JP2004119297A - 燃料電池システム - Google Patents
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Abstract
【課題】ガスシール容器の内部で仕切り板により分けられた発電室と燃焼室を有する燃料電池において、ガスシール容器と仕切り板の線膨張係数の違いによりガスシール容器内壁と仕切り板外周との間に隙間が発生し、発電室内の燃料が流出することで燃料電池の発電性能が低下するのを防ぐ。
【解決手段】複数の燃料電池セルを接続した燃料電池セル集合体と、前記セル集合体を覆い囲み、少なくとも燃料ガスおよび燃焼ガスを外部から遮断するガスシール容器と、前記ガスシール容器内の前記セル集合体の開口部付近に設けられた仕切り板により仕切られた前記セル集合体の発電部側の発電室と、開口部側の燃焼室を有する燃料電池システムであって、前記ガスシール容器と、前記仕切り板との隙間を埋める隔壁板を設けたことを特徴とする燃料電池システム
【選択図】図１
【解決手段】複数の燃料電池セルを接続した燃料電池セル集合体と、前記セル集合体を覆い囲み、少なくとも燃料ガスおよび燃焼ガスを外部から遮断するガスシール容器と、前記ガスシール容器内の前記セル集合体の開口部付近に設けられた仕切り板により仕切られた前記セル集合体の発電部側の発電室と、開口部側の燃焼室を有する燃料電池システムであって、前記ガスシール容器と、前記仕切り板との隙間を埋める隔壁板を設けたことを特徴とする燃料電池システム
【選択図】図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は円筒形固体電解質型燃料電池に関し、特に仕切り板により発電室と燃焼室を形成した燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体電解質型燃料電池とは、異なった成分のセラミック材料を空気極、電解質および燃料極として積層して作られた燃料電池セルから成るり、約７００℃から１０００℃で最も効率的に発電するタイプの燃料電池で、特に燃料電池セルの形状が円筒形の物を円筒形固体電解質形燃料電池という。従来の代表的な円筒形固体電解質形燃料電池の一例を図１０に示す。ガスシール容器４の内部に複数の燃料電池セル１を電気的に接続し集合体とした燃料電池セル集合体３を配し、燃料電池セル１の開口部付近に設けられた仕切り板６により燃料電池セル集合体３側を発電室８、燃料電池セル開口部側を燃焼室９としている。燃料供給配管１１により供給された燃料ガスは燃料電池セル集合体３の下方に位置する燃料分配室７により効果的に分散され各燃料電池セル１の外表面に接触する。一方、酸化剤は酸化剤供給配管１２により酸化剤分配器１３により効果的に分散され、燃料電池セル１の内側に挿入された導入管２を通じて酸化剤として空気が導入され燃料電池セル１の内表面に接触する。このように構成された固体電解質型燃料電池を作動温度約７００℃から１０００℃まで昇温すると、燃料電池セル１の内側の空気極側から燃料電池セル１の外側の燃料極側にＯ２−イオンが移動して電気化学的反応が起こり、発電が行われる。発電の際に生成された水蒸気および未反応燃料ガスはある適正な通気機能を持った仕切り板６を通り抜けて燃焼室９に入り、ここで燃料電池セル１の内側で未反応となった酸化剤と混合され、着火燃焼後排ガス配管１０から排出される。
【０００３】
このような従来の燃料電池の構成では、燃料電池セル１および導入管２はセラミック系材料、ガスシール容器４および排ガス配管１０などの配管類、酸化剤分配器１３はインコネルまたはステンレスなどの耐熱合金金属材料および仕切り板６はアルミナ繊維などのセラミック系材料を使用することが一般的である。（例えば、特許文献１参照）
【０００４】
前述したように仕切り板６は適正な通気機能が持たせてあるが、これは、発電室の内圧が燃焼室の内圧より高まることで燃焼室から酸化剤の進入を防ぐ目的と、発電室の燃料の流れを均一化し全ての燃料電池セル１の発電性能を最大に活用することを目的としている。
よって、仕切り板６の通気機能を発揮するためには仕切り板６と燃料電池セル１の境界部分および仕切り板６とガスシール容器４の境界部分の気密性確保は非常に重要であり、燃料電池システムの発電性能に大きく影響を及ぼす。
従来の燃料電池システムでは、仕切り板６と燃料電池セル１の間および仕切り板６とガスシール容器４の間に繊維状のセラミックを充填することにより気密性を確保している。（例えば、特許文献２参照）
【特許文献１】
特開２００１−５０７５０１号公報（第１４−３１頁、第１図）
【特許文献２】
特開平１１−１６２４９８号公報（第１−６頁、第１−６図）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述の燃料電池の組立作業は常温下で行われる。その後、固体電解質型燃料電池の作動温度である約７００℃〜１０００℃近傍まで昇温されるがその過程において仕切り板６とガスシール容器４との線膨張係数の違いにより寸法差が生じてしまい、仕切り板外周部とガスシール容器４との間に隙間を生じてしまう。例えばガスシール容器４を構成する金属材料の線膨張係数はインコネルの場合約１６μ／Ｋであり仕切り板６の線膨張係数６μ／Ｋよりかなり大きい。これはガスシール容器４の幅方向内寸が５００ｍｍの場合、１０００℃作動時にガスシール容器４と仕切り板６との間に片側２．５ｍｍの隙間が生じる計算となる。当然ながら燃料電池システムの発電容量を大型化するにつれてガスシール容器の幅が大きくなり、前述したガスシール容器４と仕切り板６との隙間が増加してしまう。
【０００６】
従来の燃料電池システムで行われている仕切り板６と燃料電池セル１の間および仕切り板６とガスシール容器４の間に繊維状のセラミックを充填する方策では、ガスシール容器４の幅寸法が比較的小さい場合は繊維状セラミックの弾力性によりガスシール容器４の膨張に追随し、仕切り板６の外周とガスシール容器４の間の気密性をある程度確保できるが、燃料電池システムの発電容量を大型化するためにガスシール容器４の幅を大きくするにつれて、繊維状セラミックの弾力性では追随できなくなり仕切り板６の外周とガスシール容器４の間に隙間が生じてしまう。あるいは、繊維状セラミックの弾力性によるガスシール容器４への押付け力が不足し、発電室内圧に打ち勝てず繊維状セラミックが発電室内燃料ガスに押し広げられて仕切り板６の外周とガスシール容器４の間に隙間が生じてしまう。
