JP2010282740A - 平板型固体酸化物形燃料電池モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】セルスタックとベースプレートとの間に隙間が生じないようにし、ガス漏れを防止する。
【解決手段】 ベースプレート６の下面に反り形成機構４１を配置する。反り形成機構４１は、リング状の第１のプレート４２と、第１のプレート４２の中心孔４４内に配置された円形の第２のプレート４３とで構成されている。第１のプレート４２は、熱膨張係数が第２のプレート４３より大きい材料によって形成され、発電時に熱膨張して第２のプレート４３より高くなることにより、ベースプレート６の外周部を上方に反らせ、セルスタック４の下面に密接させる。
【選択図】 図３

Description

本発明は、平板型固体酸化物形燃料電池モジュールに関するものである。

平板型固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ:Solid Oxide Fuel Cell、以下、平板型ＳＯＦＣともいう）は、他の燃料電池に比べて発電効率が高く、また作動温度が高い（７００〜１０００℃）ため高温の熱を利用することができるという利点を有している（例えば、特許文献１、非特許文献１参照）。

図１０に従来の平板型ＳＯＦＣモジュールを示す。１は平板型ＳＯＦＣを１つ内包する発電ユニット、４は発電ユニット１を複数、例えば８つ積層して電気的に直列に接続することにより形成された平板型ＳＯＦＣスタック（以下、セルスタックともいう）、５、６はセルスタック４の上下面を挟持する金属製のトッププレートおよびベースプレート、７はセルスタック４を収納する断熱容器、８はセルスタック４を加圧、シールする荷重機構で、これらによって平板型ＳＯＦＣモジュール１０を構成し、セルスタック４に燃料ガスと酸化剤ガスを供給することにより発電を行なうようにしている。

荷重機構８は、断熱容器７の上面を貫通して設けられたスタック荷重棒１１と、このスタック荷重棒１１をトッププレート５に押し付ける荷重装置１２とで構成され、これにより各発電ユニット１のセル間の密着度を高め（常温では隙間だらけ）、接続部分での電力の伝達損失を少なくしている。

特開２００６−３３９０３５号公報

横尾雅之、田畑嘉隆、吉田吉晃、林克也、野沢和彦、野崎洋介、荒井創："NTTにおけるSOFCスタックの開発"、第17回SOFC研究発表会 講演要旨集、pp. 14-17、2008

図１０に示す従来の平板型ＳＯＦＣモジュール１０には、以下に示す課題があった。
ベースプレート６は、燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給管や排出管を連結する必要があるため、発電ユニット１を構成するセパレータよりも板厚が厚く形成されている。このため、荷重機構８によってセルスタック４に荷重を掛けたとき、ベースプレート６はセパレータよりも反りが小さい。

図１１は、セルスタック４に荷重を掛けたときのセルスタック４とベースプレート６の反りを誇張して示す図である。同図から明らかなように、ベースプレート６とセルスタック４の間の外周部分に隙間Ｓが生じる。その結果、ベースプレート６に供給された燃料ガスや酸化剤ガスの一部がこの隙間Ｓから漏れてしまい、平板型ＳＯＦＣモジュールの発電性能が低下するという問題があった。

本発明は、上記した従来の問題を解決するためになされたもので、セルスタックとベースプレートとの間に生じる隙間を極力小さくすることにより、隙間からの燃料ガスや酸化剤ガスの漏洩を低減し発電性能を向上させるようにした平板型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。

上記目的を達成するために本発明に係る平板型酸化物形燃料電池モジュールは、平板型固体酸化物形燃料電池セルを有する発電ユニットを複数積層して電気的に直列に接続してなるセルスタックと、前記セルスタックの上下両面を挟持するトッププレートおよびベースプレートと、前記トッププレートを介して前記セルスタックに荷重を掛ける荷重機構と、前記ベースプレートの外周部を上方に反らせることにより前記セルスタックの下面に接触させる反り形成機構とを備えているものである。

また、本発明は、上記発明において、前記反り形成機構が、前記ベースプレートの下面に接するプレートであって、このプレートは中心部よりも外周部が熱膨張率の大きい材料によって形成されているものである。

また、本発明は、上記発明において、前記反り形成機構が、前記ベースプレートの下面に接するプレートであって、このプレートの内周部が凹状構造を有するものである。

さらに、本発明は、上記発明において、前記荷重機構および前記反り形成機構を、前記トッププレートの上方に配設された付加プレートと、前記ベースプレートと前記付加プレートを連結する複数の連結部材と、前記トッププレートと前記付加プレートとの間に介在され前記付加プレートを上方に、前記トッププレートを下方に付勢する付勢手段とで構成したものである。

