設する反応用ガス導入用のマニホールド１７、１８を備え、当該マニホールド１７、１８が連通する前記セパレータ８のガス通路９、１０を通して各電極層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、前記マニホールド１７、１８の内部に所定のセパレータ８に連通するガス導入パイプ３１〜３５を配設した。【選択図】    図１            
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体電解質層の両面に電極層を配して構成した発電セルと内部に反応用ガスの通路を有するセパレータを交互に複数積層して燃料電池スタックを構成すると共に、前記セパレータを厚さ方向に貫通して積層方向に延設する反応用ガス導入用のマニホールドを備え、当該マニホールドが連通する前記セパレータのガス通路を通して各電極層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、
前記マニホールドの内部に所定のセパレータに連通するガス導入パイプを配設したことを特徴とする燃料電池のマニホールド構造。
【請求項２】
酸化剤ガス用マニホールドにおいては、前記燃料電池スタックの中段部のセパレータに連通するガス導入パイプを配設し、当該ガス導入パイプに冷空気を導入することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池のマニホールド機構。
【請求項３】
酸化剤ガス用マニホールドにおいては、前記燃料電池スタックの端部のセパレータに連通するガス導入パイプを配設し、当該ガス導入パイプ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のマニホールド構造。
【請求項４】
燃料ガス用マニホールドにおいては、前記燃料電池スタックの端部のセパレータに連通するガス導入パイプを配設し、当該セパレータへの燃料ガス供給量を他のセパレータより多くした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のマニホールド構造。
【請求項５】
前記ガス導入パイプに、反応用ガスの流量を調整するためのガス流量調整機構を設けたことを特徴とする請求項１から請求項４までの何れかに記載の燃料電池のマニホールド構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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のマニホールド構造に関し、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のに好ましいマニホールド構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）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、及び平板積層型の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両側から空気極（カソード）と燃料極（アノード）で挟み込んだ積層構造を有する。この積層体から成る発電セルを、間に燃料極集電体と空気極集電体を介在してセパレータと交互に複数積層することにより、燃料電池スタックが構成される。
【０００３】
一例として、前記固体電解質層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、前記燃料極層は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、前記空気極層はＬａＭｎＯ3 、ＬａＣｏＯ3 等で構成され、前記燃料極集電体は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、前記空気極集電体は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、前記セパレータはステンレス等で構成される。
【０００４】
固体酸化物形燃料電池では、反応用のガスとして空気極側に酸化剤ガス（酸素) 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、何れも多孔質の層とされている。
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。この電子を別ルートの外部回路にて起電力として取り出すことができる。
【０００５】
ところで、燃料電池では、外部より導入した反応ガスを積層された発電セルの各々に分配するガス供給機構を備えており、このようなガス供給機構として外部マニホールドと内部マニホールドが知られている。
【０００６】
外部マニホールドは、燃料電池スタックの外部に反応ガス導入用の管体を積層方向に延設し、この管体と各セパレータとを接続管によって連通する構造を有する。外部マニホールドは、構造的に単純であるが、燃料電池スタック自体が大型化し、且つ、接続管との接続部分に高いガスシール性が要求されることから、近年、反応ガス導入用の管状体を直接燃料スタックの内部に延設した内部マニホールドが多く採用されている。
内部マニホールドの場合、反応用ガスは管内を積層方向に流通する過程でセパレータとの連通部分で分配されながら、各セパレータのガス通路を通して対応する各発電セルに供給されるようになっている。そして、このような内部マニホールドは、特許文献１や特許文献２に開示されている。
