JP3958423B2

JP3958423B2 - 発電装置

Info

Publication number: JP3958423B2
Application number: JP35033997A
Authority: JP
Inventors: 義美江崎; 嘉範榊; 淳一藤田; 伸二竹内; 真司川崎; 清志奥村; 真村井
Original assignee: NGK Insulators Ltd; Kansai Electric Power Co Inc; Chubu Electric Power Co Inc
Current assignee: NGK Insulators Ltd; Kansai Electric Power Co Inc; Chubu Electric Power Co Inc
Priority date: 1997-12-19
Filing date: 1997-12-19
Publication date: 2007-08-15
Anticipated expiration: 2017-12-19
Also published as: JPH11185775A

Description

【０００１】
【発明の技術分野】
本発明は、固体電解質型燃料電池の発電装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）は、平板型と円筒型とに大別される（エネルギー総合工学１３−２、１９９０年）。ＳＯＦＣの単電池の起電力は、開回路において約１Ｖ、電流密度も精々数１００ｍＡ／ｃｍ²程度であるため、実際の使用に際しては、大きな発電面積を有する単電池を、容易に直列、並列に接続できるようにすることが重要である。この観点から、単電池とそのスタック( 集合電池) の構造を検討しなければならない。
【０００３】
特に、固体電解質型燃料電池のスタック構造において、酸化ガスと燃料ガスとの間で発電装置の運転温度で気密性を保持することが要求される。例えば、いわゆるウエスティングハウスタイプの固体電解質型燃料電池では、円筒型の空気極を基体とし、この上に固体電解質膜、燃料極膜を形成している。また、本出願人も、空気極とインターコネクタとからなる積層焼結体を、空気極／インターコネクタ基体とし、この上に固体電解質膜、燃料電極膜を形成した構造の平板形状の単電池について開示した。そして、この単電池の端部に対して、酸化ガス供給管の端部を気密に接合し、酸化ガス供給管から単電池の各ガス通路中へと酸化ガスを供給している。そして、単電池の各酸化ガス通路から排出されてきた排酸化ガスを、燃焼室へと流れるように誘導し、燃焼室で排燃料ガスと反応させている。（以上、特開平５−０８９８９０号公報）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前述したような単電池のシール構造には、以下の問題点が残っている。即ち、現実に発電装置の起動、運転、運転停止を繰り返して多数回行うと、単電池と酸化ガス供給管との間の気密性が低下し、発電効率、起電力が低下する傾向が見られることがあった。
【０００５】
本発明の課題は、発電装置内で、単電池を酸化ガス供給管等のガス流通管に対して気密性を維持できるように接合することによって、酸化ガスと燃料ガスとを分離した構造において、単電池と酸化ガス供給管との間の気密性の低下を防止し、発電効率、起電力の低下を防止できるようにすることである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、固体電解質型燃料電池の発電装置であって、
少なくとも空気極、燃料極および固体電解質を備えており、かつ一方の発電用ガスを流すためのガス通路が設けられている固体電解質型燃料電池の単電池と、
この単電池に対して取り付けられているセラミックス製のガス流通管であって、前記ガス通路へのガスの供給または排出を行うための当該ガス流通管と、
前記一方の発電用ガスを流すためのガス室、前記単電池を収容し、他方の発電用ガスを流すための発電室、および前記一方の発電用ガスと前記他方の発電用ガスとを分離するための隔壁と
を備えており、
