特許 6312912 燃料電池システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6312912

(24)【登録日】2018年3月30日

(45)【発行日】2018年4月18日

(54)【発明の名称】燃料電池システム

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/2483 20160101AFI20180409BHJP

   H01M 8/04007 20160101ALI20180409BHJP

   H01M 8/12 20160101ALI20180409BHJP

【ＦＩ】

   H01M8/2483

   H01M8/04007

   H01M8/12

【請求項の数】7

【全頁数】11

(21)【出願番号】特願2017-157413(P2017-157413)

(22)【出願日】2017年8月17日

(65)【公開番号】特開2018-37405(P2018-37405A)

(43)【公開日】2018年3月8日

【審査請求日】2017年8月17日

(31)【優先権主張番号】特願2016-168020(P2016-168020)

(32)【優先日】2016年8月30日

(33)【優先権主張国】JP

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】000004064

【氏名又は名称】日本碍子株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000202

【氏名又は名称】新樹グローバル・アイピー特許業務法人

(72)【発明者】

【氏名】大森 誠

(72)【発明者】

【氏名】三浦 遥平

【審査官】 笹岡 友陽

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００５−００５０７４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−２４５０４９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｍ ８／００− ８／２４９５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

配列された複数の燃料電池と、
前記複数の燃料電池それぞれの基端部を支持する燃料マニホールドと、
前記複数の燃料電池の第１側に配置される発電用空気マニホールドと、
前記複数の燃料電池を基準として前記第１側の反対側である第２側に配置される冷却用空気マニホールドと、
を備え、
前記発電用空気マニホールドは、前記複数の燃料電池に向かって開口する発電用空気流出孔を有し、
前記冷却用空気マニホールドは、前記複数の燃料電池のうち中央部に配置された中央部燃料電池に向かって開口する冷却用空気流出孔を有する、
燃料電池システム。

【請求項2】

前記発電用空気流出孔は、前記複数の燃料電池それぞれの前記基端部に向かって開口する、
請求項１に記載の燃料電池システム。

【請求項3】

前記冷却用空気流出孔は、前記複数の燃料電池のうち前記中央部燃料電池の基端部に向かって開口する、
請求項１又は２に記載の燃料電池システム。

【請求項4】

前記発電用空気流出孔は、前記複数の燃料電池の配列方向に延びる単一の長孔である、
請求項１乃至３のいずれかに記載の燃料電池システム。

【請求項5】

前記冷却用空気流出孔は、前記複数の燃料電池の配列方向に延びる単一の長孔である、
請求項１乃至４のいずれかに記載の燃料電池システム。

【請求項6】

前記複数の燃料電池の配列方向において、前記冷却用空気流出孔の長さは、前記発電用空気流出孔の長さの０．１倍以上である、
請求項１乃至５のいずれかに記載の燃料電池システム。

【請求項7】

前記複数の燃料電池の配列方向において、前記冷却用空気流出孔の長さは、前記発電用空気流出孔の長さの０．５倍以下である、
請求項１乃至６のいずれかに記載の燃料電池システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、燃料電池システムに関する。

【背景技術】

【0002】

従来、燃料電池システムの一種として、配列方向に並べられた複数の燃料電池と、各燃料電池の基端部を支持する燃料マニホールドと、各燃料電池の側方に配置される空気マニホールドとを備える燃料電池システムが知られている（例えば、特許文献１参照）。空気マニホールドは、配列方向に沿って形成された複数の空気流出孔を有する。

【0003】

特許文献１では、複数の空気流出孔の形成ピッチを配列方向中央部において短くすることで、中央部の燃料電池と端部の燃料電池との温度差を小さくできるとされている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特許５３００１７２号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、特許文献１に記載の燃料電池システムでは、空気が複数の空気流出孔から流出するため、各燃料電池に適量の空気を供給できなくなるおそれがある。例えば、長期間高温に曝されることで各燃料電池が変形して、燃料電池同士の隙間が変動した場合には、空気流出孔から十分に空気が供給されない隙間と、空気流出孔から過剰な量の空気が供給される隙間とが生じてしまう。そのため、各燃料電池に適量の空気を供給しながら、各燃料電池の温度差を低減させたいという要請がある。

