JP2018055914A - 固体酸化物形燃料電池セルスタック - Google Patents

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Abstract

【課題】集電部材における温度差によって発生する熱応力を緩和し得る燃料電池セルスタックの提供。【解決手段】燃料ガスと酸化剤ガスから発電を行う固体酸化物形燃料電池セルスタックで、燃料ガスが供給される燃料極、酸化剤ガスが供給される空気極及び燃料極と空気極の間に設けた固体電解質を有する燃料電池セルと、燃料電池セルで発電した電力を取り出す集電部材と、を備え、集電部材と燃料電池セルとの間はガラスを含むシール材によってシールされており、集電部材は、燃料電池セルの端部を覆う様に設けた本体部と、本体部の端部に設けられ、本体部よりも径が小さい先端部と、を有し、本体部は、燃料電池セルの周囲を覆う側面部と、燃料電池セルの端面を覆う上面部と、を有し、上面部は前記燃料電池セルの長軸方向に撓んでいる、固体酸化物形燃料電池セルスタック。【選択図】図5

Description

本発明は、固体酸化物形燃料電池セルスタックに関する。
燃料電池の一つに、固体電解質に固体酸化物を用いた固体酸化物形燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell:以下「SOFC」とも言う)がある。固体酸化物形燃料電池は、電解質として酸化物イオン導電性の固体電解質を用い、その両側に電極を取り付け、一方の側に燃料ガスを供給し、他方の側に酸化剤ガス(空気、酸素等)を供給して、これら燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により発電を行う燃料電池である。
固体酸化物形燃料電池は、発電により発生した起電力を外部に取り出し、この電力を利用するものである。外部に電力を取り出す際、集電部材が用いられる。この集電部材は、隣り合う燃料電池セル間に設けられ、燃料電池セル同士を電気的に接続する部材である。
このような燃料電池セルから発電された電力を取り出す構成として、例えば、特許文献1には、円筒形の燃料電池セルにおいて、燃料ガスと酸化剤ガスとを隔離するために、内側電極(燃料極)と集電キャップを備える内側電極端子との間を、銀ロウを焼結させてなる銀シール材とガラスとによりガスシールし、銀シール材により電気的に接続する構成が開示されている。内側電極端子の中心部には、内側電極の燃料ガス流路と連通する燃料ガス流路が形成されている。
さらに、燃料電池セルの上方に改質器を設け、発電反応後の残余の燃料ガス及び空気による燃焼熱によって改質器を熱することが開示されている。
国際公開第2013/047667号
ここで、改質器を熱する方法として、発電に用いられなかった燃料が内側電極の燃料ガス流路から内側電極端子の燃料ガス流路を流れ、内側電極端子の一端部で燃焼させることにより熱する方法が考えられる。この燃焼により内側電極端子の上端部は、約900℃という高温になることが考えられる。一方、燃料電池セルは、発電の際、通電により約700℃で発熱する。つまり、内側電極端子の他端部は約700℃になっていると考えられる。このように、内側電極端子において、温度差が発生しており、これが熱応力の原因になっている。特に、内側電極と内側電極端子との間にガスシールのためにガラスが存在する場合、ガラスが熱応力によって割れてしまうという問題がある。
従って、本発明は、ガスシールしているガラスが熱応力によって割れてしまうのを防止することを目的としている。
本発明による固体酸化物形燃料電池セルスタックは、燃料ガスと酸化剤ガスとにより発電を行う固体酸化物形燃料電池セルスタックであって、前記燃料ガスが供給される燃料極、前記酸化剤ガスが供給される空気極、及び、前記燃料極と前記空気極の間に設けられた固体電解質を有する燃料電池セルと、前記燃料電池セルにより発電された電力を前記燃料電池セルから取り出す集電部材と、を備え、前記集電部材と前記燃料電池セルとの間はガラスを含むシール材によってシールされており、前記集電部材は、前記燃料電池セルの端部を覆うように設けられる本体部と、前記本体部の端部に設けられ、前記本体部よりも径が小さい先端部と、を有しており、前記本体部は、前記燃料電池セルの周囲を覆う側面部と、前記燃料電池セルの端面を覆う上面部と、を有しており、前記上面部は前記燃料電池セルの長軸方向に撓んでいる。
