JP2007042441A - 燃料電池および運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 発電セルの破損を防止しつつ、短時間で昇温、降温を行うことのできる燃料電池、および、その好適な運転方法を提供する。
【解決手段】 発電セル５とセパレータ８を交互に積層すると共に、この積層体を積層方向より加重することにより各構成要素を相互に密着させて構成した平板積層型燃料電池１の運転方法であって、運転開始の際の昇温時や運転停止の際の降温時における前記積層体への荷重を適正出力が生じ得る発電時の荷重に比べて軽減する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池、および、急速起動および急速停止を可能とした燃料電池の運転方法に関するものである。

近年、燃料の有する化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する燃料電池は高効率でクリーンな発電装置として注目されている。この燃料電池は、酸化物イオン導電体から成る固体電解質層を両側から空気極層（カソード）と燃料極層（アノード）で挟み込んだ積層構造を有する。

発電時、反応用ガスとして空気極層側に酸化剤ガス（酸素) が、また燃料極層側に燃料ガス (Ｈ₂、ＣＯ、ＣＨ₄等) が供給される。空気極層と燃料極層は、反応用ガスが固体電解質層との界面に到達することができるよう、何れも多孔質の層とされている。

発電セル内において、空気極層側に供給された酸素は、空気極層内の気孔を通って固体電解質層との界面近傍に到達し、この部分で空気極層から電子を受け取って酸化物イオン（Ｏ^2-）にイオン化される。この酸化物イオンは、燃料極層に向かって固体電解質層内を拡散移動する。燃料極層との界面近傍に到達した酸化物イオンは、この部分で、燃料ガスと反応して反応生成物（Ｈ₂Ｏ、ＣＯ₂等）を生じ、燃料極層に電子を放出する。尚、電極反応で生じた電子は、別ルートの外部負荷にて起電力として取り出すことができる。

平板積層型の燃料電池は、これら発電セルとセパレータを交互に多数積層してスタック化すると共に、その両端より積層方向に荷重を掛けてスタックの各構成要素を相互に圧接・密着させることにより構成されている。平板積層型の燃料電池では、各構成要素相互の密着性が出力特性に大いに関係するため、積層体には適正出力を確保し得る適正荷重が設定されている。このような平板積層型の燃料電池は、例えば、特許文献１に開示されている。

他方、係る平板積層型の燃料電池を始めとして、従来公知の燃料電池では、運転（発電）を開始する際、発電セルを作動温度（例えば、固体酸化物形燃料電池では、６００〜８００℃前後）に予熱・昇温する必要がある。これは、発電セルでの発電反応を活性化するためであり、通常、このために燃料電池スタックの外周部にヒータやバーナ等の加熱手段が設けられている。

ところが、スタック外部からの加熱では、燃料電池スタックの外周部分は比較的短時間で昇温されるが、スタック内部に熱が到達するまでに時間を要するため、急激な昇温動作は燃料電池スタック内に大きな温度分布を生じさせることになり、その結果、熱歪みに対して脆弱な発電セルが破損してしまうという問題があった。
従来では、燃料電池スタック内にこのような温度分布を生じさせないよう、スタック内部への熱伝達速度に合わせて徐々に加熱・昇温していたため、起動から発電開始までに極めて長い時間（例えば、８〜１０Ｈ程度）を要しており、よって、近年、燃料電池の急速起動が克服すべき大きな課題となっている。

特に、上述の平板積層型の燃料電池では、積層体の積層方向に荷重を掛けて各構成要素を密着させているので、構成要素相互の滑り摩擦力により発電セルの熱歪みに対する機械的な拘束力は極めて大きいものとなっており、この大きな機械的拘束力が発電セルを破損し易すくする大きな要因となっていた。
尚、この発電セルの破損については、発電停止時の降温過程においても昇温時と同様に問題となっている。
特開２００４−５５１９５号公報

本発明は、上記した問題に鑑み成されたもので、発電セルの破損を防止しつつ、短時間で昇温、降温を行うことのできる燃料電池、および、その好適な運転方法を提供することを目的としている。

すなわち、請求項１に記載の本発明は、発電セルとセパレータを交互に積層すると共に、この積層体を積層方向より加重することにより各構成要素を相互に密着させて構成した平板積層型燃料電池の運転方法であって、運転開始の際の昇温時および／または運転停止の際の降温時における前記積層体への荷重は、適正出力が生じ得る発電時の荷重に比べて軽減することを特徴としている。

