JP2004247131A - 筒状固体酸化物形燃料電池セルの集合体 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】少なくとも空気極と電解質と燃料極を有する筒状固体酸化物形燃料電池セルの複数が、これらの筒状固体酸化物形燃料電池セルの長手方向に沿って配置された導電性部材によって電気的に接続された筒状固体酸化物形燃料電池セルの集合体において、前記筒状固体酸化物形燃料電池セルの長手方向の少なくとも一部において前記集合体を囲む保持枠と、夫々この保持枠を基準面として、前記筒状固体酸化物形燃料電池セルの中心線上でこの筒状固体酸化物形燃料電池セル同士を押圧する第1の押圧手段と、この第1の押圧手段と直交する方向に前記筒状固体酸化物形燃料電池セル同士を押圧する第2の押圧手段と、を有することを特徴とする。
【選択図】 図1
Description
【産業上の利用分野】
本発明は、筒状固体酸化物形燃料電池に関し、さらに詳しくは複数の筒状固体酸化物形燃料電池の単セルを組み合わせた筒状固体酸化物形燃料電池セルの集合体を形成するバンドル、モジュール構造に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、筒状固体酸化物形燃料電池は、複数の隣り合う固体酸化物形燃料電池セルの直列側をインタコネクタと燃料極、並列側を燃料極と燃料極でニッケルフェルトからなる導電性部材を配置し、所定の温度で熱処理して電気的に接続する集合体を形成してモジュールを構成することができる。このような筒状固体酸化物形燃料電池において、複数の筒状固体酸化物形燃料電池セルと導電性接続部材とを接続する集合体における外周の表面を基準となる壁面に圧縮バネを配置し、この集合体を一対の集電板で圧縮して各筒状固体酸化物形燃料電池セルと導電性部材とを電気的に接続する構造となっている。(特許文献1参照。)
【0003】
【特許文献1】
特開平6−203857号広報(2〜4頁、図1〜4)
【0004】
しかしながら、従来の構成では、複数の筒状固体酸化物形燃料電池セルと導電性部材とを電気的に接続する集合体は、集電体における外周の表面より内部へ圧縮することにより、垂直方向に向い合う応力が内部へ発生すると共に、水平方向に外側に向かって互い反発する応力を発生し易い構造となっている。また、この集合体の構成で筒状固体酸化物形燃料電池を運転すると、筒状固体酸化物形燃料電池セルと導電性部材との各々の熱膨張により、この接続部に不均一な応力が発生し、集合体の内部において応力バランスがとれなくなる。また、集合体に起動・運転・停止を繰り返す熱負荷サイクルを与えると、接続部における接続不良が生じ易くなり、発電性能を維持することが難しい。また、集合体は、筒状固体酸化物形燃料電池セルと導電性部材とを配置して各々の接合面のみで一体化して形成されているため、接合面の接合強度が弱くハンドリングによる組立て、運搬等の取扱いによって接合面に剥離等を生じ易い。さらに、筒状固体酸化物形燃料電池を運転の際、集合体の内部で一部が故障を発生したとしても、機械的に故障した一部のみを修理することが困難なため、集合体を全体でメンテナンスが必要となる。このように、筒状固体酸化物形燃料電池の集合体の取扱いが大変困難なため、工業的な大量生産が難しいという大きな問題があった。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は以上のような従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、その目的とするところは筒状固体酸化物形燃料電池の起動、運転、停止の熱負荷サイクルによる導電性接続部の接続不良を防止し、集合体の取扱いを容易にすることで、ハンドリングによる組立て、運搬等の取扱い時の破損、接続不良を抑制し、メンテナンスを故障した一部ででき、工業的な大量生産を容易にできる信頼性の高い安全な筒状固体酸化物形燃料電池を提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】
以上のような課題を解決する請求項1の発明は、少なくとも空気極と電解質と燃料極を有する筒状固体酸化物形燃料電池セルの複数が、これらの筒状固体酸化物形燃料電池セルの長手方向に沿って配置された導電性部材によって電気的に接続された筒状固体酸化物形燃料電池セルの集合体において、前記筒状固体酸化物形燃料電池セルの長手方向の少なくとも一部において前記集合体を囲む保持枠と、夫々この保持枠を基準面として、前記筒状固体酸化物形燃料電池セルの中心線上でこの筒状固体酸化物形燃料電池セル同士を押圧する第1の押圧手段と、この第1の押圧手段と直交する方向に前記筒状固体酸化物形燃料電池セル同士を押圧する第2の押圧手段と、を有することを特徴とする。