【0006】

本発明は、上述の状況に鑑みてなされたものであり、配列された複数の燃料電池に適量の空気を供給しながら温度差を低減可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明に係る燃料電池システムは、配列された複数の燃料電池と、複数の燃料電池それぞれの基端部を支持する燃料マニホールドと、複数の燃料電池の第１側に配置される発電用空気マニホールドと、複数の燃料電池の第２側に配置される冷却用空気マニホールドとを備える。発電用空気マニホールドは、複数の燃料電池に向かって開口する発電用空気流出孔を有する。冷却用空気マニホールドは、複数の燃料電池のうち中央部に配置された中央部燃料電池に向かって開口する冷却用空気流出孔を有する。

【発明の効果】

【0008】

本発明によれば、配列された複数の燃料電池に適量の空気を供給しながら温度差を低減可能な燃料電池システムを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】燃料電池システムの斜視図

【図2】燃料電池システムの斜視図

【図3】各燃料電池へ空気が供給される様子を模式的に示す図

【図4】冷却用空気マニホールドの他の構成を示す斜視図

【発明を実施するための形態】

【0010】

（燃料電池システム１００）
図１及び図２は、燃料電池システム１００の斜視図である。燃料電池システム１００は、複数の燃料電池１、燃料マニホールド２、発電用空気マニホールド３、及び冷却用空気マニホールド４を備える。

【0011】

（燃料電池１）
複数の燃料電池１は、配列方向に沿って一列に並べられる。各燃料電池１は、略等間隔で略平行に配置される。複数の燃料電池１は、各燃料電池１の主面が互いに対向するように配置される。各燃料電池１の基端部１１は、燃料マニホールド２に固定される。各燃料電池１の先端部１２は、自由端である。このように、各燃料電池１は、燃料マニホールド２によって片持ち状態で支持される。

【0012】

各燃料電池１は、平板状に形成される。各燃料電池１は、いわゆる横縞型の固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ：Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）である。各燃料電池１は、燃料極、固体電解質膜、及び空気極によって構成される少なくとも１つの発電部を有する。各燃料電池１が複数の発電部を有する場合、複数の発電部は、燃料電池１の長手方向に沿って配置することができる。発電部の個数及びサイズは、燃料電池１のサイズに応じて適宜変更できる。

【0013】

各燃料電池１の内部には、複数の燃料ガス流路１０ａが形成される。各燃料ガス流路１０ａは、各燃料電池１の長手方向に沿って延びる。各燃料ガス流路１０ａは、各燃料電池１の長手方向両端面で開口している。各燃料ガス流路１０ａは、支持基板１０の短手方向において略等間隔で略平行に形成される。燃料電池スタック１００の発電時、各燃料ガス流路１０ａには、燃料マニホールド２から燃料ガスが供給される。本実施形態では、各燃料電池１に５本の燃料ガス流路１０ａが形成されているが、燃料ガス流路１０ａの本数は適宜変更できる。

【0014】

複数の燃料電池１は、中央部燃料電池１ａと、中央部燃料電池１ａの配列方向両側に配置された端部燃料電池１ｂ，１ｂとを含む。

【0015】

中央部燃料電池１ａは、複数の燃料電池１のうち配列方向中央とその近傍に配置された燃料電池１を意味する。具体的には、配列方向中央を中心として、配列方向における複数の燃料電池１の全長の１／３程度の領域に配置された燃料電池１を、中央部燃料電池１ａとすることができる。図１に示すように、本実施形態では、３個の燃料電池１が中央部燃料電池１ａとされているが、中央部燃料電池１ａの個数は、複数の燃料電池１の全長と各燃料電池１のサイズに応じて適宜変更できる。

