JP2020017382A - 電気化学セルスタックおよびその断熱板 - Google Patents

Abstract

【課題】積層体周囲の温度雰囲気が単セルの反応温度程度であっても荷重付加機構の熱変形を防ぎ、安定して荷重を付加すること。【解決手段】本発明の実施形態によれば、複数の単セルが積層された積層体と、前記積層体の積層方向上端面および下端面の少なくとも一方に設けられた断熱板と、前記断熱板に直接的または間接的に接し、前記積層体に圧縮荷重を付加するように配置される荷重付加機構と、を備える電気化学セルスタックが提供される。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、電気化学セルスタックおよびその断熱板に関する。

固体酸化物形燃料電池（Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ。以降の説明では、単にＳＯＦＣという）および固体酸化物形電解セル（Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｉｓｙｓ Ｃｅｌｌ。以降の説明では、単にＳＯＥＣという）を構成するセルスタックは、少なくとも空気極、電解質、および燃料極からなる電気化学セル（以降の説明では、単セルという）を複数積層した積層体である。この積層体は、それぞれの単セルに供給される燃料ガスの気密性を確保するために、上下一対の荷重受け板の間に圧縮された状態で配置される。その圧縮方法としては、例えばボルトを用いて上下の荷重受け板を連結する方法が知られている。

また、その他の圧縮方法として、上側の荷重受け板と積層体との間に圧縮ばねを設け、このばねの復元力により積層体を圧縮する方法が知られている。より具体的には、セルスタックの上端面に押さえ板を重ね、この押さえ板と上側の荷重受け板との間に圧縮ばねを設ける。これにより、圧縮ばねの復元力に起因して押さえ板から積層体に荷重が加えられる。

特開２０１１−０６５９０９号公報

ところで、積層体を構成する固体酸化物形の単セルは６００℃から１０００℃程度の高温で電気化学反応（以降、この温度を運転温度という）する。積層体の性能を向上させるためには、この温度においても燃料ガスの気密性を確保できること、すなわち安定して積層体を圧縮できることが求められる。しかしながら、一般的にボルトを用いて上下の荷重受け板を連結する方法の場合、６００℃から１０００℃程度の運転温度ではボルトがクリープ変形し、積層体の圧縮が弱くなる。また、圧縮ばねを用いる方法の場合、６００℃から１０００℃程度の高温では圧縮ばねが変形してしまうため、ボルトの場合と同様に積層体の圧縮が弱くなる。したがって、積層体周囲の温度雰囲気が単セルの反応温度程度であっても荷重付加機構の熱変形を防ぎ、安定して荷重を付加できる構造が求められている。

そこで、本発明が解決しようとする課題は、積層体周囲の温度雰囲気が単セルの反応温度程度であっても荷重付加機構の熱変形を防ぎ、安定して荷重を付加できる電気化学セルスタックおよびその断熱板を提供することである。

上記の課題を解決するために、実施形態の電気化学セルスタックは、複数の単セルが積層された積層体と、前記積層体の積層方向上端面および下端面の少なくとも一方に設けられた断熱板と、前記断熱板に直接的または間接的に接し、前記積層体に圧縮荷重を付加するように配置される荷重付加機構と、を備える。

本発明の電気化学セルスタックおよびその断熱板によれば、積層体周囲の温度雰囲気が単セルの反応温度程度であっても荷重付加機構の熱変形を防ぎ、安定して荷重を付加できる。

第一の実施形態に係る電気化学セルスタックの概要図である。 第一の実施形態の変形例に係る電気化学セルスタックの概要図である。 第一の実施形態の他の変形例に係る電気化学セルスタックの概要図である。 第二の実施形態に係る電気化学セルスタックの概要図である。 第三の実施形態に係る電気化学セルスタックの概要図である。

（第一の実施形態）
図１は、第一の実施形態に係る電気化学セルスタックの概要図である。電気化学セルスタック１は、積層体２と、荷重受け板３と、断熱板４と、断熱壁部材５と、荷重付加機構である固定部材６およびボルト７とを備える。なお、以降の説明では、積層体２を構成する単セルおよびセパレータを積層する方向を積層方向（図中のｚ軸方向）とし、その方向や特定の面を表す際には、積層方向を基準として表記する。例えば、上面とは積層方向の上面、側面とは積層方向の側面、下側とは積層方向の下側をそれぞれ示す。すなわち、以降の説明において、向きを表す表記は積層方向を基準としたものであり、重力方向に対する向きとは必ずしも一致しない。なお、図中ではｚ軸正方向を積層方向上側とする。