【0007】
このような圧縮手段を設けて垂直に向い合う応力を常にモジュールの内部へ与えることにより、起動・運転・停止の熱負荷サイクルで集合体における内部で熱膨張による不均一な応力が発生するのを抑えて筒状固体酸化物形燃料電池セルと導電性部材との接続部の表面が、剥離等の接続不良やセル破損することを防止できる。また、集合体の製作時、筒状固体酸化物形燃料電池セルと導電性部材との配置・位置決めが、固体酸化物形燃料電池セルの直列側と並列側の平面でそれぞれ圧縮固定して精度良く構成でき、集合体を拘束して固定維持できるため、ハンドリングによる集合体の組立て、運搬等の取扱いを容易にすることができる。よって、信頼性の高い安全な発電をすることが可能な固体酸化物形燃料電池の生産が容易にできる。
【0008】
請求項2の発明は、前記保持枠が、前記固体酸化物形燃料電池セル間に前記導電性部材が配置された部位に位置しており、前記集合体の外周における前記固体酸化物形燃料電池セルには導電性部材が形成されていることを特徴とする。
【0009】
これによって、熱負荷サイクルの前後においても、圧縮バネを有する保持枠の内面を基準とし、導電性部材を介して集合体の内部へ常に応力を与えることができるため、各固体酸化物形燃料電池セルと導電性部材の接続表面に不均一な応力を発生させず、この接続部の電気的な接続を維持し、集合体を拘束して固定維持を良好に行うことができる。
【0010】
請求項3の発明は、前記保持枠が、前記固体酸化物形燃料電池セル間の前記導電性部材の未配置部位に位置しており、前記集合体内部の複数の前記筒状固体酸化物形燃料電池セルの間と、前記集合体の表面とに、緩衝材が形成されていることを特徴とする。
【0011】
これによって、熱負荷サイクルの前後においても、圧縮バネを有する保持枠の内面を基準とし、緩衝材を介して集合体の内部へ応力を与えることができるため、各固体酸化物形燃料電池セルと導電性部材の接続表面に不均一な応力を発生させず、この接続部の電気的な接続を維持し、集合体を拘束して固定維持を良好に行うことができる。
【0012】
請求項4の発明は、前記第1および第2の押圧手段は圧縮バネであり、この圧縮バネは、ニッケルを主成分とする金属板、金属板と金属繊維の複合体、セラミック、セラミックとセラミック繊維の複合体、のいずれか、あるいは、これらの複合体より形成されていることを特徴とする。
【0013】
これによって、発電室内の水蒸気を含む還元雰囲気において安定であり、発電室の温度が約1,000℃においても劣化を抑えることができ、集合体の内部における筒状固体物形燃料電池セルと導電性部材との接続部の電気的な接続および応力バランスを維持できる。
【0014】
請求項5の発明は、前記保持枠には、通気性を有する緩衝材を介して通気孔を有する分散板が一体で形成されており、この分散板によって前記集合体の自重を保持可能であることを特徴とする。
【0015】
これによって、集合体の下方で自重を支えて保持されるため、組立て、運搬等の取扱いがより容易にでき、さらに、集合体の単位で下方より分散板を介してガスを効率良く分散して各固体酸化物形燃料電池セルに供給することができる。
【0016】
請求項6の発明は、前記集合体の前記筒状酸化物形燃料電池セルの長手方向に離れた位置に複数配置される保持枠と、前記集合体の下方端には通気性を有する緩衝材を介して通気孔を有する分散板とが配置されており、上方端よりこの複数の保持枠を貫通して前記分散板が、金属線、金属棒、セラミック棒等の接続体により接続されて構成されていることを特徴とする。
【0017】
これによって、集合体の取扱い時、集合体の上方端より接続体を支持することにより、保持枠を貫通して集合体の下方端の分散板で集合体の重量を保持できるため、集合体と保持枠との間に発生する応力を軽減し、取扱いによる固体酸化物形燃料電池セルと導電性部材の接続不良、固体酸化物形燃料電池セルの破損等を防止できる。
【0018】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施形態について図面を参照して具体的かつ詳細に説明を行う。