【0016】

端部燃料電池１ｂ，１ｂは、配列方向において中央部燃料電池１ａの両側に配置される。端部燃料電池１ｂ，１ｂは、複数の燃料電池１のうち配列方向両端とその近傍に配置された燃料電池１を意味する。具体的には、配列方向両端から複数の燃料電池１の全長の１／３程度までの領域に配置された燃料電池１を、端部燃料電池１ｂとすることができる。図１に示すように、本実施形態では、３個の中央部燃料電池１ａの両側に配置された４個の燃料電池１が端部燃料電池１ｂとされているが、端部燃料電池１ｂの個数は、複数の燃料電池１の全長と各燃料電池１のサイズに応じて適宜変更できる。

【0017】

ここで、燃料電池スタック１００の発電時に、各燃料電池１は、燃料電池１自身のジュール熱や反応熱により熱エネルギーを放出する。端部燃料電池１ｂ，１ｂは隣接する燃料電池１が少ないため、端部燃料電池１ｂ，１ｂからの熱エネルギーが外部に放散されやすいのに対して、中央部燃料電池１ａの両側には多数の燃料電池１が配置されているため、中央部燃料電池１ａからの熱エネルギーは外部に放散されにくい。従って、中央部燃料電池１ａは、端部燃料電池１ｂ，１ｂに比べて高温になりやすい。

【0018】

（燃料マニホールド２）
燃料マニホールド２は、各燃料電池１に燃料ガス（水素ガス）を分配するように構成されている。燃料マニホールド２は、中空状であり、内部空間を有する。燃料マニホールド２の内部空間には、燃料ガス配管２ａを介して燃料ガス供給源から燃料ガスが供給される。燃料マニホールド２は、例えば、ステンレス鋼等で構成できる。

【0019】

燃料マニホールド２の天板には複数の貫通孔２ｂが形成されており、各貫通孔２ｂには各燃料電池１の基端部１１が挿入される。各燃料電池１の基端部１１は、接合材（例えば、結晶化ガラスなど）によって貫通孔２ｂに固定される。結晶化ガラスとしては、例えば、ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３系、ＳｉＯ_２−ＣａＯ系、又はＳｉＯ_２−ＭｇＯ系を用いることができる。

【0020】

（発電用空気マニホールド３）
発電用空気マニホールド３は、各燃料電池１の第１側Ｓ１に配置される。発電用空気マニホールド３は、各燃料電池１の一方の側面と対向する。発電用空気マニホールド３は、燃料電池１の配列方向と直交する短手方向において、各燃料電池１から所定間隔離れた位置に配置される。

【0021】

発電用空気マニホールド３は、各燃料電池１に空気（酸化剤ガス）を分配するように構成される。発電用空気マニホールド３は、発電に必要十分な量の空気を各燃料電池１の空気極に供給する機能を有する。

【0022】

発電用空気マニホールド３は、中空状であり、内部空間を有する。発電用空気マニホールド３の内部空間には、空気配管３ａを介して空気供給源から空気が供給される。発電用空気マニホールド３は、例えば、ステンレス鋼等で構成できる。

【0023】

発電用空気マニホールド３は、中央部燃料電池１ａと端部燃料電池１ｂ，１ｂとを含む全ての燃料電池１に向かって開口する発電用空気流出孔３ｂを有する。発電用空気流出孔３ｂは、各燃料電池１の基端部１１に向かって開口している。発電用空気流出孔３ｂは、燃料電池１の配列方向に沿って延びる単一の長孔である。発電用空気流出孔３ｂから流出する空気は、各燃料電池１の間を通って、各燃料電池１の先端部１２側に向かって上昇する。

【0024】

（冷却用空気マニホールド４）
冷却用空気マニホールド４は、各燃料電池１の第２側Ｓ２に配置される。冷却用空気マニホールド４は、各燃料電池１を挟んで、発電用空気マニホールド３の反対側に配置される。冷却用空気マニホールド４は、各燃料電池１の他方の側面と対向する。冷却用空気マニホールド４は、燃料電池１の配列方向と直交する短手方向において、各燃料電池１から所定間隔離れた位置に配置される。

