JP5457497B2 - 固体電解質型燃料電池システム - Google Patents
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Description
このSOFCは、例えば板状の固体電解質体の各面に燃料極と空気極とを備えた燃料電池セルを、多数積層してスタックを形成し、燃料極に燃料ガスを供給するとともに、空気極に空気を供給し、燃料及び空気中の酸素を固体電解質体を介して化学反応させることによって電力を発生させるものである。
そのため、SOFCシステムの起動時には、例えばスタックの周囲に配置したヒータを用いて加熱するために大量の電力を必要としたり、スタックを周囲から加熱するために多くの加熱ガスが必要であり、しかも、通常は、その加熱に5時間以上かかるという問題があった。
つまり、こうした用途においては、SOFCシステムの起動、停止、或いは出力の調整が頻繁であり、また、起動に利用できる最大電力や燃料に制限があるが、本発明では、低電力で速やかに加熱できるので、移動体や家庭用に好適に利用することができる。
また、セラミックである固体電解質体を主要な構成とするスタックには、燃料ガスを供給する箇所や燃料ガスの排ガス(燃料排ガス)を排出する箇所に、通常は、ろう付けなどにより金属製のジョイントが接合されているが、その接合部分は、セラミック部分に比べると耐熱性が低い。
しかし、本発明は、スタック内部から加熱する構造であるので、スタックの表面側の温度は内部の温度と比べて低い。よって、スタック内部が発電可能な高温に達した場合でも、その接合部分の温度を低く保つことが可能であるので、接合部分の劣化を抑制することができる。
また、本発明では、ヒータを備えたスタックを、少ない電力で速やかに加熱して発電可能な状態にすることが可能である。よって、例えばこのスタックから排出される高温の燃料排ガスを利用して他のスタックを加熱することができる。また、他のスタックにもヒータを備えている場合には、このスタックによって発電された電力を他のヒータに供給して、他のスタックを加熱することができる。
更に、本発明では、第1固体電解質型燃料電池スタックの温度(例えば発電可能な温度)を検知し、発電可能な温度にて、燃料ガス及び支燃性ガスの供給状態(特に燃料ガスの供給状態)を制御し、第1固体電解質型燃料電池スタックから排出される高温の燃料排ガスを、第2固体電解質型燃料電池スタックに供給する。
燃料電池スタックによって発電された電力を、他の固体電解質型燃料電池スタックの加熱に用いるので、その加熱を効率良く行うことができる。これによって、自動車やトラックなどの移動体に搭載する場合や、電力需要が生活のスタイルにより変動する家庭用コジェネ発電機に好適に適用できる。つまり、本発明は、起動、停止、或いは出力の調整が頻繁であったり、起動に利用できる最大電力や燃料に制限があるSOFCシステムに好適である。
・SOFCスタック等を用いて発電させる場合、燃料極側には燃料ガスを導入し、空気極側には支燃性ガスを導入する。燃料ガスとしては、水素、還元剤となる炭化水素、水素と炭化水素との混合ガス、及びこれらのガスを所定温度の水中を通過させ加湿した燃料ガス、これらのガスに水蒸気を混合させた燃料ガス等が挙げられる。炭化水素は特に限定されず、例えば、天然ガス、ナフサ、石炭ガス化ガス等が挙げられる。この燃料ガスとしては水素が好ましい。これらの燃料ガスは1種のみを用いてもよいし、2種以上を併用することもできる。また、50体積%以下の窒素及びアルゴン等の不活性ガスを含有していてもよい。
尚、以下では、「固体電解質型」を省略する
図1に示す様に、燃料電池スタック1は、直方体形状であり、長尺の長方形で板状(短冊状)の燃料電池セル3等を、その厚み方向に多数積層したものである。
31も、第2燃料電池セル19の発電効率の観点からは、インターコネクタ21が接合されている部分以外の全面に設けられていることが好ましい。
燃料電池スタック1の製造方法は、以下に述べる様に、未焼成燃料電池セル用積層シート作製工程、未焼成セラミックインターコネクタ用積層シート作製工程、未焼成ユニットセル用複合シート作製工程、複合体形成工程、圧着体形成工程、未焼成燃料電池スタック作製工程、及び燃料電池スタック作製工程、を備える。
(A)未焼成燃料電池セル用積層シートの作製
a)未焼成固体電解質シートの形成
