JP2018055916A - 固体酸化物形燃料電池セルスタック - Google Patents

Abstract

【課題】内側電極端子の端部で燃焼している炎が失火してしまうのを防止する固体酸化物形燃料電池セルスタックの提供。【解決手段】燃料ガスが供給される燃料極９０、酸化剤ガスが供給される空気極、及び、燃料極９０と前記空気極の間に設けられた固体電解質９４を有する燃料電池セルと、前記燃料電池セルにより発電された電力を前記燃料電池セルから取り出す集電部材８６とを備え、集電部材８６は、前記燃料電池セルの端部を覆うように設けられる本体部と、前記本体部の端部に設けられ、円筒状であり、前記本体部よりも径が小さい先端部２０１とを有しており、先端部２０１において前記本体部と接続されていない端部には内側に延出した延出部が設けられており、前記延出部によって前記燃料極の内部から前記先端部を通過して前記燃料ガスが排出されるよう噴出口２０２が構成されている固体酸化物形燃料電池セルスタック。【選択図】図６

Description

本発明は、固体酸化物形燃料電池セルスタックに関する。

燃料電池の一つに、固体電解質に固体酸化物を用いた固体酸化物形燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell：以下「ＳＯＦＣ」とも言う）がある。固体酸化物形燃料電池は、電解質として酸化物イオン導電性の固体電解質を用い、その両側に電極を取り付け、一方の側に燃料ガスを供給し、他方の側に酸化剤ガス（空気、酸素等）を供給して、これら燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により発電を行う燃料電池である。

固体酸化物形燃料電池は、発電により発生した起電力を外部に取り出し、この電力を利用するものである。外部に電力を取り出す際、集電部材が用いられる。この集電部材は、隣り合う燃料電池セル間に設けられ、燃料電池セル同士を電気的に接続する部材である。

このような燃料電池セルから発電された電力を取り出す構成として、例えば、特許文献１には、円筒形の燃料電池セルにおいて、燃料ガスと酸化剤ガスとを隔離するために、内側電極層（燃料極）と集電キャップを備える内側電極端子との間を、銀ロウを焼結させてなる銀シール材とガラスとによりガスシールし、銀シール材により電気的に接続する構成が開示されている。内側電極端子の中心部には、内側電極層の燃料ガス流路と連通する燃料ガス流路が形成されている。

さらに、燃料電池セルの上方に改質器を設け、発電反応後の残余の燃料ガス及び酸化剤ガスによる燃焼熱によって改質器を熱することが開示されている。

国際公開第２０１３／０４７６６７号

ここで、改質器を熱する方法として、発電に用いられなかった燃料が内側電極の燃料ガス流路から内側電極端子の燃料ガス流路を通り、内側電極端子の端部で燃焼させることにより熱する方法が考えられる。燃料電池セルの周囲、つまり内側電極端子の周囲には酸化剤ガスが流れており、内側電極端子の端部で燃料ガスと酸化剤ガスとが反応することにより燃焼する。このとき、燃料電池セルの周囲には、空気極が酸化剤ガス枯れしないように、余剰に供給されている。一方、内側電極端子の燃料ガス流路を通る燃料ガスは、少ないため、内側電極端子の端部で燃焼している炎は小さい。この炎が燃料電池セルの周囲を流れる酸化剤ガスによって吹き飛んでしまう恐れがある。

従って、本発明は、内側電極端子の端部で燃焼している炎が失火してしまうのを防止することを目的としている。

本発明による固体酸化物形燃料電池セルスタックは、燃料ガスと酸化剤ガスとにより発電を行う固体酸化物形燃料電池セルスタックであって、前記燃料ガスが供給される燃料極、前記酸化剤ガスが供給される空気極、及び、前記燃料極と前記空気極の間に設けられた固体電解質を有する燃料電池セルと、前記燃料電池セルにより発電された電力を前記燃料電池セルから取り出す集電部材と、を備え、前記集電部材は、前記燃料電池セルの端部を覆うように設けられる本体部と、前記本体部の端部に設けられ、円筒状であり、前記本体部よりも径が小さい先端部と、を有しており、前記先端部において、前記本体部と接続されていない端部には、内側に延出した延出部が設けられており、前記延出部によって、前記燃料極の内部から前記先端部を通過して前記燃料ガスが排出されるよう噴出口が構成されている。