本発明によれば、ベースプレートの外周部を上方に反らせる反り形成機構を備えているので、セルスタックとベースプレートとの間に隙間が生じるようなことがなく、燃料ガスや酸化剤ガスの漏洩を低減防止することができ、発電性能を向上させることができる。

本発明の原理を見出した実験系を示す図である。 本発明の原理を見出した実験結果を示す電圧と電流密度の関係を示す図である。 本発明に係る平板型ＳＯＦＣモジュールの第一の実施の形態を示す断面図である。 発電ユニットの分解斜視図である。 燃料極支持型の単セルの側面図である。 反り形成機構の平面図である。 本発明の第二の実施の形態を示す平板型ＳＯＦＣモジュールの断面図である。 反り形成機構の平面図である。 本発明の第三の実施の形態を示す平板型ＳＯＦＣモジュールの断面図である。 従来の平板型ＳＯＦＣモジュールを示す断面図である。 セルスタックとベースプレートの反りを誇張して示す図である。

まず、本発明の原理を図１および図２を用いて説明する。なお、図１０および図１１に示した構成部品と同一部品については、同一符号をもって示し、その説明を適宜省略する。図１において、２１は下端がベースプレート６の外周部にそれぞれ連結された４本（ただし、２本のみ示す）の引張棒、２２は各引張棒２１を引き上げベースプレート６の外周部を上方に反らせる引張機構である。その他の構成は、図１０と同一である。このような構造からなる平板型ＳＯＦＣモジュール２０において、発電時に荷重機構８は、トッププレート５を介してセルスタック４に荷重を掛け、ベースプレート６に押し付ける。一方、引張機構２２は、各引張棒２１を引張り、ベースプレート６の外周部を上方に反らせ、セルスタック４の下面外周部に密接させる。

本発明は、以下に示す実験から見出した事実に基づいている。
図２は、図１０に示す従来の平板型ＳＯＦＣモジュール１０において、荷重機構８により下方向に１２０Ｋｇｆの押し荷重のみをかけた場合（曲線Ｉ）と、図１に示すように荷重機構８により下方向に１２０Ｋｇｆの押し荷重を掛けると同時に、引張機構２２により合計１２０Ｋｇｆの力でベースプレート６の外周部を上方に引き上げる方向に荷重を掛けた場合（曲線II）の電流密度−電圧特性を示す図である。

図２から明らかなように、トッププレート５を押すと同時にベースプレート６の外周部を引き上げるようにした場合は、単にトッププレート５を押すだけの場合に比べて発電性能が向上することが確認できた。これは、ベースプレート６の外周部が上方に凹形となるように湾曲してセルスタック４の下面に密接することにより、これら両者の間に隙間が生じるようなことがなく、燃料ガスや酸化剤ガスが漏れないことによるものである。実際、発電終了後にガス漏れの有無について調べたところ、ベースプレート６とセルスタック４の間にガスが漏れた形跡は観察されなかった。

一方、図１０に示す従来の平板型ＳＯＦＣモジュール１０においては、上記した通り荷重機構８により下方に押し荷重のみを掛けているので、発電終了後にベースプレート６とセルスタック４の間に燃料ガスが漏れた形跡が観察された。これから、図１１に示すようにベースプレート６とセルスタック４の間に隙間Ｓが生じたことが分かる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
図３は、本発明に係る平板型ＳＯＦＣモジュールの第一の実施の形態を示す断面図である。同図において、平板型ＳＯＦＣモジュール４０は、ベースプレート６の外周部を上方、言い換えればトッププレート５方向に反らせることにより前記ベースプレート６の反りをセルスタック４の反りと略等しくてベースプレート６の外周部をセルスタック４の下面外周部に接触させる反り形成機構４１を設けた点が、図１０に示した従来の平板型ＳＯＦＣモジュール１０と異なり、その他の構成は同一である。

ベースプレート６は、セルスタック４より十分大きい円板状に形成することにより、外周部がセルスタック４の外周より外側に突出している。

図４および図５において、セルスタック４を構成する発電ユニット１は、単セル２と、セパレータセット３と、セルホルダー１４等で構成されている。

単セル２は、平板型の固体酸化物からなる電解質層１５と、この電解質層１５の表裏面にそれぞれ形成した空気極１６および燃料極１７とからなり、燃料極支持型の単セルを形成している。