固体電解質として8YSZ(8モル%のY2O3により安定化されたZrO2)粉末100質量部(以下、「部」という。)、アルミナ粉末1部、有機バインダとしてポリビニルアルコール、及び有機溶媒としてブチルカルビトールを混合し、未焼成固体電解質シート用スラリーを調製した。その後、このスラリーを用いてドクターブレード法によりポリエステルフィルムの表面に、各々110mm×100mm×150μm(厚さ)の寸法の未焼成固体電解質シート71を形成した(図6参照)。
酸化ニッケル(NiO)粉末80部、上記8YSZ粉末20部、分散剤としてジエチルアミン、及び有機溶媒としてトルエンとメチルエチルケトン、を混合し、その後、可塑剤としてジブチルフタレート、有機バインダとしてポリビニルアルコールを更に配合し、混合して未焼成燃料極用スラリーを調製した。次いで、このスラリーを、上記a)において形成した未焼成固体電解質シート71のそれぞれの一面にスクリーン印刷し、12mm×90mm×10μm(厚さ)の寸法の未焼成燃料極用帯状シート73を各々5本並行に形成した。尚、それぞれの帯状の未焼成シートの間隔は6mmとした。
平均粒径2μmの市販のLa0.6Sr0.4(Co0.2Fe0.8)O3(以下、「LSCF」と表記する。)粉末100部に、バインダとしてポリビニルアルコール13部及び有機溶媒としてブチルカルビトール35部を混合して未焼成空気極用スラリーを調製した。その後、このスラリーを、上記a)において形成した未焼成固体電解質シート71の他面にスクリーン印刷し、12mm×90mm×10μm(厚さ)の寸法の未焼成空気極用帯状シート75を各々5本並行に形成した。
(B)未焼成セラミックインターコネクタ用積層シートの作製
a)未焼成積層シートの形成
アルミナ粉末100部、上記8YSZ粉末20部、マグネシア粉末2部及びシリカ粉末2部を混合し、ボールミルにより10時間湿式粉砕し、その後、脱水し、乾燥した。次いで、この混合粉末と、有機バインダとしてメタクリル酸イソブチルエステル及びニトロセルロース、並びに可塑剤としてジオクチルフタレート、更に有機溶媒としてトリクロールエチレン及びn−ブタノールを配合し、ボールミルにより混合して未焼成インターコネクタ用スラリーを調製した。このスラリーを減圧脱泡させ、その後、流延させてシートとし、次いで、有機溶媒を揮発させ、110mm×100mm×50μm(厚さ)の寸法の1対の未焼成セラミックシート79、81(図7参照)を形成した。
具体的には、白金スポンジ75重量部、白金ブラック20重量部、アルミナ5重量部の合計100重量部に対して、有機バインダとしてニトロセルロース、溶媒としてn−ブタノールを加え、スクリーン印刷用に粘度を適切に調整した導電ペーストを作成し、この導電ペーストを用いてスクリーン印刷してヒータパターン83を形成した。つまり、同図の左右方向に、後に形成される各インターコネクタ21に対応する様に、5列のヒータパターン83を形成した。
上記のようにして形成された未焼成積層シート、即ち、未焼成セラミックシート85と未焼成第1及び第2セラミック開口シート87、89とが重なっている部分の所定箇所に、パンチングにより表面における開口径が500μmの(電池ビア導体部用の)ビアホール60を穿設した。その後、導電粉末として80質量%の白金粉末を含有する導体ペーストを、穴埋め印刷によりビアホール60内に充填した。次いで、120℃で30分間乾燥してペーストに含有される有機溶媒を除去することで、未焼成電池ビア導体部91を形成した。
(C)未焼成ユニットセル用複合シートの作製
3個の未焼成燃料電池用積層シート77と、2個の未焼成セラミックインターコネクタ用積層シート95とを交互に積層した。
(D)複合体の形成
上記(C)で作製した30個の未焼成ユニットセル用複合シートを積層し、仮圧着して複合体とした。各々の未焼成ユニットセル用複合シートは、それぞれ3層の未焼成燃料電池セル用積層シート77を有するため、この複合体は、合計90層の未焼成燃料電池セル用積層シート77を備えることになる。
(E)圧着体形成工程
上記(D)で形成した複合体を、シリコンゴム製の型枠内に配置し、その後、85℃に昇温させ、減圧下、積層方向に98MPaの圧力で圧着し、直方体形状の圧着体97を形成した(図9参照)。尚、図10に圧着体の断面を示す様に、未焼成燃料電池セル用積層シート77と未焼成セラミックインターコネクタ用積層シート95とは、アルミナとジルコニアとを含有する中間セラミック層98を介して接合されている。