本発明による固体酸化物形燃料電池を備えた固体酸化物形燃料電池システムの一態様を示す構成図である。 固体酸化物形燃料電池システムの燃料電池モジュールを示す側面断面図である。 図2のIII−III線に沿った断面図である。 固体酸化物型燃料電池システムの燃料電池セルスタックを示す斜視図である。 燃料電池セルユニットを示す断面図である。 図5におけるI部の拡大断面図であり、本発明による固体酸化物形燃料電池セルスタックの一実施形態を示す。 図5におけるI部の拡大断面図であり、本発明による固体酸化物形燃料電池セルスタックの一実施形態を示す。 図5におけるI部の拡大断面図であり、本発明による固体酸化物形燃料電池セルスタックの一実施形態を示す。 図5におけるI部の拡大断面図であり、本発明による固体酸化物形燃料電池セルスタックの一実施形態を示す。
まず、図を参照して、本発明の実施形態である固体酸化物形燃料電池システムについて説明をする。図1は、本発明の一実施形態による固体酸化物形燃料電池システムを示す構成図である。図1に示すように、固体酸化物形燃料電池システム1は、燃料電池モジュール2と、補機ユニット4を備えてなる。
燃料電池モジュール2は、ハウジング6を備え、このハウジング6内部には、断熱材7を介して密封空間8が形成されている。なお、断熱材は設けないようにしても良い。この密封空間8の下方部分である発電室10には、燃料ガスと酸化剤ガス(空気)とにより発電反応を行う燃料電池セル集合体12が配置されている。この燃料電池セル集合体12は、10個の燃料電池セルスタック14(図4参照)を備え、この燃料電池セルスタック14は、16本の燃料電池セルユニット16(図5参照)から構成されている。このように、燃料電池セル集合体12は、160本の燃料電池セルユニット16を有し、これらの燃料電池セルユニット16の全てが直列接続されている。
燃料電池モジュール2の密封空間8の上述した発電室10の上方には、燃焼室18が形成され、この燃焼室18で、発電反応に使用されなかった残余の燃料ガスと残余の酸化剤(空気)とが燃焼し、排気ガスを生成するようになっている。また、この燃焼室18の上方には、燃料ガスを改質する改質器20が配置され、前記残余ガスの燃焼熱によって改質器20を改質反応が可能な温度となるように加熱している。さらに、この改質器20の上方には、改質器20の熱を受けて空気を加熱し、改質器20の温度低下を抑制するための空気用熱交換器22が配置されている。
次に、補機ユニット4は、水道等の水供給源24からの水を貯水してフィルターにより純水とする純水タンク26と、この貯水タンクから供給される水の流量を調整する水流量調整ユニット28を備えている。また、補機ユニット4は、都市ガス等の燃料供給源30から供給された燃料ガスを遮断するガス遮断弁32と、燃料ガスから硫黄を除去するための脱硫器36と、燃料ガスの流量を調整する燃料流量調整ユニット38を備えている。さらに、補機ユニット4は、空気供給源40から供給される酸化剤である空気を遮断する電磁弁42と、空気の流量を調整する改質用空気流量調整ユニット44及び発電用空気流量調整ユニット45と、改質器20に供給される改質用空気を加熱する第1ヒータ46と、発電室に供給される発電用空気を加熱する第2ヒータ48とを備えている。これらの第1ヒータ46と第2ヒータ48は、起動時の昇温を効率よく行うために設けられているが、省略しても良い。
次に、燃料電池モジュール2には、排気ガスが供給される温水製造装置50が接続されている。この温水製造装置50には、水供給源24から水道水が供給され、この水道水が排気ガスの熱により温水となり、図示しない外部の給湯器の貯湯タンクへ供給されるようになっている。また、燃料電池モジュール2には、燃料ガスの供給量等を制御するための制御ボックス52が取り付けられている。さらに、燃料電池モジュール2には、燃料電池モジュールにより発電された電力を外部に供給するための電力取出部(電力変換部)であるインバータ54が接続されている。