仕切り板６は、燃料電池セル１の開口端から燃焼室９に放出された酸化剤が発電室８に侵入し発電室８内の燃料と反応して燃焼することによる燃料濃度の低下と局部的な温度上昇を防ぐ役割と発電室８内の燃料が平面方向で均一に流れ燃焼室９に送る役割を持っており、仕切り板６には予め適正でかつ平面方向で均一な通気抵抗を持っており発電室の内圧が燃焼室の内圧より高くなるように設計されている。
前述のように仕切り板６の外周とガスシール容器４の間に隙間が生じてしまうと、発電室８から燃焼室９への通気抵抗が低下し燃焼室９内の酸化剤が発電室８内に侵入する可能性があり、また通気抵抗の小さい仕切り板６の外周とガスシール容器４の間の隙間から優先的に燃料が流出するため発電室８内の燃料の流れが偏ってしまい、燃料の流れの悪い箇所の燃料電池セル１の能力を十分できない上、燃料の流れの良し悪しによって大きな温度分布がついてしまい、燃料電池システム全体の効率を著しく低下させてしまう。
本発明は、上記課題を解決し、効率的で安定した運転が可能な固体酸化物形燃料電池モジュールを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、
第一の発明においては、複数の燃料電池セルを接続した燃料電池セル集合体と、前記セル集合体を覆い囲み、少なくとも燃料ガスおよび燃焼ガスを外部から遮断するガスシール容器と、前記ガスシール容器内の前記セル集合体の開口部付近に設けられた仕切り板により仕切られた前記セル集合体の発電部側の発電室と、開口部側の燃焼室を有する燃料電池システムであって、
前記ガスシール容器と、前記仕切り板との隙間を埋める隔壁板を設けた燃料電池システムを提供する。
これにより、常温で組みたてられた燃料電池を作動温度である約７００℃〜１０００℃近傍まで昇温させた時、前記仕切り板と前記ガスシール容器との線膨張係数の違いにより生じる水平方向の隙間を隔壁板が覆い隠し、前記仕切り板外周と前記ガスシール容器との気密性を高めることができる。よって前記仕切り板外周部からのガスの漏洩を著しく減少することができ、前記燃焼室は予め設計された前記仕切り板の通気機能によってガスが流れ、これにより発電室の内圧が燃焼室の内圧より高まることで燃焼室から酸化剤の進入を防ぎ、発電室の燃料の流れを均一化し全ての前記燃料電池セルの発電性能を最大に活用することで、効率的な燃料電池の運転を安定して行うことができる。
【０００８】
第二の発明においては、前記隔壁板は前記仕切り板２枚に挟みこまれた構造を備えた燃料電池システムを提供する。
これにより常温において前記隔壁板と前記仕切り板を密着させて組立てられた燃料電池システムは、作動温度である約７００℃〜１０００℃近傍まで昇温させた時、前記仕切り板と前記ガスシール容器との線膨張係数の違いにより生じる水平方向の寸法差を前記隔壁板が前記仕切り板に密着したまま水平方向にスライドすることで、前記仕切り板外周と前記ガスシール容器との気密を維持することができ、効率的な燃料電池の運転を安定して行うことができる。
【０００９】
第三の発明においては、前記隔壁板は前記仕切り板の表面に押付けられた構造を備えた燃料電池システムを提供する。
これにより常温において前記隔壁板を前記仕切り板に板バネ状に押付けた状態で組立てられた燃料電池システムは、作動温度である約７００℃〜１０００℃近傍まで昇温させた時、前記仕切り板と前記ガスシール容器との線膨張係数の違いにより生じる水平方向および垂直方向の寸法差を前記隔壁板がその弾性力で前記仕切り板に押付けたまま水平方向にスライドすることで、前記仕切り板外周と前記ガスシール容器との気密を維持することができ、効率的な燃料電池の運転を安定して行うことができる。
【００１０】
第四の発明においては、前記隔壁板は表面の平滑な金属板またはセラミック板を間に介して前記仕切り板と密着させた燃料電池システムを提供する。
常温において組立てられた燃料電池システムが、作動温度である約７００℃〜１０００℃近傍まで昇温させた時および運転停止により常温に降温する時に、前記仕切り板と前記ガスシール容器との線膨張係数の違いにより生じる水平方向の寸法差を前記隔壁板が水平方向にスライドすることで吸収するが、前記仕切り板が多孔質である場合、前記隔壁板と前記仕切り板との間の滑り抵抗が大きくまた表面が粗いためスムーズにスライドしにくく、前記隔壁板または前記仕切り板を損傷する可能性がある。特に常温に降温する際に前記隔壁板が燃料電池システム中央に向かってスライドするが、この過程で前記仕切り板の表面の凹凸にひっかかる可能性が高い。
ここで言う表面が平滑であるとは、前記隔壁板が表面を密着しながらスライドする時に引っかかったり、滑り抵抗が大きすぎてスライド動作を阻害しない程度に十分に表面が平滑であることである。表面が平滑金属板またはセラミック板を前記隔壁板と前記仕切り板との間に介して前記仕切り板と密着させることで、前記仕切り板が前記仕切り板面をスムースにスライドできる。
【００１１】
第五の発明においては、前記隔壁板は繊維状のセラミックまたは繊維状の金属を間に介して前記仕切り板と密着させた燃料電池システムを提供する。
これにより、燃料電池の製造上において生じる前記隔壁板と仕切り板との位置寸法、平面精度などの寸法誤差を繊維状のセラミックまたは繊維状の金属が吸収することで前記仕切り板外周と前記ガスシール容器との気密を確実に実現することができ、効率的な燃料電池の運転を安定して行うことができる。
【００１２】
