JP2009205995A - 燃料電池モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】 起動時の短絡等によって生じるSOFCセルの劣化を抑制するSOFCスタックおよびこれを備えたSOFCを提供する。
【解決手段】 複数の固体酸化物形燃料電池セルを備える燃料電池スタックと、複数の前記燃料電池スタックを電気的に接続する導電性部材と、複数の前記燃料電池スタックが前記導電性部材により接続される燃料電池スタック集合体と、を備える燃料電池モジュールであって、前記燃料電池スタック集合体は、抵抗体が備えられており、前記燃料電池スタック集合体は、高電位側に第一の燃料電池スタック端部と、低電位側に第二の燃料電池スタック端部と、を備えており、前記抵抗体は、第一の抵抗体端部と、第二の抵抗体端部と、を備えており、前記第一の燃料電池スタック端部と、前記第一の抵抗体端部と、が接続され、前記第二の燃料電池スタック端部と、前記第二の抵抗体端部と、が接続されていることを特徴とする燃料電池モジュール。
【選択図】 図３

Description

本発明は、固体酸化物形燃料電池（以下、SOFCと示す。）モジュールに関するものであり、特には、起動時の地絡、短絡等（以下、短絡と示す。）によって生じる固体酸化物形燃料電池セルの劣化を抑制するSOFCスタックおよびこれを備えたSOFCに関する。

近年、地球温暖化などの環境問題、化石燃料枯渇化などのエネルギー問題が深刻化し、環境にやさしく、高効率な新しい発電機の普及が世界規模で期待されている。SOFCは、既存の発電機と比較し、高効率であること、排熱温度が高いこと、硫黄酸化物・窒素酸化物などの有害ガスを排出が極めて少ないことなどの理由から、コージェネレーション分野を中心とする普及が期待されている。

SOFCセル１本あたりの起電力は1V程度と低く、実用的な負荷に必要な電圧を得るためにできるだけ多くのSOFCセルを直列に接続する。また、インバーター変換効率は電圧が高いほど優れており、エネルギー効率の面から高電圧タイプのSOFCの開発が進められている。

このように、SOFCセルの直列数を増加させることによって、高電圧・高出力の固体酸化物形燃料電池（SOFC）を得ることができるが、起動時において高電圧を所持しているために、例えば、地絡や短絡が生じた場合、電圧降下とともに過電流がセルに流れ、特に内部抵抗が大きいセルに大きなダメージを与える。この結果、セル劣化をもたらし、そのまま運転するとセル破損に至る可能性があることが懸念されるようになった。

内部抵抗が大きいセルは、転極すなわちマイナス電位を示し、固体高分子形燃料電池ではセル劣化を引き起こすものとして以前から問題視され、システム的な対策が提案されている。（例えば、下記特許文献１参照、下記特許文献２参照）

一方、SOFCでは、起動時にマイナス電位を生じることでセル劣化をもたらす報告事例が無かった。そのため、発明者が試験的に確認したところ、低温領域（300-500℃程度）で一定のマイナス電位をSOFCセルに与えてもセル劣化をもたらさないことがわかり、これまで問題視されなかったものと推定した。ところが、エネルギー効率向上の観点から開発されている高電圧タイプのSOFCで生じるであろう電圧降下を低温領域で与える試験をSOFCセルで実施したところ、セル劣化が生じることが確認された。それゆえ、高電圧タイプのSOFCにおいては、起動時の短絡におけるセル劣化が実用化における新たな課題であることがわかった。

現状のSOFCは、ヒータやバーナー等の加熱手段を用いて起動・昇温され、発電が安定できる温度領域まで通電をしないのが一般的である。（例えば、下記特許文献３参照、下記特許文献４参照）

このため、起動時の低温領域では高電圧となり、短絡等による電圧降下が生じるとセル劣化をもたらすことが示唆された。
特開２００８−２１６０６号公報 特開２００７−２５０２７１号公報 特開２００７−４２４４１号公報 特開２００３−３２３９０９号公報

本発明は、上記問題を解決するためになされたもので、燃料電池モジュール構造を改善し、起動時のSOFCセルの電圧を低減させ、短絡による大きな電圧降下を未然に防ぐことにより、セル劣化を抑制し信頼性に優れるSOFCを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明のSOFCモジュールは、複数の固体酸化物形燃料電池セルを備える燃料電池スタックと、複数の前記燃料電池スタックを電気的に接続する導電性部材と、複数の前記燃料電池スタックが前記導電性部材により接続される燃料電池スタック集合体と、を備える燃料電池モジュールであって、前記燃料電池スタック集合体は、抵抗体が備えられており、前記燃料電池スタック集合体は、高電位側に第一の燃料電池スタック端部と、低電位側に第二の燃料電池スタック端部と、を備えており、前記抵抗体は、第一の抵抗体端部と、第二の抵抗体端部と、を備えており、前記第一の燃料電池スタック端部と、前記第一の抵抗体端部と、が接続され、前記第二の燃料電池スタック端部と、前記第二の抵抗体端部と、が接続されていることを特徴とする。