次に、図2及び図3により、固体酸化物形燃料電池システムの燃料電池モジュールの内部構造を説明する。図2は、固体酸化物形燃料電池システムの燃料電池モジュールを示す側面断面図であり、図3は、図2のIII−III線に沿った断面図である。図2及び図3に示すように、燃料電池モジュール2のハウジング6内の密封空間8には、上述したように、下方から順に、燃料電池セル集合体12、改質器20、空気用熱交換器22が配置されている。
改質器20は、その上流端側に純水を導入するための純水導入管60と改質される燃料ガスと改質用空気を導入するための被改質ガス導入管62が取り付けられ、また、改質器20の内部には、上流側から順に、蒸発部20aと改質部20bが形成され、改質部20bには改質触媒が充填されている。この改質器20に導入された水蒸気が混合された燃料ガス及び空気は、改質器20内に充填された改質触媒により改質される。
この改質器20の下流端側には、燃料ガス供給管64が接続され、この燃料ガス供給管64は、下方に延び、さらに、燃料電池セル集合体12の下方に形成されたマニホールド66内で水平に延びている。燃料ガス供給管64の水平部64aの下方面には、複数の燃料供給孔64bが形成されており、この燃料供給孔64bから、改質された燃料ガスがマニホールド66内に供給される。
このマニホールド66の上方には、上述した燃料電池セルスタック14を支持するための貫通孔を備えた下支持板68が取り付けられており、マニホールド66内の燃料ガスが、燃料電池セルユニット16内に供給される。
次に、改質器20の上方には、空気用熱交換器22が設けられている。この空気用熱交換器22は、上流側に空気集約室70、下流側に2つの空気分配室72を備え、これらの空気集約室70と空気分配室72は、6個の空気流路管74により接続されている。ここで、図6に示すように、3個の空気流路管74が一組(74a,74b,74c,74d,74e,74f)となっており、空気集約室70内の空気が各組の空気流路管74からそれぞれの空気分配室72へ流入する。
空気用熱交換器22の6個の空気流路管74内を流れる空気は、燃焼室18で燃焼して上昇する排気ガスにより予熱される。空気分配室72のそれぞれには、空気導入管76が接続され、この空気導入管76は、下方に延び、その下端側が、発電室10の下方空間に連通し、発電室10に余熱された空気を導入する。
次に、マニホールド66の下方には、排気ガス室78が形成されている。また、図3に示すように、ハウジング6の長手方向に沿った面である前面6aと後面6bの内側には、上下方向に延びる排気ガス通路80が形成され、この排気ガス通路80の上端側は、空気用熱交換器22が配置された空間と連通し、下端側は、排気ガス室78と連通している。また、排気ガス室78の下面のほぼ中央には、排気ガス排出管82が接続され、この排気ガス排出管82の下流端は、図1に示す上述した温水製造装置50に接続されている。図2に示すように、燃料ガスと空気との燃焼を開始するための点火装置83が、燃焼室18に設けられている。
次に図4により燃料電池セルスタック14について説明する。図4は、固体酸化物型燃料電池システムの燃料電池セルスタックを示す斜視図である。図4に示すように、燃料電池セルスタック14は、16本の燃料電池セルユニット16を備え、これらの燃料電池セルユニット16の下端側及び上端側が、それぞれ、セラミック製の下支持板68及び上支持板100により支持されている。これらの下支持板68及び上支持板100には、内側電極端子86が貫通可能な貫通穴68a及び100aがそれぞれ形成されている。
さらに、燃料電池セルユニット16には、集電体102及び外部端子104が取り付けられている。この集電体102は、燃料極である内側電極90に取り付けられた内側電極端子86と電気的に接続される燃料極用接続部102aと、空気極である外側電極92の外周面全体と電気的に接続される空気極用接続部102bとにより一体的に形成されている。空気極用接続部102bは、外側電極92の表面を上下方向に延びる鉛直部102cと、この鉛直部102cから外側電極92の表面に沿って水平方向に延びる多数の水平部102dとから形成されている。また、燃料極用接続部102aは、空気極用接続部102bの鉛直部102cから燃料電池セルユニット16の上下方向に位置する内側電極端子86に向って斜め上方又は斜め下方に向って直線的に延びている。