第六の発明においては、複数の燃料電池セルを接続した燃料電池セル集合体と、前記燃料電池セル集合体の周囲に配した断熱ボードと、前記セル集合体と前記断熱ボードを覆い囲み、少なくとも燃料ガスおよび燃焼ガスを外部から遮断するガスシール容器と、前記ガスシール容器内の前記セル集合体の開口部付近に設けられた仕切り板により仕切られた前記セル集合体の発電部側の発電室と、開口部側の燃焼室を有する燃料電池システムであって、
前記隔壁板は前記仕切り板と前記断熱ボードの間に挟みこまれた構造であることを特徴とする燃料電池システムを提供する。
これにより、第二の発明と同様常温において前記隔壁板と前記仕切り板を密着させて組立てられた燃料電池システムは、作動温度である約７００℃〜１０００℃近傍まで昇温させた時、前記仕切り板と前記ガスシール容器との線膨張係数の違いにより生じる水平方向の寸法差を前記隔壁板が前記仕切り板に密着したまま水平方向にスライドすることで、前記仕切り板外周と前記ガスシール容器との気密を維持することができ、効率的な燃料電池の運転を安定して行うことができる。
【００１３】
第七の発明においては、前記隔壁板は前記ガスシール容器と同一材質である燃料電池システムを提供する。
これにより、常温下で前記ガスシール容器に気密を保ちながら接続された前記隔壁板が、作動温度である約７００℃〜１０００℃近傍まで昇温させた時においても、前記ガスシール容器と前記隔壁板の線膨張係数が同一であるため双方に内部応力は発生しない。よって前記隔壁板の前記ガスシール容器との接続部分が破壊されることはなく、効率的な燃料電池の運転を安定して行うことができる。
【００１４】
第八の発明においては、前記隔壁板は前記ガスシール容器の材質と略同一の線膨張係数を有する材質である燃料電池システムを提供する。
これにより、前記隔壁板の材質を前記ガスシール容器の材質とは異なり、より隔壁板の機能にふさわしい弾力性の高い材質またはより可塑性の高い材質を選択することができる。常温下で前記ガスシール容器に気密を保ちながら接続された前記隔壁板が、作動温度である約７００℃〜１０００℃近傍まで昇温させた時においても、前記仕切り板と前記ガスシール容器との線膨張係数の違いにより生じる水平方向および垂直方向の寸法差を前記隔壁板がその弾性力または可塑性で前記仕切り板に追随することができ、前記ガスシール容器と前記隔壁板の線膨張係数が略同一であるため双方に大きな内部応力は発生しない。よって前記隔壁板の前記ガスシール容器との接続部分が破壊されることはなく、効率的な燃料電池の運転を安定して行うことができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下に図面を参照して本発明をより具体的に説明する。
図１は本発明の一実施例を略示する円筒形固体電解質型燃料電池の昇温時の縦断面図である。
図１にあるように、ガスシール容器４の内部に、複数の燃料電池セル１を電気的に接続し集合体とした燃料電池セル集合体３を配し発電室８としている。燃料電池セル集合体３の下方には適正寸法のガス導通孔が明いている燃料分配室７があり燃料供給配管１１と接続されている。燃料電池セル集合体３の上方には適正なガス導通穴または気孔率を持つ仕切り板６によって区切られた燃焼室９があり、発電室内の燃料は仕切り板６が持つ圧力損失を経て燃焼室９に至るよう設計される。隔壁板１４はガスシール容器４の内壁周囲から壁面に対して垂直あるいは斜めにシール接合されており仕切り板６に密着するよう配置させている。燃焼室９の中には酸化剤分配器１３とそれに接続された酸化剤供給配管１２が配されている。酸化剤分配器１３からは導入管２が燃料電池セル１の本数分接続されており、燃料電池セル１の内側に挿入されるように配置されている。また燃焼室９からは排ガス配管１０が断熱ボード５に明けられた孔を通じてガスシール容器４の外側まで伸びており排ガス配管はガスシール容器４にシール溶接で固定されている。燃料電池セル１は性質の異なる導電性セラミックの円筒積層構造体、断熱ボード５はアルミナ短繊維を圧縮成形したもの、仕切り板６はアルミナ繊維を連続的に積層しブランケット状にしたもの、導入管２はアルミナ系セラミックの緻密体、酸化剤分配器３・ガスシール容器４・隔壁板１４・排ガス配管１０などの各配管はインコネルやステンレスなどの耐熱合金で作られている。
【００１６】
このように構成された固体電解質型燃料電池を、作動温度約７００℃〜１０００℃まで昇温すると図１に示すように、内部の仕切り板６より線膨張係数の大きいガスシール容器４は仕切り板６よりも大きく膨張し、ガスシール容器４と仕切り板６の間に隙間が生じるが、隔壁板１４が仕切り板６と密着した状態を維持したままスライドしながら膨張することによりガスシール容器４と仕切り板６の間の隙間を遮断するので、発電室８内の燃料は仕切り板６の持つガス導通穴または気孔以外のところから燃焼室９に入ることはなく、予め設計された仕切り板６を通過してのみ燃焼室９に入ることができる。
【００１７】
図２は本発明の一実施例を略示する円筒形固体電解質型燃料電池の昇温時の縦断面図である。
図２にあるように隔壁板１４は仕切り板６が２枚上下から挟み込む構造を持たせ、隔壁板１４と仕切り板６との密着性を高め確実なものにすることができる。
【００１８】
図３は本発明の一実施例を略示する円筒形固体電解質型燃料電池の昇温時の縦断面図である。
ここでは、隔壁板１４は弾力性のある薄板金属板であり、外周部分はガスシール容器４の内壁にシール接合されており、内周部分は隔壁板１４のもつ曲げ弾性力により仕切り板６に押し付けられるように配置されている。このように隔壁板は常温から作動温度まで常に仕切り板６に押し付けられる構造となっており隔壁板１４と仕切り板６との密着性を維持できる。また、図４のように隔壁板１４を仕切り板６の上下に配して、隔壁板１４のもつ曲げ弾性力により仕切り板６を挟み込むようにすることもできる。
【００１９】
図５は本発明の一実施例を略示する円筒形固体電解質型燃料電池の昇温時の縦断面図である。
ここでは、隔壁板１４と仕切り板６の間に表面の平滑な滑り板１５を挟み、隔壁板１４が昇降温の過程でひっかかることなく小さい滑り抵抗でスムースに水平方向に移動することができるようにしている。滑り板６の材質としては作動温度である７００℃から１０００℃においても著しい劣化を起こさない材質でかつ表面が平滑な材質であることが望まれる。例えば耐熱耐酸化性の高いフェライト系のステンレスやインコネルあるいはアルミナ系セラミックの焼結体を使用することが望ましい。
