JP2008166233A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】コンパクト化を図ったうえで、効率の向上を実現することができ、負荷変動時や起動停止時などに対する制御性に優れた燃料電池を提供する。
【解決手段】燃料ガスＦを改質する触媒を担持した改質流路４１を有する改質器４０と、単セル６を保持し且つ改質器４０で改質した燃料ガスＦの導入孔２１及び排出孔２２を有するセル板２と、燃料ガスＦの導入孔３１及び排出孔３２を有し且つ外縁部をセル板２の外縁部に接合させたセパレータ板３を具備した固体電解質型燃料電池ユニット１を複数積層して成るスタック構造体１１と、ガス導入部１２ａ及びガス排出部１２ｂを具備し且つ空気Ａｉを導入して固体電解質型燃料電池ユニット１間を通して排気するケース１２を備え、固体電解質型燃料電池ユニット１間を通過する空気Ａｉの排気流中に改質器４０を位置させて、改質流路４１を通過する燃料ガスＦとの間で熱交換を行わせる。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料ガスを改質する改質器と、複数の固体電解質型燃料電池ユニットを積層して形成したスタック構造体を具備した燃料電池に関するものである。

従来、上記したような燃料電池としては、例えば、円形のセパレータとセル板とを交互に積層して成る円筒状を成すスタック構造体と、このスタック構造体の外周縁部に沿ってらせん状に配置した改質触媒管を備えたものがあり、この燃料電池において、燃料ガスは、改質触媒管からセパレータの中心部を経由してセル板の燃料極側へ供給されて発電に用いられ、発電に使用されなかった残余の燃料ガス及び空気は、セル板の外周縁部から放出されて混合燃焼するようになっている。

つまり、この燃料電池では、セル板の外周縁部近傍を燃焼場として、この燃焼場に改質触媒管を設置することで、改質触媒管に対して改質に必要な熱量を供与するようになっている。
特開２００５−０１９０３４号公報

ところが、上記した燃料電池では、改質触媒管をスタック構造体の外周縁部に沿ってらせん状に配置しているので、小型化が図れてはいるものの、負荷が大きく変動する場合や起動停止を行う場合などの発電出力が急激に変動する場合には、供給される燃料ガスや空気の流量の急変によって燃焼が急激に開始してしまい、セパレータ及びセル板間に火が引き込まれる現象、いわゆるバックファイヤーが生じて、セルの破損劣化を引き起こす恐れがあるという問題を有していた。

また、セル板の外周縁部近傍における燃焼場での燃焼によって、改質触媒管の温度が上昇し過ぎた場合には、改質触媒の性能が劣化してしまう可能性があり、このように、負荷変動時や起動停止時などにおいて、発電に必要な燃料ガス供給量と、改質に必要な発熱量と、そのときの改質触媒管の温度とを同時に制御することが難しいという問題があり、これらの問題を解決することが従来の課題となっていた。

本発明は、上記した従来の課題に着目してなされたもので、コンパクト化を図ったうえで、効率の向上を実現することができ、負荷変動時や起動停止時などに対する制御性に優れた燃料電池を提供することを目的としている。

本発明の燃料電池は、燃料ガスを改質する触媒を充填又は担持した改質流路を有する改質器と、単セルを保持していると共に上記改質器で改質した燃料ガス及び空気のうちの一方のガスの導入孔及び排出孔を有するセル板と、上記改質器で改質した燃料ガス及び空気のうちの一方のガスの導入孔及び排出孔を有し且つその外縁部をセル板の外縁部に接合させたセパレータ板を具備した固体電解質型燃料電池ユニットを複数積層して成り、導入孔から一方のガスを導入して各固体電解質型燃料電池ユニット内を通して排出孔から排気するスタック構造体と、ガス導入部及びガス排出部を具備し且つスタック構造体を収容した状態でガス導入部から上記改質器で改質した燃料ガス及び空気のうちの他方のガスを導入して互いに重なり合う固体電解質型燃料電池ユニット間を通してガス排出部に流すケースを備え、上記スタック構造体の複数の固体電解質型燃料電池ユニット内を通過する一方のガスの排気流及びスタック構造体の複数の固体電解質型燃料電池ユニット間を通過する他方のガスの排気流のうちのいずれかの排気流中に改質器を位置させて、該排気流と改質器の改質流路を通過する燃料ガスとの間で熱交換を行わせることを特徴としており、この燃料電池の構成を前述した従来の課題を解決するための手段としている。

本発明の燃料電池において、改質器の改質流路を通過する燃料ガスと熱交換を行う一方のガスの排気流又は他方のガスの排気流は、互いに混ざり合うことがないので、新らたに改質器に導入される改質前の燃料ガス又は改質後の燃料ガスに対して、上記排気流中の未使用の燃料を混合させて、再度スタック構造体に導入し得ることとなる。

すなわち、未使用の燃料を含む燃料ガスの排気流を運転状態に応じて有効に活用する、例えば、後段の燃料電池の起動や発電に利用したり、排気ガス浄化用バーナーに導入したりすることができるので、負荷の変動に対する制御性が良好なものとなって、燃料利用率を低下させることなく、運転を行い得ることとなる。

本発明の燃料電池では、上記した構成としているので、コンパクト化を実現しつつ、高効率の運転を行うことができ、加えて、負荷変動時や起動停止時において、発電に必要な燃料ガス供給量と、改質に必要な発熱量と、改質器の温度との同時制御が容易になるという非常に優れた効果がもたらされる。