さらに、燃料電池セルスタック14の端(図4では左端の奥側及び手前側)に位置する2個の燃料電池セルユニット16の上側端及び下側端の内側電極端子86には、それぞれ外部端子104が接続されている。これらの外部端子104は、隣接する燃料電池セルスタック14の端にある燃料電池セルユニット16の外部端子104(図示せず)に接続され、上述したように、160本の燃料電池セルユニット16の全てが直列接続されるようになっている。
次に、図5を参照して、燃料電池セルユニット16について説明する。
図5に示すように、燃料電池セルユニット16は、燃料電池セル84と、この燃料電池セル84の上下方向端部にそれぞれ接続されたキャップである内側電極端子86とを備えてなる。燃料電池セル84は、上下方向に延びる管状構造体であり、内部に燃料ガス流路88を形成する内側電極90と、外側電極92と、内側電極90と外側電極92との間にある固体電解質94とを備えてなる。この内側電極90は、燃料ガスが通過する燃料極であり、(−)極である。一方、外側電極92は、空気と接触する空気極であり、(+)極である。
内側電極90は、例えば、Niと、CaやY、Sc等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニアとの混合体、Niと、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリアとの混合体、Niと、Sr、Mg、Co、Fe、Cuから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレートとの混合体、の少なくとも一種から形成される。
固体電解質94は、内側電極90の外周面に沿って全周にわたって形成されており、下端は内側電極90の下端よりも上方で終端し、上端は内側電極90の上端よりも下方で終端している。固体電解質94は、例えば、Y、Sc等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニア、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリア、Sr、Mgから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレート、の少なくとも一種から形成される。
外側電極92は、電解質94の外周面に沿って全周にわたって形成されており、下端は固体電解質94の下端よりも上方で終端し、上端は固体電解質94の上端よりも下方で終端している。外側電極92は、例えば、Sr、Caから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンマンガナイト、Sr、Co、Ni、Cuから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンフェライト、Sr、Fe、Ni、Cuから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンコバルタイト、銀、などの少なくとも一種から形成される。
次に、内側電極端子86について説明するが、燃料電池セル84の上端側と下端側に取り付けられた内側電極端子86は、同一構造であるため、ここでは、上端側に取り付けられた内側電極端子86について具体的に説明する。
内側電極端子86は、燃料電池セル84の上下端部をそれぞれ包囲するように設けられ、燃料電池セル84により発電された電力を燃料電池セル84から取り出すための集電部材として機能する。
図5に示すように、内側電極90の上部90aは、固体電解質94と外側電極92に対して露出された外周面90bと上端面90cとを備える。
図6は、図5のI部の拡大断面図である。図6に示すように、燃料電池セル84の上端に設けられた内側電極端子86は、燃料電池セル84の端部を覆う本体部200と、本体部200の端部に設けられ本体部200よりも径が小さい先端部201とを有する。
本体部
本発明において、本体部200は、燃料電池セル84の周囲(外周面90b)を覆う側面部200aと、燃料電池セル84の下端面90cを覆う上面部200bを有する。
