JP7423382B2 - シール部材、燃料電池システム及びシール部材の修復方法 - Google Patents
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Description
燃料電池セルを有する燃料電池モジュールの構成部材どうしを接合する接合部分に適用されるシール部材であって、
前記燃料電池セルの通常の運転温度より高温の運転温度において溶融し、第1軟化点温度を有する材料からなる第1部材と、
前記燃料電池セルの前記通常の運転温度より高温の運転温度において溶融し、かつ、前記第1部材の前記第1軟化点温度より低い第2軟化点温度を有する材料からなる第2部材とを含み、
前記第1部材及び前記第2部材の材料は等方性材料である点にある。
上記特徴構成の第1部材及び第2部材を含むシール部材は、燃料電池モジュールの構成部材どうしを接合する接合部分に適用されている。第1部材及び第2部材はともに通常の運転温度より高温の運転温度において燃料電池セルが運転されている場合に溶融する第1軟化点温度及び第2軟化点温度を有している。よって、燃料電池セルが通常の運転温度で運転されている場合においては、第1部材及び第2部材は溶融しない。第2部材の第2軟化点温度は、第1部材の第1軟化点温度よりも低い。よって、シール部材が第2軟化点温度以上第1軟化点温度未満となる温度で燃料電池セルを運転した場合、第2部材は溶融するものの第1部材は溶融しない。シール部材にひび及び剥がれ等の破損が生じた場合、前述のように加熱することで第1部材は溶融せずそのままの形状を維持するが、第2部材が溶融して第1部材の破損部分を埋め合わせて修復する。これにより、シール部材が破損した場合であっても修復することで、接合部分を封止して燃料ガス等の漏洩を抑制することができる。
加えて、上記特徴構成のようにシール部材を構成する第1部材及び第2部材を等方性材料で形成することで、シール部材の異方的な熱膨張によって生じる応力を抑制でき、また応力のかかる方位による強度ばらつきも抑えられるため、シール部材の強度が部分的に小さくなることを抑制でき、接合部分を強固に封止できるなど安定なシール部材を得ることができる。また、第1部材の破損部分を第2部材で修復した場合も、等方性材料でシール部材を構成できるため部分的に強度が小さくなることを抑制できる。
燃料ガスが通流する燃料ガス通路を有する複数の燃料電池セルと、
前記複数の燃料電池セルの一端が挿入されることで前記燃料ガス通路と連通され、前記燃料ガスを前記燃料ガス通路に供給するマニホールドと、
前記燃料電池セルの一端と前記マニホールドとの接合部分に適用されているシール部材とを備え、
前記シール部材は、前記燃料電池セルの通常の運転温度より高温の運転温度において溶融し、第1軟化点温度を有する材料からなる第1部材と、前記燃料電池セルの前記通常の運転温度より高温の運転温度において溶融し、かつ、前記第1部材の前記第1軟化点温度より低い第2軟化点温度を有する材料からなる第2部材とを含む点にある。
上記特徴構成の第1部材及び第2部材を含むシール部材は、燃料電池セルの一端とマニホールドとの接合部分に適用されている。第1部材及び第2部材はともに通常の運転温度より高温の運転温度において燃料電池セルが運転されている場合に溶融する第1軟化点温度及び第2軟化点温度を有している。よって、燃料電池セルが通常の運転温度で運転されている場合においては、第1部材及び第2部材は溶融しない。第2部材の第2軟化点温度は、第1部材の第1軟化点温度よりも低い。
シール部材が第2軟化点温度以上第1軟化点温度未満となる温度で燃料電池セルを運転した場合、第2部材は溶融するものの第1部材は溶融しない。第1部材にひび及び剥がれ等の破損が生じた場合、前述のように加熱することで第1部材は溶融せずそのままの形状を維持するが、第2部材が溶融して第1部材の破損部分を埋め合わせて修復する。これにより、燃料電池セルの一端とマニホールドとの接合部分のシール部材が破損した場合であっても、シール部材を修復することで燃料ガス等の漏洩を抑制することができる。
通常の運転温度で前記燃料電池セルを運転するように制御する第1運転モードを実行可能であり、前記燃料電池セルの前記通常の運転温度より高温の運転温度であり、かつ、前記第2軟化点温度以上前記第1軟化点温度未満で前記シール部材を加熱可能に前記燃料電池セルを運転するように制御する第2運転モードを実行する運転制御部を備える点にある。