【００２０】
図６は本発明の一実施例を略示する円筒形固体電解質型燃料電池の昇温時の縦断面図である。
ここでは図２と同様、隔壁板１４は仕切り板６が２枚上下から挟み込む構造を持たせているが、さらに隔壁板１４と仕切り板６との間にパッキン６挟んでいる。パッキン６の材質としては高温に耐えられかつ適当な弾力性を有する繊維状のセラミックまたは繊維状の金属を挟んでいる。繊維状の金属はステンレスまたはニッケルをフェルト状に加工されたものが使用されるが、適当な弾力性と耐熱性があれば他の材質を使用することもできる。一般に金属材料は酸化雰囲気に曝されると酸化腐食による弾力性能低下が著しいため使用する場合は隔壁板１４と発電室側の仕切り板６との間に配するのが望ましい。一方、繊維状のセラミックに関してはその成分に珪素が含まれると燃料電池セル１の燃料極を被毒させるため、アルミナを主成分とし、珪素成分が３０％以下のセラミック繊維を使用するかあるいは隔壁板１４と燃焼室側の仕切り板６との間に配するのが望ましい。
これにより燃料電池の製造上において生じる隔壁板１４と仕切り板６との位置寸法、平面精度などの寸法誤差を繊維状のセラミックまたは繊維状の金属が吸収することで隔壁板１４と仕切り板６との密着性を高め確実なものにすることができる。
【００２１】
図７は本発明の一実施例を略示する円筒形固体電解質型燃料電池の昇温時の縦断面図である。
ここでは図５と同様、隔壁板１４と仕切り板６の間に表面の平滑な滑り板１５を挟み、隔壁板１４が昇降温の過程でひっかかることなく小さい滑り抵抗でスムースに水平方向に移動することができるようにしているが、さらに隔壁板１４と仕切り板６との間にパッキン６挟んでいる。パッキン６の材質としては高温に耐えられかつ適当な弾力性を有する繊維状のセラミックまたは繊維状の金属を挟んでいる。
【００２２】
図８は本発明の一実施例を略示する円筒形固体電解質型燃料電池の昇温時の縦断面図である。ここでは、ガスシール容器４の内部に断熱ボード５を配した燃料電池についての実施例であり、隔壁板１４を仕切り板６と断熱ボード５との間に挟み込む構造を持たせている。こうすることにより隔壁板１４と仕切り板６との密着性を高め確実なものにすることができる。
【００２３】
ここまで前述した隔壁板１４はガスシール容器４の内壁にシール接合されておりこの状態を常温から作動温度まで確実に維持するためには、隔壁板１４の線膨張係数がガスシール容器４の線膨張係数と同一の材料とすることが望ましい。例えば、ガスシール容器４の材質に耐高温酸化性および耐高温強度の高いインコネル６０１を使用する場合、隔壁板１４の材質もインコネル６０１にする。
【００２４】
あるいは隔壁板１４の線膨張係数がガスシール容器４の線膨張係数と略同一の線膨張係数をもつ材質を選定することもできる。例えば、図３のような形状を隔壁板１４に持たせた場合、ガスシール容器４の材質を線膨張係数１６．７μ／Ｋであるインコネル６０１とし、隔壁板１４の材質を線膨張係数１６．２μ／ＫであるインコネルＸ−７５０とすることができる。ここではガスシール容器の要求性能として耐高温酸化性と耐高温強度の高いインコネル６０１が選定され、隔壁板１４の要求性能として耐高温酸化性と耐高温強度が高くかつ耐力が高く弾性性能の高いインコネルＸ−７５０を選定している。これにより、隔壁板１４が仕切り板６に対して適正な押し付け力を発生させ、隔壁板１４と仕切り板６との密着性を高め確実なものにすることができる。
【００２５】
また、前述した例は円筒内側が空気極、円筒外側が燃料極である縦縞円筒形固体電解質型燃料電池の実施例を示しているが、反対に円筒内側が燃料極、円筒外側が空気極である横縞円筒形固体電解質型燃料電池においても前述文中、燃料と酸化剤を置き換えて本発明を適用することができる。
【００２６】
またさらに、図９に示すように、両端開放型の円筒形固体電解質型燃料電池の場合においては、前述の例と同様発電室８と燃焼室９を仕切る仕切り板９に密着させるように隔壁板１４を配置するだけでなく、発電室８と空気分配室１７を仕切る仕切り板１８に密着させるように隔壁板１９を配置することで発電室８と空気分配室１７との気密性を適正に確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例に係る固体電解質型燃料電池の昇温時の縦断面図である。
【図２】本発明の一実施例に係る固体電解質型燃料電池の昇温時の縦断面図である。
【図３】本発明の一実施例に係る固体電解質型燃料電池の昇温時の縦断面図である。
【図４】本発明の一実施例に係る固体電解質型燃料電池の昇温時の縦断面図である。
【図５】本発明の一実施例に係る固体電解質型燃料電池の昇温時の縦断面図である。
【図６】本発明の一実施例に係る固体電解質型燃料電池の昇温時の縦断面図である。
【図７】本発明の一実施例に係る固体電解質型燃料電池の昇温時の縦断面図である。
【図８】本発明の一実施例に係る固体電解質型燃料電池の昇温時の縦断面図である。
【図９】本発明の一実施例に係る固体電解質型燃料電池の昇温時の縦断面図である。
【図１０】従来の固体電解質型燃料電池の縦断面図である。
【符号の説明】
１ 燃料電池セル
２ 導入管
３ 燃料電池セル集合体
４ ガスシール容器
５ 断熱ボード
６ 仕切り板
７ 燃料分配室
８ 発電室
９ 燃焼室
１０ 排ガス配管
１１ 燃料供給配管
１２ 酸化剤供給配管
１３ 酸化剤分配器
１４ 隔壁板
１５ 滑り板
１６ パッキン
１７ 空気分配室
１８ 仕切り板
１９ 隔壁板
【発明の属する技術分野】
