平板型固体酸化物形燃料電池スタック及びその燃料欠乏回避方法
【課題】作動時に高温となるセルの燃料欠乏を回避するようにしてなる平板型固体酸化物形燃料電池スタック及びその燃料欠乏回避方法を得る。
【解決手段】複数の平板型固体酸化物形燃料電池セルを積層し、且つ各セルへの燃料分配機構を備えた平板型固体酸化物形燃料電池スタックにおいて、その作動時に高温となるセルへの燃料分配路の流路断面積を他の位置のセルへの燃料分配路の流路断面積と異ならせ、温度分布の不均一に起因して高温となるセルの燃料欠乏を回避するようにしてなることを特徴とする平板型固体酸化物形燃料電池スタック及びその燃料欠乏回避方法。
【解決手段】複数の平板型固体酸化物形燃料電池セルを積層し、且つ各セルへの燃料分配機構を備えた平板型固体酸化物形燃料電池スタックにおいて、その作動時に高温となるセルへの燃料分配路の流路断面積を他の位置のセルへの燃料分配路の流路断面積と異ならせ、温度分布の不均一に起因して高温となるセルの燃料欠乏を回避するようにしてなることを特徴とする平板型固体酸化物形燃料電池スタック及びその燃料欠乏回避方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、平板型固体酸化物形燃料電池スタック及びその燃料欠乏回避方法に関し、より詳しくは、その作動時における燃料欠乏を回避するようにしてなる平板型固体酸化物形燃料電池スタック及びその燃料欠乏回避方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体酸化物形燃料電池〔ＳＯＦＣ（＝Solid Oxide Fuel Cell)：以下適宜“ＳＯＦＣ”と言う〕の一つの形式として平板型ＳＯＦＣがある。平板型ＳＯＦＣには、膜厚の厚いアノードで電解質膜を支持する支持膜式や電解質膜自体でその構造を保持する自立膜式のほか、多孔質の絶縁性支持基体の上に電池を配置した形式なども考えられている。図１８〜２０はそれらの態様例を説明する図である。
【０００３】
図１８は支持膜式のセル１を示す図で、図１８（ａ）は断面図、図１８（ｂ）は斜視図である。電解質膜３はアノード２の上に支持されて配置され、電解質膜３の上にカソード４が配置されて構成される。図１９は自立膜式のセル１を示す図で、膜厚の厚い電解質膜３の下面にアノード２が配置され、電解質膜３の上面にカソード４が配置されて構成される。図２０は、支持基体の上に支持膜式のセルを配置した形式のセル１を示す図で、支持基体５の上に順次、アノード２、電解質３及びカソード４を配置して構成される。
【０００４】
ＳＯＦＣの運転時には、セルのアノード側に燃料を流し、カソード側に酸化剤ガス（空気、酸素富化空気、酸素等。以下代表して“空気”と言う）を流して、両電極を外部負荷に接続することで電力が得られる。ところが、セル一つでは高々０．７〜０．８Ｖ程度の電圧しか得られないので、実用的な電力を得るためにセルとセルをインターコネクタを介して交互に積層配置してスタック化される。
【０００５】
図１はその態様例を説明する図である。スタックを構成する各部材は密に積層されるが、図１ではその配置関係を示すため各部材を間隔を置いて示している。また、図１中セル１が前述図１８〜２０に示す各セル１に相当している。図１のとおり、セル１がインターコネクタ６を介して交互に積層される。最下部のセルの下部と最上部のセルの上部にもそれぞれインターコネクタ７、７′が配置される。
【０００６】
インターコネクタは、隣接するセルを電気的に接続するとともに、カソードとアノードのそれぞれに空気と燃料を分配し供給し排出する役割を果たす部材である。ＳＯＦＣスタックの運転時には、インターコネクタを介してセルのアノード側に燃料を流し、カソード側に空気を流して、両電極間に外部負荷Ｗを接続することで電力が得られる。図１には、燃料と空気が直交流する態様を示しているが、並行流、向流などの態様もとられる。
【０００７】
図２は、図１中のインターコネクタ６を取り出し拡大して示した図で、図１に対応して斜視図として示している。表面及び裏面にそれぞれ複数の凹凸が形成されている。表面の隣合う凸部８間とその底面間に溝９が形成され、溝９が燃料流路９となる。各凸部８の上面と燃料流路９の上面にはセルのアノード面が当接している。また、裏面の隣合う凸部１０とその底面（図２では隣合う凸部１０間の上面）間に溝１１が形成され、溝１１が空気流路１１となる。各凸部１１の下面と空気流路１１の下面にはセルのカソード面が当接している。
【０００８】
インターコネクタには枠体が設けられる。図３はその態様例を示す図である。図３（ａ）のとおり、インターコネクタを囲って枠体１２が設けられる。枠体１２には、燃料供給口１３が設けられ、その反対側には利用済み燃料排出口１５が設けられる。枠体１２は、インターコネクタを囲い、燃料の分配と利用済み燃料を排出する役割を果たし、セルスタックの強度を保持する役割も果たすものである。枠体１２とインターコネクタとは一体に構成してもよく、別個に構成してもよいが、通常ステンレス鋼等により一体に構成される。枠体１２を含めてインターコネクタとも呼ばれる。本明細書においては、適宜、枠体を含めてインターコネクタと言う。
【０００９】
図３（ｂ）のとおり、燃料供給口１３には燃料供給管１４が連結される。Ｓはその空隙である。空隙Ｓは、枠体１２の燃料供給口１３の空隙に連通し、燃料供給管１４の空隙Ｓと燃料供給口１３の空隙とで燃料分配路が構成される。燃料供給口１３の空隙は燃料供給管１４の空隙Ｓと同じであり、当該燃料分配路の空隙Ｓが、後述図９における燃料分配路２２に相当する。燃料供給口１３と相対する側の利用済み燃料排出口１５には燃料排出管１６が連結されている。１８は空気供給管であり、枠体１２に設けられた空気供給口１７に連通している。１９は利用済み空気排出管である。図３（ｃ）は燃料供給管１４、空隙Ｓを含む部分を拡大して示した図である。
【００１０】
図４は、インターコネクタに対するセルの配置関係を説明する図である。図４（ａ）のように、セル１は枠体２０に囲まれ、アノード２が下部になるように配置される。図４（ｂ）は図３（ｂ）のように構成されたインターコネクタ６である。図４（ａ）〜（ｂ）のように、枠体２０に囲まれて配置されたセル１がインターコネクタ６の上に載置される。図４（ｃ）はその載置状態を示した図である。なお、図４には支持膜セルの場合を示しているが、他の形式のセルの場合も同様である。
【００１１】
図５〜６は、図４（ｃ）中Ａ−Ａ線断面図である。図５はその断面を上から見た図、図６はその断面を下から見た図で、燃料の流れ方向を矢印（→）で示している。図５のとおり、燃料は、燃料供給管１４の空隙Ｓを通り、燃料供給口１３を経てマニホールドから各燃料流路９に分配されて流通した後、利用済み燃料としてその排出口１５を経て燃料排出管１６から排出される。また、図６のとおり、その断面を下から見ると、インターコネクタ６の溝すなわち燃料流路を形成する隣合う凸部８間にアノード２の下面が見える。
【００１２】
図７は、前述図１のように、セルとインターコネクタを交互に積層して構成したＳＯＦＣスタックにおける最下部のインターコネクタ７を説明する図である。図７のとおり、最下部のインターコネクタ７は、その上面側に溝すなわち燃料流路９、９、９・・・を有している。そして、燃料流路９、９、９・・・の上面にセルのアノードが当接する。
【００１３】
図８は、前述図１のように、セルとインターコネクタを交互に積層して構成したＳＯＦＣスタックにおける最上部のインターコネクタ７′を説明する図である。図８では、図１に示す配置に対して、上下を逆にして示している。図８のとおり、インターコネクタ７′は溝すなわち空気流路１１、１１、１１・・・を有し、空気流路１１、１１、１１・・・の面にセルのカソードが当接する。図１に示す配置に対して上下を逆にして示しているので、図１に示す配置では空気流路１１、１１、１１・・・の下面にセルのカソードが当接することになる。