セパレータセット３は、それぞれ所定形状の溝１８および穴１９を有する、例えば４枚の金属製のセパレータ３Ａ〜３Ｄとセルホルダー１４を重ね合わせることにより構成されるもので、これらのセパレータ３Ａ〜３Ｄとセルホルダー１４によって前記単セル２を収納する空間と、空気極１６に酸化剤ガスを供排出するガス経路と、燃料極１７に燃料ガスを供排出するガス経路と、単セル２から電気を取り出す経路（いずれも図示せず）を形成している。

このような単セル２とセパレータセット３とからなる発電ユニット１は、複数枚積層され電気的に直列に接続されることによりセルスタック４を構成し、荷重機構８を備えた絶縁容器７内にトッププレート５、ベースプレート６および前記反り形成機構４１とともに収納されている。

図３および図６において、前記反り形成機構４１は、前記ベースプレート６と断熱容器７の内底面との間に配置されることによりベースプレート６の下面に接する第１、第２のプレート４２、４３で構成されている。第１のプレート４２は、外径がセルスタック４の外径より十分に大きいリング状に形成され、セルスタック４の外径より小さい中心孔４４を有している。また、第１のプレート４２は、第２のプレート４３より熱膨張係数が大きい材料によって形成されている。第２のプレート４３は、第１のプレート４２より熱膨張係数が小さい材料により円板状に形成され、第１のプレート４２の中心孔４４内に嵌挿されている。第１、第２のプレート４２、４３の高さは、室温で等しくなるように作成されている。これは、セルスタック４の設置時に安定して作業ができるようにするためである。

このような平板型ＳＯＦＣモジュール４０は、定常運転を想定する温度（８００〜１０００℃）に昇温した後に、アノードの還元を行ってから発電を開始する。一度、還元した単セル２は、アノード側を還元雰囲気に保ち続ければ、再度酸化されることはない。すなわち、還元作業が必要なのは、最初に昇温した時のみである。アノードを還元すると、アノードの厚さが減少して単セル２が薄くなる。このため、初期の還元で、発電部分であるセルスタック４の高さは、セル２自体の痩せや、柔らかい集電部材の潰れや、シール材（ガラス）の溶融等により低くなる。

荷重機構８は、荷重装置１２のスタック荷重棒１１を押す力を一定にしておけば、セルスタック４の高さが変化しても、一定の荷重をセルスタック４に掛けることができる。荷重機構８によってセルスタック４に荷重を掛けると、セルスタック４とベースプレート６は、図１１に示すように外周が上方に反り返る。この反り返りは、上記した通り通常ベースプレート６の方が発電ユニット１を構成するセパレータセット３よりも厚肉に形成されているために小さく、このため、セルスタック４とベースプレート６との間に隙間Ｓが生じる。

一方、反り形成機構４１は、発電時に前記隙間Ｓの発生を阻止するように機能する。すなわち、セルスタック４を発電温度である８００℃〜１０００℃まで昇温すると、第１、第２のプレート４２、４３は熱膨張し、その熱膨張率の違いにより第１のプレート４２の方が第２のプレート４３よりも高くなり、これによりベースプレート６の外周部を上方に反らせてセルスタック４の下面外周部に押し付ける。また、セルスタック４は、荷重機構８によって下方への荷重が掛けられているので、ベースプレート６に押し付けられる。したがって、セルスタック４とベースプレート６との間に隙間Ｓが生じるようなことがなく、燃料ガスおよび酸化剤ガスがベースプレート６とセルスタック４との間から漏れるのが抑制され、発電性能を向上させることができる。

図７および図８は、本発明の第２の実施の形態を示す図である。第２の実施の形態に係る平板型ＳＯＦＣモジュール５０は、ベースプレート６の外周部を上方に反らせる反り形成機構５１を、ベースプレート６の下面側に配置された１つのプレート４４によって構成したものである。プレート４４は、図６に示した第１のプレート４２と略同一の大きさを有するリング状に形成することにより、内周部（中央）に凹状構造４５を有している。凹状構造４５は、内径がセルスタック４の外径より小さい丸穴とされている。なお、その他の構成は、上記した第１の実施の形態と同一である。