本発明による固体酸化物形燃料電池セルスタックを備えた固体酸化物形燃料電池システムの一態様を示す構成図である。 固体酸化物形燃料電池システムの燃料電池モジュールを示す側面断面図である。 図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図である。 固体酸化物型燃料電池システムの燃料電池セルスタックを示す斜視図である。 燃料電池セルスタックを示す断面図である。 図５におけるＩ部の拡大断面図であり、本発明による固体酸化物形燃料電池セルスタックの一態様を示す。 図５におけるＩ部の拡大断面図であり、本発明による固体酸化物形燃料電池セルスタックの一態様を示す。 図５におけるＩ部の拡大断面図であり、本発明による固体酸化物形燃料電池セルスタックの一態様を示す。 図５におけるＩ部の拡大断面図であり、本発明による固体酸化物形燃料電池セルスタックの一態様を示す。 図５におけるＩ部の拡大断面図であり、本発明による固体酸化物形燃料電池セルスタックの一態様を示す。

まず、図を参照して、本発明の実施形態である固体酸化物形燃料電池システムについて説明をする。図１は、本発明の一実施形態による固体酸化物形燃料電池システムを示す構成図である。図１に示すように、固体酸化物形燃料電池システム１は、燃料電池モジュール２と、補機ユニット４を備えてなる。

燃料電池モジュール２は、ハウジング６を備え、このハウジング６内部には、断熱材７を介して密封空間８が形成されている。なお、断熱材は設けないようにしても良い。この密封空間８の下方部分である発電室１０には、燃料ガスと酸化剤ガス（空気）とにより発電反応を行う燃料電池セル集合体１２が配置されている。この燃料電池セル集合体１２は、１０個の燃料電池セルスタック１４（図４参照）を備え、この燃料電池セルスタック１４は、１６本の燃料電池セルユニット１６（図５参照）から構成されている。このように、燃料電池セル集合体１２は、１６０本の燃料電池セルユニット１６を有し、これらの燃料電池セルユニット１６の全てが直列接続されている。

燃料電池モジュール２の密封空間８の上述した発電室１０の上方には、燃焼室１８が形成され、この燃焼室１８で、発電反応に使用されなかった残余の燃料ガスと残余の酸化剤（空気）とが燃焼し、排気ガスを生成するようになっている。また、この燃焼室１８の上方には、燃料ガスを改質する改質器２０が配置され、前記残余ガスの燃焼熱によって改質器２０を改質反応が可能な温度となるように加熱している。さらに、この改質器２０の上方には、改質器２０の熱を受けて空気を加熱し、改質器２０の温度低下を抑制するための空気用熱交換器２２が配置されている。

次に、補機ユニット４は、水道等の水供給源２４からの水を貯水してフィルターにより純水とする純水タンク２６と、この貯水タンクから供給される水の流量を調整する水流量調整ユニット２８を備えている。また、補機ユニット４は、都市ガス等の燃料供給源３０から供給された燃料ガスを遮断するガス遮断弁３２と、燃料ガスから硫黄を除去するための脱硫器３６と、燃料ガスの流量を調整する燃料流量調整ユニット３８を備えている。さらに、補機ユニット４は、空気供給源４０から供給される酸化剤である空気を遮断する電磁弁４２と、空気の流量を調整する改質用空気流量調整ユニット４４及び発電用空気流量調整ユニット４５と、改質器２０に供給される改質用空気を加熱する第１ヒータ４６と、発電室に供給される発電用空気を加熱する第２ヒータ４８とを備えている。これらの第１ヒータ４６と第２ヒータ４８は、起動時の昇温を効率よく行うために設けられているが、省略しても良い。