燃料電池セルを有し、構成部材どうしを接合する接合部分に適用される上記のシール部材で前記構成部材どうしが接合されている燃料電池モジュールと、前記燃料電池セルの運転を制御する運転制御部とを備える燃料電池システムにおける前記シール部材の修復方法であって、その特徴構成は、
前記運転制御部は、通常の運転温度で前記燃料電池セルを運転するように制御する第1運転モードと、前記燃料電池セルの前記通常の運転温度より高温の運転温度であり、前記第2軟化点温度以上前記第1軟化点温度未満で前記シール部材を加熱可能に前記燃料電池セルを運転する第2運転モードとを実行可能である点にある。
燃料電池セルを有し、構成部材どうしを接合する接合部分に適用される上記のシール部材で前記構成部材どうしが接合されている燃料電池モジュールと、加熱部と、前記加熱部を制御する加熱部制御部とを備える燃料電池システムにおけるシール部材の修復方法であって、その特徴構成は、
前記加熱部制御部は、前記第2軟化点温度以上前記第1軟化点温度未満で前記シール部材を加熱するように前記加熱部を制御する点にある。
以下に、本発明の実施形態に係るシール部材の修復方法について、図1を用いて説明する。
(1-1)全体構成
燃料電池システム100は、図1に示すように、燃料電池発電装置1を備えている。また、燃料電池システム100は、燃料電池発電装置1に燃料ガス、改質水及び酸化剤ガスを供給するために、燃料ガス供給用の燃料ガス用ポンプ2と、昇圧ポンプ5と、脱硫器3と、改質水供給用の改質水タンク9と、酸化剤ガス供給用の空気ブロア15とを備えている。また、燃料電池システム100は、燃料電池発電装置1から排出される熱を再利用する排熱利用部としての熱交換器17と、熱交換器17との間で循環させる水等の熱媒を収容する貯湯タンク19とを備えている。また、燃料電池システム100は、燃料電池システム100の運転を制御する運転制御部71を備えている。
次に、燃料電池モジュール23の構成について説明する。以下では、燃料電池モジュール23として、円筒平板型の燃料電池モジュール、平板型の燃料電池モジュール及び円筒型の燃料電池モジュールを例に挙げて説明する。
また、燃料電池モジュール23には、燃料ガス及び酸化剤ガス等の各種ガスの漏洩を防ぐためのシール部材が設けられているが、各燃料電池モジュールの構成の説明とともにシール部材の構成についても説明する。
円筒平板型の燃料電池モジュール23について図2~図5を用いて説明する。
円筒平板型の燃料電池モジュール23は、複数の円筒平板型の燃料電池セルAと、集電部材213と、導電部材214と、電流引き出し部215と、燃料ガスが導入されるマニホールドMとを有している。複数の円筒平板型の燃料電池セルAは、集電部材213を介して互いに平行に配置されており、マニホールドMから立設するように設けられている。導電部材214は、複数の燃料電池セルA及び集電部材213を挟持するように、燃料電池セルAの配置方向の両端に設けられている。電流引き出し部215は導電部材214に接続されており、燃料電池セルAの発電により生じる電流を取り出す。
なお、結晶化ガラスとは、例えば、全体積に対して、結晶相が占める体積が60%以上であり、非晶質相等が占める体積が40%未満のガラスである。
平板型の燃料電池モジュール23について図8~図11を用いて説明する。
平板型の燃料電池モジュール23は、燃料電池セルAを収容する第1セパレータ101と、燃料ガス及び酸化剤ガスを燃料電池セルAの平面に供給するための溝103a、103bが形成された第2セパレータ103とが、交互にZ方向に積層されて構成されている。
円筒型の燃料電池モジュール23について図14~図15を用いて説明する。
円筒型の燃料電池モジュール23は、円筒状の燃料電池セルAと、集電部材319と、燃料極側端子321と、空気極側端子325とを有している。燃料電池セルAは、円筒状の内部から順に燃料極層311、電解質層313、空気極層315が順に積層されている。燃料電池セルAの最も内面の燃料極層311は燃料ガスが通流する燃料ガス通流部317を構成している。集電部材319は、空気極層315の外面に接して設けられており、酸化剤ガスの供給を受ける。