このような構成からなる平板型ＳＯＦＣモジュール５０において、発電時に荷重機構８によってセルスタック４にトッププレート５を介して荷重を加えると、ベースプレート６には上方に凹面形に湾曲させようとする力が掛かる。一方、プレート４４は外周部が中心部よりも高いため、ベースプレート６の外周部を上方に反らせ、セルスタック４の下面外周部に接触させる。このため、上記した第１の実施の形態と同様に、セルスタック４とベースプレート６との間に隙間が生じるようなことがなく、燃料ガスおよび酸化剤ガスの漏れが抑制され、発電性能を向上させることができる。なお、プレート４４の凹状構造４５としては、貫通孔からなる丸穴に限らず凹陥部として外周部よりも内周部の肉厚を薄くしてもよい。要は、発電温度に加熱したとき、プレート４４の外周部が内周部よりも高くなるような形状ないし構造を有するプレートであればよい。

図９は、本発明の第３の実施の形態を示す図である。第３の実施の形態に係る平板型ＳＯＦＣモジュール６０は、荷重機構６１と反り形成機構６５を、トッププレート５の上方に配設した付加プレート６２と、ベースプレート６と付加プレート６２の外周部を連結する例えば４本の連結部材６３と、前記トッププレート５と前記付加プレート６２との間に介在され前記付加プレート６２を上方に付勢すると同時に前記トッププレート５を下方に付勢する付勢手段６４とで構成したものである。言い換えれば、荷重機構６１は反り形成機構６５を兼用するものである。すなわち、付勢手段６４は、トッププレート５を押圧し、セルスタック４に所定の荷重を加えることで、荷重機構６１を構成すると同時に、付加プレート６２を上方に付勢し、これによって連結部材６３が上方への張力を受けてベースプレート６の外周部を上方に反らせ、セルスタック４の下面外周部に接触させることで反り形成機構６５を構成する。付勢手段６４としては、高温仕様に耐え得るセラミック製の圧縮コイルばねが用いられる。

このような平板型ＳＯＦＣモジュール６０においても、上記した第１、第２の実施の形態と同様に、セルスタック４とベースプレート６との間に隙間が生じるようなことがなく、燃料ガスおよび酸化剤ガスの漏れが抑制され、発電性能を向上させることができる。なお、付勢手段６４として、セラミックばねを用いた例を示したが、これに限らず他の伸縮する部材、装置等を用いてもよい。

本発明においては、燃料極１７に十分な強度を持たせた燃料極支持型の単セル２を用いた例を示したが、これに限らず十分な強度を有する平板型固体電解質１５の表裏面に空気極１６、燃料極１７をそれぞれ配置した電解質支持型の単セルまたは空気極１６に十分な強度を持たせた空気極支持型の単セルを用いてもよい。

１…発電ユニット、２…単セル、３…セパレータセット、４…セルスタック、５…トッププレート、６…ベースプレート、７…断熱容器、８…荷重機構、４１…反り形成機構、４２…第１のプレート、４３…第２のプレート、５１…反り形成機構、４４…プレート、４５…凹状構造、６１…荷重機構、６２…付加プレート、６３…連結部材、６４…付勢手段、６５…反り形成機構。

Claims (4)

1. 平板型固体酸化物形燃料電池セルを有する発電ユニットを複数積層して電気的に直列に接続してなるセルスタックと、
   前記セルスタックの上下両面を挟持するトッププレートおよびベースプレートと、
   前記トッププレートを介して前記セルスタックに荷重を掛ける荷重機構と、
   前記ベースプレートの外周部を上方に反らせることにより前記セルスタックの下面に接触させる反り形成機構と、
   を備えたことを特徴とする平板型固体酸化物形燃料電池モジュール。
2. 請求項１記載の平板型固体酸化物形燃料電池モジュールにおいて、
   前記反り形成機構が、前記ベースプレートの下面に接するプレートであって、このプレートは、中心部よりも外周部が熱膨張率の大きい材料によって形成されていることを特徴とする平板型固体酸化物形燃料電池モジュール。
3. 請求項１記載の平板型固体酸化物形燃料電池モジュールにおいて、
   前記反り形成機構が、前記ベースプレートの下面に接するプレートであって、このプレートの内周部が凹状構造を有することを特徴とする平板型固体酸化物形燃料電池モジュール。
4. 請求項１記載の平板型固体酸化物形燃料電池モジュールにおいて、
   前記荷重機構および前記反り形成機構を、前記トッププレートの上方に配設された付加プレートと、前記ベースプレートと前記付加プレートを連結する複数の連結部材と、前記トッププレートと前記付加プレートとの間に介在され前記付加プレートを上方に付勢し、前記トッププレートを下方に付勢する付勢手段とで構成したことを特徴とする平板型固体酸化物形燃料電池モジュール。

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