本発明の燃料電池の固体電解質型燃料電池ユニットは、セル板及びセパレータ板の各外縁部同士を接合して成るものであり、セル板及びセパレータ板のうちの少なくともいずれか一方に外縁部に沿う段差を設けることで、セル板及びセパレータ板間に、燃料ガス及び空気のうちの一方のガスを流す空間を形成している。

また、本発明の燃料電池において、固体電解質型燃料電池ユニットの中央部分の厚さを単セル設置領域の厚さよりも大きくしてスペーサの機能を持たせることで、積層した固体電解質型燃料電池ユニットの層間に、燃料ガス及び空気のうちの他方のガスを流す流路を形成している。

なお、上記段差をセル板及びセパレータ板の双方に形成して互いに対称を成すようにすれば、応力集中を抑制し得ることとなり、この際、両段差の大きさを相互に変化させたとしても、段差を設けたことによる強度の向上を期待でき、段差をセル板及びセパレータ板の一方に形成した場合には、単セルの搭載面積を拡大することができ、このように、耐熱衝撃性の向上や出力密度の向上など重視する特性に応じてセル板及びセパレータ板の形状を変更し得る。

さらに、本発明の燃料電池において、固体電解質型燃料電池ユニットのセル板及びセパレータ板に設ける段差はプレス加工により形成することが望ましく、セル板及びセパレータ板の各々の外縁部同士の接合には、溶接やロウ付けを用いることができるほか超音波接合法なども用いることができる。

さらにまた、本発明の燃料電池において、固体電解質型燃料電池ユニットの単セルの取付位置をセル板の中心部と外縁部との間の領域に設定し、この領域内に単セルを１つ以上固定することができる。

例えば、単セルが小径の円板状を成す場合は、セル板の中心周りに規則正しく配置することが望ましい。また、単セルがドーナツ状を成す場合は、その内周縁部及び外周縁部にプレス加工済の内側リング及び外側リングをそれぞれ接合することが望ましい。さらに、上記内側リング及び外側リングを連結してフレーム状をなすようにしてもよく、このフレームに扇形の単セルを貼り付けることも可能である。

さらにまた、本発明の燃料電池のケースには、スタック構造体を収容すると共に、互いに重なり合う固体電解質型燃料電池ユニット間に配置する集電体やスタック構造体との隙間を埋める充填材を収容するが、これらの集電体や充填材の設置部位及び密度を適宜設定することで、このケースに対して、ガス導入部から導入した他方のガスを固体電解質型燃料電池ユニット間で且つ単セル設置位置に優先的に流す整流機能を持たせることが可能である。

さらにまた、本発明の燃料電池において、複数の固体電解質型燃料電池ユニットの各セル板やセパレータ板が導電材料から成っている場合には、固体電解質型燃料電池ユニット間が単セルの部分以外で電気的に短絡するのを阻止する絶縁機能をケースに持たせることができる。

さらにまた、本発明の燃料電池において、改質器の改質流路を通過する燃料ガスとの間で熱交換を行う排気流として空気の排気流を用いる場合には、例えば、ケース内に導入する他方のガスを空気として、ケースのガス排出部の近傍あるいは単セルの下流側に改質器の改質流路を位置させる構成を採用することができ、この場合には、未使用の燃料を含む燃料ガスの排気流を高い温度を保ったまま循環させたり後段の燃料電池に供給したりし易いので、システム全体における燃料利用率を向上させ得ることとなる。

一方、本発明の燃料電池において、改質器の改質流路を通過する燃料ガスとの間で熱交換を行う排気流として燃料ガスの排気流を用いる場合には、例えば、改質器の熱が供与される部位に、結露水の回収機能を設置することができ、これにより、発電に伴って燃料ガスの排気流から生成される水をコンパクトな構造で回収し得ることとなる。

この場合、改質器として、改質ガス流路の入り口に水蒸気及び空気の各導入口を具備したものを用いることで、吸熱反応である水蒸気改質モード，発熱反応である部分酸化改質モード及びこれらの二つの反応が同時に進行するＡＴＲ反応モード（Ａｕｔｏ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｒｅｆｏｒｍｉｎｇ）をいずれも調整することが可能になる。

例えば、改質器に熱を供与するガス温度及びガス流量を検知し、この段階の要求出力に対応し得るように、改質ガス流路に導入する燃料ガスと水、そして空気の各流量を調整することにより、改質反応モードを制御することができる。

ここで、要求する発電出力が小さい状態から大きい状態に変化する場合には、燃料ガスに対する空気の流量比を増加させて、発熱反応である部分酸化反応を主体とする反応モードになるように調整する。そして、最大出力での発電状態が継続される場合は、改質ガス流路へ導入する水の流量比を増加させて、吸熱反応である水蒸気改質を主体とする反応モードに調整する。

さらにまた、本発明の燃料電池において、メタンや、プロパンや、ブタンや、オクタンなどの炭化水素を主成分とするものをガス化することで、燃料として使用することができる。この際、メタノール、エタノール、プロパノールなどのアルコール類や、ジメチルエーテルなどのエーテル類や、カルボン酸類や、アルデヒド類などの酸素を含有する炭化水素を燃料として使用することができ、この場合は、燃料電池の動作温度よりも低い温度で水蒸気改質を行うことが可能になるなどといった効果が期待できる。

さらにまた、本発明の燃料電池において、液体の燃料を使用する場合や、水蒸気改質モードで改質器を運転する場合などは、改質器の改質ガス流路の上流に気化器を配置することもでき、この際、気化器の部分を改質器の改質ガス流路の最上流部に組み込んだ一体型とすることもできる。