【0025】

冷却用空気マニホールド４は、３個の中央部燃料電池１ａに空気を送ることによって、３個の中央部燃料電池１ａを冷却するように構成される。すなわち、冷却用空気マニホールド４は、発電用空気マニホールド３とは異なり、端部燃料電池１ｂ，１ｂよりも高温になりやすい中央部燃料電池１ａを効果的に冷却する機能を有する。ただし、冷却用空気マニホールド４から中央部燃料電池１ａに供給される空気は、中央部燃料電池１ａにおける発電にも用いられ得る。

【0026】

冷却用空気マニホールド４は、中空状であり、内部空間を有する。冷却用空気マニホールド４の内部空間には、空気配管４ａを介して空気供給源から空気が供給される。冷却用空気マニホールド４は、例えば、ステンレス鋼等で構成できる。

【0027】

冷却用空気マニホールド４は、３個の中央部燃料電池１ａに向かって開口する冷却用空気流出孔４ｂを有する。冷却用空気流出孔４ｂは、各中央部燃料電池１ａの基端部１１に向かって開口している。冷却用空気流出孔４ｂは、燃料電池１の配列方向に沿って延びる単一の長孔である。冷却用空気流出孔４ｂから流出する空気は、３個の中央部燃料電池１ａの間を通って、各中央部燃料電池１ａの先端部１２側に向かって上昇する。

【0028】

ここで、燃料電池１の配列方向において、発電用空気流出孔３ｂの長さＬ１は、冷却用空気流出孔４ｂの長さＬ２より長い。すなわち、燃料電池１の配列方向において、冷却用空気流出孔４ｂの長さＬ２は、発電用空気流出孔３ｂの長さＬ１より短い。

【0029】

冷却用空気流出孔４ｂの長さＬ２は、発電用空気流出孔３ｂの長さＬ１の０．１倍以上であることが好ましい。これによって、冷却用空気流出孔４ｂから十分な量の空気を中央部燃料電池１ａに供給することで、中央部燃料電池１ａの高温化をより抑制できるため、中央部燃料電池１ａにおける電極破損をより抑制することができる。

【0030】

また、冷却用空気流出孔４ｂの長さＬ２は、発電用空気流出孔３ｂの長さＬ１の０．５倍以下であることが好ましい。これによって、冷却用空気流出孔４ｂから流出する空気を中央部燃料電池１ａだけでなく端部燃料電池１ｂ、１ｂにも追加的に供給できるため、端部燃料電池における発電性能をより向上できる。

【0031】

なお、発電用空気流出孔３ｂの長さＬ１は、複数の燃料電池１の全長の９０％以上が好ましく、９５％以上がより好ましい。冷却用空気流出孔４ｂの長さＬ２は、複数の燃料電池１の全長の５％以上６０％以下が好ましく、７％以上５５％以下がより好ましい。

【0032】

（作用及び効果）
図３は、各燃料電池１へ空気が供給される様子を模式的に示す図である。

【0033】

発電用空気マニホールド３の発電用空気流出孔３ｂから流出した空気は、第１側Ｓ１から各燃料電池１に供給され、各燃料電池１における発電に利用される。

【0034】

また、冷却用空気マニホールド４の冷却用空気流出孔４ｂから流出した空気は、第２側Ｓ２から３個の中央部燃料電池１ａに供給され、各燃料電池１における発電に利用されるとともに、各中央部燃料電池１ａの冷却に利用される。

【0035】

そのため、発電用空気流出孔３ｂから適量の空気を各燃料電池１に供給しながら、冷却用空気流出孔４ｂから流出する空気によって中央部燃料電池１ａを冷却することができる。従って、中央部燃料電池１ａと端部燃料電池１ｂ，１ｂとの温度差を低減させることができるため、中央部燃料電池１ａの燃料ガス流路１０ａを流れる燃料ガスの粘度が高くなり流量が少なくなってしまうことを抑制できる。その結果、中央部燃料電池１ａで燃料ガスが不足することを抑えられるため、各発電部の電極（特に、燃料極）の破損を抑制することができる。