【００１４】
図９は、複数個のセルとインターコネクタを図１のように上下に積層配置したＳＯＦＣスタックにおける、燃料分配機構、各セルへの燃料分配路等の関係を説明する図である。
【００１５】
図９中、２１は燃料分配機構、２２は各セルへの燃料分配路、２３、２４は燃料流路部（そのうち２３は、最下部の燃料流路部）、２５は各燃料流路２３、２４からの利用済み燃料排出路、２６は利用済み燃料排出機構である。燃料分配路２２は、図３〜７で言えば燃料供給管１４及び燃料供給口１３の空隙Ｓからなっている。燃料排出路２５は、図３〜７で言えば利用済み燃料排出口１５と燃料排出管１６からなっている。
【００１６】
ここで、燃料流路部２３、２４は、図３〜７に示すように燃料流路すなわち溝９、９、９・・・を有しており、これを具体的に示せば図１０のようになる。すなわち、図１０は、図９に示す燃料流路部２３、２４のうちの一個を取り出し、これに備える溝すなわち燃料流路９、９、９・・・を平面図として示した図である。図１０のとおり、隣合う凸部８間とその底面間に溝９、９、９・・・が形成され、それら溝が燃料流路９、９、９・・・となる。溝すなわち燃料流路９の数は適宜設定される。図１０には関連する燃料分配機構２１、燃料分配路２２、利用済み燃料排出路２５、利用済み燃料排出機構２６を併せて示している。
【００１７】
図１１は、図９における燃料流路部２３、２４とインターコネクタ７、６、７′、セル１等の配置関係を示した図である。図１１のとおり、最下部のインターコネクタ７の燃料流路部２３上にセル１のアノード２が位置し、各インターコネクタ６の燃料流路部２４上に各セル１のアノード２が位置している。最上部のインターコネクタ７′の下面にはセル１のカソード４が位置している。
【００１８】
図９における燃料流路部２３、２４は、以上の構成のうち、最下部のインターコネクタ７と、その上に位置する複数のインターコネクタ６の各溝９すなわち各燃料流路９の部分を“面状”に示したものである。すなわち、図９中図示は省略しているが、図９に示す燃料流路部２３、２４にはそれぞれ各溝９すなわち各燃料流路９を有しており、各燃料流路９間には１０個のセル１が配置され、図１１に示すような構造が介在していることになる。なお、図９にはセル数１０個の場合を示しているが、その数は適宜設定される。
【００１９】
図９において、燃料は、燃料分配機構２１から分岐して、各燃料分配路２２に供給され、図９では燃料流路部２３、２４として示す、各インターコネクタ７、６の各燃料流路９を流通しながら発電に寄与する。利用済み燃料は各排出路２５を経て利用済み燃料排出機構２６から排出される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
ところで、以上のような平板型ＳＯＦＣスタックにおいては、燃料分配機構２１、それから分岐した各セルへの燃料分配路２２、２２、２２・・・へと燃料が均等に分配されるように、各燃料分配路２２の流路を同じ構造、すなわち各燃料分配路２２の流路の形状、寸法等を等しくし、同じ流路断面積としている。
【００２１】
より詳しくは、燃料分配機構２１での圧力損失に対して、各セルへの燃料分配路２２、２２、２２・・・における圧力損失を大きくし、且つ、各燃料分配路２２における圧力損失が等しくなるように各燃料分配路２２の流路を同じ構造、すなわち流路の断面形状、寸法等を等しくしている。
【００２２】
このような流路構造においては、積層セルスタック内の温度分布が一様である場合には、各セルへの燃料が均等ないしほぼ均等に分配される。しかし、積層セルスタック内の温度分布が一様でない場合には、燃料の密度及び粘性（気体である燃料は、より高温になると粘性がより大きくなる）が異なるために、各セルへの燃料分配路２２、２２、２２・・・及び各セルの燃料流路（インターコネクタ７、６で形成された各燃料流路９、９、９・・・）における圧力損失がセル毎に異なり、各セルに供給される燃料の分配が不均一となる。
【００２３】
例えば、平板型ＳＯＦＣスタックにおいては、一般に積層中央部が高温となるため、積層中央部に位置するセルへ供給される燃料流量は他のセルに比べて少なくなる。このため、積層中央部に位置するセルでは燃料が欠乏し、濃度過電圧による電圧低下やアノードの再酸化による破損等を生じる恐れが生じる。
【００２４】
また、平板型ＳＯＦＣスタックは通常断熱容器に収容されるが、その作動時に生成するアノードオフガスとカソードオフガスは断熱容器内で燃焼した後、排出される。その際、燃焼熱、また燃焼ガスの流動方向如何によっては、上記のように積層中央部が高温となるとは限らず、積層上部が高温となるなどの温度分布が生じる場合もある。この場合には、積層上部に位置するセルでは燃料が欠乏し、濃度過電圧による電圧低下やアノードの再酸化による破損等を生じる恐れが生じる。
【００２５】
本発明は、平板型ＳＯＦＣスタックにおけるそのような問題点を解決するためになされたものであり、複数の平板型ＳＯＦＣセルが積層され、且つ各セルへの燃料分配機構を備えた平板型ＳＯＦＣスタックにおいて、例えば積層中央部のセルでの燃料欠乏を回避するようにしてなる平板型ＳＯＦＣスタック及びその燃料欠乏回避方法を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００２６】
本発明は、（１）複数の平板型固体酸化物形燃料電池セルを積層し、且つ各セルへの燃料分配機構を備えた平板型固体酸化物形燃料電池スタックにおいて、その作動時に高温となるセルへの燃料分配路の流路断面積を他の位置のセルへの燃料分配路の流路断面積と異ならせ、温度分布の不均一に起因して高温となるセルの燃料欠乏を回避するようにしてなることを特徴とする平板型固体酸化物形燃料電池スタックを提供する。
【００２７】
本発明は、（２）複数の平板型固体酸化物形燃料電池セルを積層し、且つ各セルへの燃料分配機構を備えた平板型固体酸化物形燃料電池スタックの燃料欠乏回避方法であって、その作動時に高温となるセルへの燃料分配路の流路断面積を他の位置のセルへの燃料分配路の流路断面積と異ならせることにより、温度分布の不均一に起因して高温となるセルの燃料欠乏を回避することを特徴とする平板型固体酸化物形燃料電池スタックの燃料欠乏回避方法を提供する。
【００２８】
本発明は、（３）複数の平板型固体酸化物形燃料電池セルを積層し、且つ各セルへの燃料分配機構を備えた平板型固体酸化物形燃料電池スタックにおいて、その作動時に高温となるセルの電極面積を他の位置のセルの電極面積と異ならせ、温度分布の不均一に起因して高温となるセルの燃料欠乏を回避するようにしてなることを特徴とする平板型固体酸化物形燃料電池スタックを提供する。
【００２９】
本発明は、（４）複数の平板型固体酸化物形燃料電池セルを積層し、且つ各セルへの燃料分配機構を備えた平板型固体酸化物形燃料電池スタックの燃料欠乏回避方法であって、その作動時に高温となるセルの電極面積を他の位置のセルの電極面積と異ならせることにより、その運転時に、温度分布の不均一に起因して高温となるセルの燃料欠乏を回避することを特徴とする平板型固体酸化物形燃料電池スタックの燃料欠乏回避方法を提供する。
【００３０】
これらのうち、本発明（３）〜（４）は、各セルへの燃料の分配が不均一であっても、例えば積層中央部のセルへの燃料分配量が少なくても、燃料分配量の少ない積層中央部のセルの電極面積を大きくすることによって、電流密度を下げることで燃料欠乏を回避するようにした平板型固体酸化物形燃料電池スタック及びその燃料欠乏回避方法である。