図1は、本発明の一実施例を示す筒状固体酸化物形燃料電池における集合体の外周における圧縮構成の断面図である。複数の片側先端が密封された筒状固体酸化形燃料電池セル(以下、燃料電池セルという)1の中心線上で直列側と並列側とを導電性部材2により電気的に接続する集合体に保持枠7が、集合体の外周における燃料電池セル1の導電性部材2に配置されている。また、集合体の圧縮構成が、直列方向では集電板3、集電配線4、圧縮板5、圧縮バネ6、保持枠7を、並列方向では圧縮板5、圧縮バネ6、保持枠7を、それぞれ向い合って1対で配置し、保持枠7の内面を基準として互いに直交して押圧する押圧手段が形成されている。このとき、他の押圧手段として圧縮バネ6を片側のみ配置し、保持枠7の内面を基準として互いに直交して押圧することもできる(図示せず)。また、集電板3、集電配線4はニッケルやコバルト等の金属で、圧縮板5は絶縁性を示すアルミナ、ジルコニア等のセラミックで形成することができる。
【0019】
図2、図3は、本発明の一実施例に係わる保持枠7の構成例を示す概略図である。しかしながら、これらは一例であり、限定されるものではない。図2は、保持枠7が、保持板8と、保持板8へはめ込んで固定する保持板固定枠9とから一体で形成されている。図3は、保持枠7が、保持板8と、保持板8へはめ込んで固定する保持板固定ピン10とから一体で形成されている。また、保持枠7は耐熱性ステンレス鋼やインコネル等の金属やアルミナ等のセラミックで形成することができる。
【0020】
これによって、両者とも集合体の表面を圧縮板5と圧縮バネ6とを介して保持板8を一定量で圧縮することにより、燃料電池セル1の位置決めを行い、保持板固定枠9あるいは保持板固定ピン10で集合体を拘束して固定維持することができる。このとき、圧縮板5と保持板5との間に、圧縮板5が集合体の表面に対して垂直に押圧する圧縮バネ6の圧縮ガイド(図示せず)を設けるとより効果的に集合体を圧縮することができる。
【0021】
図4は、燃料電池セル1の概略図である。燃料電池セル1は、筒状の電解質12の内面に空気極11を、外面に燃料極13が形成されており、空気極11へ電気的に接続されたインターコネクタ14が燃料極13と通電せず電気的に接続される構造で形成されている。このとき、空気極11は多孔質のLaCoO3、LaMnO3、LaFeO3等のペロブスカイト型酸化物でSrやCa等をLaサイトにドープしたもの、あるいはドープしないもの、またはそれらの複合材によりで形成されている。電解質12は、YSZにより形成されている。燃料極13は、多孔質のニッケルとYSZのサーメットにより形成されている。インターコネクタ14はLaCrO3にSrやCa等をドープしたものにより形成されている。
【0022】
次に、このように構成されたハンドリングが可能な集合体をバンドルとし、複数のバンドルが集電部材によって電気的に接続され、さらに、集電板3、圧縮板5、集電配線4、保持枠7から形成される集合体をモジュールとし、このようなバンドル、モジュールからなる構成される筒状固体酸化物形燃料電池の動作について簡単に説明を行う。モジュール内において、空気は、各燃料電池セル1の先端内部に流れて空気極8へ供給され、燃料ガスは、各燃料電池セル1の外側に流れて燃料極10に供給されると、電解質9の両側で電気化学的反応が起こり、電気と熱と水を発生する。この反応は水の電気化学的反応の逆反応である。固体酸化物形燃料電池において、発電室内におけるモジュールの温度は約1,000℃であり、起動・運転・停止の熱負荷サイクルがかかると、燃料電池セル1、導電性部材2、保持枠7との熱膨張率の差により、燃料電池セル1と導電性部材2との接続部の表面に不均一な応力が働こうとする。しかしながら、バンドル、モジュールにおいて、保持枠7の内面に圧縮バネ6が、直列側および並列側でそれぞれ1対の互いが垂直な応力を集電板3あるいは圧縮板5と導電性部材2とを介し、常に燃料電池セル1へ応力を与えることができる。このとき、圧縮バネ6による応力は、セラミックよりなる燃料電池セル1と導電性部材2の接続や燃料電池セル1の強度等を考慮し、圧縮バネ6の圧縮応力を約0.5〜5.0kg/cm2で形成することが好ましい。
【0023】
これによって、起動・運転・停止の熱負荷サイクルがかかっても、集合体の外周における燃料電池セル1の導電性部材2の表面を介して常に安定な押圧がされているため、集合体の内部で熱膨張や収縮による不均一な応力が発生するのを抑えて応力バランスが保たれ、集合体の内部における燃料電池セル1と導電性部材2との電気的な接続不良や燃料電池セル1の破損を防止することができる。また、バンドル、モジュールの製作時、集合体における外周の燃料電池セル1の直列側と並列側の平面により、燃料電池セル1と導電性部材2との配置や位置決めを精度良く構成でき、圧縮固定して集合体の拘束をして固定維持することがバンドル単位で構成でき、複数のバンドルを電気的に接続する集電部材で接続することで容易にモジュールを構成できるため、固体酸化物形燃料電池のバンドル、モジュールの組立て、運搬等の取扱いを容易することができる。よって、信頼性の高い安全な発電をすることが可能な固体酸化物形燃料電池の工業的な生産が容易にできる。