さらにまた、本発明の燃料電池において、改質ガス流路に担持する触媒としては、例えば、貴金属系（Ｒｕ，Ｒｈ，Ｐｔ等）や、非貴金属系（Ｎｉ，Ｃｕ，Ｆｅ，Ｃｏ等）、あるいは、金属酸化物系（遷移金属，アルカリ土類，希土類元素の酸化物またはその複合酸化物等）を用いることができるが、特にこれらに限定されるものではない。また、触媒担体としては、Ａｌ２Ｏ３，ＳｉＯ２，ＴｉＯ２，ＺｒＯ２，ＭｇＯ等の酸化物、あるいは、これらの複合酸化物や各種元素の炭化物や窒化物を用いることができるが、特にこれらに限定される ものではない。

そして、改質器の改質ガス流路内には、上記触媒と触媒担体を顆粒状や圧粉状、あるいは、ペレット状として詰めることもできるし、コージェライトなどのハニカム状担体に触媒を担持して、このハニカムをガス流路内に設置するように成すこともできる。

さらにまた、本発明の燃料電池において、改質器及びスタック構造体を起動させるための起動バーナーを設置してもよく、例えば、燃料電池の空気の排気流が改質熱を供与するガスとなる場合には、燃料電池へ導入する空気流路の上流側に起動バーナーを設置することができる。つまり、起動時に燃焼バーナーにより加熱した空気をスタック構造体に送り込み、次いで、スタック構造体を通過した高温の空気の排気流を熱供与ガスとして改質器側に供給して加熱することができる。

また、改質器及びスタック構造体を起動させるための起動バーナーは、改質器の改質ガス流路の上流側に設置してもよく、この場合には、燃焼バーナーにより生成した高温ガスを改質器の改質ガス流路に導入して昇温し、発熱反応の部分酸化改質を主体とする反応モードの改質器を起動する。そして、改質器から高温となった改質ガスを燃料ガスの流路に導入して燃料電池を加熱起動する。

さらにまた、本発明の燃料電池において、一方のガスの排気流及び他方のガスの排気流のうちのいずれかの排気流が改質器を通過する段階の圧力損失が、スタック構造体の複数の固体電解質型燃料電池ユニット間を他方のガスが通過する段階の圧力損失よりも大きい構成とすることができる。

具体的には、他方のガスが通過するスタック構造体の複数の固体電解質型燃料電池ユニット間の総断面積よりも、排気流が通過する改質器内の流路総断面積を小さくすることにより、改質器部分での圧力損失を大きくするようにしており、これにより、単セルを配置した固体電解質型燃料電池ユニット間において、ガス流速分布やガス流量分布が均一になって他方のガスが隅々まで到達することとなり、その結果、固体電解質型燃料電池ユニット面内の総出力が向上することとなる。

この際、複数の固体電解質型燃料電池ユニット間の見かけ上の流路幅よりも改質器部の流路幅を小さく設定したり、改質器部の流路に気孔率の小さいメッシュを熱交換部材として充填したりすることで、改質器内の流路総断面積を複数の固体電解質型燃料電池ユニット間の総断面積よりも小さくすることができ、これにより、ガス流速分布やガス流量分布の調整が行い易くなって、ガス分配均一性をより向上させることができ、スタック構造体全体の発電出力を向上させ得ることとなる。

また、改質器の改質ガス流路や熱を供与するガス流路に、熱交換フィンなどの熱交換部材を設置したり、その設置状況を変化させたりすることで、改質器部分での圧力損失を大きくするようにしてもよく、例えば、熱を供与するガス流路において、下流側に向かうにつれて熱交換部材の数を多くして乱流が生じ易くなるようにすることで、改質器部分での圧力損失を大きくするようにしてもよい。

このように、熱を供与するガス流路に熱交換フィンなどの熱交換部材を設置すると、発電出力の均一化が図られるのに加えて、改質器部分での熱交換効率の向上も図られることとなって、改質器における燃料ガスの改質率が向上して改質ガスの組成が安定することとなり、その結果、単セルの燃料極での被毒や炭素析出などに起因する劣化が抑えられて、耐久性が向上することとなる。

さらにまた、本発明の燃料電池において、スタック構造体の複数の固体電解質型燃料電池ユニットの積層方向と、改質器の改質流路の方向とが互いに平行を成している構成とすることができ、例えば、複数の固体電解質型燃料電池ユニット間からケースのガス排出部にかけての部分に、改質触媒を担持した複数本の管状の改質流路がユニットの積層方向に沿って配置してある構成を採用することができる。

この場合、改質触媒を担持した複数本の改質流路は、ケースとスタック構造体の複数の固体電解質型燃料電池ユニット間で発電により高温になった空気の排気流と熱交換できる部位に位置していることとなり、この際、燃料ガスは改質器へ導入されて、触媒反応管である改質ガス流路内において改質された後、発電ユニットであるスタック構造体に導入される。

このように、スタック構造体の複数の固体電解質型燃料電池ユニットの積層方向と、改質器の改質流路の方向とが互いに平行を成している場合には、改質器とスタック構造体とをコンパクトに配置し得るので、排気流の顕熱を損失なく改質に利用可能となって、効率の向上が図られることとなり、加えて、空気の排気流の下流側に位置する改質器部分の圧力損失が高く、且つ、良好なガスの流れを容易に設定し得るので、要求される発電出力変動に応じてガス流量が変化した場合においても、ガス流れの均一性が保持し易くなって、高い発電効率を維持し得ることとなる。

ここで、熱交換効率及び圧力損失の制御性の向上を図るべく、触媒反応管である改質ガス流路の外周に熱交換フィンを形成したり、凹凸形状を形成したりすることが望ましいほか、上記と同様の作用効果を得るべく、気孔率を調整した多孔体をケースと改質ガス流路との間に充填することが望ましい。