【0036】

（他の実施形態）
本発明は以上のような実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱しない範囲で種々の変形又は変更が可能である。

【0037】

上記実施形態において、複数の燃料電池１は、３個の中央部燃料電池１ａを含むこととしたが、中央部に少なくとも１個の中央部燃料電池１ａを含んでいればよい。この場合であっても、少なくとも１個の中央部燃料電池１ａにおいて、電極の破損を抑制することができる。

【0038】

上記実施形態において、冷却用空気マニホールド４は、全ての燃料電池１の側面と対向することとしたが、図４に示すように、冷却用空気マニホールド４は、少なくとも中央部燃料電池１ａの側面と対向していればよい。

【0039】

上記実施形態において、発電用空気マニホールド３の発電用空気流出孔３ｂは、各燃料電池１の基端部１１と対向することとしたが、これに限られるものではない。発電用空気流出孔３ｂは、基端部１１だけでなく、基端部１１と先端部１２との間の中央部とも対向していてもよい。

【0040】

上記実施形態において、冷却用空気マニホールド４の冷却用空気流出孔４ｂは、各中央部燃料電池１ａの基端部１１と対向することとしたが、これに限られるものではない。冷却用空気流出孔４ｂは、各中央部燃料電池１ａの基端部１１だけでなく、基端部１１と先端部１２との間の中央部とも対向していてもよい。

【0041】

上記実施形態において、発電用空気マニホールド３は、燃料電池１の配列方向に沿って延びる発電用空気流出孔３ｂを１つだけ有することとしたが、これに限られるものではない。発電用空気マニホールド３は、上下に並べられた２つ以上の発電用空気流出孔３ｂを有していてもよい。

【0042】

上記実施形態において、冷却用空気マニホールド４は、燃料電池１の配列方向に沿って延びる冷却用空気流出孔４ｂを１つだけ有することとしたが、これに限られるものではない。冷却用空気マニホールド４は、上下に並べられた２つ以上の冷却用空気流出孔４ｂを有していてもよい。

【0043】

上記実施形態において、発電用空気マニホールド３の発電用空気流出孔３ｂは、全ての燃料電池１に向かって開口することとしたが、これに限られるものではない。発電用空気流出孔３ｂから必要十分な量の空気が供給される限り、発電用空気流出孔３ｂは、複数の燃料電池１のうち配列方向両端付近の燃料電池１と対向していなくてもよい。

【実施例】

【0044】

以下において本発明に係る燃料電池システムの実施例について説明するが、本発明は以下に説明する実施例に限定されるものではない。

【0045】

（サンプルＮｏ．１〜Ｎｏ．１０の作製）
以下のようにして、図１〜３に示した構成を有する燃料電池システムを作製した。

【0046】

まず、集電部材を介して互いに接続された３０枚の燃料電池（長さ２５０ｍｍ×幅１００ｍｍ×厚み３ｍｍ）を準備して、各燃料電池の基端部を燃料マニホールドに結晶化ガラスで固定した。各燃料電池には、第１主面に配置された１０個の発電部と第２主面に配置された１０個の発電部とを有する周知の横縞型固体酸化物型燃料電池を用いた。配列方向における３０枚の燃料電池の全長は、１７７ｍｍであった。

【0047】

次に、各燃料電池の短手方向における第１側に発電用空気マニホールドを配置し、各燃料電池の短手方向における第２側に冷却用空気マニホールドを配置した。

【0048】

発電用空気マニホールドの発電用空気流出孔は、３０個の燃料電池それぞれの基端部に向かって開口する長孔である。発電用空気マニホールドの発電用空気流出孔の配列方向における長さＬ１は、表１に示すとおり１７５ｍｍに統一した。

【0049】

冷却用空気マニホールドの冷却用空気流出孔は、３０個の燃料電池のうち中央部に配置された中央部燃料電池それぞれの基端部に向かって開口する長孔である。冷却用空気マニホールドの冷却用空気流出孔の配列方向における長さＬ２は、表１に示すとおり、サンプルごとに変更した。

