JP5088539B2 - 固体酸化物形燃料電池 - Google Patents
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Description
その結果、焼成工程を削除しても、発電前および発電後に関係なく燃料電池スタックに配置される燃料電池セルと導電性部材を押圧しているため、発電時に燃料電池モジュールの電気的な直列方向を押圧せずとも、良好な電気接続を保つことができる。また、燃料電池モジュールの組み立てや輸送等の燃料電池スタックの取扱いにおいても、スタック構造を安定に保つことができる。
燃料極側保持部材と、空気極側保持部材を、それぞれ側面保持部材と絶縁することにより、発電時に万一、側面保持部材が熱応力によって変形して隣合う側面保持部材同士が接触したとしても、燃料電池セルは局所的な発熱による過度な熱応力の発生、発電反応の逆反応による燃料電池の基材の性状変化など、短絡に起因する劣化を起こすことがない。これにより、燃料電池スタックの電気的な接続を安定に維持し、燃料電池の性能低下や破損などの劣化を抑制できるため、より燃料電池の高い信頼性を得ることができる。さらに、燃料電池スタックの周囲に形成される保持部材同士をネジ固定や熔接やカシメによる圧着等により接続することができ、複数の燃料電池スタックの集電を容易に行うことができるという利点もある。このとき、保持部材は耐熱ステンレス鋼やインコネルなどの耐熱金属やセラミックで、導電性部材はニッケルを主成分とする金属材料からなる金属多孔体や金属板などで、それぞれ形成することができる。但し、セラミックで保持部材を形成する場合はスタックの両端の端子に燃料電池スタックの電力を取出すためのスタック集電板を具備する必要がある。このスタック集電板により、燃料電池スタック間の電気的な接続がなされる。
その結果、燃料極側保持部材と側面保持部材が一体に構成されることにより、燃料極側保持部材と側面保持部材の組立て工程を廃止でき、燃料電池スタックの組立作業を容易できる。また、燃料極側保持部材と側面保持部材の組立てによる燃料電池スタック間の形状のバラツキが緩和され、電気的な直列方向と垂直な燃料電池スタックの両端の面aと、これに垂直な面bとが直角となるように保持部材が一体で精度良く構成できるため、保持部材を基準にして燃料電池スタックが精度良く組立てできる。
その結果、発電時の温度変化で保持部材が膨張収縮しても、燃料極側保持部材と側面保持部材とが、緩衝性を有するセラミック繊維シートを介して連結金具で、接続部へかかる応力を分散して制御できるため、接続部の変形や破損などの劣化を抑制して絶縁構造を維持することができる。絶縁リングおよびセラミック繊維シートは、アルミナ、ムライト、マグネシア、ジルコニア等により形成することができる。
その結果、燃料電池スタックの組立てや輸送等の取扱い時、あるいは温度変化による熱応力分布が生じる発電時において、常に燃料電池スタックの内部の燃料電池セルと導電性部材との接続面に働く応力が電気的な直列方向と平行な一方向のみに集中でき、電気的な並列方向の応力発生を抑制できる。これより、燃料電池スタックの取扱いによる外的な応力や温度分布による熱応力などで内部応力が燃料電池スタックへ働いたとしても、燃料電池セルと導電性部材の接続は電気的な並列方向の応力を増加させて燃料電池スタックの内部応力を分散させることがない。したがって、燃料電池スタックは燃料電池セルと導電性部材の電気的な接続を安定に保つことができる。
その結果、燃料電池スタックの組立てや輸送等の取扱い時、あるいは温度変化による熱応力分布が生じる発電時において、燃料電池セルへ与えられる圧縮力が燃料電池セルの軸方向において分散して導電性部材を介して伝達することができ、局所的な応力を生じることなく燃料電池セルの破損を抑制できる。したがって、燃料電池スタックは燃料電池セルと導電性部材の接続を安定に保って燃料電池の構造を維持できる。