次に、燃料電池モジュール２には、排気ガスが供給される温水製造装置５０が接続されている。この温水製造装置５０には、水供給源２４から水道水が供給され、この水道水が排気ガスの熱により温水となり、図示しない外部の給湯器の貯湯タンクへ供給されるようになっている。また、燃料電池モジュール２には、燃料ガスの供給量等を制御するための制御ボックス５２が取り付けられている。さらに、燃料電池モジュール２には、燃料電池モジュールにより発電された電力を外部に供給するための電力取出部（電力変換部）であるインバータ５４が接続されている。

次に、図２及び図３により、固体酸化物形燃料電池システムの燃料電池モジュールの内部構造を説明する。図２は、固体酸化物形燃料電池システムの燃料電池モジュールを示す側面断面図であり、図３は、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図である。図２及び図３に示すように、燃料電池モジュール２のハウジング６内の密封空間８には、上述したように、下方から順に、燃料電池セル集合体１２、改質器２０、空気用熱交換器２２が配置されている。

改質器２０は、その上流端側に純水を導入するための純水導入管６０と改質される燃料ガスと改質用空気を導入するための被改質ガス導入管６２が取り付けられ、また、改質器２０の内部には、上流側から順に、蒸発部２０ａと改質部２０ｂが形成され、改質部２０ｂには改質触媒が充填されている。この改質器２０に導入された水蒸気が混合された燃料ガス及び空気は、改質器２０内に充填された改質触媒により改質される。

この改質器２０の下流端側には、燃料ガス供給管６４が接続され、この燃料ガス供給管６４は、下方に延び、さらに、燃料電池セル集合体１２の下方に形成されたマニホールド６６内で水平に延びている。燃料ガス供給管６４の水平部６４ａの下方面には、複数の燃料供給孔６４ｂが形成されており、この燃料供給孔６４ｂから、改質された燃料ガスがマニホールド６６内に供給される。

このマニホールド６６の上方には、上述した燃料電池セルスタック１４を支持するための貫通孔を備えた下支持板６８が取り付けられており、マニホールド６６内の燃料ガスが、燃料電池セルユニット１６内に供給される。

次に、改質器２０の上方には、空気用熱交換器２２が設けられている。この空気用熱交換器２２は、上流側に空気集約室７０、下流側に２つの空気分配室７２を備え、これらの空気集約室７０と空気分配室７２は、６個の空気流路管７４により接続されている。ここで、図６に示すように、３個の空気流路管７４が一組（７４ａ，７４ｂ，７４ｃ，７４ｄ，７４ｅ，７４ｆ）となっており、空気集約室７０内の空気が各組の空気流路管７４からそれぞれの空気分配室７２へ流入する。

空気用熱交換器２２の６個の空気流路管７４内を流れる空気は、燃焼室１８で燃焼して上昇する排気ガスにより予熱される。空気分配室７２のそれぞれには、空気導入管７６が接続され、この空気導入管７６は、下方に延び、その下端側が、発電室１０の下方空間に連通し、発電室１０に余熱された空気を導入する。

次に、マニホールド６６の下方には、排気ガス室７８が形成されている。また、図３に示すように、ハウジング６の長手方向に沿った面である前面６ａと後面６ｂの内側には、上下方向に延びる排気ガス通路８０が形成され、この排気ガス通路８０の上端側は、空気用熱交換器２２が配置された空間と連通し、下端側は、排気ガス室７８と連通している。また、排気ガス室７８の下面のほぼ中央には、排気ガス排出管８２が接続され、この排気ガス排出管８２の下流端は、図１に示す上述した温水製造装置５０に接続されている。図２に示すように、燃料ガスと空気との燃焼を開始するための点火装置８３が、燃焼室１８に設けられている。