上面部200bは、図6に示すように、燃料電池セル84の長軸方向に撓んでいる。これにより、内側電極端子86の先端部201の燃焼により生じる温度と内側電極端子86の通電している本体部200との温度差から生じる熱応力を緩和することが可能となる。よって、シール材96の割れを防止することができる。
側面部200aは円筒状であることが好ましい。上面部200bは、側面部200aの端部に設けられ、円環状であることが好ましい。これにより、内側電極90と内側電極端子86の隙間を小さくすることで、シール材96として用いるガラスの必要量を少なくすることが出来る。
本体部200において、上面部200bの厚みd1は、側面部200aの厚みd2よりも大きいことが好ましい。なお、上面部200bおよび側面部200aは、それぞれ一定の厚みで形成されている。これにより、運転中高温になる先端部201付近の厚みが大きいため、耐熱性を高くすることができる。また、側面部200aは薄いため、後述するシール材96として用いられるガラスに熱を伝えにくくすることができ、ガラスの割れを防止できる。
先端部
図6に示すように、先端部201は、本体部200の端部に設けられており、上面部200bの内部に設けられた円形の孔と接続するように設けられている。また、先端部201は円筒状であり、本体部200よりも径が小さい。先端部201の中心部には、内側電極90の燃料ガス流路88と連通する燃料ガス流路98が形成されている。発電に用いられなかった燃料ガスは、内側電極90の燃料ガス流路88から先端部201の燃料ガス流路98を通り、先端部201の先に設けられた噴出口から噴出される。この際、燃料電池セル84の周囲には酸化剤ガスが供給されているため、噴出口から噴出した発電に用いられなかった燃料ガスと酸化剤ガスが反応し、先端部201の先端(噴出口付近)で燃焼する。この燃焼により、燃料電池セル84の上部に配置される改質器20を熱する。
図7に示すように、先端部201は、先細りしていることが好ましい。つまり、本体部200側から先端部201の先に向かうにしたがって、径が小さくなることが好ましい。これにより、圧力損失を大きくすることができるため、先端部201を通る燃料ガスの流速バラつきを抑制できる。
図7に示すように、先端部201は、断面形状がテーパー状であることが好ましい。また、図8に示すように、先端部201は、断面形状が湾曲形状であることが好ましい。また、図9に示すように、先端部201は撓んでいることが好ましい。先端部201をこのような態様とすることにより、内側電極端子86の先端部の燃焼により生じる温度と内側電極端子86の通電している本体部200との温度差から生じる熱応力を緩和することができる。
図6に示すように、内側電極端子86と内側電極90との間には、シール材96および導電材97が設けられている。より詳しくは、本体部200の側面部200aと内側電極90の間および上面部200bと内側電極90の間に導電材97が設けられている。側面部200aと内側電極90の間において、内側電極端子86の端部付近には、シール材96が設けられ、ガスシールされている。
本体部200(上面部200b)と導電材97との間には、隙間を有することが好ましい。これにより、内側電極端子86の上面部200bの燃焼により生じる温度と内側電極端子86の通電している本体部200との温度差から生じる熱応力が導電材97を介して直接シール材96に伝わることを抑制することが出来る。
内側電極端子86と内側電極90との間は、シール材96によってシールされている。シールされているとは、内側電極90である燃料極に供給される燃料ガスと、外側電極92である空気極に供給される酸化剤ガスとが混ざり合わないようにガスシールされていることを指す。
シール材96は、内側電極90と外側電極92との間をガスシールができていれば、どのように設けられていても良い。つまり、導電材97が酸化剤ガスと接触しないように設けられていれば良い。例えば、図6〜8に示すように、内側電極90と本体部200(側面部200a)との間に設けられる態様や、図示はしていないが、本体部200と内側電極90との間の隙間に酸化剤ガスが侵入しないように、本体部200の端部を覆うように設ける態様が考えられる。シール材96は導電材97と接していても良いし、接していなくても良い。