前記ガス流通管が前記単電池に対して気密に接合されており、前記ガス流通管が前記隔壁を貫通しており、前記ガス室と前記ガス流通管の内側空間と前記ガス通路とが連通している発電装置において、
この発電装置は、前記ガス流通管と前記隔壁との間をシールするためのシール装置を更に備えており、このシール装置が、前記ガス流通管および前記隔壁に対して接触するＯ−リングと、このＯ−リングを前記隔壁に向かって押圧する押圧部材と、前記Ｏ−リングの前記隔壁に対する押圧力を調節する調節手段とを備えており、当該シール装置により、前記ガス流通管が前記隔壁に対して気密性を維持しつつ前記隔壁に対して移動可能なようにシールされていることを特徴とする。
【０００７】
本発明者は、単電池と酸化ガス供給管等のガス流通管との境界における気密性の低下の原因について検討した結果、次の知見を得た。単電池とガス流通管とは、互いにシール材によって接合されているが、このシール材としては、ガラスやセラミックスを使用している。一方、複数の単電池からなる集合電池（スタックと呼ぶ）を収容する容器内の温度は、発電時には１０００℃あるいはそれ以上にも達する。また、ガス流通管の材質は、発電温度で酸化ガスおよび燃料ガスの双方に対して安定である必要があり、例えばアルミナ等から作製している。そして、ガス流通管は隔壁に対して固定されている。
【０００８】
例えば、ガス流通管と単電池との間をパイレックスガラスでガラスシールしているが、運転を停止し、温度が低下するときに、単電池およびガス流通管の両方が収縮し、単電池がガス流通管を引っ張る。この引っ張り応力がガラスシール部分に加わり、シール部分の気密性が低下するものと思われる。
【０００９】
一方、このシール部分を一層強度の大きい材料によって形成することによって、シール部分の気密性の低下を防止させるという方法も考えられるが、この場合には、単電池の方に過大な応力が加わる可能性がある。
【００１０】
これに対して、本発明者は、ガス流通管が、隔壁に対して気密性を維持しつつ発電室とガス室との間の隔壁に対して移動可能なように、シールすることを想到した。これによって、例えば単電池およびガス流通管が収縮し、単電池からガス流通管に対して引っ張り応力が加わった場合には、ガス流通管が単電池の方へと向かって位置ズレし、シール部分に加わる引っ張り応力を緩和する。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明において、ガス流通管と隔壁との間をシールするためのシール装置は特に限定されない。好適な実施形態においては、このシール装置が、ガス流通管および隔壁に対して接触するＯ−リング、このＯ−リングを隔壁に向かって押圧する押圧部材、およびＯ−リングの隔壁に対する押圧力を調節する調節手段を備えている。調節手段は特に限定されないが、ネジを例示できる。
【００１２】
こうした構造のシール装置においては、Ｏ−リングへの押圧力を大きくすると、Ｏリングからガス流通管への圧力が上がり、ガス流通管が動きにくくなる。Ｏ−リングへの押圧力を小さくすると、ガス流通管が位置ズレし易くなる。このため、気密性を良好に保持しつつ、かつガス流通管が単電池からの引っ張り応力や圧縮応力に応じて容易に移動できるように、Ｏ−リングへの押圧力を調節できる点で有利である。
【００１３】
本発明において、ガス流通管は、ガス供給管またはガス排出管のいずれであってもよい。また、一方の発電用ガスとして酸化ガスを使用した場合には、他方の発電用ガスとして燃料ガスを使用し、他方の発電用ガスとして酸化ガスを使用した場合には、一方の発電用ガスとして燃料ガスを使用する。これらの選択に応じて、一方の発電用ガスを流すためのガス室は、酸化ガス室または燃料ガス室となる。
【００１４】
本発明においては、例えば単電池とガス流通管とのシール部分に引っ張り応力が加わった場合に、ガス流通管の移動によってシール部分への応力を緩和できる。しかし、ガス流通管とＯ−リングとの間の静摩擦力が大きくなって、前記の引っ張り応力が発生したときにガス流通管が迅速に移動できないこともある。この静摩擦力が大きいと、シール部分の方に過大な負荷が加わる場合がある。例えば、シール部にパイレックスガラスを用いた場合、シール性能はガラスが軟化することによって発揮されるが、上記の過大負荷によってシールが破れる。また、例えば、作動温度で溶融しない物質をシール材料として使用する場合、圧縮応力に対しては強いが、引っ張り応力に対しては、軟化しているガラスほどではないとしても、弱く、シールが破れる場合がある。