上記の燃料電池システム100の運転制御部71は、シール部材80が破損した場合に修復を行うための修復方法を実行する。
(2-1)修復方法の全体の流れ
まず、シール部材80の修復方法の全体の流れについて説明する。
運転制御部71は、通常の運転温度で燃料電池セルAを運転するように制御する第1運転モードと、通常の運転温度よりも高温で燃料電池セルAを運転するように制御する第2運転モードとを実行可能であり、所定のタイミングで第2運転モードを実行する。
第2運転モードを開始した後、運転制御部71は、任意のタイミングで第2運転モードを終了してもよいし、第2運転モードを所定期間実行した後に終了してもよい。その他、後述の通り燃料電池システム100の状態に基づいて第2運転モードを終了してもよい。
第2運転モードでは、運転制御部71は、第1運転モードでの通常の運転温度よりも高温であり、シール部材80が第2軟化点温度以上第1軟化点温度未満となるように燃料電池セルAの運転を制御する。以下では、第2運転モードにおける燃料電池セルAを高温での運転に制御する方法の一例について説明する。
運転制御部71は、任意のタイミング、定期的なタイミング、燃料ガス等の漏洩が検出されたタイミング等の所定のタイミングで第2運転モードを実行する。ここでは、燃料ガス等の漏洩が検出されたタイミングでの第2運転モードの開始について説明する。
運転制御部71は、第2運転モードを開始した後、任意のタイミング、第2運転モードを所定期間実行した後のタイミング、燃料電池システム100の状態に基づいたタイミング等の所定のタイミングで第2運転モードを終了する。ここでは、燃料電池システム100の状態に基づいたタイミングでの第2運転モードの終了について説明する。
なお、停止用燃焼温度閾値は、例えば、通常運転での燃焼部29におけるセル燃焼排ガスの温度に設定されている。
なお、停止用触媒温度閾値は、例えば、通常運転での燃焼触媒部35における触媒燃焼排ガスの温度に設定されている。
なお、停止用電圧閾値は、例えば、通常運転での燃料電池セルAの発電電圧に設定されている。
図2~図5に示す円筒平板型の燃料電池モジュール23において、図6に示すようにシール部材80に破損部分85を形成した。第1部材81は、Si、Al等の成分を含むガラス材料で形成されている。
また、第2部材83は、B、Mg、Ca、Ba等の成分を含むガラスフリットA~Cを用いて形成されている。ガラスフリットA~Cの非晶質ガラス以外の組成は次の通りである。ガラスフリットA~Cそれぞれは、テルピネオールを分散媒としたペーストに生成され、第1部材81の上部に第2部材83として塗布されている。
ガラスフリットA:B6%、Mg12%、Al4%、Si6%、Ca3%、Zn10%、Ba19%
ガラスフリットB:B5%、Mg9%、Al3%、Si5%、Zn5%、Ba10%、La30%
ガラスフリットC:B5%、Mg12%、Al3%、Si5%、Ca5%、La33%
Ts:軟化点温度であり、マクロな流動性が出てくる温度
Tc:結晶化温度であり、ガラスの結晶化発熱が最大となる温度
この結果から、シール部材80の破損部分85が、第2部材83が溶融して入りこむことによって修復されていることが分かる。
なお上述の実施形態(他の実施形態を含む、以下同じ)で開示される構成は、矛盾が生じない限り、他の実施形態で開示される構成と組み合わせて適用することが可能であり、また、本明細書において開示された実施形態は例示であって、本発明の実施形態はこれに限定されず、本発明の目的を逸脱しない範囲内で適宜改変することが可能である。
また、第2部材83は第1部材81の表面全体を覆っている必要はなく、第1部材81の表面の一部を覆っていてもよい。
71 :運転制御部
73 :加熱部制御部
75 :ヒータ
80 :シール部材
81 :第1部材
83 :第2部材
85 :破損部分
100 :燃料電池システム
A :燃料電池セル
M :マニホールド
Claims (16)
- 燃料電池セルを有する燃料電池モジュールの構成部材どうしを接合する接合部分に適用されるシール部材であって、
前記燃料電池セルの通常の運転温度より高温の運転温度において溶融し、第1軟化点温度を有する材料からなる第1部材と、