シール材96は、ガラスを含んでいれば良く、非晶質ガラス、結晶化ガラス、及び非晶質と結晶質が混在したガラスを用いることができる。また、「非結晶ガラス」とは、ガラス転移を示す(ガラス点移転Tgを有する)非晶質のみならず、ガラス転移を示さない非晶質のものを用いることができる。
内側電極端子86は、導電材97を介して内側電極90の外周面90bと接続され、さらに、内側電極90の上端面90cとは直接接触することにより、内側電極90と電気的に接続されている。
導電材97としては、銀ロウ、銀ペースト、銀箔などを用いることができる。
内側電極端子86は、フェライト系ステンレス又はオーステナイト系ステンレスによって構成される。内側電極端子86の内周面及び外周面には、Cr層が形成されていても良い。また、外側のCr層の外周面には、MnCo層が積層されていてもよい。内側電極端子の外周面にはAg集電膜が設けられていても良く、外周面全体に設けても、一部のみに設けてもよい。
1 固体酸化物形燃料電池システム
2 燃料電池モジュール
4 補機ユニット
6 ハウジング
7 断熱材
8 密封空間
10 発電室
16 固体酸化物形燃料電池セルユニット
18 燃焼室
20 改質器
22 空気用熱交換器
24 水供給源
26 純水タンク
28 水流量調整ユニット
30 燃料供給源
32 ガス遮断弁
36 脱硫器
38 燃料流量調整ユニット
39 バルブ
40 空気供給源
42 電磁弁
44 改質用空気流量調整ユニット
45 発電用空気流量調整ユニット
46 第一ヒータ
48 第二ヒータ
50 温水製造装置
52 制御ボックス
54 インバータ
60 純水導水管
63 燃料供給配管
64 燃料ガス供給管
65 水添脱硫器用水素取出管
66 マニホールド
68 下支持板
72 空気分配室
74 発電用空気導入管
76 空気導入管
82 排ガス排出管
83 点火装置
84 燃料電池セル
86 内側電極端子
88 燃料ガス流路
90 内側電極
91 支持体
92 外側電極
94 固体電解質
96 シール材
97 導電材
100 上支持板
200 本体部
200a 側面部
200b 上面部
201 先端部

Claims (8)

  1. 燃料ガスと酸化剤ガスとにより発電を行う固体酸化物形燃料電池セルスタックであって、
    前記燃料ガスが供給される燃料極、前記酸化剤ガスが供給される空気極、及び、前記燃料極と前記空気極の間に設けられた固体電解質を有する燃料電池セルと、
    前記燃料電池セルにより発電された電力を前記燃料電池セルから取り出す集電部材と、
    を備え、
    前記集電部材と前記燃料電池セルとの間はガラスを含むシール材によってシールされており、
    前記集電部材は、前記燃料電池セルの端部を覆うように設けられる本体部と、前記本体部の端部に設けられ、前記本体部よりも径が小さい先端部と、を有しており、
    前記本体部は、前記燃料電池セルの周囲を覆う側面部と、前記燃料電池セルの端面を覆う上面部と、を有しており、
    前記上面部は前記燃料電池セルの長軸方向に撓んでいる、固体酸化物形燃料電池セルスタック。
  2. 前記先端部は、先細りしている、請求項1に記載の固体酸化物形燃料電池セルスタック。
  3. 前記上面部と前記燃料電池セルとの間には導電材が設けられており、導電材と上面部との間に隙間を有する、請求項1又は2に記載の固体酸化物形燃料電池セルスタック。
  4. 前記側面部は円筒状である、請求項1〜3のいずれか1項に記載の固体酸化物形燃料電池セルスタック。
  5. 前記先端部の断面形状は湾曲形状である、請求項1〜4のいずれか1項に記載の固体酸化物形燃料電池セルスタック。
  6. 前記先端部の断面形状はテーパー形状である、請求項1〜4のいずれか1項に記載の固体酸化物形燃料電池セルスタック。
  7. 前記先端部が撓んでいる、請求項1〜4のいずれか1項に記載の固体酸化物形燃料電池セルスタック。
  8. 前記本体部において、
    前記上面部の厚みは前記側面部の厚みよりも大きい、請求項1〜7のいずれか1項に記載の固体酸化物形燃料電池セルスタック。
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