【００１５】
このため、ガス流通管を単電池の方へと向かって付勢する付勢手段を備えていることが好ましい。これによって、ガス流通管に引っ張り応力が加わったときに、ガス流通管が迅速に単電池の方へと移動し、シール部分に加わる引っ張り応力を緩和し易くなる。
【００１６】
また、運転時には、スタックを構成する各単電池の温度に差が生ずることがある。このため、運転停止時に、一部の単電池が大きく収縮することがある。また、隣接する単電池の間には、通常、ニッケルフェルト等の通気性の弾性材料が介在している。しかし、長期間運転を続けていると、ニッケルフェルトが収縮し、各単電池の位置が最初の位置からずれてくることがある。
【００１７】
こうした場合に、隔壁のうち、ガス流通管が貫通している貫通孔にテーパ面を設けることによって、各単電池の相対的な位置移動に合わせて、各ガス供給管が回動し、各単電池の相対的な位置移動を吸収できる。この場合には、特に単電池側に向かって前記のテーパ面が開いていることが好ましい。また、同様な理由から、押圧部材のうち、ガス供給管が貫通している貫通孔にテーパ面が設けられていることが好ましい。この場合には、特に単電池側と反対の側に向かって前記のテーパ面が開いていることが好ましい。
【００１８】
また、単電池にガス通路が複数設けられている場合には、ガス流通管を単電池に対して気密に接合するためのマニホールド部材を備え、マニホールド部材によってガス流通管の内側空間と単電池の複数のガス通路とを連通させることが好ましい。これによって、単電池の複数のガス通路に一つのマニホールド部材からガスを供給できる。
【００１９】
ガス流通管、マニホールド部材の材質は、耐熱性、酸化ガスおよび燃料ガスに対する耐久性を有するものでなければならない。こうした材質としては、アルミナ、アルミナ−マグネシアスピネル、ジルコニアが好ましい。
【００２０】
これらの実施形態について、図１〜図５を参照しつつ、更に詳細に説明する。
【００２１】
図１は、本発明の一実施形態で使用する単電池１の横断面図である。図２は、図１の単電池を例えば３個直列接続してなるスタック２８を用いた発電装置８を示す横断面図であり、図３は、図２の発電装置８の縦断面図であり、図４は、酸化ガス供給管１８のシール構造を説明するための模式的断面図である。最初に発電装置８の全体を説明し、次いでシール構造の詳細を説明する。
【００２２】
単電池１（１Ａ、１Ｂ、１Ｃ）の支持体２は、空気極板３とセパレータ４とからなっている。セパレータ４の平面形状は長方形である。セパレータ４の平板状本体の横断面方向の縁部に、一対の細長い側壁４ａが形成されている。各側壁４ａは、共に四角柱形状であり、セパレータ４の長手方向の一端から他端へと向って延びている。
【００２３】
一対の側壁４ａの間に、四角柱形状の隔壁４ｂが、例えば３列設けられている。各隔壁４ｂは、セパレータ４の長手方向の一端から他端へと向って互いに平行に延びている。側壁４ａ、隔壁４ｂの間に、互いに平行な溝が、例えば計四列形成されている。
【００２４】
空気極板３の平面形状は、セパレータ４の平面形状と同様である。空気極板３の平板状本体の横断面方向の縁部に、一対の細長い側壁３ａが形成されており、一対の側壁３ａの間に、四角柱形状の隔壁３ｂが、例えば３列設けられている。側壁３ａ、隔壁３ｂの間に、互いに平行な溝が、例えば計四列形成されている。セパレータ４の各側壁４ａが、空気極３の各側壁３ａに対して接合されており、セパレータ４の各隔壁４ｂが、空気極板３の各隔壁３ｂに対して接合されている。この結果、空気極板３とセパレータ４との間に、例えば４列の酸化ガス通路５が形成されている。
【００２５】
固体電解質膜６は、空気極３の主面３ｃ、側面３ｄを被覆しており、更に、セパレータ４の幅方向側面４ｄの上部を被覆している。酸化ガス通路５と空気極３の側面３ｄとは、いずれも気密質であるセパレータ４および固体電解質膜６によって包囲されている。固体電解質膜６上に、燃料極膜７が形成されている。ただし、本発明を適用できる単電池は、図１の形態には限定されない。