【発明の効果】
【００３１】
本発明によれば、複数の平板型ＳＯＦＣセルを積層した平板型ＳＯＦＣスタックにおいて、その運転時に、温度分布の不均一に起因するセルの燃料欠乏を回避することができる。これにより、アノード中の触媒金属、例えばＮｉの酸化に伴って起こるアノードの破損を防止し、平板型ＳＯＦＣスタックを長期間にわたり安全に運転することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
以下、本発明の形態、具体的態様について順次説明する。
【００３３】
〈平板型ＳＯＦＣスタックの各セルへの燃料分配路の流路断面積を異ならせる態様〉
本発明（１）〜（２）に係る平板型ＳＯＦＣスタックの各セルへの燃料分配路の流路断面積を異ならせる態様として、以下（Ａ）〜（Ｃ）のような態様をとることができる。なお、以下では積層中央部が高温となる場合を例に記載しているが、前述のように積層上部が高温となる場合などについても同様である。
【００３４】
（Ａ） 作動時の温度が最も高いセルへの燃料分配路の流路断面積を最も大きくし、それより漸次温度の低い各セルへの燃料分配路の流路断面積を漸次小さくする。一例として、作動時の温度が最も高い積層中央部のセルへの燃料分配路の流路断面積を最も大きくし、その上方に位置する漸次温度の低い各セルへの燃料分配路の流路断面積を漸次小さくし、その下方に位置する漸次温度の低い各セルへの燃料分配路の流路断面積を漸次小さくする。
【００３５】
（Ｂ） 作動時の温度が最も高い複数のセルへの燃料分配路の流路断面積を最も大きくし、それより温度の低い複数のセルへの燃料分配路の流路断面積を小さくし、それより温度の低い複数のセルへの燃料分配路の流路断面積を小さくするというように、作動時の温度高低に対応してセルグループ単位でセルへの燃料分配路の流路断面積を異ならせる。
【００３６】
（Ｃ） （Ｂ）の態様のように、複数のセルをグループ単位でセルへの燃料分配路の流路断面積を異ならせるのに代えて、セルグループ単位とセル単位とで交互にセルへの燃料分配路の流路断面積を異ならせる。一例として、作動時の温度が最も高い積層中央部の複数のセル（セルグループ）のセルへの燃料分配路の流路断面積を最も大きくし、その上方に順次位置する各セルへの燃料分配路の流路断面積を漸次小さくし、その下方に順次位置する各セルへの燃料分配路の流路断面積を漸次小さくする。
【００３７】
〈積層中央部のセルへの燃料分配路の流路断面積を大きくする態様〉
平板型ＳＯＦＣスタックの各セルへの燃料分配路の流路断面積を異ならせる態様の一つとして、積層中央部のセルへの燃料分配路の流路断面積を大きくする。図１２は、図９〜１１のようなＳＯＦＣスタックにおいて、各セル間で温度分布が無い場合と有る場合における各セルのアノードへの燃料の質量流量を示した図である。図１２における横軸はセル番号であり、セル番号は、図９中１０個のセルについて上部から下部へ付した番号である。図１２における縦軸は燃料の質量流量であり、その流量は、均等分配された場合に１セルに分配される流量で、無次元化してある。
【００３８】
図１２のとおり、積層された各セル間で温度分布がない場合（図１２中“●温度分布なし”の場合）には、各セルにほぼ均等に燃料が分配されている。これに対して、積層された各セル間で温度分布がある場合（図１２中“○温度分布あり”の場合）には、各セルのうち積層中央部のセルへの燃料流量は少なくなっている。これは、温度が高くなることにより、燃料が流れにくくなることによるものである。
【００３９】
そこで、本発明においては、作動時に温度が高くなり、燃料が流れにくくなる積層中央部のセルへの燃料分配路及びセル内の燃料流路における圧力損失を他のセルのそれに比べて小さくする構造とする。具体的には、積層中央部のセルへの燃料分配路の流路断面積を他のセルへの燃料分配路の流路断面積に比べて大きくする。図９で言えば、積層中央部の４個のセルへの各燃料分配路２２の流路断面積を、その上下の６個のセルへの各燃料分配路２２の流路断面積より大きくする。
【００４０】
図１３〜１４はこの態様を説明する図である。図１３のとおり、積層中央部の４個のセルへの各燃料流路２２を大きくする。前述図３（ａ）〜（ｃ）で言えば、燃料分配路を構成している燃料供給管１４の空隙Ｓと燃料供給口１３の断面の形状、寸法を大きくする。これに対して、図１４のとおり、他のセルすなわち中央部の４個のセル以外の６個のセルへの各燃料分配路２２の形状、寸法は相対的に小さくする。このような構造とすることにより、積層中央部のセルへ分配される燃料量が減少することを防ぐことができ、濃度過電圧による電圧低下やアノードの酸化による破損等の発生を低減することができる。
【００４１】
図１５は、図１３〜１４のように積層中央部のセルへの燃料分配路の流路断面積を大きくし、その他のセルへの燃料分配路の流路断面積を小さくした場合における、各セルのアノードへの燃料の質量流量を示した図である。図１２と同様、図１５における燃料の質量流量は無次元化した値である。図１５における横軸のセル番号は、図９中１０個のセルについて上部から下部へ付けた番号である。
【００４２】
図１５のとおり、積層された各セル間で温度分布がなく、燃料分配路の流路断面積調整のない場合（図１５中“●温度分布なし、燃料分岐路の流路面積調整なし”の場合）には、燃料は各セルにほぼ均等に分配されている。また、積層された各セル間で温度分布があり、燃料分配路の流路断面積調整のない場合（図１５中“○温度分布あり、燃料分岐路の流路面積調整なし”の場合）には、各セルのうち積層中央部のセルへの燃料流量は少なくなっている。これは温度が高くなることにより、燃料が流れにくくなることによるものである。
【００４３】
これに対して、積層された各セル間で温度分布があり、本発明による燃料分配路の流路断面積調整がある場合（図１５中“□温度分布あり、燃料分岐路の流路面積調整あり”の場合）には、各セルのうち積層中央部のセルへの燃料流量は平均値に近づき、燃料分配は均等化の方向へと改善されている。
【００４４】
〈平板型ＳＯＦＣスタックの各セルの電極面積を異ならせる態様〉
本発明（３）〜（４）に係る平板型ＳＯＦＣスタックの各セルの電極面積を異ならせる態様として、以下（ａ）〜（ｃ）のような態様をとることができる。
【００４５】
（ａ） 作動時の温度が最も高いセルの電極面積を最も大きくし、それより漸次温度の低い各セルの電極面積を漸次小さくする。一例として、作動時の温度が最も高い積層中央部のセルの電極面積を最も大きくし、その上方に位置する漸次温度の低い各セルの電極面積を漸次小さくし、その下方に位置する漸次温度の低い各セルの電極面積を漸次小さくする。
【００４６】
（ｂ） 作動時の温度が最も高い複数のセルの電極面積を最も大きくし、それより温度の低い複数のセルの電極面積を小さくし、それより温度の低い複数のセルの電極面積をそれより小さくするというように、作動時の温度高低に対応してセルグループ単位でセルの電極面積を異ならせる。
【００４７】
（ｃ） （ｂ）の態様のように、すべて複数のセルのグループ単位でセルの電極面積を異ならせるのに代えて、セルグループ単位とセル単位とで交互にセルの電極面積を異ならせる。一例として、作動時の温度が最も高い積層中央部の複数のセル（セルグループ）のセルの電極面積を最も大きくし、その上方に順次位置する各セルの電極面積を漸次小さくし、その下方に順次位置する各セルの電極面積を漸次小さくする。
【００４８】
〈積層中央部のセルの電極面積を大きくする態様〉