また、発電された電力を燃料電池セルの軸方向で自在に取り出すことができる。例えば、燃料電池スタックの軸方向の温度が高い部位はスタック集電板の集電抵抗を大きくして発電反応を抑制し、また温度が低い部位では集電抵抗を小さくして発電反応を促進することにより、燃料電池の温度を制御することができる。したがって、燃料電池セルにおける軸方向の電流密度の分布を均一にして燃料電池の発電温度のばらつきを少なく、燃料ガスの偏流を抑制しやすい構造を形成することができる。
その結果、内側燃料電池容器の内側の発電室において、断熱材を絶縁緩衝材にして燃料電池モジュールをコンパクトに構成することができる。また、供給される燃料ガスが断熱材による温度傾斜を生じにくくなるため、燃料電池へ密度差の少ない燃料ガスを供給でき、発電室内における燃料ガスの偏流を抑制できる。したがって、燃料電池の発電に寄与する燃料ガスを増加してコンパクトで高性能な燃料電池を提供することができる。
その結果、保持部材は、露出部を構成した単位で熱の吸収発散することができ、燃料電池セルの軸方向における燃料電池セルと保持部材との線膨張係数の差や温度分布による保持部材の線膨張係数の差などによる大きな熱歪みをためることがない。また、露出された部分で燃料電池表面と保持部材の周囲の燃料ガスが拡散して、ガス密度とガス温度を均一化できるといった利点もある。したがって、保持部材は、燃料電池セルの軸方向に生ずる温度分布に応じて構造を維持でき、燃料電池セルと導電性部材の接触を安定に保つことができるため、燃料電池は安全かつ高効率な発電性能を得ることができる。このとき、同じ材料の中で温度分布により、線膨張係数を約2×10−6(cm/cm・K−1)以上の差にしないように形成することが、保持部材の歪みを抑える観点から好ましい。
また、同様に燃料電池セル同士を接続する導電性部材を、燃料電池セルの軸方向で露出露出して形成することにより、燃料電池セルと導電性部材との接続面に発生する熱が、燃料電池セルの表面と、露出部を構成した導電性部材との単位で、吸収発散させることができ、燃料電池セルの軸方向における燃料電池セルと導電性部材との線膨張係数の差や温度分布による導電性部材の線膨張係数の差などによる大きな熱歪みをためることがない。また、露出された部分で燃料電池表面と導電性部材の周囲の燃料ガスが拡散して、ガス密度とガス温度を均一化できると共に、燃料ガスの単位時間当たりの流速が遅くなり燃料電池の発電に寄与する燃料ガスを増加させて燃料電池の発電性能を向上できるといった利点もある。したがって、燃料電池スタックは、燃料電池セルの軸方向に生ずる温度分布に応じて構造を維持でき、熱応力等による燃料電池セルの破損を抑制して燃料電池セルと導電性部材との電気的な接続を安定に保つことができるため、燃料電池は安全かつ高効率な発電性能を得ることができる。
その結果、燃料電池の発電反応部に側面保持部材がないため、燃料電池の発電時、万一、側面保持部材が熱応力によって変形して隣合う側面保持部材同士が接触したとしても、燃料電池セルは局所的な発熱による過度な熱応力の発生、発電反応の逆反応による燃料電池の基材の性状変化など、短絡に起因する劣化を起こすことがなく、燃料電池セルに直接接触することもなく構成することできる。また、燃料電池スタック同士を迂回なく短い距離でスタック集電板を接続でき、集電ロスを少なく構成することができる。さらに、燃料電池セルにおける開口の上方と、燃料電池セルの封止の下方とに保持部材を形成することにより、燃料電池スタックの並列方向のピッチを自在に構成することができ、発電反応による燃料電池セルから周囲のガスに与える熱を均一に保ち、燃料電池の発電温度のばらつきを少なく、燃料ガスの偏流を抑制しやすい構造を形成することができる。したがって、燃料電池スタックの電気的な接続を安定に維持し、燃料電池の性能低下や破損などの劣化を抑制できるため、より燃料電池の高い信頼性を得ることができる。