【００２６】
図１に示すような各単電池を積み重ね、直列接続することによって、図２、図３に示すスタック２８を構成する。スタック２８においては、例えば３個の単電池１Ａ、１Ｂ、１Ｃが積み重ねられている。各単電池１Ａ、１Ｂの各セパレータ４の各主面４ｃが、それぞれ下側の各単電池１Ｂ、１Ｃの各燃料極膜７に対して、それぞれ通気性の導電材１７を介して接続されている。通気性の導電材としては、ニッケルフェルト、ニッケルスポンジが好ましい。
【００２７】
スタック２８の単電池１Ａは、通気性の導電材１６を通して集電板１２Ａに対して接続されており、単電池１Ｃは導電材１６を通して集電板１２Ｂに対して接続されている。スタック２８および上下の集電板１２Ａ、１２Ｂは、所定の気密性の容器の中に収容されている。この容器の形態は限定されない。本実施形態では、金属製の外殻１１の内側に断熱材層１０を設けることによって、容器を形成している。
【００２８】
容器内においては、図３において左側から順に、発電室１５の燃焼領域３０、発電領域３６、予熱室１９、酸化ガス室２４が設けられている。図２の横断面図に示すスタック２８は、図３における発電領域３６内の状態を示している。酸化ガス室２４と予熱室１９とは気密質隔壁２０によって区分されており、予熱室１９と発電室１５との間も気密質隔壁５１によって区分されている。
【００２９】
各単電池に対応して、それぞれ酸化ガス供給管１８が設けられている。各供給管１８の右側の端部１８ｃは、酸化ガス室２４内に開口している。各供給管１８は、隔壁２０、予熱室１９、隔壁５１を貫通し、それぞれマニホールド部材４２によって各単電池の一方の端部１ａに取りつけられている。５１ａ、２０ａは、それぞれ各隔壁の貫通孔である。
【００３０】
各供給管１８の右側の供給側端部１８ｃにおいては、供給管１８を隔壁２０に対して気密性を維持しつつ移動可能とするためのシール装置３３が設けられている。また、各供給管の端部１８ｃにそれぞれ付勢手段２１が取り付けられている。
【００３１】
こうしたシール構造の好適例の詳細について、図４を参照しつつ説明する。供給管１８の単電池側の端部１８ｂは、マニホールド部材４２を介して単電池１Ａ（１Ｂ、１Ｃ）に気密に取り付けられている。
【００３２】
隔壁２０にはシール装置３３が設置されている。シール装置３３は、Ｏ−リング３９と、各Ｏリング３９を所定の圧力で隔壁２０に向かって押圧している押圧板３７とを備えている。押圧板３７の貫通孔３７ａに供給管１８が挿通している。そして、押圧板３７はネジ３８によって隔壁２０に対して取り付けられている。ネジ３８の停止位置を変更することによって、押圧板３７からＯ−リング３９への押圧力を制御する。貫通孔３７ａには、単電池とは反対側に向かって開くテーパ面５０が設けられている。
【００３３】
供給管１８の供給側端部１８ｃには供給口１８ｄが設けられており、また付勢手段２１が取り付けられている。これによって、各供給管１８を、対応する各単電池の方へと向かって一定圧力で矢印Ｊのように付勢するようになっている。これらの構成によって、単電池と供給管との境界のシール部分に対する応力集中を、効果的に緩和できる。
【００３４】
なお、本発明者は、いわゆるベローズを使用して、単電池と供給管との間の引っ張り応力を緩和することも検討した。この場合には、例えば、単電池から供給管へと矢印Ｒのように引っ張り応力が加わったときには、ベローズが収縮して引っ張り応力を吸収することになる。しかし、ベローズが収縮すると、当然、ベローズがもとの形状を復元しようとする弾性復元力が作用するために、ベローズから供給管に対して引っ張り応力が加わることになる。このため、ベローズの変形が甚だしくなると、ベローズから供給管へと加わる弾性復元力が増大し、この増大した弾性復元力によって、単電池と供給管とのシール部分に過大な応力が加わる傾向があった。
【００３５】
これに対して、本発明によれば、供給管１８に対して例えば引っ張り応力が加わり、供給管１８が矢印Ｑの方向に移動したときに、その状態ではシール装置３３から供給管１８に対して弾性復元力が作用することはない。
【００３６】