平板型ＳＯＦＣスタックの各セルの電極面積を異ならせる態様の一つとして、積層セルスタックにおいて温度が高くなり、燃料が流れ難くなる積層中央部のセルの電極面積を大きくした構造とする。発電に寄与するＳＯＦＣセルの面積、すなわち発電に係わるセルの実質面積は、アノード、電解質及びカソードの各層のうち、その面積が最小の層の面積で決まる。そこで、本態様においては、積層中央部のセルの電極の面積を他のセルのその面積に比べて大きくする。
【００４９】
図１６〜１７はこの態様を説明する図である。図１６のとおり、積層中央部の４個のセルの電極面積を大きくする。面積を小さくする電極はアノード及びカソードのうち少なくとも一方、すなわちアノードでも、カソードでもよく、その両者でもよい。これに対して、図１７のとおり、他のセルすなわち中央部の４個のセル以外の６個のセルの電極面積を相対的に小さくする。このような構造とすることにより、積層中央部のセルにおける電流密度を低下させることができ、濃度過電圧による電圧低下やアノードの酸化による破損等の発生を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】複数個の固体酸化物形燃料電池セルを積層配置してスタック化する態様を説明する図
【図２】図１中のインターコネクタ６を取り出し拡大して示した図
【図３】インターコネクタ、枠体、燃料供給管等の配置関係を説明する図
【図４】インターコネクタに対するセルの配置関係を説明する図
【図５】図４（ｃ）中Ａ−Ａ線断面図で、その断面を上から見た図（平面図）
【図６】図４（ｃ）中Ａ−Ａ線断面図で、その断面を下から見た図（平面図）
【図７】図１のようにセルとインターコネクタを交互に積層して構成したＳＯＦＣスタックにおける最下部のインターコネクタ７を説明する図
【図８】図１のようにセルとインターコネクタを交互に積層して構成したＳＯＦＣスタックにおける最上部のインターコネクタ７′を説明する図
【図９】複数個のセルとインターコネクタを図１のように上下に積層配置したＳＯＦＣスタックにおける燃料分配機構と各セルへの燃料分配路の関係を説明する図
【図１０】図９に示す燃料流路部２３、２４における溝すなわち燃料流路９、９、９・・・を示した図（平面図）
【図１１】図９における燃料流路部２３、２４と、インターコネクタ７、６、７′、セル１等の配置関係を示した図
【図１２】例えば図９〜１１のようなＳＯＦＣスタックにおいて、各セル間で温度分布が無い場合と有る場合における各セルのアノードへの燃料の質量流量を示した図
【図１３】積層中央部のセルと他のセルとの流路断面積を異ならせる態様例を説明する図
【図１４】積層中央部のセルと他のセルとの流路断面積を異ならせる態様例を説明する図
【図１５】図１３〜１４のように積層中央部のセルの流路断面積を大きくし、他のセルの流路断面積を小さくし場合における各セルのアノードへの燃料の質量流量を示した図
【図１６】積層中央部のセルと他のセルとの電極面積を異ならせる態様例を説明する図
【図１７】積層中央部のセルと他のセルとの電極面積を異ならせる態様例を説明する図
【図１８】固体酸化物形燃料電池セルの態様例を説明する図
【図１９】固体酸化物形燃料電池セルの態様例を説明する図
【図２０】固体酸化物形燃料電池セルの態様例を説明する図
【符号の説明】
【００５１】
１ ＳＯＦＣセル
２ アノード
３ 電解質
４ カソード
５ 支持基体
６、７、７′ インターコネクタ
８、１０ 凸部
９ 溝すなわち燃料流路
１１ 溝すなわち空気流路
１２、２０ 枠体
１３ 燃料供給口
１４ 燃料供給管
Ｓ 空隙
１５ 利用済み燃料排出口
１６ 利用済み燃料排出管
１７ 空気供給口
１８ 空気供給管
１９ 利用済み空気排出管
２１ インターコネクタ６、７への燃料分配機構
２２ 燃料分配路
２３ 燃料流路部（最下部のインターコネクタ７）
２４ 燃料流路部（インターコネクタ６）
２５ 利用済み燃料排出路
２６ 利用済み燃料排出機構
【技術分野】
【０００１】
本発明は、平板型固体酸化物形燃料電池スタック及びその燃料欠乏回避方法に関し、より詳しくは、その作動時における燃料欠乏を回避するようにしてなる平板型固体酸化物形燃料電池スタック及びその燃料欠乏回避方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体酸化物形燃料電池〔ＳＯＦＣ（＝Solid Oxide Fuel Cell)：以下適宜“ＳＯＦＣ”と言う〕の一つの形式として平板型ＳＯＦＣがある。平板型ＳＯＦＣには、膜厚の厚いアノードで電解質膜を支持する支持膜式や電解質膜自体でその構造を保持する自立膜式のほか、多孔質の絶縁性支持基体の上に電池を配置した形式なども考えられている。図１８〜２０はそれらの態様例を説明する図である。
【０００３】
図１８は支持膜式のセル１を示す図で、図１８（ａ）は断面図、図１８（ｂ）は斜視図である。電解質膜３はアノード２の上に支持されて配置され、電解質膜３の上にカソード４が配置されて構成される。図１９は自立膜式のセル１を示す図で、膜厚の厚い電解質膜３の下面にアノード２が配置され、電解質膜３の上面にカソード４が配置されて構成される。図２０は、支持基体の上に支持膜式のセルを配置した形式のセル１を示す図で、支持基体５の上に順次、アノード２、電解質３及びカソード４を配置して構成される。
【０００４】
ＳＯＦＣの運転時には、セルのアノード側に燃料を流し、カソード側に酸化剤ガス（空気、酸素富化空気、酸素等。以下代表して“空気”と言う）を流して、両電極を外部負荷に接続することで電力が得られる。ところが、セル一つでは高々０．７〜０．８Ｖ程度の電圧しか得られないので、実用的な電力を得るためにセルとセルをインターコネクタを介して交互に積層配置してスタック化される。
【０００５】
図１はその態様例を説明する図である。スタックを構成する各部材は密に積層されるが、図１ではその配置関係を示すため各部材を間隔を置いて示している。また、図１中セル１が前述図１８〜２０に示す各セル１に相当している。図１のとおり、セル１がインターコネクタ６を介して交互に積層される。最下部のセルの下部と最上部のセルの上部にもそれぞれインターコネクタ７、７′が配置される。
【０００６】
インターコネクタは、隣接するセルを電気的に接続するとともに、カソードとアノードのそれぞれに空気と燃料を分配し供給し排出する役割を果たす部材である。ＳＯＦＣスタックの運転時には、インターコネクタを介してセルのアノード側に燃料を流し、カソード側に空気を流して、両電極間に外部負荷Ｗを接続することで電力が得られる。図１には、燃料と空気が直交流する態様を示しているが、並行流、向流などの態様もとられる。
【０００７】
図２は、図１中のインターコネクタ６を取り出し拡大して示した図で、図１に対応して斜視図として示している。表面及び裏面にそれぞれ複数の凹凸が形成されている。表面の隣合う凸部８間とその底面間に溝９が形成され、溝９が燃料流路９となる。各凸部８の上面と燃料流路９の上面にはセルのアノード面が当接している。また、裏面の隣合う凸部１０とその底面（図２では隣合う凸部１０間の上面）間に溝１１が形成され、溝１１が空気流路１１となる。各凸部１１の下面と空気流路１１の下面にはセルのカソード面が当接している。
【０００８】
インターコネクタには枠体が設けられる。図３はその態様例を示す図である。図３（ａ）のとおり、インターコネクタを囲って枠体１２が設けられる。枠体１２には、燃料供給口１３が設けられ、その反対側には利用済み燃料排出口１５が設けられる。枠体１２は、インターコネクタを囲い、燃料の分配と利用済み燃料を排出する役割を果たし、セルスタックの強度を保持する役割も果たすものである。枠体１２とインターコネクタとは一体に構成してもよく、別個に構成してもよいが、通常ステンレス鋼等により一体に構成される。枠体１２を含めてインターコネクタとも呼ばれる。本明細書においては、適宜、枠体を含めてインターコネクタと言う。