短絡が生じてもSOFCセル劣化を抑制させることができる燃料電池モジュールを提供することができる。

本発明を実施するための最良の形態を説明するのに先立って、本発明の作用効果について説明する。

本発明に係るSOFCモジュールは、複数の固体酸化物形燃料電池セルを備える燃料電池スタックと、複数の前記燃料電池スタックを電気的に接続する導電性部材と、複数の前記燃料電池スタックが前記導電性部材により接続される燃料電池スタック集合体と、を備える燃料電池モジュールであって、前記燃料電池スタック集合体は、抵抗体が備えられており、前記燃料電池スタック集合体は、高電位側に第一の燃料電池スタック端部と、低電位側に第二の燃料電池スタック端部と、を備えており、前記抵抗体は、第一の抵抗体端部と、第二の抵抗体端部と、を備えており、前記第一の燃料電池スタック端部と、前記第一の抵抗体端部と、が接続され、前記第二の燃料電池スタック端部と、前記第二の抵抗体端部と、が接続されていることを特徴とする。

本発明におけるSOFCモジュールは、複数の燃料電池スタック本体と、抵抗体と、を備え、燃料電池スタック本体に前記抵抗体が接続されているので、短絡によるSOFCセル劣化を抑制することができる。この理由は、発電可能な温度よりも低い温度で複数の燃料電池スタック本体と、抵抗体との間で電気回路が形成されるので、SOFCモジュールの電圧を下げることができ、短絡時の電圧差によるSOFCセル劣化を抑制することができる。また、通電されることにより、SOFCセルはジュール熱によって昇温され、運転初期に生じる環境（温度、湿度）や配置状態（接続部材との接触状態など）などの外的な影響によるSOFCセル間の内部抵抗ばらつきを低減でき、短絡時に特定のSOFCセルが大きなマイナス電位を受けることによる劣化を抑制することができるためである。

同一の前記燃料電池スタックに前記第一の抵抗体端部と、第二の抵抗体端部と、が接続されていることを特徴とする。

好ましい態様によれば、抵抗体が燃料電池スタック本体に備えられているので、短絡によるSOFCセル劣化を抑制することができる。この理由は、発電可能な温度よりも低い温度で抵抗体と燃料電池スタック本体との間で電気回路が形成させるので、個々のスタック本体単位で低電圧化が図れ、短絡時の電圧差によるSOFCセル劣化を抑制することができる。また、個々のスタック単位で通電されることにより、SOFCセルの内部抵抗ばらつきをより低減させることができ、短絡時に特定のSOFCセルが劣化する現象をより抑制させることができる。

前記抵抗体の内部抵抗R1、前記燃料電池スタックの内部抵抗をR2とした場合に、R1＞R2であることを特徴とする。

好ましい態様によれば、R2<R1としているので、起動時における短絡によるセル劣化を低減させ、発電温度では、高い出力性能を有するSOFCスタックを提供することができる。この理由は、起動時には抵抗体を設けて電気回路を形成するのでSOFCモジュールの電圧を下げることができ、短絡時の電圧差によるSOFCセル劣化を抑制することと通電されることにより、SOFCセルはジュール熱によって昇温され、運転初期に生じる環境（温度、湿度）や配置状態（接続部材との接触状態など）などの外的な影響によるSOFCセル間の内部抵抗ばらつきを低減でき、短絡時に特定のSOFCセルが劣化する現象をより抑制させることができるためであり、発電時には燃料電池スタック側に多くの電流が流れるので高い出力性能を得ることができるためである。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。

図１は本発明に好適なSOFCセル1-1の断面図を示す。このSOFCセルは、空気極支持体101、固体電解質103、燃料極104、および電気的な接続の役割を有するインターコネクター102を備えている。なお、本発明におけるSOFCセルは、円筒縦縞型、円筒横縞型、扁平円筒型、平板型などいずれのデザインであっても良く、これらのセルを備えた燃料電池スタックとして好適である。

図２は、本発明の実施形態を示す燃料電池スタック本体１の基本構造の概略図を示す図である。SOFCセル１−１は電気的に接続する導電部材１−２を介して２並列３直列で複数積み重ねられ、その両端を電気的接続部材からなる集電板１−３で接続され、燃料電池スタック本体１を構成している。