【特許文献１】特開平５−３０７９６９号公報
【特許文献２】特開平６−１９６１９５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、従来の平板積層型の燃料電池スタックでは、積層方向の温度分布が、図２の実線に示すように、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傾向がある。これは、燃料電池スタックの端部は中段部分に比べて発電セルのジュール熱が発散され易いためである。温度が低い発電セルは、高温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が低下する。
【０００８】
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両肩下がりの温度分布が生じると、燃料電池全体の発電性能が低温部の発電性能で制限されるため、効率的な発電が行えなくなるという問題がある。
【０００９】
従来より、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ため、外部マニホールドの場合、マニホールドの中央部分より冷空気を導入してスタック中段部分の温度を低下させるといった施策も行われているが、構造上、マニホールドの端部より空気を導入せざるを得ない内部マニホールドの場合は、このようなガス供給方法は実現困難であった。
【００１０】
本発明は、このような問題に鑑みて成されたもので、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できる燃料電池のマニホールド構造を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
すなわち、請求項１に記載の本発明は、固体電解質層の両面に電極層を配して構成した発電セルと内部に反応用ガスの通路を有するセパレータを交互に複数積層して燃料電池スタックを構成すると共に、前記セパレータを厚さ方向に貫通して積層方向に延設する反応用ガス導入用のマニホールドを備え、当該マニホールドが連通する前記セパレータのガス通路を通して各電極層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、前記マニホールドの内部に所定のセパレータに連通するガス導入パイプを配設したことを特徴としている。
【００１２】
積層型の燃料電池スタック内に直接マニホールド機構を設ける内部マニホールドでは、マニホールドの端部より反応用ガス（燃料ガス、酸化剤ガス）が導入されて、管内を積層方向に流通する過程で分配されながら、各セパレータのガス通路を通して対応する各発電セルに供給されていくガス流路となる。従って、セパレータに対する反応用ガスの上流下流の関係はマニホールドにおける反応用ガスの導入位置により一義的に決まってしまう。
本構成では、マニホールドの内部にガス導入パイプを配設して外管（マニホールド自体）と内管（各ガス導入パイプ）による多重管構造とすることにより、所望のセパレータに反応用ガスを直接供給することができるため、燃料電池スタックにおける温度分布の均一化が可能となる。勿論、内管だけでなく外管にも反応用ガスは導入される。
【００１３】
また、請求項２に記載の本発明は、請求項１に記載の燃料電池のマニホールド構造において、酸化剤ガス用マニホールドにおいては、前記燃料電池スタックの中段部のセパレータに連通するガス導入パイプを配設し、当該ガス導入パイプに冷空気を導入することを特徴としている。
本構成では、比較的温度の高い燃料電池スタックの中段部の発電セルはガス導入パイプから供給される冷空気により冷却されるため、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。
【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のマニホールド構造において、酸化剤ガス用マニホールドにおいては、前記燃料電池スタックの端部のセパレータに連通するガス導入パイプを配設し、当該ガス導入パイプ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２の作用効果に加え、温空気の導入により比較的温度の低い燃料電池スタックの端部の発電セルが昇温されるため、燃料電池スタックの温度分布をより一層均一化できる。
【００１５】
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のマニホールド構造において、燃料ガスマニホールドにおいては、前記燃料電池スタックの端部のセパレータに連通するガス導入パイプを配設し、当該セパレータへの燃料ガス供給量を他のセパレータより多くしたことを特徴としている。
本構成では、上記請求項２、請求項３の構成による温度分布の均一化効果に加えて、燃料電池スタックの端部の発電セルはガス導入パイプから供給される平均以上の燃料ガス流量により電極反応が活性化されるため、より効率的な発電が行えるようになる。
【００１６】
また、請求項５に記載の本発明は、請求項１から請求項４までの何れかに記載の燃料電池のマニホールド構造において、前記導入パイプに、反応用ガスの流量を調整するためのガス流量調整機構を設けたことを特徴としている。