【０００９】
図３（ｂ）のとおり、燃料供給口１３には燃料供給管１４が連結される。Ｓはその空隙である。空隙Ｓは、枠体１２の燃料供給口１３の空隙に連通し、燃料供給管１４の空隙Ｓと燃料供給口１３の空隙とで燃料分配路が構成される。燃料供給口１３の空隙は燃料供給管１４の空隙Ｓと同じであり、当該燃料分配路の空隙Ｓが、後述図９における燃料分配路２２に相当する。燃料供給口１３と相対する側の利用済み燃料排出口１５には燃料排出管１６が連結されている。１８は空気供給管であり、枠体１２に設けられた空気供給口１７に連通している。１９は利用済み空気排出管である。図３（ｃ）は燃料供給管１４、空隙Ｓを含む部分を拡大して示した図である。
【００１０】
図４は、インターコネクタに対するセルの配置関係を説明する図である。図４（ａ）のように、セル１は枠体２０に囲まれ、アノード２が下部になるように配置される。図４（ｂ）は図３（ｂ）のように構成されたインターコネクタ６である。図４（ａ）〜（ｂ）のように、枠体２０に囲まれて配置されたセル１がインターコネクタ６の上に載置される。図４（ｃ）はその載置状態を示した図である。なお、図４には支持膜セルの場合を示しているが、他の形式のセルの場合も同様である。
【００１１】
図５〜６は、図４（ｃ）中Ａ−Ａ線断面図である。図５はその断面を上から見た図、図６はその断面を下から見た図で、燃料の流れ方向を矢印（→）で示している。図５のとおり、燃料は、燃料供給管１４の空隙Ｓを通り、燃料供給口１３を経てマニホールドから各燃料流路９に分配されて流通した後、利用済み燃料としてその排出口１５を経て燃料排出管１６から排出される。また、図６のとおり、その断面を下から見ると、インターコネクタ６の溝すなわち燃料流路を形成する隣合う凸部８間にアノード２の下面が見える。
【００１２】
図７は、前述図１のように、セルとインターコネクタを交互に積層して構成したＳＯＦＣスタックにおける最下部のインターコネクタ７を説明する図である。図７のとおり、最下部のインターコネクタ７は、その上面側に溝すなわち燃料流路９、９、９・・・を有している。そして、燃料流路９、９、９・・・の上面にセルのアノードが当接する。
【００１３】
図８は、前述図１のように、セルとインターコネクタを交互に積層して構成したＳＯＦＣスタックにおける最上部のインターコネクタ７′を説明する図である。図８では、図１に示す配置に対して、上下を逆にして示している。図８のとおり、インターコネクタ７′は溝すなわち空気流路１１、１１、１１・・・を有し、空気流路１１、１１、１１・・・の面にセルのカソードが当接する。図１に示す配置に対して上下を逆にして示しているので、図１に示す配置では空気流路１１、１１、１１・・・の下面にセルのカソードが当接することになる。
【００１４】
図９は、複数個のセルとインターコネクタを図１のように上下に積層配置したＳＯＦＣスタックにおける、燃料分配機構、各セルへの燃料分配路等の関係を説明する図である。
【００１５】
図９中、２１は燃料分配機構、２２は各セルへの燃料分配路、２３、２４は燃料流路部（そのうち２３は、最下部の燃料流路部）、２５は各燃料流路２３、２４からの利用済み燃料排出路、２６は利用済み燃料排出機構である。燃料分配路２２は、図３〜７で言えば燃料供給管１４及び燃料供給口１３の空隙Ｓからなっている。燃料排出路２５は、図３〜７で言えば利用済み燃料排出口１５と燃料排出管１６からなっている。
【００１６】
ここで、燃料流路部２３、２４は、図３〜７に示すように燃料流路すなわち溝９、９、９・・・を有しており、これを具体的に示せば図１０のようになる。すなわち、図１０は、図９に示す燃料流路部２３、２４のうちの一個を取り出し、これに備える溝すなわち燃料流路９、９、９・・・を平面図として示した図である。図１０のとおり、隣合う凸部８間とその底面間に溝９、９、９・・・が形成され、それら溝が燃料流路９、９、９・・・となる。溝すなわち燃料流路９の数は適宜設定される。図１０には関連する燃料分配機構２１、燃料分配路２２、利用済み燃料排出路２５、利用済み燃料排出機構２６を併せて示している。
【００１７】
図１１は、図９における燃料流路部２３、２４とインターコネクタ７、６、７′、セル１等の配置関係を示した図である。図１１のとおり、最下部のインターコネクタ７の燃料流路部２３上にセル１のアノード２が位置し、各インターコネクタ６の燃料流路部２４上に各セル１のアノード２が位置している。最上部のインターコネクタ７′の下面にはセル１のカソード４が位置している。
【００１８】
図９における燃料流路部２３、２４は、以上の構成のうち、最下部のインターコネクタ７と、その上に位置する複数のインターコネクタ６の各溝９すなわち各燃料流路９の部分を“面状”に示したものである。すなわち、図９中図示は省略しているが、図９に示す燃料流路部２３、２４にはそれぞれ各溝９すなわち各燃料流路９を有しており、各燃料流路９間には１０個のセル１が配置され、図１１に示すような構造が介在していることになる。なお、図９にはセル数１０個の場合を示しているが、その数は適宜設定される。
【００１９】
図９において、燃料は、燃料分配機構２１から分岐して、各燃料分配路２２に供給され、図９では燃料流路部２３、２４として示す、各インターコネクタ７、６の各燃料流路９を流通しながら発電に寄与する。利用済み燃料は各排出路２５を経て利用済み燃料排出機構２６から排出される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
ところで、以上のような平板型ＳＯＦＣスタックにおいては、燃料分配機構２１、それから分岐した各セルへの燃料分配路２２、２２、２２・・・へと燃料が均等に分配されるように、各燃料分配路２２の流路を同じ構造、すなわち各燃料分配路２２の流路の形状、寸法等を等しくし、同じ流路断面積としている。
【００２１】
より詳しくは、燃料分配機構２１での圧力損失に対して、各セルへの燃料分配路２２、２２、２２・・・における圧力損失を大きくし、且つ、各燃料分配路２２における圧力損失が等しくなるように各燃料分配路２２の流路を同じ構造、すなわち流路の断面形状、寸法等を等しくしている。
【００２２】
このような流路構造においては、積層セルスタック内の温度分布が一様である場合には、各セルへの燃料が均等ないしほぼ均等に分配される。しかし、積層セルスタック内の温度分布が一様でない場合には、燃料の密度及び粘性（気体である燃料は、より高温になると粘性がより大きくなる）が異なるために、各セルへの燃料分配路２２、２２、２２・・・及び各セルの燃料流路（インターコネクタ７、６で形成された各燃料流路９、９、９・・・）における圧力損失がセル毎に異なり、各セルに供給される燃料の分配が不均一となる。
【００２３】
例えば、平板型ＳＯＦＣスタックにおいては、一般に積層中央部が高温となるため、積層中央部に位置するセルへ供給される燃料流量は他のセルに比べて少なくなる。このため、積層中央部に位置するセルでは燃料が欠乏し、濃度過電圧による電圧低下やアノードの再酸化による破損等を生じる恐れが生じる。
【００２４】
また、平板型ＳＯＦＣスタックは通常断熱容器に収容されるが、その作動時に生成するアノードオフガスとカソードオフガスは断熱容器内で燃焼した後、排出される。その際、燃焼熱、また燃焼ガスの流動方向如何によっては、上記のように積層中央部が高温となるとは限らず、積層上部が高温となるなどの温度分布が生じる場合もある。この場合には、積層上部に位置するセルでは燃料が欠乏し、濃度過電圧による電圧低下やアノードの再酸化による破損等を生じる恐れが生じる。