その結果、保持部材の内部に配置される燃料電池スタックは、電気的な直列方向の両端に配置したスタック集電板で自在に燃料電池セルの電極を折り返し、直列および/または並列で燃料電池セルを配列して燃料電池スタックの両端または片端で電気を取り出すことができるため、燃料電池スタックは、発電装置の形状、電流、電圧などの仕様に汎用性を持たせることができる。また、複数の燃料電池セルの電気的な電気的な直列方向と並列方向の接続距離を均一に構成することにより、燃料電池スタックの内部へ流れる燃料ガスが、燃料電池セルより均一な熱量を与えられるため、燃料電池スタックの軸方向や、それに垂直な平面方向の温度分布を緩和して燃料電池スタックの内部へ燃料ガスが偏って流れることを抑制できる。したがって、燃料電池は高効率な発電性能を得ることができる。
その結果、燃料電池スタックに配置される燃料極側保持部材および/または空気極側保持部材の温度分布による熱膨張の影響をほぼ受けることなく、導電性部材のみ熱膨張により、複数の燃料電池セルへ圧縮方向の応力を、また側面保持部材へ引張り方向の応力を、それぞれ伝達できるため、複数の燃料電池セルと導電性部材との良好な接触を保つとともに、側面保持部材の変形量を許容して安定な燃料電池スタック構造を容易に形成することができる。
その結果、保持部材の表面にクロミア、アルミナ等の安定な不動態膜を形成することができ、水素、メタン等の炭化水素、水素水蒸気等を含有する還元雰囲気における保持部材の表面の酸化や孔食等の劣化を防止することができる。また、高温時(700〜1000℃)の耐熱鋼の変形量を抑えて保持部材表面の亀裂等の欠陥を防止することができるため、燃料電池スタック構造を安定に保つことができる。
2…電解質
3…空気極
4…燃料極
5…インターコネクタ
6、24、26…燃料電池スタック
7…導電性部材
8、12…燃料極側保持部材
9…空気極側保持部材
10…側面保持部材
11…接続部
13…絶縁リング
14…セラミック繊維シート
15…保持板
16…連結金具
17、28…スタック集電板
18…集電ロッド
19…絶縁緩衝部材
20…発電室
21…内側燃料電池容器
22…断熱材
23…外側燃料電池容器
25…露出部
27…セル集電板
29…封止部緩衝材
30…通気孔
31…絶縁部材
Claims (7)
- 複数の筒状の燃料電池セルと、前記燃料電池セルを電気的に接続する導電性部材と、を備えた燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックを囲む保持部材とからなり、
前記保持部材は、前記燃料電池スタックの電気的な直列方向に向かって押圧をかける押圧手段と、前記保持部材自身を固定する固定手段と、
を備え、
前記保持部材が、前記燃料電池スタックの燃料極側端部に配置される燃料極側保持部材と、空気極側端部に配置される空気極側保持部材と、
前記燃料極側保持部材と前記空気極側保持部材と連結する側面保持部材と、
前記燃料極側保持部材および/または前記空気極側保持部材と前記側面保持部材を絶縁する絶縁部と、
をさらに備えていることを特徴とする固体酸化物形燃料電池。 - 前記燃料極側保持部材または前記空気極側保持部材が、前記側面保持部材と一体よりなることを特徴とする請求項1に記載の固体酸化物形燃料電池。
- 前記固定手段により固定される前記側面保持部材が、電気的な直列方向と平行に設けられていることを特徴とする請求項1または2に記載の固体酸化物形燃料電池。
- 前記保持部材が、前記燃料電池セルの軸方向にほぼ全長にわたり設けられてなることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の固体酸化物形燃料電池。
- 前記保持部材が、前記燃料電池スタックの露出部を備えていることを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の固体酸化物形燃料電池。
- 前記側面保持部材が、前記燃料電池セルの軸方向の両端にのみ設けられてなることを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載の固体酸化物形燃料電池。
- 前記燃料電池スタックと、前記燃料極側保持部材および/または前記空気極側保持部材の間に絶縁部が備えられていることを特徴とする請求項1〜6のいずれか一項に記載の固体酸化物形燃料電池。
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