(F)未焼成燃料電池スタックの作製
上記(E)で形成した圧着体97を、前記図9に示す様に、平面形状が長方形(短冊状)の燃料電池スタック1の形状に合わせて、圧着方向(同図下方)に、短冊状に切断して未焼成燃料電池スタック99を作製した。
(G)燃料電池スタックの作製
上記(F)で作製した未焼成燃料電池スタック99を、焼成炉に収容し、大気雰囲気下、260℃で5時間保持して有機バインダを除去し、引き続いて、炉内の温度を1430℃まで昇温させ、この温度で2時間保持して焼成を行い、燃料電池スタック1を作製した。
本実施例の燃料電池システムは、図11に示す様に、(複数の燃料電池スタック101、103からなる)燃料電池モジュールの各燃料電池スタック101、103を順次起動させるものである。
本実施例では、燃料電池スタック101、103が複数個配置され、それらが電気的に直列に接続されて、所定の出力250Vが得られる燃料電池モジュールが構成されている。尚、以下では、説明を簡易化するために2個の燃料電池スタック101、103について説明する。
従って、第1三方向切替弁117により、第1燃料電池スタック101から排出される排ガスの流路を、外部への排出経路133と第5パイプ131への経路とに切り換えることができる。また、第2三方向切替弁125により、燃料ガスの原料供給経路135から第3燃料供給ジョイント119に到る経路(燃料ガスを第2燃料電池スタック103に供給する経路)と、第4パイプ131から第3燃料供給ジョイント119に到る経路(排ガスを第2燃料電池スタック103に供給する経路)とを切り換えることができる。
本実施例の燃料電池システムは、図12に示す様に、電子制御装置141により制御される。
図13のフローチャートに示す様に、まず、ステップ(S)100にて、第1燃料電池スタック101を加熱するために、第1ヒータ制御部157を駆動して、第1燃料電池スタック101内の各セルのヒータ45に通電する。
S180では、燃料ガスを供給してからの時間tが所定時間t0経過したか否かを判定し、経過しない場合は前記S120に戻る。
S200では、燃料ガスを供給してからの時間tが所定時間t0経過したか否かを判定し、経過しない場合は前記S170に戻る。
[4]次に、本実施例の効果について説明する。
例えば前記実施例では、第1燃料電池スタックにて発電された電力及び燃料排ガスを、第2燃料電池スタックに供給しているが、電力及び燃料排ガスの一方のみを第2燃料電池スタックに供給してもよい。また、第2燃料電池スタックには、ヒータを配置しなくてもよい。
9、11、107、113、119、125…燃料供給ジョイント
17、19…固体電解質型燃料電池セル
21…インターコネクタ
23、29…固体電解質体
25、31…燃料極
27、33…空気極
45…ヒータ
111、123…開閉弁
117、125、129…三方向切替弁
141…電子制御装置
147、149…温度検出部
Claims (2)
- 燃料ガスに接する燃料極及び支燃性ガスに接する空気極を有する固体電解質体を備えた燃料電池セルが、複数個積層された固体電解質型燃料電池スタックを、複数個備えるとともに、前記複数の固体電解質型燃料電池スタックのうち、少なくとも1個のスタックの内部にヒータを配置した固体電解質型燃料電池モジュールの駆動を制御する固体電解質型燃料電池システムであって、
前記固体電解質型燃料電池システムの起動時に、前記ヒータを備えた第1固体電解質型燃料電池スタックのヒータに通電する通電制御手段と、
前記第1固体電解質型燃料電池スタックの温度を検知する温度検知手段と、
前記検知手段によって検知された温度が所定の温度に達した場合に、前記第1固体電解質型燃料電池スタックが発電可能なように、前記燃料ガス及び支燃性ガスの供給状態を制御するガス供給制御手段と、
前記燃料ガスの供給に伴って前記第1固体電解質型燃料電池スタックから排出される高温の燃料排ガスを、第2固体電解質型燃料電池スタックに供給する排ガス供給制御手段と、
を備えたことを特徴とする固体電解質型燃料電池システム。 - 更に、前記第1固体電解質型燃料電池スタックの作動によって発電された電力を、前記ヒータを備えた前記第2固体電解質型燃料電池スタックのヒータに供給するヒータ電力供給制御手段を備えたことを特徴とする前記請求項1に記載の固体電解質型燃料電池システム。
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