本発明は円筒形固体電解質型燃料電池に関し、特に仕切り板により発電室と燃焼室を形成した燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体電解質型燃料電池とは、異なった成分のセラミック材料を空気極、電解質および燃料極として積層して作られた燃料電池セルから成るり、約７００℃から１０００℃で最も効率的に発電するタイプの燃料電池で、特に燃料電池セルの形状が円筒形の物を円筒形固体電解質形燃料電池という。従来の代表的な円筒形固体電解質形燃料電池の一例を図１０に示す。ガスシール容器４の内部に複数の燃料電池セル１を電気的に接続し集合体とした燃料電池セル集合体３を配し、燃料電池セル１の開口部付近に設けられた仕切り板６により燃料電池セル集合体３側を発電室８、燃料電池セル開口部側を燃焼室９としている。燃料供給配管１１により供給された燃料ガスは燃料電池セル集合体３の下方に位置する燃料分配室７により効果的に分散され各燃料電池セル１の外表面に接触する。一方、酸化剤は酸化剤供給配管１２により酸化剤分配器１３により効果的に分散され、燃料電池セル１の内側に挿入された導入管２を通じて酸化剤として空気が導入され燃料電池セル１の内表面に接触する。このように構成された固体電解質型燃料電池を作動温度約７００℃から１０００℃まで昇温すると、燃料電池セル１の内側の空気極側から燃料電池セル１の外側の燃料極側にＯ２−イオンが移動して電気化学的反応が起こり、発電が行われる。発電の際に生成された水蒸気および未反応燃料ガスはある適正な通気機能を持った仕切り板６を通り抜けて燃焼室９に入り、ここで燃料電池セル１の内側で未反応となった酸化剤と混合され、着火燃焼後排ガス配管１０から排出される。
【０００３】
このような従来の燃料電池の構成では、燃料電池セル１および導入管２はセラミック系材料、ガスシール容器４および排ガス配管１０などの配管類、酸化剤分配器１３はインコネルまたはステンレスなどの耐熱合金金属材料および仕切り板６はアルミナ繊維などのセラミック系材料を使用することが一般的である。（例えば、特許文献１参照）
【０００４】
前述したように仕切り板６は適正な通気機能が持たせてあるが、これは、発電室の内圧が燃焼室の内圧より高まることで燃焼室から酸化剤の進入を防ぐ目的と、発電室の燃料の流れを均一化し全ての燃料電池セル１の発電性能を最大に活用することを目的としている。
よって、仕切り板６の通気機能を発揮するためには仕切り板６と燃料電池セル１の境界部分および仕切り板６とガスシール容器４の境界部分の気密性確保は非常に重要であり、燃料電池システムの発電性能に大きく影響を及ぼす。
従来の燃料電池システムでは、仕切り板６と燃料電池セル１の間および仕切り板６とガスシール容器４の間に繊維状のセラミックを充填することにより気密性を確保している。（例えば、特許文献２参照）
【特許文献１】
特開２００１−５０７５０１号公報（第１４−３１頁、第１図）
【特許文献２】
特開平１１−１６２４９８号公報（第１−６頁、第１−６図）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述の燃料電池の組立作業は常温下で行われる。その後、固体電解質型燃料電池の作動温度である約７００℃〜１０００℃近傍まで昇温されるがその過程において仕切り板６とガスシール容器４との線膨張係数の違いにより寸法差が生じてしまい、仕切り板外周部とガスシール容器４との間に隙間を生じてしまう。例えばガスシール容器４を構成する金属材料の線膨張係数はインコネルの場合約１６μ／Ｋであり仕切り板６の線膨張係数６μ／Ｋよりかなり大きい。これはガスシール容器４の幅方向内寸が５００ｍｍの場合、１０００℃作動時にガスシール容器４と仕切り板６との間に片側２．５ｍｍの隙間が生じる計算となる。当然ながら燃料電池システムの発電容量を大型化するにつれてガスシール容器の幅が大きくなり、前述したガスシール容器４と仕切り板６との隙間が増加してしまう。
【０００６】
従来の燃料電池システムで行われている仕切り板６と燃料電池セル１の間および仕切り板６とガスシール容器４の間に繊維状のセラミックを充填する方策では、ガスシール容器４の幅寸法が比較的小さい場合は繊維状セラミックの弾力性によりガスシール容器４の膨張に追随し、仕切り板６の外周とガスシール容器４の間の気密性をある程度確保できるが、燃料電池システムの発電容量を大型化するためにガスシール容器４の幅を大きくするにつれて、繊維状セラミックの弾力性では追随できなくなり仕切り板６の外周とガスシール容器４の間に隙間が生じてしまう。あるいは、繊維状セラミックの弾力性によるガスシール容器４への押付け力が不足し、発電室内圧に打ち勝てず繊維状セラミックが発電室内燃料ガスに押し広げられて仕切り板６の外周とガスシール容器４の間に隙間が生じてしまう。
仕切り板６は、燃料電池セル１の開口端から燃焼室９に放出された酸化剤が発電室８に侵入し発電室８内の燃料と反応して燃焼することによる燃料濃度の低下と局部的な温度上昇を防ぐ役割と発電室８内の燃料が平面方向で均一に流れ燃焼室９に送る役割を持っており、仕切り板６には予め適正でかつ平面方向で均一な通気抵抗を持っており発電室の内圧が燃焼室の内圧より高くなるように設計されている。
前述のように仕切り板６の外周とガスシール容器４の間に隙間が生じてしまうと、発電室８から燃焼室９への通気抵抗が低下し燃焼室９内の酸化剤が発電室８内に侵入する可能性があり、また通気抵抗の小さい仕切り板６の外周とガスシール容器４の間の隙間から優先的に燃料が流出するため発電室８内の燃料の流れが偏ってしまい、燃料の流れの悪い箇所の燃料電池セル１の能力を十分できない上、燃料の流れの良し悪しによって大きな温度分布がついてしまい、燃料電池システム全体の効率を著しく低下させてしまう。
本発明は、上記課題を解決し、効率的で安定した運転が可能な固体酸化物形燃料電池モジュールを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、
第一の発明においては、複数の燃料電池セルを接続した燃料電池セル集合体と、前記セル集合体を覆い囲み、少なくとも燃料ガスおよび燃焼ガスを外部から遮断するガスシール容器と、前記ガスシール容器内の前記セル集合体の開口部付近に設けられた仕切り板により仕切られた前記セル集合体の発電部側の発電室と、開口部側の燃焼室を有する燃料電池システムであって、