なお、上記触媒反応管である改質器の改質ガス流路の断面形状は円形状に限定されるものではなく、四角形状や三角形状としても差し支えない。改質ガス流路の断面形状が矩形形状を成すものとして、例えば、プレートを積層して成るプレートフィン型熱交換器に類する構造、すなわち、プレート積層方向に沿って改質ガス流路の燃料ガス導入孔及び排出孔が形成された構造を採用することができる。

さらにまた、本発明の燃料電池において、スタック構造体の複数の固体電解質型燃料電池ユニットの積層方向と、改質器の改質流路の方向とが互いに直交している構成とすることができ、例えば、スタック構造体の固体電解質型燃料電池ユニットで用いるセパレータ板同士を接合することで内部を改質流路とした平板型ユニットを形成し、この平板型ユニットの改質触媒を担持した改質流路とスタック構造体の複数の固体電解質型燃料電池ユニットの積層方向とが互いに直交するように、複数の平板型ユニットをスタック構造体に積層する構成を採用することができる。

この場合、互いに積層した平板型ユニット及びスタック構造体を収容したケースに他方のガスとして空気を導入すると、ガス導入部を介して導入された空気は、発電ユニットであるスタック構造体の複数の固体電解質型燃料電池ユニット間を流れ、これで高温の排気流となった空気は平板型ユニット間を流れる。一方、燃料ガスは、複数の平板型ユニットの各内部に導入されて改質された後、発電ユニットであるスタック構造体の複数の固体電解質型燃料電池ユニット内に導入されて、発電に使用される。

このように、スタック構造体の複数の固体電解質型燃料電池ユニットの積層方向と、改質器の改質流路の方向とが互いに直交している場合には、類似するユニットを互いに積層する構造を採用し得るため、燃料組成や要求される改質度や発電出力などの諸条件に応じて、積層段数を自由に設計することができ、加えて、触媒反応管である改質器の改質ガス流路の設置パターンを制御することによって、固体電解質型燃料電池ユニット間のガスの流れを均一化することができるので、発電効率が向上することとなる。

ここで、改質ユニットである平板型ユニットの積層段数が発電ユニットである固体電解質型燃料電池ユニットの積層段数よりも少ない構造や、平板型ユニットの間隔が固体電解質型燃料電池ユニットの間隔よりも狭い構造、あるいは、熱交換用フィンやハニカム材が設置される平板型ユニット間の圧力損失が、集電体を設置する固体電解質型燃料電池ユニット間の圧力損失よりも高い構造も適宜採用し得る。

そして、改質ユニットである平板型ユニットにおいて用いるセパレータ板は、熱交換効率の向上を図るべく、且つ、触媒担持した燃料ガス流路を形成するべく、固体電解質型燃料電池ユニットのセパレータ板と同じくプレス加工により形成することが望ましい。

燃料電池において、改質反応として水蒸気改質反応を用いる場合は、吸熱反応であることから、供給される燃料分子あたりの発電出力が高く、スタック構造体の発電効率を高くすることができるという長所がある。しかし、改質器に熱を供給する必要があるため、改質器の動作温度が固体電解質型燃料電池の動作温度よりも高く、燃料電池とは別に燃料を使って燃焼熱などを生じさせるシステムでは、負荷変動運転の場合や、低出力の部分負荷運転時間が長い場合などにおいて、システム全体としての効率が向上しないことがある。

そこで、本発明の燃料電池において、改質器の改質流路に充填又は担持する触媒として、白金と、セリウム，チタン及びニオブのうちの少なくとも一種以上の酸化物と、を含有するエタノール変換触媒を用いる構成とし、燃料としてエタノールを使用することにより、改質器の温度が固体電解質型燃料電池の動作温度よりも低い場合であったとしても改質することが可能になる。

これにより、排気流中の未使用燃料を回収して循環させたり、別目的に燃焼させたりして有効利用することができるので、部分負荷運転時間が長い場合においても、システム効率が向上することとなり、加えて、改質器に供与する熱源として、一方のガスの排気流及び他方のガスの排気流のうちのいずれかの排気流の顕熱で賄うことが可能になるので、改質器の起動時間の短縮を実現し得ることとなって、システム全体の起動時間も短くすることが可能になる。

以下、本発明を実施例により更に詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

図１〜図６は、本発明の燃料電池の一実施例を示しており、図１に示すように、この燃料電池１０は、集電体１５を介して複数の固体電解質型燃料電池ユニット１を複数積層して成るスタック構造体１１と、ガス導入部１２ａ及びガス排出部１２ｂを具備し且つスタック構造体１１を収容した状態でガス導入部１２ａから空気を導入してガス排出部１２ｂに流す円筒形状を成すケース１２と、燃料ガスを改質する改質器４０を備えている。

この燃料電池１０のスタック構造体１１を構成する固体電解質型燃料電池ユニット１は、円形薄板状を成し且つ中心部分にガス導入孔２１及びガス排出孔２２を有する金属製セル板２と、このセル板２と同じく円形薄板状を成し且つ中心部分にガス導入孔３１及びガス排出孔３２を有する金属製セパレータ板３を備えている。これらのセル板２及びセパレータ板３は、互いに対向した状態で各々の外周縁部同士を接合させてあり、セル板２及びセパレータ板３間に形成される袋部分（空間）Ｓには、集電体４が収容してある。