【0024】
圧縮バネ6は、ニッケルを主成分とする金属板、金属板と金属繊維の複合体、または、セラミック、セラミックとセラミック繊維の複合体、あるいは、いずれかの複合体より形成されていることが好ましい。
【0025】
これによって、発電室内の水蒸気を含む還元雰囲気においても安定で、発電室の温度が約1,000℃においても劣化を抑えることができ、集合体の内部における燃料電池セル1と導電性部材2との接続部の電気的な接続および応力バランスを維持できる。
【0026】
図5は、本発明の他の実施例を示す集合体の外周における圧縮構成例の断面図であり、図6は、図5に示す集合体の圧縮構成例の概略図である。しかし、これらは一例であり、限定されるものではない。図5は、集合体の外周における燃料電池セル1に保持枠7が配置され、この集合体の並列側における内部に導電性部材2を延長すると共に、各燃料電池セル1との隙間と、集合体における外周の燃料電池セル1の表面と、に圧縮部緩衝材15が形成されている。また、集合体の圧縮構成が、直列・並列方向共に圧縮板5、圧縮バネ6、保持枠7を1対で、それぞれ向い合って配置し、保持枠7の内面を基準として互いに直交して押圧する押圧手段が形成されている。このとき、圧縮バネ6による応力は、セラミックからなる燃料電池セル1と導電性部材2の接続や燃料電池セル1の強度等を考慮し、圧縮バネ6の圧縮応力を約0.5〜5.0kg/cm2で形成することが好ましい。図6は、複数の燃料電池セル1の中心線上で直列側と並列側とを導電性部材2により電気的に接続する集合体の上方および下方で押圧手段を有する保持枠7により、圧縮固定して集合体を形成している。
【0027】
これによって、起動・運転・停止の熱負荷サイクルがかかっても、集合体の外周における燃料電池セル1の表面を介して常に安定な押圧がされているため、集合体の内部で熱膨張や収縮による不均一な応力が発生するのを抑えて応力バランスが保たれ、集合体の内部における燃料電池セル1と導電性部材2との電気的な接続不良や燃料電池セル1の破損を防止することができる。また、バンドル、モジュールの製作時、集合体における外周の燃料電池セル1の直列側と並列側の平面により、燃料電池セル1と導電性部材2との配置や位置決めを精度良く構成でき、圧縮固定して集合体の拘束をして固定維持することが、バンドル単位で構成でき、複数のバンドルを電気的に接続する集電部材で接続することで容易にモジュールを構成できるため、固体酸化物形燃料電池のバンドル、モジュールの組立て、運搬等の取扱いを容易することができる。よって、信頼性の高い安全な発電をすることが可能な固体酸化物形燃料電池の工業的な生産が容易にできる。このとき、圧縮部緩衝材15は絶縁性を示すアルミナ等のセラミック繊維で、圧縮板5、保持枠7は耐熱性ステンレス鋼やインコネル等の金属やアルミナ等のセラミックで形成することができる。
【0028】
図7は、本発明の他の実施例に係わるガスの分散機能を有する保持枠7の構成例を示す概略図である。しかし、これは一例であり、限定されるものではない。図7は、保持枠7が、通気孔(図示せず)を有する分散板18と、この分散板18の取り付け口16を有する保持板8と、分散板18と集合体との間に緩衝性を与える下部緩衝材17とからなり、下部緩衝材17を上に配置した分散板18を固定板8の取り付け口16へ配置し、この保持板8へ保持板固定枠9をはめ込んで固定して一体化して形成されている。
【0029】
これによって、集合体の下方で自重を支えて保持されるため、バンドル単位で取扱うと、組立て、運搬等の取扱いがハンドリングしてより容易にでき、また、集合体の単位で下方より分散板18を介してガスを効率良く分散して各燃料電池セル1に供給することができる。
【0030】
図8は、本発明の他の実施例を示す保持機能を有する集合体の構成例の概略図である。しかし、これは一例であり、限定されるものではない。図8は接続体19が上部および下部の保持枠7とを貫通し、下方端の分散板18と接続され、並列方向において上部両側に接続体19の取っ手20を有する集合体を形成している。
【0031】
これによって、集合体の取扱い時、集合体の上方より接続体19からなる取っ手20を持つことで集合体の重量を保持できるため、集合体と保持枠7との間に発生する応力を軽減し、取扱いによる燃料電池セル1と導電性部材2の接続不良、燃料電池セル1の破損等を防止することができる。
【0032】
なお、前述の実施例にかかわらず、燃料ガスが燃料電池セル1の内側を流れ、酸化剤ガスが燃料電池セル1の外側に流れるように構成し、燃料ガスと酸化剤ガスを入れ替えて燃料電池セル1の集合体とした構成、また、燃料電池セル1の両端が開放された構成においても同様に構成することもできる。