次に図４により燃料電池セルスタック１４について説明する。図４は、固体酸化物型燃料電池システムの燃料電池セルスタックを示す斜視図である。図４に示すように、燃料電池セルスタック１４は、１６本の燃料電池セルユニット１６を備え、これらの燃料電池セルユニット１６の下端側及び上端側が、それぞれ、セラミック製の下支持板６８及び上支持板１００により支持されている。これらの下支持板６８及び上支持板１００には、内側電極端子８６が貫通可能な貫通穴６８ａ及び１００ａがそれぞれ形成されている。

さらに、燃料電池セルユニット１６には、集電体１０２及び外部端子１０４が取り付けられている。この集電体１０２は、燃料極である内側電極９０に取り付けられた内側電極端子８６と電気的に接続される燃料極用接続部１０２ａと、空気極である外側電極９２の外周面全体と電気的に接続される空気極用接続部１０２ｂとにより一体的に形成されている。空気極用接続部１０２ｂは、外側電極９２の表面を上下方向に延びる鉛直部１０２ｃと、この鉛直部１０２ｃから外側電極９２の表面に沿って水平方向に延びる多数の水平部１０２ｄとから形成されている。また、燃料極用接続部１０２ａは、空気極用接続部１０２ｂの鉛直部１０２ｃから燃料電池セルユニット１６の上下方向に位置する内側電極端子８６に向って斜め上方又は斜め下方に向って直線的に延びている。

さらに、燃料電池セルスタック１４の端（図４では左端の奥側及び手前側）に位置する２個の燃料電池セルユニット１６の上側端及び下側端の内側電極端子８６には、それぞれ外部端子１０４が接続されている。これらの外部端子１０４は、隣接する燃料電池セルスタック１４の端にある燃料電池セルユニット１６の外部端子１０４（図示せず）に接続され、上述したように、１６０本の燃料電池セルユニット１６の全てが直列接続されるようになっている。

次に、図５を参照して、燃料電池セルユニット１６について説明する。

図５に示すように、燃料電池セルユニット１６は、燃料電池セル８４と、この燃料電池セル８４の上下方向端部にそれぞれ接続されたキャップである内側電極端子８６とを備えてなる。燃料電池セル８４は、上下方向に延びる管状構造体であり、内部に燃料ガス流路８８を形成する円筒形の多孔質支持体９１上に内側電極９０と、外側電極９２と、内側電極９０と外側電極９２との間にある固体電解質９４とを備えてなる。この内側電極９０は、燃料ガスが通過する燃料極であり、（−）極である。一方、外側電極９２は、空気と接触する空気極であり、（＋）極である。

内側電極９０は、例えば、Ｎｉと、ＣａやＹ、Ｓｃ等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニアとの混合体、Ｎｉと、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリアとの混合体、Ｎｉと、Ｓｒ、Ｍｇ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｃｕから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレートとの混合体、の少なくとも一種から形成される。

固体電解質９４は、内側電極９０の外周面に沿って全周にわたって形成されており、下端は内側電極９０の下端よりも上方で終端し、上端は内側電極９０の上端よりも下方で終端している。固体電解質９４は、例えば、Ｙ、Ｓｃ等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニア、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリア、Ｓｒ、Ｍｇから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレート、の少なくとも一種から形成される。

外側電極９２は、電解質９４の外周面に沿って全周にわたって形成されており、下端は固体電解質９４の下端よりも上方で終端し、上端は固体電解質９４の上端よりも下方で終端している。外側電極層９２は、例えば、Ｓｒ、Ｃａから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンマンガナイト、Ｓｒ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンフェライト、Ｓｒ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンコバルタイト、銀、などの少なくとも一種から形成される。

次に、内側電極端子８６について説明するが、燃料電池セル８４の上端側と下端側に取り付けられた内側電極端子８６は、同一構造であるため、ここでは、上端側に取り付けられた内側電極端子８６について具体的に説明する。