本発明における抵抗体１−４は、SOFCの作動温度で燃料ガス雰囲気下において耐久性に優れる材料であるのが好ましい。金属であれば、Ni、耐熱性ステンレス、セラミックスであればSiC、ランタンクロマイトなどを挙げることができる。抵抗体１−４の抵抗値は、同一材料であっても形状（長さおよび厚み）を変更することによって任意に定めることができる。また、SOFCでは昇温・降温が繰り返されるので、柔軟性のあるフレキシブルな形状の抵抗体１−４を設けることが好ましい。また、抵抗体はダイオードであっても良い。

図３は、第一の実施例を示す概略図である。本発明の実施形態である燃料電池モジュール2を３直列に配置し、複数の燃料電池スタック本体と、抵抗体と、を備える燃料電池モジュール（以下、集合体と示す）１１を形成し、その集合体１１を囲む断熱部材１２と、電流取り出しの外部電極１３とを備えたSOFCを示す図である。外部電極１３とインバーター１４とアース１５を接続し、SOFCの発電が行われる。図４は、第二の実施例を示す概略図である。。燃料電池スタック本体１に、抵抗体１−４が両端に備えられた集電板１−３に接続されている。本発明のSOFCスタック２は高温還元雰囲気で耐久性に優れる抵抗体１−４を設けることが特徴である。

図５は、本発明の実施形態における燃料電池スタック本体の温度Tと燃料電池スタック本体抵抗Rの対数の関係を示す。燃料電池スタック本体は、起動開始の温度（例えば、室温）から温度T1まで昇温させる過程では、燃料電池スタック本体抵抗Rの対数値にほぼ逆比例するように抵抗値Rが小さくなり、温度T1で抵抗値Rsになる。発電温度であるT1以上では傾きが小さくなるが、温度上昇に伴いバンドルの抵抗が小さくなる。本発明における燃料電池モジュールは、起動時の温度領域で短絡によるセル劣化を抑制させる効果を有しているが、発電時においても高出力性能を有することが好ましい。これらの効果を両立させるためには、抵抗体の抵抗値R1をどのような値に設定するかが大きな鍵を握っている。前記にように、燃料電池スタック本体は温度とともに抵抗値が小さくなる特性を有しているので抵抗値R１は発電温度になるT1時の燃料電池スタック本体抵抗Rsよりも大きいことが好ましい。これにより、起動時には抵抗体と燃料電池スタック本体で電気回路を形成し、低電圧で起動させることができ、発電時には抵抗値R1＞燃料電池スタック本体抵抗Rsなので、図４に示す発電を行うと、燃料電池スタック本体で発生した電子のほとんどをインバーター側に流すことができる。

図６は本発明の実施形態における燃料電池スタック本体の温度Tと燃料電池スタック本体の起電力Vsの関係の一例を示す。温度T2以下では0Vであるが、温度T2に達すると起電力Vsが生じ、温度上昇に伴い徐々に値が低下する傾向を示す。燃料電池スタック本体中のSOFCセルが電池として作用するのは温度T2以上であり、短絡によるセル劣化はT2以上で生じると考えられる。よりセル劣化をさせないためには、抵抗体R１は温度T2時のバンドル抵抗R２以上であることが好ましい。また、この状態では個々のSOFCセルには抵抗差があり、一部のSOFCセルでマイナス電位になる箇所が存在するが、本発明では急激な電位降下を生じないのでSOFCセル劣化は従来よりも生じにくい。

本発明の実施形態における温度T1は各々のセルデザインや材料によって異なる。空気極を支持体とする円筒縦縞型セルを備えたSOFCにおけるT1は600℃程度が好ましい。

図７は本発明実施形態のSOFCの起動から定格運転までの時間tと集合体11に設けられた所定の熱電対温度T、SOFCの電圧Vおよび外部電極13で測定される電流Iの相互関係を示す。一方、図８に従来SOFC、すなわち、燃料電池スタック本体１で集合体を形成し、SOFCにしたタイプのものに関する熱電対温度T、SOFCの電圧Vおよび外部電極13で測定される電流Iの相互関係を示す。

（本発明実施形態の起動〜定格運転まで）
電気ヒーター等で温度T1まで電流を流さない状態で昇温させる。抵抗体の影響で起動時の電圧が低く、昇温とともにバンドルの内部抵抗が小さくなるため、電圧が徐々に高くなる傾向を示す。時間t1に達したところで温度T1になり、電圧Vmを示す。この状態でインバーター１４をつなぎ、電流Iを流しながら昇温を実施する。定格温度Tsに達したところで電圧V0、電流I0を示す。なお、時間t1までの間は個々の燃料電池モジュール内では、燃料電池スタック本体１と抵抗体１−４の間で電流が流れている。