前記ガスシール容器と、前記仕切り板との隙間を埋める隔壁板を設けた燃料電池システムを提供する。
これにより、常温で組みたてられた燃料電池を作動温度である約７００℃〜１０００℃近傍まで昇温させた時、前記仕切り板と前記ガスシール容器との線膨張係数の違いにより生じる水平方向の隙間を隔壁板が覆い隠し、前記仕切り板外周と前記ガスシール容器との気密性を高めることができる。よって前記仕切り板外周部からのガスの漏洩を著しく減少することができ、前記燃焼室は予め設計された前記仕切り板の通気機能によってガスが流れ、これにより発電室の内圧が燃焼室の内圧より高まることで燃焼室から酸化剤の進入を防ぎ、発電室の燃料の流れを均一化し全ての前記燃料電池セルの発電性能を最大に活用することで、効率的な燃料電池の運転を安定して行うことができる。
【０００８】
第二の発明においては、前記隔壁板は前記仕切り板２枚に挟みこまれた構造を備えた燃料電池システムを提供する。
これにより常温において前記隔壁板と前記仕切り板を密着させて組立てられた燃料電池システムは、作動温度である約７００℃〜１０００℃近傍まで昇温させた時、前記仕切り板と前記ガスシール容器との線膨張係数の違いにより生じる水平方向の寸法差を前記隔壁板が前記仕切り板に密着したまま水平方向にスライドすることで、前記仕切り板外周と前記ガスシール容器との気密を維持することができ、効率的な燃料電池の運転を安定して行うことができる。
【０００９】
第三の発明においては、前記隔壁板は前記仕切り板の表面に押付けられた構造を備えた燃料電池システムを提供する。
これにより常温において前記隔壁板を前記仕切り板に板バネ状に押付けた状態で組立てられた燃料電池システムは、作動温度である約７００℃〜１０００℃近傍まで昇温させた時、前記仕切り板と前記ガスシール容器との線膨張係数の違いにより生じる水平方向および垂直方向の寸法差を前記隔壁板がその弾性力で前記仕切り板に押付けたまま水平方向にスライドすることで、前記仕切り板外周と前記ガスシール容器との気密を維持することができ、効率的な燃料電池の運転を安定して行うことができる。
【００１０】
第四の発明においては、前記隔壁板は表面の平滑な金属板またはセラミック板を間に介して前記仕切り板と密着させた燃料電池システムを提供する。
常温において組立てられた燃料電池システムが、作動温度である約７００℃〜１０００℃近傍まで昇温させた時および運転停止により常温に降温する時に、前記仕切り板と前記ガスシール容器との線膨張係数の違いにより生じる水平方向の寸法差を前記隔壁板が水平方向にスライドすることで吸収するが、前記仕切り板が多孔質である場合、前記隔壁板と前記仕切り板との間の滑り抵抗が大きくまた表面が粗いためスムーズにスライドしにくく、前記隔壁板または前記仕切り板を損傷する可能性がある。特に常温に降温する際に前記隔壁板が燃料電池システム中央に向かってスライドするが、この過程で前記仕切り板の表面の凹凸にひっかかる可能性が高い。
ここで言う表面が平滑であるとは、前記隔壁板が表面を密着しながらスライドする時に引っかかったり、滑り抵抗が大きすぎてスライド動作を阻害しない程度に十分に表面が平滑であることである。表面が平滑金属板またはセラミック板を前記隔壁板と前記仕切り板との間に介して前記仕切り板と密着させることで、前記仕切り板が前記仕切り板面をスムースにスライドできる。
【００１１】
第五の発明においては、前記隔壁板は繊維状のセラミックまたは繊維状の金属を間に介して前記仕切り板と密着させた燃料電池システムを提供する。
これにより、燃料電池の製造上において生じる前記隔壁板と仕切り板との位置寸法、平面精度などの寸法誤差を繊維状のセラミックまたは繊維状の金属が吸収することで前記仕切り板外周と前記ガスシール容器との気密を確実に実現することができ、効率的な燃料電池の運転を安定して行うことができる。
【００１２】
第六の発明においては、複数の燃料電池セルを接続した燃料電池セル集合体と、前記燃料電池セル集合体の周囲に配した断熱ボードと、前記セル集合体と前記断熱ボードを覆い囲み、少なくとも燃料ガスおよび燃焼ガスを外部から遮断するガスシール容器と、前記ガスシール容器内の前記セル集合体の開口部付近に設けられた仕切り板により仕切られた前記セル集合体の発電部側の発電室と、開口部側の燃焼室を有する燃料電池システムであって、
前記隔壁板は前記仕切り板と前記断熱ボードの間に挟みこまれた構造であることを特徴とする燃料電池システムを提供する。
これにより、第二の発明と同様常温において前記隔壁板と前記仕切り板を密着させて組立てられた燃料電池システムは、作動温度である約７００℃〜１０００℃近傍まで昇温させた時、前記仕切り板と前記ガスシール容器との線膨張係数の違いにより生じる水平方向の寸法差を前記隔壁板が前記仕切り板に密着したまま水平方向にスライドすることで、前記仕切り板外周と前記ガスシール容器との気密を維持することができ、効率的な燃料電池の運転を安定して行うことができる。
【００１３】
第七の発明においては、前記隔壁板は前記ガスシール容器と同一材質である燃料電池システムを提供する。
これにより、常温下で前記ガスシール容器に気密を保ちながら接続された前記隔壁板が、作動温度である約７００℃〜１０００℃近傍まで昇温させた時においても、前記ガスシール容器と前記隔壁板の線膨張係数が同一であるため双方に内部応力は発生しない。よって前記隔壁板の前記ガスシール容器との接続部分が破壊されることはなく、効率的な燃料電池の運転を安定して行うことができる。
【００１４】
第八の発明においては、前記隔壁板は前記ガスシール容器の材質と略同一の線膨張係数を有する材質である燃料電池システムを提供する。