互いに対向した状態で接合するセル板２及びセパレータ板３の各中心部分には、図４及び図５にも示すように、外周縁部と同心状を成し且つ互いに離間する方向に突出して後述するようにスペーサとして機能する円形凸状段差部２３，３３がプレス加工によってそれぞれ形成してあり、セル板２及びセパレータ板３の各外周縁部には、この外周縁部と同心状を成し且つ互いに接近する方向に突出して空間Ｓを形成するための環状段差２４，３４がプレス加工によってそれぞれ形成してあり、上記したガス導入孔２１，３１及びガス排出孔２２，３２は、セル板２及びセパレータ板３の各円形凸状段差２３，３３に配置してある。

また、図６に示すように、セル板２の円形凸状段差部２３と環状段差２４との間には、ドーナツ状を成す単セル６が配置してあり、この単セル６は、円形凸状段差部２３の外周縁２３ａ及び環状段差２４の内周縁２４ａに跨って固定してある。なお、この単セル６は、電解質支持型セル、電極支持型セル、多孔質支持型セルのいずれでもあってもよい。

さらに、セル板２及びセパレータ板３の各中心部分に位置する円形凸状段差部２３，３３のうちのセパレータ板３の円形凸状段差部３３には、ガス導入孔３１と連通するガス導入流路５１を具備してセル板２及びセパレータ板３間に形成される空間Ｓ内に対して燃料ガスを供給する流路部品５が収容してあると共に、セル板２の円形凸状段差部２３には、ガス排出孔２２と連通するガス排出流路５２を具備して上記空間Ｓから燃料ガスを排出する流路部品５が収容してあり、これらの流路部品５，５は、後述するように、固体電解質型燃料電池ユニット１を積層してスタック構造体１１を形成した状態において、スタック構造体１１全体の押付力のみで互いに密着するようになっている。

さらにまた、改質器４０は全体で直方体形状を成していて、改質触媒を担持した複数本の管状の改質流路４１と、これらの改質流路４１を固体電解質型燃料電池ユニット１の積層方向に沿わせた状態で有するマニホルド部４２を具備しており、燃料ガスが通過するマニホルド部４２の改質流路４１の間を空気流路４３としている。そして、図２にも示すように、この改質器４０をケース１２のガス排出部１２ｂの部分に配置することで、スタック構造体１１の複数の固体電解質型燃料電池ユニット１間を通過する空気の排気流と改質器４０の改質流路４１を通過する燃料ガスとの間で熱交換を行わせるようにしてある。

この実施例において、セル板２及びセパレータ板３には、肉厚が０．１ｍｍのＳＵＳ４３０の圧延板を用いた。そして、この圧延板を超硬及びＳＫＤ１１から成る金型を装備したプレス装置にセットして、８０トンのプレス荷重をかけてプレス加工を行った。このプレス加工により得られたセル板２及びセパレータ板３の外径は１２５ｍｍであり、セル板２及びセパレータ板３の各外周縁部同士をレーザ溶接を用いて接合して、厚さ１．５ｍｍの固体電解質型燃料電池ユニット１とした。また、セル板２及びセパレータ板３間の空間Ｓに収容する集電体４には、インコネル製金属メッシュから成るものを用い、セル板２及びセパレータ板３に対してその周縁部をレーザ溶接により接合した。

一方、流路部品５にもＳＵＳ４３０を用い、セル板２及びセパレータ板３に対しては、接合温度を１０００℃以下とした真空中での拡散接合により固定し、接合時の変形を防いでいる。なお、拡散接合に代えてＹＡＧレーザを用いたレーザ溶接による接合も可能であり、この際、セル板２及びセパレータ板３が薄板状を成していることから、表側からレーザを照射しても接合することができる。また、流路部品５の流路パターンは、エッチングや研削加工やレーザ加工により形成することができるほか、エッチング部品を積層して接合することによっても形成することができる。

この実施例に係る燃料電池１０において、スタック構造体１１は、上記固体電解質型燃料電池ユニット１を間隔１．５ｍｍで４０層（図１では４段に省略して示している）積層して成っていて、図４にも示すように、積層した複数の固体電解質型燃料電池ユニット１を上下からフランジ１３，１４で挟み込み、セル板２及びセパレータ板３の各ガス導入孔２１，３１の周囲に形成した複数のガス排出孔２２，３２に図示しない複数本のスタッドボルトをそれぞれ挿通して、燃料ガスの導入配管１３ａを具備した上側のフランジ１３にスタッドボルトの一端部をねじ込むと共に、燃料ガスの排気配管１４ａを具備した下側のフランジ１４から外部に突出するスタッドボルトの他端部に皿ばねを介してナットをねじ込むことにより、互いに積層した固体電解質型燃料電池ユニット１同士を締結するようにしている。

この際、互いに重なり合う固体電解質型燃料電池ユニット１の各中心部分間には、シール接合材としてのセラミックス系接着材１７が二重リング状に塗布してある。なお、シール接合材として、ガラス系の接着材や、ガラスにセラミックス繊維やフィラーを加えて成型したガスケットを使用することができるほか、この実施例のように、単セル６がドーナツ状を成す場合には、金属粉が混在するペースト状接着材や、ガスケット状のろう材や、金属ガスケットを使用することが可能である。

そして、この燃料電池１０において、ＳＵＳ４３０製の円筒形状を成すケース１２の本体部分にスタック構造体１１を収容すると共に、ケース１２のガス排出部１２ｂの部分に改質器４０を収容するようにしており、この際、空気が通過するスタック構造体１１の複数の固体電解質型燃料電池ユニット１間の総断面積よりも、空気の排気流が通過する改質器４０の空気流路４３の流路総断面積を小さくすることにより、改質器４０での圧力損失を大きくするようにしている。