（従来の起動〜定格運転まで）
電気ヒーター等で温度T1まで電流を流さない状態で昇温させる。温度T1までの電圧はSOFCの起電力Vsを示す。温度T1に達する、すなわち時間t1になったら、電流Iを流し始める。電流Iを高めながら定格温度Tsまで昇温させ、定格電圧V0とする。

従来の起動では、SOFCの電圧が高い。この状態で短絡等のトラブルが発生した場合、SOFCの電圧は0Vまで低下する。一方、時間t1までのSOFCセルの内部抵抗ばらつきは大きく、抵抗が大きいものはその瞬間に大きなマイナス電位を生じることになる。その結果、SOFCセルは劣化しこのまま再起動させると発電時にSOFCセルが破損に至る恐れがある。一方、本発明のSOFCスタックを備えたSOFCでは、燃料電池モジュール内のSOFCセルに電流が流れながら、徐々に電圧が高っていくのでSOFCセル劣化を抑制させることができる。

起動時のSOFCセルは、SOFCが設置された環境（温度、湿度）や配置状態（接続部材との接触状態など）などの外的な影響を受けやすい。このため、個々のSOFCセルの内部抵抗ばらつきは大きい。この内部抵抗ばらつきは、昇温とともに徐々に低減され、発電可能な温度であるT1にはその差異はほとんど無くなると考えられる。しかし、T1に達するまでの起動時においては、個々のばらつきを含んでおり、個々のSOFCセルの内部抵抗差は大きい状態であると推定される。この状態で短絡を生じると内部抵抗が大きいSOFCセルに大きな電圧差が生じ、SOFCセルの劣化を引き起こすと考えられる。本発明は、SOFCセルの内部抵抗ばらつきが大きい起動時において、SOFCセルの内部抵抗ばらつきを低減させることを目的として、SOFCモジュールを考案した。スタック本体に抵抗体を接続させる構造とすることで、起動時の低い温度からSOFCセルは通電され、ジュール熱によって昇温される。これにより外的な影響による内部抵抗ばらつきを初期の段階で低減させることができ、短絡が生じても個々のSOFCセルに大きなマイナス電位を生じないと考えられる。また、通電によって起動時のSOFCモジュールの電圧を低減させることができるので、短絡による大きなダメージを低減させることができる。。

本発明実施形態における燃料電池モジュールを構成するSOFCセルを示す断面図である。 本発明実施形態における燃料電池スタック本体を示す概略図である。 本発明実施形態における第一の実施例を示す概略図である。 本発明実施形態における第二の実施例を示す概略図である。 本発明実施形態における燃料電池スタック本体の温度Tとlog(燃料電池スタック本体抵抗R)との関係を示す図である。 本発明実施形態における燃料電池スタック本体の温度Tと燃料電池スタック本体の起電力Vｓとの関係を示す図である。 本発明実施形態における電流、温度、電圧の時系列変化を示す図である。 従来のSOFCにおける電流、温度、電圧の時系列変化を示す図である。 本実施形態に係るSOFCセルによる検証試験の方法を示す図である。

符号の説明

１…本実施形態の燃料電池スタック本体
２…本実施形態の燃料電池モジュール
１−１…SOFCセル
１−２…電気的に接続する導電部材
１−３…電気的接続部材からなる集電板
１−４…抵抗体
１１…集合体
１２…断熱部材
１３…外部電極
１４…インバーター
１５…アース
１０１…空気極支持体
１０２…インターコネクター
１０３…固体電解質
１０４…燃料極

Claims (3)

1. 複数の固体酸化物形燃料電池セルを備える燃料電池スタックと、
   複数の前記燃料電池スタックを電気的に接続する導電性部材と、
   複数の前記燃料電池スタックが前記導電性部材により接続される燃料電池スタック集合体と、
   を備える燃料電池モジュールであって、
   前記燃料電池スタック集合体は、抵抗体を備えられており、
   前記燃料電池スタック集合体は、高電位側に第一の燃料電池スタック端部と、低電位側に第二の燃料電池スタック端部と、を備えており、
   前記抵抗体は、第一の抵抗体端部と、第二の抵抗体端部と、を備えており、
   前記第一の燃料電池スタック端部と、前記第一の抵抗体端部と、が接続され、
   前記第二の燃料電池スタック端部と、前記第二の抵抗体端部と、が接続されていることを特徴とする燃料電池モジュール。
2. 同一の前記燃料電池スタックの前記第一の燃料電池スタック端部と、前記第二の燃料電池スタック端部、に前記第一の抵抗体端部と、第二の抵抗体端部と、が接続されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池モジュール。
3. 前記抵抗体の内部抵抗R1、前記燃料電池スタックの内部抵抗をR2とした場合に、R1＞R2であることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池モジュール。

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