これにより、前記隔壁板の材質を前記ガスシール容器の材質とは異なり、より隔壁板の機能にふさわしい弾力性の高い材質またはより可塑性の高い材質を選択することができる。常温下で前記ガスシール容器に気密を保ちながら接続された前記隔壁板が、作動温度である約７００℃〜１０００℃近傍まで昇温させた時においても、前記仕切り板と前記ガスシール容器との線膨張係数の違いにより生じる水平方向および垂直方向の寸法差を前記隔壁板がその弾性力または可塑性で前記仕切り板に追随することができ、前記ガスシール容器と前記隔壁板の線膨張係数が略同一であるため双方に大きな内部応力は発生しない。よって前記隔壁板の前記ガスシール容器との接続部分が破壊されることはなく、効率的な燃料電池の運転を安定して行うことができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下に図面を参照して本発明をより具体的に説明する。
図１は本発明の一実施例を略示する円筒形固体電解質型燃料電池の昇温時の縦断面図である。
図１にあるように、ガスシール容器４の内部に、複数の燃料電池セル１を電気的に接続し集合体とした燃料電池セル集合体３を配し発電室８としている。燃料電池セル集合体３の下方には適正寸法のガス導通孔が明いている燃料分配室７があり燃料供給配管１１と接続されている。燃料電池セル集合体３の上方には適正なガス導通穴または気孔率を持つ仕切り板６によって区切られた燃焼室９があり、発電室内の燃料は仕切り板６が持つ圧力損失を経て燃焼室９に至るよう設計される。隔壁板１４はガスシール容器４の内壁周囲から壁面に対して垂直あるいは斜めにシール接合されており仕切り板６に密着するよう配置させている。燃焼室９の中には酸化剤分配器１３とそれに接続された酸化剤供給配管１２が配されている。酸化剤分配器１３からは導入管２が燃料電池セル１の本数分接続されており、燃料電池セル１の内側に挿入されるように配置されている。また燃焼室９からは排ガス配管１０が断熱ボード５に明けられた孔を通じてガスシール容器４の外側まで伸びており排ガス配管はガスシール容器４にシール溶接で固定されている。燃料電池セル１は性質の異なる導電性セラミックの円筒積層構造体、断熱ボード５はアルミナ短繊維を圧縮成形したもの、仕切り板６はアルミナ繊維を連続的に積層しブランケット状にしたもの、導入管２はアルミナ系セラミックの緻密体、酸化剤分配器３・ガスシール容器４・隔壁板１４・排ガス配管１０などの各配管はインコネルやステンレスなどの耐熱合金で作られている。
【００１６】
このように構成された固体電解質型燃料電池を、作動温度約７００℃〜１０００℃まで昇温すると図１に示すように、内部の仕切り板６より線膨張係数の大きいガスシール容器４は仕切り板６よりも大きく膨張し、ガスシール容器４と仕切り板６の間に隙間が生じるが、隔壁板１４が仕切り板６と密着した状態を維持したままスライドしながら膨張することによりガスシール容器４と仕切り板６の間の隙間を遮断するので、発電室８内の燃料は仕切り板６の持つガス導通穴または気孔以外のところから燃焼室９に入ることはなく、予め設計された仕切り板６を通過してのみ燃焼室９に入ることができる。
【００１７】
図２は本発明の一実施例を略示する円筒形固体電解質型燃料電池の昇温時の縦断面図である。
図２にあるように隔壁板１４は仕切り板６が２枚上下から挟み込む構造を持たせ、隔壁板１４と仕切り板６との密着性を高め確実なものにすることができる。
【００１８】
図３は本発明の一実施例を略示する円筒形固体電解質型燃料電池の昇温時の縦断面図である。
ここでは、隔壁板１４は弾力性のある薄板金属板であり、外周部分はガスシール容器４の内壁にシール接合されており、内周部分は隔壁板１４のもつ曲げ弾性力により仕切り板６に押し付けられるように配置されている。このように隔壁板は常温から作動温度まで常に仕切り板６に押し付けられる構造となっており隔壁板１４と仕切り板６との密着性を維持できる。また、図４のように隔壁板１４を仕切り板６の上下に配して、隔壁板１４のもつ曲げ弾性力により仕切り板６を挟み込むようにすることもできる。
【００１９】
図５は本発明の一実施例を略示する円筒形固体電解質型燃料電池の昇温時の縦断面図である。
ここでは、隔壁板１４と仕切り板６の間に表面の平滑な滑り板１５を挟み、隔壁板１４が昇降温の過程でひっかかることなく小さい滑り抵抗でスムースに水平方向に移動することができるようにしている。滑り板６の材質としては作動温度である７００℃から１０００℃においても著しい劣化を起こさない材質でかつ表面が平滑な材質であることが望まれる。例えば耐熱耐酸化性の高いフェライト系のステンレスやインコネルあるいはアルミナ系セラミックの焼結体を使用することが望ましい。
【００２０】
図６は本発明の一実施例を略示する円筒形固体電解質型燃料電池の昇温時の縦断面図である。
ここでは図２と同様、隔壁板１４は仕切り板６が２枚上下から挟み込む構造を持たせているが、さらに隔壁板１４と仕切り板６との間にパッキン６挟んでいる。パッキン６の材質としては高温に耐えられかつ適当な弾力性を有する繊維状のセラミックまたは繊維状の金属を挟んでいる。繊維状の金属はステンレスまたはニッケルをフェルト状に加工されたものが使用されるが、適当な弾力性と耐熱性があれば他の材質を使用することもできる。一般に金属材料は酸化雰囲気に曝されると酸化腐食による弾力性能低下が著しいため使用する場合は隔壁板１４と発電室側の仕切り板６との間に配するのが望ましい。一方、繊維状のセラミックに関してはその成分に珪素が含まれると燃料電池セル１の燃料極を被毒させるため、アルミナを主成分とし、珪素成分が３０％以下のセラミック繊維を使用するかあるいは隔壁板１４と燃焼室側の仕切り板６との間に配するのが望ましい。
これにより燃料電池の製造上において生じる隔壁板１４と仕切り板６との位置寸法、平面精度などの寸法誤差を繊維状のセラミックまたは繊維状の金属が吸収することで隔壁板１４と仕切り板６との密着性を高め確実なものにすることができる。
【００２１】
図７は本発明の一実施例を略示する円筒形固体電解質型燃料電池の昇温時の縦断面図である。
ここでは図５と同様、隔壁板１４と仕切り板６の間に表面の平滑な滑り板１５を挟み、隔壁板１４が昇降温の過程でひっかかることなく小さい滑り抵抗でスムースに水平方向に移動することができるようにしているが、さらに隔壁板１４と仕切り板６との間にパッキン６挟んでいる。パッキン６の材質としては高温に耐えられかつ適当な弾力性を有する繊維状のセラミックまたは繊維状の金属を挟んでいる。