【００２５】
本発明は、平板型ＳＯＦＣスタックにおけるそのような問題点を解決するためになされたものであり、複数の平板型ＳＯＦＣセルが積層され、且つ各セルへの燃料分配機構を備えた平板型ＳＯＦＣスタックにおいて、例えば積層中央部のセルでの燃料欠乏を回避するようにしてなる平板型ＳＯＦＣスタック及びその燃料欠乏回避方法を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００２６】
本発明は、（１）複数の平板型固体酸化物形燃料電池セルを積層し、且つ各セルへの燃料分配機構を備えた平板型固体酸化物形燃料電池スタックにおいて、その作動時に高温となるセルへの燃料分配路の流路断面積を他の位置のセルへの燃料分配路の流路断面積と異ならせ、温度分布の不均一に起因して高温となるセルの燃料欠乏を回避するようにしてなることを特徴とする平板型固体酸化物形燃料電池スタックを提供する。
【００２７】
本発明は、（２）複数の平板型固体酸化物形燃料電池セルを積層し、且つ各セルへの燃料分配機構を備えた平板型固体酸化物形燃料電池スタックの燃料欠乏回避方法であって、その作動時に高温となるセルへの燃料分配路の流路断面積を他の位置のセルへの燃料分配路の流路断面積と異ならせることにより、温度分布の不均一に起因して高温となるセルの燃料欠乏を回避することを特徴とする平板型固体酸化物形燃料電池スタックの燃料欠乏回避方法を提供する。
【００２８】
本発明は、（３）複数の平板型固体酸化物形燃料電池セルを積層し、且つ各セルへの燃料分配機構を備えた平板型固体酸化物形燃料電池スタックにおいて、その作動時に高温となるセルの電極面積を他の位置のセルの電極面積と異ならせ、温度分布の不均一に起因して高温となるセルの燃料欠乏を回避するようにしてなることを特徴とする平板型固体酸化物形燃料電池スタックを提供する。
【００２９】
本発明は、（４）複数の平板型固体酸化物形燃料電池セルを積層し、且つ各セルへの燃料分配機構を備えた平板型固体酸化物形燃料電池スタックの燃料欠乏回避方法であって、その作動時に高温となるセルの電極面積を他の位置のセルの電極面積と異ならせることにより、その運転時に、温度分布の不均一に起因して高温となるセルの燃料欠乏を回避することを特徴とする平板型固体酸化物形燃料電池スタックの燃料欠乏回避方法を提供する。
【００３０】
これらのうち、本発明（３）〜（４）は、各セルへの燃料の分配が不均一であっても、例えば積層中央部のセルへの燃料分配量が少なくても、燃料分配量の少ない積層中央部のセルの電極面積を大きくすることによって、電流密度を下げることで燃料欠乏を回避するようにした平板型固体酸化物形燃料電池スタック及びその燃料欠乏回避方法である。
【発明の効果】
【００３１】
本発明によれば、複数の平板型ＳＯＦＣセルを積層した平板型ＳＯＦＣスタックにおいて、その運転時に、温度分布の不均一に起因するセルの燃料欠乏を回避することができる。これにより、アノード中の触媒金属、例えばＮｉの酸化に伴って起こるアノードの破損を防止し、平板型ＳＯＦＣスタックを長期間にわたり安全に運転することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
以下、本発明の形態、具体的態様について順次説明する。
【００３３】
〈平板型ＳＯＦＣスタックの各セルへの燃料分配路の流路断面積を異ならせる態様〉
本発明（１）〜（２）に係る平板型ＳＯＦＣスタックの各セルへの燃料分配路の流路断面積を異ならせる態様として、以下（Ａ）〜（Ｃ）のような態様をとることができる。なお、以下では積層中央部が高温となる場合を例に記載しているが、前述のように積層上部が高温となる場合などについても同様である。
【００３４】
（Ａ） 作動時の温度が最も高いセルへの燃料分配路の流路断面積を最も大きくし、それより漸次温度の低い各セルへの燃料分配路の流路断面積を漸次小さくする。一例として、作動時の温度が最も高い積層中央部のセルへの燃料分配路の流路断面積を最も大きくし、その上方に位置する漸次温度の低い各セルへの燃料分配路の流路断面積を漸次小さくし、その下方に位置する漸次温度の低い各セルへの燃料分配路の流路断面積を漸次小さくする。
【００３５】
（Ｂ） 作動時の温度が最も高い複数のセルへの燃料分配路の流路断面積を最も大きくし、それより温度の低い複数のセルへの燃料分配路の流路断面積を小さくし、それより温度の低い複数のセルへの燃料分配路の流路断面積を小さくするというように、作動時の温度高低に対応してセルグループ単位でセルへの燃料分配路の流路断面積を異ならせる。
【００３６】
（Ｃ） （Ｂ）の態様のように、複数のセルをグループ単位でセルへの燃料分配路の流路断面積を異ならせるのに代えて、セルグループ単位とセル単位とで交互にセルへの燃料分配路の流路断面積を異ならせる。一例として、作動時の温度が最も高い積層中央部の複数のセル（セルグループ）のセルへの燃料分配路の流路断面積を最も大きくし、その上方に順次位置する各セルへの燃料分配路の流路断面積を漸次小さくし、その下方に順次位置する各セルへの燃料分配路の流路断面積を漸次小さくする。
【００３７】
〈積層中央部のセルへの燃料分配路の流路断面積を大きくする態様〉
平板型ＳＯＦＣスタックの各セルへの燃料分配路の流路断面積を異ならせる態様の一つとして、積層中央部のセルへの燃料分配路の流路断面積を大きくする。図１２は、図９〜１１のようなＳＯＦＣスタックにおいて、各セル間で温度分布が無い場合と有る場合における各セルのアノードへの燃料の質量流量を示した図である。図１２における横軸はセル番号であり、セル番号は、図９中１０個のセルについて上部から下部へ付した番号である。図１２における縦軸は燃料の質量流量であり、その流量は、均等分配された場合に１セルに分配される流量で、無次元化してある。
【００３８】
図１２のとおり、積層された各セル間で温度分布がない場合（図１２中“●温度分布なし”の場合）には、各セルにほぼ均等に燃料が分配されている。これに対して、積層された各セル間で温度分布がある場合（図１２中“○温度分布あり”の場合）には、各セルのうち積層中央部のセルへの燃料流量は少なくなっている。これは、温度が高くなることにより、燃料が流れにくくなることによるものである。
【００３９】
そこで、本発明においては、作動時に温度が高くなり、燃料が流れにくくなる積層中央部のセルへの燃料分配路及びセル内の燃料流路における圧力損失を他のセルのそれに比べて小さくする構造とする。具体的には、積層中央部のセルへの燃料分配路の流路断面積を他のセルへの燃料分配路の流路断面積に比べて大きくする。図９で言えば、積層中央部の４個のセルへの各燃料分配路２２の流路断面積を、その上下の６個のセルへの各燃料分配路２２の流路断面積より大きくする。
【００４０】
図１３〜１４はこの態様を説明する図である。図１３のとおり、積層中央部の４個のセルへの各燃料流路２２を大きくする。前述図３（ａ）〜（ｃ）で言えば、燃料分配路を構成している燃料供給管１４の空隙Ｓと燃料供給口１３の断面の形状、寸法を大きくする。これに対して、図１４のとおり、他のセルすなわち中央部の４個のセル以外の６個のセルへの各燃料分配路２２の形状、寸法は相対的に小さくする。このような構造とすることにより、積層中央部のセルへ分配される燃料量が減少することを防ぐことができ、濃度過電圧による電圧低下やアノードの酸化による破損等の発生を低減することができる。
【００４１】