本構成では、各導入パイプを流通する反応ガス量を調整することにより、温度分布の均一化をよりきめ細かに行うことができる。
【発明の効果】
【００１７】
以上説明したように、本発明によれば、マニホールドの内部に所定のセパレータに連通するガス導入パイプを配設し、燃料電池スタックの中段部に冷空気を供給し、両端部に温空気を供給するように構成したので、温空気により燃料電池スタックの端部が昇温され、冷空気により中段部が冷却されて積層方向の温度分布が均一化される。これにより、効率的な発電が行えるようになる。
【００１８】
また、燃料電池スタックの両端部の発電セルに供給される燃料ガスの流量を他の発電セルより多くしたので、燃料電池スタックの端部の発電セルにおいて、温度低下による発電性能の低下が防止でき、より効率的な発電が行えるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、図１〜図３に基づいて本発明の実施形態を説明する。
図１は平板積層型の固体酸化物形燃料電池の要部構成を示し、図２は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し、図３は本発明の燃料電池に使用するマニホールドリングの構造を示している。
【００２０】
図１に示すように、燃料電池スタック１は、固体電解質層の両面に燃料極層と空気極層を配して構成した発電セル５と、燃料極層の外側に配した燃料極集電体６と、空気極層の外側に配した空気極集電体７と、各集電体６、７の外側に配したセパレータ８とで単セルを構成し、この単セルを間に絶縁性のマニホールドリング１５、１６を介在して多数積層したものである。尚、単セルを構成する各要素は、従来と同様の物性のものが使用できる。
【００２１】
セパレータ８は、表面に酸化防止のためのＡｇメッキ処理等を施した厚さ数ｍｍ程度の四角状ステンレス板で構成されており、内部に燃料ガスが流通する燃料ガス通路９と、酸化剤ガス（一般的には空気）が流通する酸化剤ガス通路１０とが形成されている。但し、図１に示すように、最下部に位置するセパレータ８には燃料ガス通路９のみが形成されおり、最上部に位置するセパレータ８には酸化剤ガス通路１０のみが形成されている。
【００２２】
そして、燃料ガス通路９の一端（上流側）は、セパレータ８の左側に設けた燃料ガス導入孔１３に連通しており、他端（下流側）が燃料極集電体６と対面するセパレータ８の中央のガス吐出孔１１に連通している。また、酸化剤ガス通路１０の一端（上流側）は、セパレータ８の右側に設けた酸化剤ガス導入孔１４に連通しており、他端（下流側）が空気極集電体７と対面するセパレータ中央部のガス吐出孔１２に連通している。尚、最上部のセパレータ８には酸化剤ガス導入孔１４のみ形成されており、且つ、この酸化剤ガス導入孔１４は下側にのみ開口している。最上部以外の各ガス導入孔１３、１４は何れもセパレータ８を板厚方向に貫通するものである。
【００２３】
また、最下部のセパレータ８には、外部から供給される反応用ガスを導入するためのガス供給管２４、２５が接続されており、この内、燃料ガスが供給される燃料ガス供給管２５は燃料ガス導入孔１３に連通し、酸化剤ガスが供給される酸化剤ガス供給管２４は酸化剤ガス導入孔１４に連通している。
【００２４】
燃料ガス導入孔１３の上下開口部には燃料ガス用マニホールドリング１５が配設され、酸化剤ガス導入孔１４の上下開口部には酸化剤ガス用マニホールドリング１６が配設されており、単セルを積み上げてスタック化することにより、これら多数のマニホールドリング１５、１６がセパレータ８の各ガス導入孔１３、１４を介して縦方向（積層方向）に連結されてそれぞれ管状を成す燃料ガス用マニホールド１７と酸化剤ガス用マニホールド１８を構成している。
【００２５】
尚、上記したマニホールドリング１５、１６は、図３に示すように、中間部に配した絶縁・シール層となるリング状のガラス層１９と、このガラス層１９の両面に配したリング状の金属層１８、１８（ステンレス材）とで構成されている。
【００２６】
上記構成の燃料電池スタック１では、燃料ガス供給管２５および酸化剤ガス供給管２４を介して外部から供給された燃料ガスと酸化剤ガスは、スタック最下部のセパレータ８よりそれぞれ燃料ガス用マニホールド１７と酸化剤ガス用マニホールド１８に導入され、縦方向に延びるマニホールド内を流通する過程で、それぞれが各層（単セル）のガス導入孔１３、１４より分配されながら各々セパレータ８の各ガス通路９、１０を通して各発電セル５の電極部に供給されていく。
【００２７】
即ち、燃料ガス用マニホールド１７内の燃料ガスは、各セパレータ８の燃料ガス導入孔１３から燃料ガス通路９に導入され、通路末端の燃料ガス吐出孔１１より吐出して対面する燃料極集電体６に供給され、拡散しながらここを通過して発電セル５の燃料極層に達する。
一方、酸化剤ガス用マニホールド１８内の酸化剤ガスは、各セパレータ８の酸化剤ガス導入孔１４から酸化剤ガス通路１０に導入され、通路末端の酸化剤ガス吐出孔１２より吐出して対面する空気極集電体７に供給され、拡散しながらここを通過して発電セル５の空気極層に達する。
尚、以降、各単セル内での電気化学反応は従来技術の欄で述べた通りであり、この電気化学反応で生じた高温の排ガスは所定の排気ルートで各単セルよりスタック外に排出される。
【００２８】
ところで、本発明では、図１に示すように、これら酸化剤ガス用マニホールド１８および燃料ガス用マニホールド１７の内部に更にステンレス製のガス導入パイプが縦方向に配設されて、多重管構造のマニホールドを構成している。