また、請求項２に記載の本発明は、請求項１に記載の燃料電池の運転方法において、昇温時は前記荷重を徐々に増加し、降温時は前記荷重を徐々に減少することを特徴としている。

また、請求項３に記載の本発明は、請求項１または請求項２の何れかに記載の燃料電池の運転方法において、前記荷重の設定は出力電圧を監視しながら行うことを特徴としている。

また、請求項４に記載の本発明は、請求項１から請求項３までの何れかに記載の燃料電池の運転方法において、昇温時および降温時の最低荷重状態においては、前記各構成要素相互に少なくともパージ可能な密着性が得られていることを特徴としている。

また、請求項５に記載の燃料電池は、発電セルとセパレータを交互に積層すると共に、この積層体を積層方向より加重することにより各構成要素を相互に密着させて構成した平板積層型の燃料電池であって、請求項１から請求項４までの何れかに記載の運転制御を行うための前記積層体の荷重可変手段を備えることを特徴としている。

さらに、請求項６に記載の本発明は、請求項５に記載の燃料電池において、前記荷重可変手段が出力電圧の検知手段を含むことを特徴としている。

本発明によれば、昇温時、降温時における積層体の荷重を発電時の適正荷重に比べて軽減するようにしたので、発電セルの熱歪みに対する機械的拘束力が軽減され、発電セルが破損し難くなるため、発電セルの昇温、降温を短時間で行うことができるようになり、燃料電池の急速起動が可能となる。
また、昇温時、降温時の荷重の増減を徐々に行うことにより、熱歪みによる発電セルへの機械的負担をより一層緩和することができ、よって、発電セルの破損防止と、急速起動の実現に寄与できる。

以下、図面に基づいて本発明の実施形態を説明する。
図１は本発明が適用された縦置き型の平板積層型の固体酸化物形燃料電池（燃料電池スタック）を示し、図２は当燃料電池スタックのＡ−Ａ斜視、図３は横置き型の燃料電池スタックを示している。

図１において、単セル１０は、固体電解質層２の両面に燃料極層３と空気極層４を配した円状の発電セル５と、燃料極層３の外側に配した燃料極集電体６と、空気極層４の外側に配した空気極集電体７と、各集電体６、７の外側に配したセパレータ８とで構成されている。

これら構成要素の内、固体電解質層２はイットリアを添加した安定化ジルコニア（ＹＳＺ）等で構成され、燃料極層３はＮｉ等の金属、あるいはＮｉ−ＹＳＺ等のサーメットで構成され、空気極層４はＬａＭｎＯ₃、ＬａＣｏＯ₃等で構成され、燃料極集電体６はＮｉ等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成され、空気極集電体７はＡｇ等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成されている。

セパレータ８は、図２に示すように、厚さ数ｍｍの四角形ステンレス板で構成され、その中央部に配した発電セル５間を電気的に接続すると共に、発電セル５に対して反応用ガスを供給する機能を有し、内部に燃料ガスが流通する燃料ガス通路１１と、酸化剤ガスが流通する酸化剤ガス通路１２とを備えている。

セパレータ８の一対角線上の角部に板厚方向に貫通する一対のガス孔１３、１４が設けてあり、一方のガス孔１３は上記燃料ガス通路１１に連通し、他方のガス孔１４は上記酸化剤ガス通路１２に連通している。各ガス孔１３、１４から、これらのガス通路１１、１２を通してガス吐出口１１ａ、１２ａより各発電セル５の各電極面に燃料ガスおよび酸化剤ガスが吐出・供給されることによって発電セル５の各電極において既述した発電反応が生じる。
尚、上下に積層されるセパレータ８のガス孔同士は、それぞれリング状の絶縁性ガスケット１５、１６にて連結される。

また、本実施形態のセパレータ８は、図２に示すように、左右端部のガス孔１３、１４部分と中央の発電セル５が位置する部分とを繋ぐ連絡部分８ａ、８ａを細長帯状として後述する荷重に対する可撓性を持たせた構造としており、これにより、構成要素の積層・組立で生じるセパレータ周縁部分と中央部分の高さバラツキ等を吸収して全面が均等に加重されるようにして積層体を構成する各発電要素の密着性とガスケット部分のガスシール性を向上している。