【0033】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の筒状固体酸化物形燃料電池によれば、保持枠の内側に配置された各筒状固体酸化物形燃料電池セルが、熱サイクルの前後においても常に圧縮バネで押圧される応力で複数の筒状固体酸化物形燃料電池セルと導電性部材との集合体の内部において応力バランスが維持できるため、集合体の電気的な接続を安定維持でき、メンテナンス、運搬等の取り扱いも容易にできる。また、集合体の製造も機械的に行うことができるため、燃料電池の量産性を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例を示す筒状固体酸化物形燃料電池における集合体の外周における圧縮構成の断面図である。
【図2】本発明の一実施例に係わる保持枠の構成例を示す概略図である。
【図3】本発明の一実施例に係わる別の保持枠の構成例を示す概略図である。
【図4】本発明の一実施例を示す筒状固体酸化物形燃料電池セルの概略図である。
【図5】本発明の他の実施例を示す集合体の外周における圧縮構成例の断面図である。
【図6】本発明の他の実施例を示す集合体の圧縮構成例の概略図である。
【図7】本発明の他の実施例に係わるガスの分散機能を有する保持枠7の構成例を示す概略図である。
【図8】本発明の他の実施例を示す保持機能を有する集合体の構成例の概略図である。
【符号の説明】
1 固体酸化物形燃料電池セル
2 導電性部材
3 集電板
4 集電配線
5 圧縮板
6 圧縮バネ
7 保持枠
8 保持板
9 保持板固定枠
10 保持板固定ピン
11 空気極
12 電解質
13 燃料極
14 インターコネクタ
15 圧縮部緩衝材
16 分散板取り付け口
17 下部緩衝材
18 分散板
19 接続体
20 取っ手
Claims (6)
- 少なくとも空気極と電解質と燃料極を有する筒状固体酸化物形燃料電池セルの複数が、これらの筒状固体酸化物形燃料電池セルの長手方向に沿って配置された導電性部材によって電気的に接続された筒状固体酸化物形燃料電池セルの集合体において、前記筒状固体酸化物形燃料電池セルの長手方向の少なくとも一部において前記集合体を囲む保持枠と、夫々この保持枠を基準面として、前記筒状固体酸化物形燃料電池セルの中心線上でこの筒状固体酸化物形燃料電池セル同士を押圧する第1の押圧手段と、この第1の押圧手段と直交する方向に前記筒状固体酸化物形燃料電池セル同士を押圧する第2の押圧手段と、を有することを特徴とする筒状固体酸化物形燃料電池セルの集合体。
- 前記保持枠が、前記固体酸化物形燃料電池セル間に前記導電性部材が配置された部位に位置しており、前記集合体の外周における前記固体酸化物形燃料電池セルには導電性部材が形成されていることを特徴とする請求項1に記載の筒状固体酸化物形燃料電池セルの集合体。
- 前記保持枠が、前記固体酸化物形燃料電池セル間の前記導電性部材の未配置部位に位置しており、前記集合体内部の複数の前記筒状固体酸化物形燃料電池セルの間と、前記集合体の表面とに、緩衝材が形成されていることを特徴とする請求項1に記載の筒状固体酸化物形燃料電池セルの集合体。
- 前記第1および第2の押圧手段は圧縮バネであり、この圧縮バネは、ニッケルを主成分とする金属板、金属板と金属繊維の複合体、セラミック、セラミックとセラミック繊維の複合体、のいずれか、あるいは、これらの複合体より形成されていることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の筒状固体酸化物形燃料電池セルの集合体。
- 前記保持枠には、通気性を有する緩衝材を介して通気孔を有する分散板が一体で形成されており、この分散板によって前記集合体の自重を保持可能であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の筒状固体酸化物形燃料電池セルの集合体。
- 前記集合体の前記筒状酸化物形燃料電池セルの長手方向に離れた位置に複数配置される保持枠と、前記集合体の下方端には通気性を有する緩衝材を介して通気孔を有する分散板とが配置されており、上方端よりこの複数の保持枠を貫通して前記分散板が、金属線、金属棒、セラミック棒等の接続体により接続されて構成されていることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の筒状固体酸化物形燃料電池セルの集合体。
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