積層体２は、燃料極、電解質、および空気極を順次積層した角板状や円板状の単セルを複数有する。この単セルは、ＳＯＦＣやＳＯＥＣに用いられる固体酸化物形の単セルである。単セルの具体的な構成は、例えばイットリア安定ジルコニア（ＹＳＺ）等からなる固体の電解質の一方の表面に、セリア（ＧＤＣ）と酸化ニッケル（ＮｉＯ）との混合焼結体を還元して得られるＮｉ−ＧＤＣ等からなる燃料極を形成すると共に、電解質の他方の表面にペロブスカイト型酸化物等からなる空気極を形成する。単セルの側面は導電性の矩形部材であるセパレータに囲われ、セパレータの上面には隣接する単セル同士のガス雰囲気を分離するためのシール材が配置される。積層体２は、単セル、セパレータ、およびシール材を一単位として、この単位を複数単位積層して形成される。各単位のセパレータおよびシール材には、積層方向に貫通する流路孔が複数設けられる。この流路孔は、単セルの燃料極へ燃料ガス（水素あるいは水蒸気）を、ＳＯＦＣとして用いられる場合に空気極へ空気を供給するための供給流路と、単セルでの化学反応により生成する生成ガスを排出するための排出流路をそれぞれ構成する。また、積層体２の上端および下端には、複数単位の単セル、セパレータ、およびシール材を挟みこむように上下一対のエンドプレートである上端側エンドプレート２ａおよび下端側エンドプレート２ｂが設けられる。

荷重受け板３は、上端側エンドプレート２ａの上側に配置される。荷重受け板３は、円形や角形に形成された板状部材であり、ステンレス鋼等の剛性の高い材料で構成される。これは、荷重付加機構である固定部材６およびボルト７を介して、積層体２上端側のエンドプレートに均一に荷重を付加するためである。なお、本実施形態においては、この荷重受け板３がなく、後述する断熱板４の上に固定部材６が設けられる構成としてもよい。

断熱板４は、積層体２の上端側エンドプレート２ａと荷重受け板３の間に設けられる断熱部材を構成する。すなわち、断熱板４は、上端側エンドプレート２ａの上面と荷重受け板３の下面の双方と当接する。また、断熱板４はアルミナ等の熱伝導率の小さい材料で構成される。なお、断熱板４の材料はこれに限定されるものではなく、例えばムライトやジルコニア等から構成されてもよい。この断熱板４の上面および下面は、荷重受け板３から受ける荷重を積層体２に伝えうる程度の面積、例えば積層体２を構成するセパレータやシール材の積層方向に垂直な断面での断面積の少なくとも半分以上であることがより好ましい。

断熱壁部材５は、断熱板４の側面から積層体２の外側を囲う矩形の断熱部材を構成する。本実施形態において、断熱壁部材５はガラスウール等の耐熱補強繊維から構成される。なお、断熱壁部材５の材料はガラスウールに限定されず、例えばセラミックス繊維やロックウール等から構成されてもよい。より具体的には、荷重受け板３および断熱板４は、断熱壁部材５に設けられた孔部に内包されるように構成されている。この孔部は、積層体２の周囲から熱が放出しないよう気密な構造を有する。ここでいう気密な構造とは、荷重受け板３および断熱板４と断熱壁部材５との間の間隙が気密であるように孔部を設計するほかに、例えば孔部と荷重受け板３および断熱板４との間に熱伝導率の小さい別の部材を設けて気密になるように構成されてもよい。

固定部材６は、断熱壁部材５の上面に設けられた板状の部材である。固定部材６は、荷重受け板３の上側に、後述するボルト７をねじ込み固定するためのねじ込み孔であるボルト孔６ａを有する。この固定部材６は、図示しないねじを用いて断熱壁部材５に締付固定される。なお、固定部材６の他の構成として、例えば断熱壁部材５の下面と断熱壁部材５の上面とを接着して固定してもよい。