前記燃料電池セルの前記通常の運転温度より高温の運転温度において溶融し、かつ、前記第1部材の前記第1軟化点温度より低い第2軟化点温度を有する材料からなる第2部材とを含み、
前記第1部材及び前記第2部材の材料は等方性材料である、シール部材。 - 前記第1部材と前記第2部材とは互いに隣接している、請求項1に記載のシール部材。
- 前記第2部材は、前記第1部材の上方に配置されている、請求項2に記載のシール部材。
- 前記第2部材は前記第1部材の表面を覆うように配置されている、請求項2又は3に記載のシール部材。
- 前記第1軟化点温度及び前記第2軟化点温度は前記通常の運転時のシール部材の温度よりも30℃以上高い、請求項1~4のいずれか1項に記載のシール部材。
- 前記第1軟化点温度は前記第2軟化点温度よりも60℃以上高い、請求項1~5のいずれか1項に記載のシール部材。
- 燃料ガスが通流する燃料ガス通路を有する複数の燃料電池セルと、
前記複数の燃料電池セルの一端が挿入されることで前記燃料ガス通路と連通され、前記燃料ガスを前記燃料ガス通路に供給するマニホールドと、
前記燃料電池セルの一端と前記マニホールドとの接合部分に適用されているシール部材とを備え、
前記シール部材は、前記燃料電池セルの通常の運転温度より高温の運転温度において溶融し、第1軟化点温度を有する材料からなる第1部材と、前記燃料電池セルの前記通常の運転温度より高温の運転温度において溶融し、かつ、前記第1部材の前記第1軟化点温度より低い第2軟化点温度を有する材料からなる第2部材とを含む、燃料電池システム。 - 通常の運転温度で前記燃料電池セルを運転するように制御する第1運転モードを実行可能であり、前記燃料電池セルの前記通常の運転温度より高温の運転温度であり、かつ、前記第2軟化点温度以上前記第1軟化点温度未満で前記シール部材を加熱可能に前記燃料電池セルを運転するように制御する第2運転モードを実行する運転制御部を備える、請求項7に記載の燃料電池システム。
- 前記第1部材及び前記第2部材の材料は等方性材料である、請求項7又は8に記載の燃料電池システム。
- 前記第1部材と前記第2部材とは互いに隣接している、請求項7~9のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
- 前記第2部材は、前記第1部材の上方に配置されている、請求項10に記載の燃料電池システム。
- 前記第2部材は前記第1部材の表面を覆うように配置されている、請求項10又は11に記載の燃料電池システム。
- 前記第1軟化点温度及び前記第2軟化点温度は前記通常の運転時のシール部材の温度よりも30℃以上高い、請求項7~12のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
- 前記第1軟化点温度は前記第2軟化点温度よりも60℃以上高い、請求項7~13のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
- 燃料電池セルを有し、構成部材どうしを接合する接合部分に適用される請求項1~6のいずれか1項に記載のシール部材で前記構成部材どうしが接合されている燃料電池モジュールと、前記燃料電池セルの運転を制御する運転制御部とを備える燃料電池システムにおける前記シール部材の修復方法であって、
前記運転制御部は、通常の運転温度で前記燃料電池セルを運転するように制御する第1運転モードと、前記燃料電池セルの前記通常の運転温度より高温の運転温度であり、前記第2軟化点温度以上前記第1軟化点温度未満で前記シール部材を加熱可能に前記燃料電池セルを運転する第2運転モードとを実行可能である、シール部材の修復方法。 - 燃料電池セルを有し、構成部材どうしを接合する接合部分に適用される請求項1~6のいずれか1項に記載のシール部材で前記構成部材どうしが接合されている燃料電池モジュールと、加熱部と、前記加熱部を制御する加熱部制御部とを備える燃料電池システムにおけるシール部材の修復方法であって、
前記加熱部制御部は、前記第2軟化点温度以上前記第1軟化点温度未満で前記シール部材を加熱するように前記加熱部を制御する、シール部材の修復方法。
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