この燃料電池１０において、図１〜図３に示すように、改質器４０の改質触媒を担持した改質流路４１を通過した燃料ガスＦは、フランジ１３の導入配管１３ａ及び固体電解質型燃料電池ユニット１の各ガス導入孔２１，３１を通してセル板２及びセパレータ板３間に形成される各空間Ｓ内に導入され、上記空間Ｓ内を流れた後、各ガス排出孔２２，３２及びフランジ１４の排気配管１４ａを通して排気される。

一方、空気Ａｉは、ガス導入部１２ａからケース１２内に導入されると、スタック構造体１１の積層した固体電解質型燃料電池ユニット１間、すなわち、カソード側である層間に位置する集電体１５を通過する。そして、固体電解質型燃料電池ユニット１間を流れて高温となった空気Ａｉの排気流は、改質器４０の空気流路４３を通過することで、改質器４０の改質流路４１を流れる燃料ガスに熱を供与した後、ガス排出部１２ｂを通して排気される。

上記したように、この燃料電池１０では、改質器４０の改質流路４１を通過する燃料ガスＦと熱交換を行う空気Ａｉの排気流は、互いに混ざり合うことがないので、新らたに改質器４０に導入される改質前の燃料ガスＦ又は改質後の燃料ガスＦに対して、上記フランジ１４の排気配管１４ａを通して排気される燃料ガスＦの排気流中の未使用分を混合させて、再度スタック構造体１１に導入し得ることとなる。

すなわち、未使用の燃料を含む燃料ガスＦの排気流を運転状態に応じて有効に活用する、例えば、後段の燃料電池の起動や発電に利用したり、排気ガス浄化用バーナーに導入したりすることができるので、負荷の変動に対する制御性が良好なものとなって、燃料利用率を低下させることなく、運転を行い得ることとなる。

また、上記した燃料電池１０では、スタック構造体１１の複数の固体電解質型燃料電池ユニット１の積層方向と、改質器４０の改質流路４１の方向とを互いに平行にすることで、改質器４０及びスタック構造体１１のコンパクトな配置を実現しているので、排気流の顕熱を損失なく改質に利用可能となって、効率の向上が図られることとなる。

加えて、上記した燃料電池１０では、空気Ａｉが通過するスタック構造体１１の複数の固体電解質型燃料電池ユニット１間の総断面積よりも、空気Ａｉの排気流が通過する改質器４０の空気流路４３の流路総断面積を小さくすることにより、改質器４０での圧力損失を大きくするようにしているので、単セル６を配置した固体電解質型燃料電池ユニット１間において、ガス流速分布やガス流量分布が均一になって空気Ａｉが隅々まで到達することとなり、その結果、高い発電効率を維持し得ることとなる。

上記した実施例の燃料電池１０におけるスタック構造体１１の固体電解質型燃料電池１では、セル板２及びセパレータ板３が互いにほぼ同一形状を成しているが、これに限定されるものではなく、例えば、図７示すように、単セル６を取り付けるセル板２が円形凸状段差部２３のみを有する形状を成し且つセパレータ板３が通常の約二倍の高さの環状段差部３４を有する形状を成していてもよい。

また、この実施例では、単セル６がドーナツ状を成す場合を示したが、これに限定されるものではなく、例えば、図８（ａ）に示すように、接合時の作業性を考慮して、セル板２の中心部分と外周縁部との間のドーナツ状を成す領域に、円形状を成す複数個の単セル６Ａを貼り付けることができる他、図８（ｂ）に示すように、セル板２の円形凸状段差部２３及び環状段差２４にそれぞれ接合したプレス加工済の内側リング７及び外側リング８を径方向部材９で連結して成るフレームに扇形の単セル６Ｂを固定することも可能である。

さらに、この実施例では、改質器４０が直方体形状を成すマニホルダ部４２を有していて、改質触媒を担持した改質流路４１が、固体電解質型燃料電池ユニット１の積層方向に沿う管状を成している場合を示したが、他の構成として、例えば、図９に示すように、改質器４０Ａが断面三日月形状を成すマニホルダ部４２Ａを有していて、このマニホルダ部４２Ａ内においてスタック構造体１１の外周縁部に沿うように配置した改質流路４１Ａが、固体電解質型燃料電池ユニット１の積層方向に沿う管状を成している場合であってもよいほか、図１０に示すように、改質器４０Ｂが直方体形状を成すマニホルダ部４２Ｂを有していて、改質触媒を担持した改質流路４１Ｂが、固体電解質型燃料電池ユニット１の積層方向に沿う平板状を成している場合であってもよい。

図１１は、本発明の燃料電池の他の実施例を示している。図１１に示すように、この燃料電池１１０は、先の実施例と同じ構成の固体電解質型燃料電池ユニット１を複数積層して成るスタック構造体１１と、ガス導入部１１２ａ及びガス排出部１１２ｂを具備し且つスタック構造体１１を収容した状態でガス導入部１１２ａから空気を導入してガス排出部１１２ｂに流す円筒形状を成すケース１１２と、燃料ガスを改質する改質器１４０を備えている。

この実施例において、改質器１４０は、上記固体電解質型燃料電池ユニット１で用いるセパレータ板３，３同士を接合することで両者間に形成される改質流路１４１に改質触媒を担持させて成る平板型改質ユニット１０１を複数積層した構成を成しており、隣接する平板型改質ユニット１０１，１０１間を空気流路１４３としている。そして、これらの平板型改質ユニット１０１の改質触媒を担持した各改質流路１４１とスタック構造体１１の複数の固体電解質型燃料電池ユニット１の積層方向とを互いに直交させるべく、改質器１４０及びスタック構造体１１を互いに積層した状態でケース１１２に収容してある。