ボルト７は、固定部材６のボルト孔６ａにねじ込み固定される。ボルト７の先端面７ａ（ねじ先）は荷重受け板３の上面と当接する。ボルト７は、固定部材６のボルト孔６ａに深くねじ込まれ、ボルト孔６ａよりも下側に突き出た部分の長さが長くなるほど先端面７ａから荷重受け板３に付加される荷重が大きくなる。すなわち、ボルト孔６ａよりも下側に突き出たボルト７の長さを調整することにより、先端面７ａから荷重受け板３に付加される荷重が調整される。

次に、本実施形態の作用を説明する。外部から積層体２のセパレータおよびシール材に設けられた供給側の流路孔を介して、各単位の単セルを構成する燃料極および空気極に燃料ガスと酸素がそれぞれ供給される。ＳＯＦＣとして用いる場合には、燃料ガスとして水素を供給し、単セルが電気化学反応（発電反応）を引き起こして電気エネルギー、反応熱、および水蒸気を発生させる。ここで発生した水蒸気は、セパレータおよびシール材に設けられた排出側の流路孔を経て外部に排出される。

一方、ＳＯＥＣとして用いる場合には、外部から直流電流、および燃料ガスである水蒸気を供給し、単セルにおいて電気分解反応を引き起こして水蒸気を水素と酸素とに分解する。電気分解反応により発生した水素と酸素は、セパレータおよびシール材に設けられた排出側の流路孔を経てそれぞれ外部に排出される。

いずれの場合においても、単セルにおける反応の温度は６００度から１０００度程度の高温であるため、断熱板４と断熱壁部材５とに囲まれた部分（積層体２の周囲）は、その外側よりも高温雰囲気となる。しかしながら、断熱板４および断熱壁部材５によって固定部材６およびボルト７側への放熱が抑制されるため、固定部材６およびボルト７への伝熱量は小さくなる。

上述した第一の実施形態によれば、積層体２を断熱板４および断熱壁部材５の内部に収容すると共に、断熱壁部材５の上面に荷重付加機構である固定部材６およびボルト７を設けることにより、高温雰囲気である積層体２の周囲から荷重付加機構である固定部材６およびボルト７への伝熱量が小さくなり、積層体周囲の温度雰囲気が単セルの反応温度程度であっても荷重付加機構の熱変形を防いで安定して荷重を付加できる。また、固定部材６およびボルト７は、断熱板４および断熱壁部材５を介して積層体２からの熱を遮断するため、固定部材６やボルト７を構成する材料は必ずしも単セルでの反応温度に耐えうる程度の耐熱性を有する必要がない。したがって、従来よりも安価に電気化学セルスタックを構成することもできる。

なお、本実施形態では、積層方向上側にのみ荷重受け板３、断熱板４、固定部材６、およびボルト７が配置される場合を例示して説明するが、その設置位置はこれに限定されず、例えば積層方向下側にこれらを設けた構成としてもよいし、積層方向上側と下側それぞれにこれらを設けてもよい。

また、本実施形態の図１では、二本のボルト７で荷重受け板３に荷重を付加する場合を例示しているが、ボルト７の個数については限定されず、ボルト７の配置位置についても、荷重受け板３の上面と接触するような配置位置の限りにおいて限定されない。

さらに、本実施形態では、図１において荷重受け板３の上面が断熱壁部材５の上面と積層方向の同じ位置に配置される場合を例示したが、本実施形態の変形例として、例えば図２に示すように断熱壁部材５が積層体２および断熱板４を囲うように配置されると共に、荷重受け板３の上面が断熱壁部材５の上面よりも下側に配置され、断熱壁部材５の上面と荷重受け板３の上面との間にボルト７を内包する溝部５ａを設けてもよいし、例えば図３に示すように、断熱板４が断熱壁部材と一体に構成されてもよい。ただし、図３に示すような構成の場合、断熱板４は、ボルト７の先端面７ａから荷重受け板３を介して付加される荷重を積層体２に付加できる程度の剛性を有する。