図１５は、図１３〜１４のように積層中央部のセルへの燃料分配路の流路断面積を大きくし、その他のセルへの燃料分配路の流路断面積を小さくした場合における、各セルのアノードへの燃料の質量流量を示した図である。図１２と同様、図１５における燃料の質量流量は無次元化した値である。図１５における横軸のセル番号は、図９中１０個のセルについて上部から下部へ付けた番号である。
【００４２】
図１５のとおり、積層された各セル間で温度分布がなく、燃料分配路の流路断面積調整のない場合（図１５中“●温度分布なし、燃料分岐路の流路面積調整なし”の場合）には、燃料は各セルにほぼ均等に分配されている。また、積層された各セル間で温度分布があり、燃料分配路の流路断面積調整のない場合（図１５中“○温度分布あり、燃料分岐路の流路面積調整なし”の場合）には、各セルのうち積層中央部のセルへの燃料流量は少なくなっている。これは温度が高くなることにより、燃料が流れにくくなることによるものである。
【００４３】
これに対して、積層された各セル間で温度分布があり、本発明による燃料分配路の流路断面積調整がある場合（図１５中“□温度分布あり、燃料分岐路の流路面積調整あり”の場合）には、各セルのうち積層中央部のセルへの燃料流量は平均値に近づき、燃料分配は均等化の方向へと改善されている。
【００４４】
〈平板型ＳＯＦＣスタックの各セルの電極面積を異ならせる態様〉
本発明（３）〜（４）に係る平板型ＳＯＦＣスタックの各セルの電極面積を異ならせる態様として、以下（ａ）〜（ｃ）のような態様をとることができる。
【００４５】
（ａ） 作動時の温度が最も高いセルの電極面積を最も大きくし、それより漸次温度の低い各セルの電極面積を漸次小さくする。一例として、作動時の温度が最も高い積層中央部のセルの電極面積を最も大きくし、その上方に位置する漸次温度の低い各セルの電極面積を漸次小さくし、その下方に位置する漸次温度の低い各セルの電極面積を漸次小さくする。
【００４６】
（ｂ） 作動時の温度が最も高い複数のセルの電極面積を最も大きくし、それより温度の低い複数のセルの電極面積を小さくし、それより温度の低い複数のセルの電極面積をそれより小さくするというように、作動時の温度高低に対応してセルグループ単位でセルの電極面積を異ならせる。
【００４７】
（ｃ） （ｂ）の態様のように、すべて複数のセルのグループ単位でセルの電極面積を異ならせるのに代えて、セルグループ単位とセル単位とで交互にセルの電極面積を異ならせる。一例として、作動時の温度が最も高い積層中央部の複数のセル（セルグループ）のセルの電極面積を最も大きくし、その上方に順次位置する各セルの電極面積を漸次小さくし、その下方に順次位置する各セルの電極面積を漸次小さくする。
【００４８】
〈積層中央部のセルの電極面積を大きくする態様〉
平板型ＳＯＦＣスタックの各セルの電極面積を異ならせる態様の一つとして、積層セルスタックにおいて温度が高くなり、燃料が流れ難くなる積層中央部のセルの電極面積を大きくした構造とする。発電に寄与するＳＯＦＣセルの面積、すなわち発電に係わるセルの実質面積は、アノード、電解質及びカソードの各層のうち、その面積が最小の層の面積で決まる。そこで、本態様においては、積層中央部のセルの電極の面積を他のセルのその面積に比べて大きくする。
【００４９】
図１６〜１７はこの態様を説明する図である。図１６のとおり、積層中央部の４個のセルの電極面積を大きくする。面積を小さくする電極はアノード及びカソードのうち少なくとも一方、すなわちアノードでも、カソードでもよく、その両者でもよい。これに対して、図１７のとおり、他のセルすなわち中央部の４個のセル以外の６個のセルの電極面積を相対的に小さくする。このような構造とすることにより、積層中央部のセルにおける電流密度を低下させることができ、濃度過電圧による電圧低下やアノードの酸化による破損等の発生を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】複数個の固体酸化物形燃料電池セルを積層配置してスタック化する態様を説明する図
【図２】図１中のインターコネクタ６を取り出し拡大して示した図
【図３】インターコネクタ、枠体、燃料供給管等の配置関係を説明する図
【図４】インターコネクタに対するセルの配置関係を説明する図
【図５】図４（ｃ）中Ａ−Ａ線断面図で、その断面を上から見た図（平面図）
【図６】図４（ｃ）中Ａ−Ａ線断面図で、その断面を下から見た図（平面図）
【図７】図１のようにセルとインターコネクタを交互に積層して構成したＳＯＦＣスタックにおける最下部のインターコネクタ７を説明する図
【図８】図１のようにセルとインターコネクタを交互に積層して構成したＳＯＦＣスタックにおける最上部のインターコネクタ７′を説明する図
【図９】複数個のセルとインターコネクタを図１のように上下に積層配置したＳＯＦＣスタックにおける燃料分配機構と各セルへの燃料分配路の関係を説明する図
【図１０】図９に示す燃料流路部２３、２４における溝すなわち燃料流路９、９、９・・・を示した図（平面図）
【図１１】図９における燃料流路部２３、２４と、インターコネクタ７、６、７′、セル１等の配置関係を示した図
【図１２】例えば図９〜１１のようなＳＯＦＣスタックにおいて、各セル間で温度分布が無い場合と有る場合における各セルのアノードへの燃料の質量流量を示した図
【図１３】積層中央部のセルと他のセルとの流路断面積を異ならせる態様例を説明する図
【図１４】積層中央部のセルと他のセルとの流路断面積を異ならせる態様例を説明する図
【図１５】図１３〜１４のように積層中央部のセルの流路断面積を大きくし、他のセルの流路断面積を小さくし場合における各セルのアノードへの燃料の質量流量を示した図
【図１６】積層中央部のセルと他のセルとの電極面積を異ならせる態様例を説明する図
【図１７】積層中央部のセルと他のセルとの電極面積を異ならせる態様例を説明する図
【図１８】固体酸化物形燃料電池セルの態様例を説明する図
【図１９】固体酸化物形燃料電池セルの態様例を説明する図
【図２０】固体酸化物形燃料電池セルの態様例を説明する図
【符号の説明】
【００５１】
１ ＳＯＦＣセル
２ アノード
３ 電解質
４ カソード
５ 支持基体
６、７、７′ インターコネクタ
８、１０ 凸部
９ 溝すなわち燃料流路
１１ 溝すなわち空気流路
１２、２０ 枠体
１３ 燃料供給口
１４ 燃料供給管
Ｓ 空隙
１５ 利用済み燃料排出口
１６ 利用済み燃料排出管
１７ 空気供給口
１８ 空気供給管
１９ 利用済み空気排出管
２１ インターコネクタ６、７への燃料分配機構
２２ 燃料分配路
２３ 燃料流路部（最下部のインターコネクタ７）
２４ 燃料流路部（インターコネクタ６）
２５ 利用済み燃料排出路
２６ 利用済み燃料排出機構
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の平板型固体酸化物形燃料電池セルを積層し、且つ各セルへの燃料分配機構を備えた平板型固体酸化物形燃料電池スタックにおいて、その作動時に高温となるセルへの燃料分配路の流路断面積を他の位置のセルへの燃料分配路の流路断面積と異ならせ、温度分布の不均一に起因して高温となるセルの燃料欠乏を回避するようにしてなることを特徴とする平板型固体酸化物形燃料電池スタック。
【請求項２】
請求項１の平板型固体酸化物形燃料電池スタックにおいて、積層中央部のセルへの燃料分配路の流路断面積を他の位置のセルへの燃料分配路の流路断面積より大きくしてなることを特徴とする平板型固体酸化物形燃料電池スタック。
【請求項３】
複数の平板型固体酸化物形燃料電池セルを積層し、且つ各セルへの燃料分配機構を備えた平板型固体酸化物形燃料電池スタックの燃料欠乏回避方法であって、その作動時に高温となるセルへの燃料分配路の流路断面積を他の位置のセルへの燃料分配路の流路断面積と異ならせることにより、温度分布の不均一に起因して高温となるセルの燃料欠乏を回避することを特徴とする平板型固体酸化物形燃料電池スタックの燃料欠乏回避方法。