この場合、ケース１１２は、改質器収容部１１２Ａ及びスタック構造体収容部１１２Ｂに仕切ってあり、改質器１４０をケース１１２のガス排出部１１２ｂ側である改質器収容部１１２Ａに配置することで、スタック構造体１１の複数の固体電解質型燃料電池ユニット１間を通過する空気の排気流Ａｉと改質器１４０の改質流路１４１を通過する燃料ガスＦとの間で熱交換を行わせるようにしてある。

上記改質器１４０の製造にあたっては、互いに重なり合う平板型改質ユニット１０１，１０１の隣接するセパレータ板３，３間に、図１２に示す熱交換フィン１４４（厚さ０．１ｍｍのパンチングボードを波板状に折り曲げ加工したフィン）を介在させた状態で、セパレータ板３，３の各円形凸状段差部３３，３３同士をニッケルロウ付けにより接合すると共に両セパレータ板３，３の各外側面に熱交換フィン１４４を同じくニッケルロウ付けにより接合した後、改質触媒を担持した顆粒状又はペレット状の触媒担体を各々の改質流路１４１，１４１にそれぞれ詰めながら順次積層し、最終工程として、各環状段差３４，３４同士をレーザ溶接によって接合して袋綴じを行うようにしている。

この際、セパレータ板３の各改質流路１４１側の面に、アルミナや、酸化マグネシウムや、ジルコニアなどの酸化被膜をコーティングすることで、炭素の析出を防ぐようにしている。また、互いに重なり合う平板型改質ユニット１０１，１０１間は、電気的に絶縁する必要がないので、導電性の接合材で接合したり、固体電解質型燃料電池ユニット１間に用いた接合材で接合したりすることができる。

上記改質器１４０は、平板型改質ユニット１０１を間隔１．５ｍｍで２０層（図１１では３段に省略して示している）積層して成っていて、図１３にも示すように、互いに積層した複数の平板型改質ユニット１０１及び複数の固体電解質型燃料電池ユニット１を上下からフランジ１３，１４で挟み込み、セル板２及びセパレータ板３の各ガス導入孔２１，３１の周囲に形成した複数のガス排出孔２２，３２に図示しない複数本のスタッドボルトをそれぞれ挿通して、燃料ガスの導入配管１３ａを具備した上側のフランジ１３にスタッドボルトの一端部をねじ込むと共に、燃料ガスの排気配管１４ａを具備した下側のフランジ１４から外部に突出するスタッドボルトの他端部に皿ばねを介してナットをねじ込むことにより、互いに積層した平板型改質ユニット１０１及び固体電解質型燃料電池ユニット１同士を締結するようにしている。

そして、この燃料電池１１０において、ＳＵＳ４３０製の円筒形状を成すケース１１２のスタック構造体収容部１１２Ｂにスタック構造体１１を収容すると共に、ケース１１２のガス排出部１１２ｂ側である改質器収容部１１２Ａの部分に改質器１４０を収容するようにしており、この際、空気Ａｉが通過するスタック構造体１１の複数の固体電解質型燃料電池ユニット１間の総断面積よりも、空気Ａｉの排気流が通過する改質器１４０の空気流路１４３の流路総断面積を小さくすることにより、改質器１４０での圧力損失を大きくするようにしている。

この燃料電池１１０において、図１１及び図１３に示すように、フランジ１３の導入配管１３ａを通して改質器１４０における複数の平板型改質ユニット１０１の改質触媒を担持した各改質流路１４１に導入された燃料ガスＦは、改質された後スタック構造体１１の固体電解質型燃料電池ユニット１の各ガス導入孔２１，３１を通してセル板２及びセパレータ板３間に形成される各空間Ｓ内に導入され、上記空間Ｓ内を流れた後、各ガス排出孔２２，３２及びフランジ１４の排気配管１４ａを通して排気される。

一方、空気Ａｉは、ガス導入部１１２ａからケース１１２内に導入されると、スタック構造体１１の積層した固体電解質型燃料電池ユニット１間、すなわち、カソード側である層間に位置する集電体１５を通過する。そして、固体電解質型燃料電池ユニット１間を流れて高温となった空気Ａｉの排気流は、スタック構造体収容部１１２Ｂからガス排出部１１２ｂ側である改質器収容部１１２Ａに流れ、改質器１４０における複数の平板型改質ユニット１０１間の空気流路１４３を通過することで、改質器１４０の改質流路１４１を流れる燃料ガスＦに熱を供与した後、ガス排出部１１２ｂを通して排気される。

上記したように、この実施例における燃料電池１１０においても、改質器１４０の改質流路１４１を通過する燃料ガスＦと熱交換を行う空気Ａｉの排気流は、互いに混ざり合うことがないので、新らたに改質器１４０に導入される改質前の燃料ガスＦ又は改質後の燃料ガスＦに対して、上記フランジ１４の排気配管１４ａを通して排気される燃料ガスＦの排気流中の未使用分を混合させて、再度スタック構造体１１に導入し得ることとなる。

すなわち、未使用の燃料を含む燃料ガスＦの排気流を運転状態に応じて有効に活用する、例えば、後段の燃料電池の起動や発電に利用したり、排気ガス浄化用バーナーに導入したりすることができるので、負荷の変動に対する制御性が良好なものとなって、燃料利用率を低下させることなく、運転を行い得ることとなる。