【００２２】
図８は本発明の一実施例を略示する円筒形固体電解質型燃料電池の昇温時の縦断面図である。ここでは、ガスシール容器４の内部に断熱ボード５を配した燃料電池についての実施例であり、隔壁板１４を仕切り板６と断熱ボード５との間に挟み込む構造を持たせている。こうすることにより隔壁板１４と仕切り板６との密着性を高め確実なものにすることができる。
【００２３】
ここまで前述した隔壁板１４はガスシール容器４の内壁にシール接合されておりこの状態を常温から作動温度まで確実に維持するためには、隔壁板１４の線膨張係数がガスシール容器４の線膨張係数と同一の材料とすることが望ましい。例えば、ガスシール容器４の材質に耐高温酸化性および耐高温強度の高いインコネル６０１を使用する場合、隔壁板１４の材質もインコネル６０１にする。
【００２４】
あるいは隔壁板１４の線膨張係数がガスシール容器４の線膨張係数と略同一の線膨張係数をもつ材質を選定することもできる。例えば、図３のような形状を隔壁板１４に持たせた場合、ガスシール容器４の材質を線膨張係数１６．７μ／Ｋであるインコネル６０１とし、隔壁板１４の材質を線膨張係数１６．２μ／ＫであるインコネルＸ−７５０とすることができる。ここではガスシール容器の要求性能として耐高温酸化性と耐高温強度の高いインコネル６０１が選定され、隔壁板１４の要求性能として耐高温酸化性と耐高温強度が高くかつ耐力が高く弾性性能の高いインコネルＸ−７５０を選定している。これにより、隔壁板１４が仕切り板６に対して適正な押し付け力を発生させ、隔壁板１４と仕切り板６との密着性を高め確実なものにすることができる。
【００２５】
また、前述した例は円筒内側が空気極、円筒外側が燃料極である縦縞円筒形固体電解質型燃料電池の実施例を示しているが、反対に円筒内側が燃料極、円筒外側が空気極である横縞円筒形固体電解質型燃料電池においても前述文中、燃料と酸化剤を置き換えて本発明を適用することができる。
【００２６】
またさらに、図９に示すように、両端開放型の円筒形固体電解質型燃料電池の場合においては、前述の例と同様発電室８と燃焼室９を仕切る仕切り板９に密着させるように隔壁板１４を配置するだけでなく、発電室８と空気分配室１７を仕切る仕切り板１８に密着させるように隔壁板１９を配置することで発電室８と空気分配室１７との気密性を適正に確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例に係る固体電解質型燃料電池の昇温時の縦断面図である。
【図２】本発明の一実施例に係る固体電解質型燃料電池の昇温時の縦断面図である。
【図３】本発明の一実施例に係る固体電解質型燃料電池の昇温時の縦断面図である。
【図４】本発明の一実施例に係る固体電解質型燃料電池の昇温時の縦断面図である。
【図５】本発明の一実施例に係る固体電解質型燃料電池の昇温時の縦断面図である。
【図６】本発明の一実施例に係る固体電解質型燃料電池の昇温時の縦断面図である。
【図７】本発明の一実施例に係る固体電解質型燃料電池の昇温時の縦断面図である。
【図８】本発明の一実施例に係る固体電解質型燃料電池の昇温時の縦断面図である。
【図９】本発明の一実施例に係る固体電解質型燃料電池の昇温時の縦断面図である。
【図１０】従来の固体電解質型燃料電池の縦断面図である。
【符号の説明】
１ 燃料電池セル
２ 導入管
３ 燃料電池セル集合体
４ ガスシール容器
５ 断熱ボード
６ 仕切り板
７ 燃料分配室
８ 発電室
９ 燃焼室
１０ 排ガス配管
１１ 燃料供給配管
１２ 酸化剤供給配管
１３ 酸化剤分配器
１４ 隔壁板
１５ 滑り板
１６ パッキン
１７ 空気分配室
１８ 仕切り板
１９ 隔壁板
Claims (8)
- 複数の燃料電池セルを接続した燃料電池セル集合体と、前記セル集合体を覆い囲み、少なくとも燃料ガスおよび燃焼ガスを外部から遮断するガスシール容器と、前記ガスシール容器内の前記セル集合体の開口部付近に設けられた仕切り板により仕切られた前記セル集合体の発電部側の発電室と、開口部側の燃焼室を有する燃料電池システムであって、
前記ガスシール容器と、前記仕切り板との隙間を埋める隔壁板を設けたことを特徴とする燃料電池システム - 前記隔壁板は前記仕切り板２枚に挟みこまれた構造であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム
- 前記隔壁板は前記仕切り板の表面に押付けられた構造であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム
- 前記隔壁板は表面の平滑な金属板またはセラミック板を間に介して前記仕切り板と密着させることを特徴とするの請求項１から３のいずれか１項に記載の燃料電池システム
- 前記隔壁板は繊維状のセラミックまたは繊維状の金属を間に介して前記仕切り板と密着させることを特徴とするの請求項１から３のいずれか１項に記載の燃料電池システム
- 複数の燃料電池セルを接続した燃料電池セル集合体と、前記燃料電池セル集合体の周囲に配した断熱ボードと、前記セル集合体と前記断熱ボードを覆い囲み、少なくとも燃料ガスおよび燃焼ガスを外部から遮断するガスシール容器と、前記ガスシール容器内の前記セル集合体の開口部付近に設けられた仕切り板により仕切られた前記セル集合体の発電部側の発電室と、開口部側の燃焼室を有する燃料電池システムであって、
前記隔壁板は前記仕切り板と前記断熱ボードの間に挟みこまれた構造であることを特徴とする燃料電池システム - 前記隔壁板は前記ガスシール容器と同一材質であることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の燃料電池システム
- 前記隔壁板は前記ガスシール容器の材質と略同一の線膨張係数を有する材質であることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の燃料電池システム
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