これらの設置位置や個数に関する関係は、後述する他の実施形態においても成り立つ。

（第二の実施形態）
次に、第二の実施形態に係る電気化学セルスタックについて、図４を用いて説明する。図４は、第二の実施形態に係る電気化学セルスタックの概要図である。以降では第一の実施形態と異なる箇所について説明し、それ以外の箇所については第一の実施形態と同様であるとして、重複する説明を省略する。

電気化学セルスタック１は、積層体２と、荷重受け板３と、断熱板４と、断熱壁部材５と、荷重付加機構である締付バンド１６とを備える。本実施形態と第一の実施形態との違いは、固定部材６およびボルト７の代わりに、締付バンド１６を設けたことである。

荷重受け板３は、断熱板４を介して積層体２の上端側エンドプレート２ａの上側に設けられると共に、その上面が断熱壁部材５の上面よりも上側に位置するように配置される。

締付バンド１６は、断熱壁部材５の外周に設けられ、締結部１６ａと、ねじ１６ｂとを有する。締付バンド１６は、例えばゴム等の圧縮性に優れた材料で構成される。締付バンド１６は、その自然長が断熱壁部材５外周の周長よりも短く設計されている。なお、この締付バンド１６として、例えば金属バンドを用いた構成としてもよい。

締結部１６ａは、締付バンド１６の周方向に設けられる。締結部１６ａは、後述するねじ１６ｂを締結するためのねじ孔を有する。

ねじ１６ｂは、締結部１６ａのねじ孔に締結される。すなわち、ねじ１６ｂは、締結部１６ａのねじ孔に締結され、締付バンド１６を断熱壁部材５の外周に巻きつき固定する。締付バンド１６は、その全長が自然長よりも伸びたまま断熱壁部材５の外周に巻きつき固定されるため、締付バンド１６が自然長に戻るように復元力が働く。この復元力により、締付バンド１６から断熱壁部材５および荷重受け板３に締付力が付加されるので、荷重受け板３の上面から断熱板４を介して積層体２に圧縮荷重が付加される。

上述した第二の実施形態によれば、断熱壁部材５の外側に締付バンド１６を設け、その締付力により荷重受け板３から積層体２に圧縮荷重が付加される構成のため、第一の実施形態と同様に荷重付加機構である締付バンド１６の熱変形を防ぎ、安定して荷重を付加できる。

（第三の実施形態）
次に、第三の実施形態に係る電気化学セルスタックについて、図５を用いて説明する。図５は、第三の実施形態に係る電気化学セルスタックの概要図である。以降では第一または第二の実施形態と異なる箇所について説明し、それ以外の箇所については第一または第二の実施形態と同様であるとして、重複する説明を省略する。

電気化学セルスタック１は、積層体２と、荷重受け板３と、断熱板４と、断熱壁部材５と、荷重付加機構であるシリンダ２６とを備える。本実施形態と第一および第二の実施形態との違いは、第一の実施形態における固定部材６およびボルト７や第二の実施形態における締付バンド１６の代わりに、荷重付加機構として荷重付加装置２６を設けたことである。

荷重付加装置２６は荷重受け板３の上面に配置され、流体供給部２６ａと、シリンダ２６ｂと、ピストン２６ｃと、流体排出部２６ｄを備える。

流体供給部２６ａは、シリンダ２６ｂに連結され、シリンダ２６ｂに荷重の供給源である流体を供給する配管である。流体供給部２６ａには図示していない流量調整弁および圧力調整弁が設けられ、この圧力調整弁の絞りによってシリンダ２６ｂ内部に充満する圧力を調整可能である。本実施形態では流体が油である場合を例示して説明するが、流体の種類や状態については特に限定されず、例えば気体を用いてもよい。

シリンダ２６ｂは、荷重受け板３の上側に配置される。シリンダ２６ｂの下端面には、図示していない嵌合部が設けられ、この嵌合部を介して荷重受け板３とシリンダ２６ｂと下端面とを嵌め合わせる。シリンダ２６ｂの内部にはピストン２６ｃが挿入されており、ピストン２６ｃよりも上側と下側は、それぞれピストン２６ｃが上下に可動できる程度に密閉されている。シリンダ２６ｂの上側は、流体供給部２６ａに連結され、流体供給部２６ａから油が供給される。一方、シリンダ２６ｂの下側は、ピストン２６ｃを介してシリンダ２６ｂの上側から密閉されている。すなわち、流体供給部２６ａから供給された油はシリンダ２６ｂの下側には漏洩せず、シリンダ２６ｂの上側にのみ油が供給される。