【請求項４】
請求項３の平板型固体酸化物形燃料電池スタックの燃料欠乏回避方法において、積層中央部のセルへの燃料分配路の流路断面積を他の位置のセルへの燃料供給路の流路断面積より大きくすることを特徴とする平板型固体酸化物形燃料電池スタックの燃料欠乏回避方法。
【請求項５】
複数の平板型固体酸化物形燃料電池セルを積層し、且つ各セルへの燃料分配機構を備えた平板型固体酸化物形燃料電池スタックにおいて、その作動時に高温となるセルの電極面積を他の位置のセルの電極面積と異ならせ、温度分布の不均一に起因して高温となるセルの燃料欠乏を回避するようにしてなることを特徴とする平板型固体酸化物形燃料電池スタック。
【請求項６】
請求項５の平板型固体酸化物形燃料電池スタックにおいて、積層中央部のセルの電極面積を他の位置のセルの電極面積より大きくしてなることを特徴とする平板型固体酸化物形燃料電池スタック。
【請求項７】
請求項５または６の平板型固体酸化物形燃料電池スタックにおいて、面積を異ならせる電極がアノード及びカソードのうち少なくとも一方の電極であることを特徴とする平板型固体酸化物形燃料電池スタック。
【請求項８】
複数の平板型固体酸化物形燃料電池セルを積層し、且つ各セルへの燃料分配機構を備えた平板型固体酸化物形燃料電池スタックの燃料欠乏回避方法であって、その作動時に高温となるセルの電極面積を他の位置のセルの電極面積と異ならせることにより、その運転時に、温度分布の不均一に起因して高温となるセルの燃料欠乏を回避することを特徴とする平板型固体酸化物形燃料電池スタックの燃料欠乏回避方法。
【請求項９】
請求項８の平板型固体酸化物形燃料電池スタックの燃料欠乏回避方法において、積層中央部のセルの電極面積を他の位置のセルの電極面積より大きくすることを特徴とする平板型固体酸化物形燃料電池スタックの燃料欠乏回避方法。
【請求項１０】
請求項８または９の平板型固体酸化物形燃料電池スタックの燃料欠乏回避方法において、面積を異ならせる電極がアノード及びカソードのうち少なくとも一方の電極であることを特徴とする平板型固体酸化物形燃料電池スタックの燃料欠乏回避方法。
【請求項１】
複数の平板型固体酸化物形燃料電池セルを積層し、且つ各セルへの燃料分配機構を備えた平板型固体酸化物形燃料電池スタックにおいて、その作動時に高温となるセルへの燃料分配路の流路断面積を他の位置のセルへの燃料分配路の流路断面積と異ならせ、温度分布の不均一に起因して高温となるセルの燃料欠乏を回避するようにしてなることを特徴とする平板型固体酸化物形燃料電池スタック。
【請求項２】
請求項１の平板型固体酸化物形燃料電池スタックにおいて、積層中央部のセルへの燃料分配路の流路断面積を他の位置のセルへの燃料分配路の流路断面積より大きくしてなることを特徴とする平板型固体酸化物形燃料電池スタック。
【請求項３】
複数の平板型固体酸化物形燃料電池セルを積層し、且つ各セルへの燃料分配機構を備えた平板型固体酸化物形燃料電池スタックの燃料欠乏回避方法であって、その作動時に高温となるセルへの燃料分配路の流路断面積を他の位置のセルへの燃料分配路の流路断面積と異ならせることにより、温度分布の不均一に起因して高温となるセルの燃料欠乏を回避することを特徴とする平板型固体酸化物形燃料電池スタックの燃料欠乏回避方法。
【請求項４】
請求項３の平板型固体酸化物形燃料電池スタックの燃料欠乏回避方法において、積層中央部のセルへの燃料分配路の流路断面積を他の位置のセルへの燃料供給路の流路断面積より大きくすることを特徴とする平板型固体酸化物形燃料電池スタックの燃料欠乏回避方法。
【請求項５】
複数の平板型固体酸化物形燃料電池セルを積層し、且つ各セルへの燃料分配機構を備えた平板型固体酸化物形燃料電池スタックにおいて、その作動時に高温となるセルの電極面積を他の位置のセルの電極面積と異ならせ、温度分布の不均一に起因して高温となるセルの燃料欠乏を回避するようにしてなることを特徴とする平板型固体酸化物形燃料電池スタック。
【請求項６】
請求項５の平板型固体酸化物形燃料電池スタックにおいて、積層中央部のセルの電極面積を他の位置のセルの電極面積より大きくしてなることを特徴とする平板型固体酸化物形燃料電池スタック。
【請求項７】
請求項５または６の平板型固体酸化物形燃料電池スタックにおいて、面積を異ならせる電極がアノード及びカソードのうち少なくとも一方の電極であることを特徴とする平板型固体酸化物形燃料電池スタック。
【請求項８】
複数の平板型固体酸化物形燃料電池セルを積層し、且つ各セルへの燃料分配機構を備えた平板型固体酸化物形燃料電池スタックの燃料欠乏回避方法であって、その作動時に高温となるセルの電極面積を他の位置のセルの電極面積と異ならせることにより、その運転時に、温度分布の不均一に起因して高温となるセルの燃料欠乏を回避することを特徴とする平板型固体酸化物形燃料電池スタックの燃料欠乏回避方法。
【請求項９】
請求項８の平板型固体酸化物形燃料電池スタックの燃料欠乏回避方法において、積層中央部のセルの電極面積を他の位置のセルの電極面積より大きくすることを特徴とする平板型固体酸化物形燃料電池スタックの燃料欠乏回避方法。
【請求項１０】
請求項８または９の平板型固体酸化物形燃料電池スタックの燃料欠乏回避方法において、面積を異ならせる電極がアノード及びカソードのうち少なくとも一方の電極であることを特徴とする平板型固体酸化物形燃料電池スタックの燃料欠乏回避方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【公開番号】特開２００７−２８０６５２（Ｐ２００７−２８０６５２Ａ）
【公開日】平成１９年１０月２５日（２００７．１０．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−１０２５８６（Ｐ２００６−１０２５８６）
【出願日】平成１８年４月３日（２００６．４．３）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）国等の委託研究の成果に係る特許出願（平成１５年度、独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構「燃料電池発電技術開発、固体酸化物形燃料電池の研究開発適用性拡大に関する要素研究（耐熱衝撃性平板形セル・スタックの研究）」委託研究、産業活力再生特別措置法第３０条の適用を受けるもの）
【出願人】（０００２２０２６２）東京瓦斯株式会社 (1,166)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年１０月２５日（２００７．１０．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年４月３日（２００６．４．３）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）国等の委託研究の成果に係る特許出願（平成１５年度、独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構「燃料電池発電技術開発、固体酸化物形燃料電池の研究開発適用性拡大に関する要素研究（耐熱衝撃性平板形セル・スタックの研究）」委託研究、産業活力再生特別措置法第３０条の適用を受けるもの）
【出願人】（０００２２０２６２）東京瓦斯株式会社 (1,166)
【Ｆターム（参考）】
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