上記構成の単セル１０を、間に上記ガスケット１５、１６を介在して順次積層していくことにより、図１に示す平板積層型の燃料電池スタック１が構成される。

この燃料電池スタック１の上下両端にステンレス製の角板で成る締付板２０ａと締付板２０ｂが配設されている。
上締付板２０ａの中央には、上記した円状の発電セル５がすっぽり収まる孔部２３を有しており、この締付板２０ａをスタックの上端部に配置すると、中央部の孔部２３よりセパレータ８の中央部分、即ち、発電セル５が位置する部分が露出するようになっている。他方、下締付板２０ｂは孔無し平板で構成され、スタックの底部を下方より支持している。

燃料電池スタック１は、図１に示すように、スタック上下両端に上述の締付板２０ａ、２０ｂを配してその周縁角部がボルト・ナット２１にて締め付けされ、その強力な締め付け荷重により、主にスタック各層の角部において、セパレータ８のガス孔１３、１４と各ガスケット１５、１６を機械的に密着・接合させている。
この締め付け荷重により、各々のガスケット１５、１６がそれぞれセパレータ８の各ガス孔１３、１４を介して積層方向に連結されることにより、スタック内部を積層方向に延びる燃料ガス導入用の管状マニホールドと酸化剤ガス導入用の管状マニホールドの２系統が形成される。

また、上締付板２０ａの中央部（孔部２３の部分）に円形の錘２２が配設されており、この錘２２による荷重により、主としてセパレータ８の中央部分、すなわち、発電セル５の搭載部分が積層方向に押圧されることにより、単セル１０を構成する複数の発電要素が相互に密着させられて一体的に固定されるようになっている。

加えて、セパレータ８間に介在されている燃料極集電体６と空気極集電体７はスポンジ状の多孔質焼結金属とされているから、錘２２による荷重でこれらスポンジ状部材が弾性変形し、上下セパレータ８の間にある程度の弾力を持って圧接・挟持された状態となる。
このため、錘２２による発電部分の荷重は、上記したボルト・ナット２１によるスタック縁部の強力な締め付け荷重に比べて極端に少なくしても発電要素間に良好な電気的接触性が得られることになり、当構成により、荷重による各発電要素へのダメージを極力軽減している。

尚、燃料電池スタック１に掛ける積層方向の荷重は構成要素の高温クリープ等を考慮して各発電要素の電気的接触性とガスケットのシール性を確保可能な必要最小限に設定することが好ましく、本実施形態では、発電時のスタック縁部の荷重は数百ｋｇｆ程度に設定し、且つ、スタック中央部分（発電要素部分）の荷重は数ｋｇｆ程度（適正荷重：１．５〜２．５ｋｇｆ）に設定している。
但し、これらの荷重値は、セル積層数４６枚で構成した出力１ＫＷ仕様の燃料電池スタック１の場合であって、それぞれ燃料電池の仕様によって適宜変わるものである。

ところで、図１に示すように、この錘２２の中心部分に加圧ロッド２４の一端が固定されている。この加圧ロッド２４は、コの字に屈曲されてその他端部が燃料電池スタックを載置・固定する架台３０に上下可動自在に支持されて荷重可変手段を構成しており、この荷重可変手段により、上記錘２２による積層体への加重を可変できるようになっている。
本構成では、この加圧ロッド２４の上動作で錘２２による積層体への荷重は軽減され、加圧ロッド２４の下動作で荷重は増加される。尚、加圧ロッド２４の上下動作は、外部からの手動操作、或いは電気的駆動手段（例えば、モータ）にて可能と成されている。

以下、上記構成の燃料電池スタック１の運転方法（昇温／降温）を図４を参照して説明する。
運転開始の際は、先ず、燃料電池スタック１の周辺に配設された電気ヒータやバーナ等の加熱手段（図示せず）により燃料電池スタック１の予熱が開始される。

この時、錘２２による燃料電池スタック１への荷重Ｗ0は、上記荷重可変手段、すなわち加圧ロッド２４による錘２２の下動作で数百ｇｆ程度に設定（軽減）されている。このように、予熱開始時において、燃料電池スタック１に僅かな荷重Ｗ0を掛けておくのは、少なくともパージのための不活性ガスをスタック内に均一に流通させ得る各構成要素相互の密着性を確保しておくためである。
上述したパージとは、昇温時に燃料電池の内部に残留する酸素によって燃料極層が酸化されるのを防止するために、燃料電池に不活性ガス（例えば、窒素）を供給して内部を還元雰囲気に維持しておく処理のことを言う。この処理は、運転停止の際の降温時にも行われる。