流体排出部２６ｄはシリンダ２６ｂの上側に連結され、シリンダ２６ｂの上側に満たされた油を排出する配管である。流体排出部２６ｄには図示していない流量調整弁が設けられ、シリンダ２６ｂの上側から排出される油量を調整可能である。この流量調整弁は通常は閉じており、シリンダ２６ｂの上側に満たされた油を排出する場合に、その排出量に応じて開く。なお、流体排出部２６ｄにはリリーフ弁（保圧弁）やその他の圧力調整弁、また逆止弁などを適宜配置してもよい。

次に、本実施形態の作用について説明する。シリンダ２６ｂの上側に油が満たされていない状態から、流体供給部２６ａの図示していない流量調整弁を開き、流体供給部２６ａからシリンダ２６ｂの上側に所定量の油を供給する。シリンダ２６ｂの上側が油で満たされると、ピストン２６ｃには、この油の自重に相当する下向きの荷重が付加される。この状態で、流体供給部２６ａの図示しない圧力調整弁を絞ることにより、ピストン２６ｃには、油の自重および圧力調整弁の絞りに応じた油圧が付加される。この油圧がシリンダ２６ｂの下側からピストン２６ｃに付加される圧力に打ち勝つと、ピストン２６ｃは下向きに可動し、シリンダ２６ｂの下端面の図示しない嵌合部に嵌め合わされた荷重受け板３の上面と接触する。これにより、荷重受け板３にはピストン２６ｃを介して下向きの荷重が付加される。シリンダ２６ｂの上側に所定量の油が供給されると、流体供給部２６ａの図示していない流量調整弁を閉じて、流体供給部２６ａからの油の供給を停止する。

上述した第三の実施形態によれば、荷重付加機構として荷重付加装置２６を用いることにより第一ならびに第二の実施形態と同様の効果が得られる。

なお、本実施形態では第一および第二の実施形態と同様に断熱壁部材５を備える場合を例示して説明したが、本実施形態の電気化学セルスタック１は、断熱壁部材５を備えない構成としてもよい。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の趣旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１．電気化学セルスタック、２．積層体、２ａ．上端側エンドプレート、２ｂ．下端側エンドプレート、３．荷重受け板、４．断熱板、５．断熱壁部材、５ａ．溝部、６．固定部材、６ａ．ボルト孔、７．ボルト、７ａ．先端面、１６．締付バンド、１６ａ．締結部、１６ｂ．ねじ、２６．荷重付加装置、２６ａ．流体供給部、２６ｂ．シリンダ、２６ｃ．ピストン、２６ｄ．流体排出部

Claims (6)

1. 複数の単セルが積層された積層体と、
   前記積層体の積層方向上端面および下端面の少なくとも一方に設けられた断熱板と、
   前記断熱板に直接的または間接的に接して前記積層体に圧縮荷重を付加する荷重付加機構と、
   を備える電気化学セルスタック。
2. 前記断熱板の側面から前記積層体を囲う断熱壁部材をさらに備える請求項１に記載された電気化学セルスタック。
3. 前記断熱板と前記断熱壁部材とが一体に構成される請求項２に記載された電気化学セルスタック。
4. 前記断熱板と前記荷重付加機構との間に荷重受け板をさらに備え、
   前記荷重付加機構は、
   前記荷重受け板にねじ先が当接するボルトと、
   前記ボルトをねじ込むボルト孔を有し、前記断熱壁部材の上面に固定される固定部材と、
   を具備する請求項２に記載された電気化学セルスタック。
5. 前記断熱板と前記荷重付加機構との間に荷重受け板をさらに備え、
   前記荷重付加機構は、前記断熱壁部材の周方向に巻きつき固定されて前記荷重受け板と当接する締付バンドである請求項２に記載された電気化学セルスタック。
6. 複数の単セルが積層された積層体および前記積層体に圧縮荷重を付加する荷重付加機構を備える電気化学セルスタックに設けられる断熱板であって、
   この断熱板は、前記断熱板と前記荷重付加機構との間に配置される断熱板。

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