また、上記した燃料電池１１０では、スタック構造体１１の複数の固体電解質型燃料電池ユニット１の積層方向と、改質器１４０の改質流路１４１の方向とを互いに直交させているので、類似するユニットを互いに積層する構造を採用し得ることとなり、その結果、燃料組成や要求される改質度や発電出力などの諸条件に応じて、積層段数を自由に設計することができ、加えて、触媒反応管である改質器の改質ガス流路の設置パターンを制御することによって、固体電解質型燃料電池ユニット１間のガスの流れを均一化することができるので、発電効率が向上することとなる。

図１４は、本発明の燃料電池のさらに他の実施例を示している。図１４に模式的に示すように、この燃料電池２１０は、スタック構造体２１１及び改質器２４０を備えていて、改質した燃料ガスＦａとの間で熱交換を行う排気流として、スタック構造体２１１から排気される燃料ガスＦｂの排気流を用いるようにしており、この場合には、改質器２４０の熱が供与される部位に、結露水の回収機能を設置することができ、これにより、発電に伴って燃料ガスの排気流から生成される水をコンパクトな構造で回収し得ることとなる。

本発明の燃料電池の一実施例を示す平面説明図（ａ）及び図１（ａ）Ａ−Ａ線位置に基づく断面説明図（ｂ）である。（実施例１） 図１における燃料電池の燃料ガス及び空気の流れを説明する簡略斜視説明図である。（実施例１） 図１における燃料電池のスタック構造体の全体斜視説明図である。（実施例１） 図１における燃料電池のスタック構造体を構成する固体電解質型燃料電池ユニットの分解斜視説明図である。（実施例１） 図４の固体電解質型燃料電池ユニットの部分縦断面説明図である。（実施例１） 図４の固体電解質型燃料電池ユニットにおける単セルの配置パターンを示すセル板の平面説明図である。（実施例１） 図１における燃料電池のスタック構造体を構成する固体電解質型燃料電池ユニットの他の構成例を示す部分縦断面説明図である。 図１における燃料電池のスタック構造体を構成する固体電解質型燃料電池ユニットの単セルの他の配置パターンを示すセル板の平面説明図（ａ）及び（ｂ）である。 図１における燃料電池の改質器の他の構成例を示す平面説明図である。 図１における燃料電池の改質器のさらに他の構成例を示す平面説明図（ａ）及び図１０（ａ）Ｂ−Ｂ線位置に基づく断面説明図（ｂ）である。 本発明の燃料電池の他の実施例を示す断面説明図である。（実施例２） 図１１における燃料電池に用いる熱交換フィンの全体斜視説明図である。 図１１における燃料電池の燃料ガス及び空気の流れを説明する簡略斜視説明図である。（実施例２） 本発明のさらに他の実施例による燃料電池の燃料ガス及び空気の流れを説明する簡略斜視説明図である。（実施例３）

符号の説明

１ 固体電解質型燃料電池ユニット
２ セル板
３ セパレータ板
６ 単セル
１０ 燃料電池
１１ スタック構造体
１２，１１２ ケース
１２ａ，１１２ａ ガス導入部
１２ｂ，１１２ｂ ガス排出部
４０，１４０，２４０ 改質器
４１，１４１ 改質流路

Claims (7)

1. 燃料ガスを改質する触媒を充填又は担持した改質流路を有する改質器と、
   単セルを保持していると共に上記改質器で改質した燃料ガス及び空気のうちの一方のガスの導入孔及び排出孔を有するセル板と、上記改質器で改質した燃料ガス及び空気のうちの一方のガスの導入孔及び排出孔を有し且つその外縁部をセル板の外縁部に接合させたセパレータ板を具備した固体電解質型燃料電池ユニットを複数積層して成り、導入孔から一方のガスを導入して各固体電解質型燃料電池ユニット内を通して排出孔から排気するスタック構造体と、
   ガス導入部及びガス排出部を具備し且つスタック構造体を収容した状態でガス導入部から上記改質器で改質した燃料ガス及び空気のうちの他方のガスを導入して互いに重なり合う固体電解質型燃料電池ユニット間を通してガス排出部に流すケースを備え、
   上記スタック構造体の複数の固体電解質型燃料電池ユニット内を通過する一方のガスの排気流及びスタック構造体の複数の固体電解質型燃料電池ユニット間を通過する他方のガスの排気流のうちのいずれかの排気流中に改質器を位置させて、該排気流と改質器の改質流路を通過する燃料ガスとの間で熱交換を行わせることを特徴とする燃料電池。
2. 改質器の改質流路を通過する燃料ガスとの間で熱交換を行う排気流が、空気の排気流である請求項１に記載の燃料電池。
3. 改質器の改質流路を通過する燃料ガスとの間で熱交換を行う排気流が、燃料ガスの排気流である請求項１に記載の燃料電池。
4. 一方のガスの排気流及び他方のガスの排気流のうちのいずれかの排気流が改質器を通過する段階の圧力損失が、スタック構造体の複数の固体電解質型燃料電池ユニット間を他方のガスが通過する段階の圧力損失よりも大きい請求項１〜３のいずれか一つの項に記載の燃料電池。
5. スタック構造体の複数の固体電解質型燃料電池ユニットの積層方向と、改質器の改質流路の方向とが互いに平行を成している請求項１〜４のいずれか一つの項に記載の燃料電池。
6. スタック構造体の複数の固体電解質型燃料電池ユニットの積層方向と、改質器の改質流路の方向とが互いに直交している請求項１〜４のいずれか一つの項に記載の燃料電池。
7. 改質器の改質流路に充填又は担持する触媒として、白金と、セリウム，チタン及びニオブのうちの少なくとも一種以上の酸化物と、を含有するエタノール変換触媒を用いる請求項１〜６のいずれか一つの項に記載の燃料電池。

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