【0050】

（サンプルＮｏ．１１の作製）
サンプルＮｏ．１１では、冷却用空気マニホールドを配置しなかった以外は、サンプルＮｏ．１〜Ｎｏ．１０と同じ構成の燃料電池システムとした。

【0051】

なお、サンプルＮｏ．１１において、発電用空気マニホールドの発電用空気流出孔の配列方向における長さＬ１は、表１に示すとおり、サンプルＮｏ．１〜Ｎｏ．１０と同じ１７５ｍｍとした。

【0052】

（燃料電池の発電性能及び温度の測定）
各サンプルの燃料マニホールドに窒素ガスを供給し、かつ、各空気マニホールドに空気を供給しながら７５０℃まで昇温し、７５０℃に達した時点で燃料マニホールドに水素ガスを３時間供給することによって燃料電池を還元処理した。その後、各サンプルについて、温度７５０℃、電流密度０．２Ａ/ｃｍ^２における燃料利用率を測定した。

【0053】

表１では、燃料利用率８５％以上で運転できたサンプルを「◎」、燃料利用率８０％以上８５％未満で運転できたサンプルを「○」、燃料利用率８０％未満での運転に止まったサンプルを「×」と評価した。

【0054】

（中央部燃料電池の発電部における電極破損）
上記温度測定の後、燃料電池システムの作動を停止して、各サンプルから中央部燃料電池を取り出した。そして、中央部燃料電池の各発電部における電極破損の有無を観察した。観察結果を表１に示す。

【0055】

【表1】

【0056】

表１に示すように、燃料電池の第１側に発電用空気マニホールドを配置し、かつ、燃料電池の第２側に冷却用空気マニホールドを配置したサンプルＮｏ．１〜Ｎｏ．１０では、燃料電池の第２側に冷却用空気マニホールドを配置しなかったサンプルＮｏ．１１に比べて、中央部燃料電池における電極破損を抑制するとともに、良好な燃料利用率で運転できた。このような結果が得られたのは、サンプルＮｏ．１〜Ｎｏ．１０では、冷却用空気マニホールドを利用することによって、各燃料電池に適量の空気を供給しながら、各燃料電池の温度差を低減できたためである。

【0057】

また、表１に示すように、冷却用空気マニホールドの冷却用空気流出孔の長さＬ２を発電用空気マニホールドの発電用空気流出孔の長さＬ１の０．１倍以上としたサンプルＮｏ．３〜Ｎｏ．１０では、サンプルＮｏ．１，２に比べて、中央部燃料電池における電極破損をより抑制することができた。このような結果が得られたのは、サンプルＮｏ．３〜Ｎｏ．１０では、冷却用空気流出孔から十分な量の空気を中央部燃料電池に供給することによって、中央部燃料電池の高温化をより抑制できたためである。

【0058】

また、表１に示すように、冷却用空気マニホールドの冷却用空気流出孔の長さＬ２を発電用空気マニホールドの発電用空気流出孔の長さＬ１の０．５倍以下としたサンプルＮｏ．１〜Ｎｏ．８では、サンプルＮｏ．９，１０に比べて、良好な燃料利用率で運転できた。このような結果が得られたのは、サンプルＮｏ．１〜Ｎｏ．８では、冷却用空気流出孔から流出する空気を中央部燃料電池だけでなく端部燃料電池にも追加的に供給することによって、端部燃料電池における発電性能をより向上できたためである。

【0059】

なお、本実施例では、３０枚の燃料電池を備える燃料電池システムにおいて、冷却用空気マニホールドを設けることの効果を確認したが、燃料電池の枚数を１０枚、２０枚、５０枚に変更した各燃料電池システムにおいても、上記と同じ効果が確認された。

【符号の説明】

【0060】

１ 燃料電池
１ａ 中央部燃料電池
１ｂ 端部燃料電池
２ 燃料マニホールド
３ 発電用空気マニホールド
３ｂ 発電用空気流出孔
４ 冷却用空気マニホールド
４ｂ 冷却用空気流出孔
１００ 燃料電池システム

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】