内側電極端子８６は、燃料電池セル８４の上下端部をそれぞれ包囲するように設けられ、燃料電池セル８４により発電された電力を燃料電池セル８４から取り出すための集電部材として機能する。

図５に示すように、内側電極９０の上部９０ａは、固体電解質９４と外側電極９２に対して露出された外周面９０ｂと上端面９０ｃとを備える。

図６に示すように、燃料電池セル８４の上端に設けられた内側電極端子８６は、燃料電池セル８４の端部を覆う本体部２００と、本体部２００の端部に設けられ本体部２００よりも径が小さい先端部２０１とを有する。

本体部
図６に示すように、本体部２００は、燃料電池セル８４の周囲（外周面９０ｂ）を覆う側面部２００ａと、燃料電池セル８４の端面９０ｃを覆う上面部２００ｂを有する。側面部２００ａは円筒状である。上面部２００ｂは、側面部２００ａの端部に設けられ、円環状である。

本体部２００において、上面部２００ｂの厚みｄ１は、側面部２００ａの厚みｄ２よりも大きいことが好ましい。これにより、運転中高温になる先端部２０１付近の厚みが大きいため、耐熱性を高くすることができる。また、側面部２００ａは薄いため、シール材９６に熱を伝えにくくすることができ、シール材９６の割れを防止できる。

先端部
図６に示すように、先端部２０１は、本体部２００の端部に設けられており、上面部２００ｂの内部に設けられた円形の孔と接続するように設けられている。また、先端部２０１は円筒状であり、本体部２００よりも径が小さい。さらに、先端部２０１の本体部２００と接続されていない端部には、接続部２０１ｂを介して、内側に延出する延出部２０１ａが設けられている。この延出部２０１ａによって、発電に用いられなかった燃料ガスが噴出する噴出口２０２が形成される。このような構成とすることにより、噴出口２０２付近に存在する酸化剤ガスの流れを層流とすることができるため、噴出口２０２で燃焼している炎が燃料電池セルの周囲を流れる酸化剤ガスによって吹き飛んでしまうことを抑制することが出来る。先端部２０１の中心部には、内側電極９０の燃料ガス流路８８と連通する燃料ガス流路９８が形成されている。発電に用いられなかった燃料ガスは、内側電極９０の燃料ガス流路８８から先端部２０１の燃料ガス流路９８を通り、先端部２０１の先に設けられた噴出口２０２から噴出される。この際、燃料電池セル８４の周囲には酸化剤ガスが供給されているため、噴出口２０２から噴出した発電に用いられなかった燃料ガスと酸化剤ガスが反応し、先端部２０１の先端（噴出口２０２付近）で燃焼する。この燃焼により、燃料電池セル８４の上部に配置される改質器２０を熱する。

図７および図８に示すように、先端部２０１の端部に設けられた延出部２０１ａは、先端部２０１に対して直角または鈍角を形成するように延出していることが好ましい。図７は、先端部２０１と延出部２０１ａの間の角度：θ＝９０°である場合、つまり直角である場合を示している。図８は、先端部２０１と延出部２０１ａの間の角度：θ＞９０°である場合、つまり鈍角である場合を示している。

本発明において、先端部２０１と延出部２０１ａの間の角度：θ＞９０°であることが好ましい。これにより、先端部２０１付近に存在する酸化剤ガスの流れが乱れずに炎が燃焼している噴出口２０２に供給されるため、安定した炎を保持することが可能となる。

先端部２０１と延出部２０１ａが接続する接続部２０１ｂにおいて、燃料ガスが通る側の面はＣ面または逆Ｒ面であることが好ましい。好ましくは、Ｃ面である。これにより、接続部２０１ｂ付近の通過する燃料ガスの流れに乱れが生じにくくなり、炎が燃焼している噴出口２０２に安定して供給されるため、炎の失火を抑制することが可能となる。図９では、逆Ｒ面である態様を示している。逆R面とは、内側電極端子８６の内側に湾曲するように落とした形状である。図１０は、Ｃ面である態様を示している。
いる。