予熱が進みスタック温度が常温Ｔ0から発電可能な温度Ｔ１（６００〜８００℃前後）に上昇すると、加圧ロッド２４による錘２２の下動作で燃料電池スタック１への荷重Ｗ1は、上記した適正出力が得られる適正荷重１．５〜２．５ｋｇｆに設定（増加）される。そして、予熱完了後の発電時には、発電要素間にこの適正荷重Ｗ1による良好な電気的接触性が確保されており、よって、安定した出力が得られることになる。

このように、昇温過程において積層体への荷重を発電時の適正荷重Ｗ1に比べて１／１０程度に軽減するようにしたので、スタックの各構成要素相互の密着性（摩擦力）は小さくなり、これによって、発電セル５の熱歪みに対する機械的拘束力が軽減されるため、発電セル５が破損し難くなっており、よって、急激な加熱により発電セル５の昇温時間を短縮することができ、燃料電池の急速起動が可能となる。
因みに、本実施形態の運転方法によれば、従来の昇温時間約８〜１０Ｈに対して本発明では約２Ｈと大幅に短縮することができる。

また、上述した昇温過程では、錘２２による荷重の増加を昇温完了と同時に最低荷重Ｗ0から一挙に適正荷重Ｗ1に引き上げる荷重設定操作を行ったが、図４の破線で示すように、荷重の増加を温度上昇と伴に徐々に行うようにしても良い。例えば、出力電圧と荷重とは因果関係にあることから、図示しないが、燃料電池スタック１に出力電圧の検知手段（電圧計）を付設し、その検知電圧に基づいて荷重の増加を行うようにすることも可能である。
このように、錘２２による燃料電池スタック１への荷重を徐々に増加させることにより、その過程において熱歪みによる発電セル５への機械的負担をより一層緩和することができ、よって、発電セル５の破損防止とそれに伴う急速起動の実現に寄与できるものである。

上述した昇温時の運転制御方法は、発電停止時の降温過程においても勿論適用可能であり、これにより、降温時における発電セル５の破損も防止されると共に、降温時間の短縮も可能となる。

以上、本実施形態では、図１に示す縦置き型の燃料電池スタック１について説明したが、本発明は図３に示す横置き型の燃料電池１についても勿論適用可能である。この場合、加圧ロッド２４はＬ形として下方の一端を架台３０に左右可動自在に支持させる構造としている。本構造では、加圧ロッド２４の右動作で錘２２による積層体への荷重が軽減され、加圧ロッド２４の左動作で荷重は増加される。
従って、本実施形態の運転制御方法を本構成の燃料電池スタック１に適用した場合も、昇温／降温時における発電セル５の破損防止と伴に、燃料電池の急速起動／停止のが可能となることは勿論である。

本発明に係る縦置き型の燃料電池スタックの側面図。 図１のＡ−Ａ矢視図。 本発明に係る横置き型の燃料電池スタックの側面図。 本発明の運転方法による積層体への荷重の変化を示す説明図。

符号の説明

１ 燃料電池（燃料電池スタック）
５ 発電セル
８ セパレータ
２４ 荷重可変手段（加圧ロッド）

Claims (6)

1. 発電セルとセパレータを交互に積層すると共に、この積層体を積層方向より加重することにより各構成要素を相互に密着させて構成した平板積層型燃料電池の運転方法であって、
   運転開始の際の昇温時および／または運転停止の際の降温時における前記積層体への荷重は、適正出力が生じ得る発電時の荷重に比べて軽減することを特徴とする燃料電池の運転方法。
2. 昇温時は前記荷重を徐々に増加し、降温時は前記荷重を徐々に減少することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の運転方法。
3. 前記荷重の設定は出力電圧を監視しながら行うことを特徴とする請求項１または請求項２の何れかに記載の燃料電池の運転方法。
4. 昇温時および降温時の最低荷重状態においては、前記各構成要素相互に少なくともパージ可能な密着性が得られていることを特徴とする請求項１から請求項３までの何れかに記載の燃料電池の運転方法。
5. 発電セルとセパレータを交互に積層すると共に、この積層体を積層方向より加重することにより各構成要素を相互に密着させて構成した平板積層型の燃料電池であって、
   請求項１から請求項４までの何れかに記載の運転制御を行うための前記積層体の荷重可変手段を備えることを特徴する燃料電池。
6. 前記荷重可変手段が出力電圧の検知手段を含むことを特徴とする請求項５に記載の燃料電池。

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