【００２９】
本実施形態では、酸化剤ガス用マニホールド１８の内部には３本のガス導入パイプ３１〜３３が配設されており、燃料ガス用マニホールド１７の内部には２本のガス導入パイプ３４、３５が配設されている。何れのガス導入パイプも末端部にガス噴出口３０を備えており、パイプ内に導入された反応用ガスをこのガス噴出口３０より対面する各ガス通路９、１０の開口に向けて噴出するようになっている。
そして、酸化剤ガス用マニホールド１８では、ガス導入パイプ３１のガス噴出口３０が燃料電池スタック１の最下部に位置するセパレータ８の酸化剤ガス導入孔１４に連通し、ガス導入パイプ３２のガス噴出口３０がスタック最上部に位置するセパレータ８の酸化剤ガス導入孔１４に連通し、さらに、ガス導入パイプ３３のガス噴出口３０がスタック中段部に位置するセパレータ８の酸化剤ガス導入孔１４に連通するようにそれぞれが所定のパイプ長で配設され、且つ、ガス導入パイプ３１、３２の上流側からは温空気が導入され、ガス導入パイプ３３の上流側からは冷空気が導入されるようになっている。
【００３０】
一方、燃料ガス用マニホールド１７では、ガス導入パイプ３４のガス噴出口３０が燃料電池スタックの最下部に位置するセパレータ８の燃料ガス導入孔１３に連通し、ガス導入パイプ３２のガス噴出口３０がスタック最上部に位置するセパレータ８の燃料ガス導入孔１３に連通するようにそれぞれが所定のパイプ長で配設され、且つ、これらガス導入パイプ３４、３５に供給される燃料ガスの流量が燃料電池スタック１の両端部と中段部を除く他のセパレータ８に供給される平均的なガス流量以上となるように設定されている。
【００３１】
上記構成のように、マニホールドの内部にガス導入パイプを配設し、ガスの流通を外管となるマニホールド自体と内管となる各ガス導入パイプによる多重流路構造にすることにより、反応用ガスを所望のセパレータに対して直接供給することが可能となる。これにより、燃料電池スタック１の積層方向の温度分布を均一化することが可能となる。
【００３２】
即ち、燃料電池の運転時、酸化剤ガス用マニホールド１８では、ガス導入パイプ３１、３２からの温空気により比較的温度の低いスタック両端部の発電セルが昇温されると共に、スタック中段部の発電セルはガス導入パイプ３３からの冷空気により冷却される。これにより、燃料電池スタック１における積層方向の温度分布は均一化される。この場合、燃料電池スタック１の両端部と中段部以外の発電セル５には外管内を流通する反応用ガスが供給される。
尚、温空気は、外部から供給された冷空気が燃料電池内部で予熱管等の熱交換機構により高温排熱と熱交換して暖められたものが使用される。
【００３３】
一方、燃料ガス用マニホールド１７では、ガス導入パイプ３４、３５より供給される平均流量以上の燃料ガスにより、スタック両端部における発電セル５の電極反応が他の部分の発電セル５の電極反応より活性化され、燃料電池スタック１の端部の発電セル５において、温度低下による発電性能の低下が防止でき、上記した酸化剤ガス用マニホールド１８による温度分布の均一化効果に加えて、より効率的な発電が行えるようになる。
【００３４】
また、図１に示すように、各ガス導入パイプ３１〜３５の上流側に各反応用ガスの流量調整弁４０を設け、ガス導入パイプ３１〜３５を流通する反応ガスの流量を個々に調整することにより、温度分布の均一化をよりきめ細かに行うことができるようになる。この場合、燃料電池スタック１の積層方向の温度差を検知して各ガス流量調整弁４０の開度を自動調整するのが好ましい。
【００３５】
図２は、燃料電池スタック１の積層方向の温度分布を示しており、実線は従来型のマニホールドによるもの、破線は図１に示した本発明のマニホールドによるものである。
図２に示すように、従来型の場合、温度分布は中段部分が高い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５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。
【００３６】
以上、本実施形態では、燃料ガス用マニホールド１７と酸化剤ガス用マニホールド１８の双方について本発明を適用した場合を説明したが、酸化剤ガス用マニホールド１８のみを多重管構造とするだけでも温度分布の均一化、発電効率の向上に極めて有効となる。
また、燃料電池スタックの端部のセパレータに連通するガス導入パイプ３１、３２および導入パイプ３４、３５については、各々セパレータに対応する上端と下端部分の２箇所にガス噴出口３０を設けた１本のパイプで共用することも勿論可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明が適用された平板積層型の固体酸化物形燃料電池の要部構成を示す断面図。
【図２】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。
【図３】本発明の燃料電池に使用するマニホールドリングを示し、（ａ）は斜視図、（ｂ）は側面図。
【符号の説明】
【００３８】
１  燃料電池スタック
５  発電セル
８  セパレータ
９、１０  ガス通路（燃料ガス通路、酸化剤ガス通路）
１７  燃料ガス用マニホールド
１８  酸化剤ガス用マニホールド
３１〜３５  ガス導入パイプ
４０  ガス流量調整機構（ガス流量調整弁）
【図１】
2005203255.tif 000003
【図２】
2005203255.tif 000004
【図３】
2005203255.tif 000005