内側電極端子８６は、導電性のシール材９６を介して内側電極９０の外周面９０ｂと接続され、さらに、内側電極９０の上端面９０ｃとは直接接触することにより、内側電極９０と電気的に接続されている。

内側電極端子８６は、フェライト系ステンレス又はオーステナイト系ステンレスによって構成される。内側電極端子８６の内周面及び外周面には、Ｃｒ_２Ｏ_３層が形成されていても良い。また、外側のＣｒ_２Ｏ_３層の外周面には、ＭｎＣｏ_２Ｏ_４層が積層されていてもよい。内側電極端子の外周面にはＡｇ集電膜が設けられていても良く、外周面全体に設けても、一部のみに設けてもよい。

１ 固体酸化物形燃料電池システム
２ 燃料電池モジュール
４ 補機ユニット
６ ハウジング
７ 断熱材
８ 密封空間
１０ 発電室
１６ 固体酸化物形燃料電池セルユニット
１８ 燃焼室
２０ 改質器
２２ 空気用熱交換器
２４ 水供給源
２６ 純水タンク
２８ 水流量調整ユニット
３０ 燃料供給源
３２ ガス遮断弁
３６ 脱硫器
３８ 燃料流量調整ユニット
３９ バルブ
４０ 空気供給源
４２ 電磁弁
４４ 改質用空気流量調整ユニット
４５ 発電用空気流量調整ユニット
４６ 第一ヒータ
４８ 第二ヒータ
５０ 温水製造装置
５２ 制御ボックス
５４ インバータ
６０ 純水導水管
６３ 燃料供給配管
６４ 燃料ガス供給管
６５ 水添脱硫器用水素取出管
６６ マニホールド
６８ 下支持板
７２ 空気分配室
７４ 発電用空気導入管
７６ 空気導入管
８２ 排ガス排出管
８３ 点火装置
８４ 燃料電池セル
８６ 内側電極端子
８８ 燃料ガス流路
９０ 内側電極
９１ 支持体
９２ 外側電極
９４ 固体電解質
９６ シール材
１００ 上支持板
２００ 本体部
２００ａ 側面部
２００ｂ 上面部
２０１ 先端部
２０１ａ 延出部
２０１ｂ 接続部
２０２ 噴出口

Claims (4)

1. 燃料ガスと酸化剤ガスとにより発電を行う固体酸化物形燃料電池セルスタックであって、
   前記燃料ガスが供給される燃料極、前記酸化剤ガスが供給される空気極、及び、前記燃料極と前記空気極の間に設けられた固体電解質を有する燃料電池セルと、
   前記燃料電池セルにより発電された電力を前記燃料電池セルから取り出す集電部材と、
   を備え、
   前記集電部材は、前記燃料電池セルの端部を覆うように設けられる本体部と、前記本体部の端部に設けられ、円筒状であり、前記本体部よりも径が小さい先端部と、を有しており、
   前記先端部において、前記本体部と接続されていない端部には、内側に延出した延出部が設けられており、
   前記延出部によって、前記燃料極の内部から前記先端部を通過して前記燃料ガスが排出されるよう噴出口が構成されている、固体酸化物形燃料電池セルスタック。
2. 前記延出部は、前記先端部に対して直角または鈍角を形成するように延出している、請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池セルスタック。
3. 前記先端部と前記延出部が接続する接続部において、
   前記燃料ガスが通る側の面はＣ面または逆Ｒ面である、請求項１又は２に記載の固体酸化物形燃料電池セルスタック。
4. 本体部は、上面部と側面部とを有し、上面部の厚みは側面部の厚みよりも大きい、請求項１〜３のいずれか１項に記載の固体酸化物形燃料電池セルスタック。

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