隔壁２０の貫通孔２０ａにはテーパ面２０ｂが設けられており、テーパ面２０ｂが単電池の方へと向かって開くように成形されている。これによって、供給管１８の端部１８ｂが上下動したときに、供給管が回動しやすくなる。
【００３７】
次いで、各ガスの流れについて述べる。図３、図４に示すように、酸化ガスは、外殻１１の外部から、供給口２６を介して矢印Ｂのように酸化ガス室２４に供給され、例えば矢印Ｋのように各供給管１８中に入り、各供給管１８の内側空間１８ａを矢印Ｃのように流れる。そして、供給管１８の端部１８ｂから、マニホールド部材４２を介して、単電池の各ガス通路５に入る。そして、各ガス通路５内を流れ、単電池から矢印Ｄのように燃焼領域３０に放出され、ここで排燃料ガスと反応する。
【００３８】
燃料ガスは、外殻１０の外部から矢印Ｅのように発電室１５内に供給され、各単電池の間、および単電池と容器との隙間を矢印Ｆのように流れ、燃焼領域３０へと流入する。
【００３９】
燃焼領域３０では、減損した燃料ガスが、減損した酸化ガスと反応し、燃焼する。この燃焼排ガスは、排ガス管２５を通って矢印Ｇ、Ｈのように流れ、予熱室１９内に供給され、予熱室１９から排出口２７を通して矢印Ｉのように排出される。この燃焼排ガスの廃熱によって、矢印Ｃのように各供給管１８の内側空間１８ａを流れる酸化ガスを、予熱できる。
【００４０】
図５は、本発明の他の実施形態に係る発電装置４０を示す縦断面図である。この発電装置４０の横断面形状は、図２に示したものと同様である。また、図３において既に説明した構成部分については、説明を省略する。
【００４１】
本実施形態では、図３に示した予熱室１９をなくし、酸化ガス室２４を発電室１５に隣接させている。従って、隔壁２０は、酸化ガス室２４と発電室１５との間をシールしている。一方、酸化ガスの排出側においては、発電室１５に隣接して排酸化ガス室４３が設けられている。気密質の隔壁４８によって、発電室１５と排酸化ガス室４３とが区分されている。
【００４２】
各単電池の排出側の端部１ｂには、それぞれ、マニホールド部材４２を介して、酸化ガス排出管４１の端部４１ｂが気密に取り付けられている。排出管４１は、発電室内を通過し、隔壁４８の貫通孔４８ａを貫通しており、排出管４１の端部４１ｃが排酸化ガス室４３に開口している。
【００４３】
隔壁４８にはシール装置４４が設置されている。シール装置４４の形態も限定されないが、好ましくは、図４に示すように、Ｏ−リング３９と、各Ｏリング３９を所定の圧力で隔壁４８に向かって押圧している押圧板３７とを備えている。そして、ネジの停止位置を変更することによって、押圧板からＯ−リングへの押圧力を制御できるようにする。
【００４４】
排出管４１の端部４１ｃには付勢手段４５が取り付けられている。これによって、各排出管４１を、対応する各単電池の方へと向かって一定圧力で付勢している。
【００４５】
次いで、各ガスの流れについて述べる。酸化ガスは、外殻１１の外部から、供給口２６を介して矢印Ｂのように酸化ガス室２４に供給され、各供給管１８の内側空間１８ａを矢印Ｃのように流れ、供給管１８の端部１８ｂから、マニホールド部材４２を介して、単電池の各ガス通路５に入る。そして、各ガス通路５内を流れ、マニホールド部材４２を介して、対応する排出管４１内に入り、排出管４１の内側空間４１ａ内を矢印Ｍのように流れる。そして、各排出管４１の端部４１ｃから、排酸化ガス室４３へと流入し、更に矢印Ｎのように容器の外部へと排出される。
【００４６】
燃料ガスは、外殻１０の外部から矢印Ｅのように発電室１５内に供給され、各単電池の間、および単電池と容器との隙間を矢印Ｆのように流れ、更に矢印Ｌのように容器外へと排出される。
【００４７】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、発電装置内で、単電池を酸化ガス供給管等のガス流通管に対して気密性を維持できるように接合することによって、酸化ガスと燃料ガスとを分離した構造において、単電池と酸化ガス供給管との間の気密性の低下を防止し、発電効率、起電力の低下を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態で使用できる単電池１を示す横断面図である。
【図２】発電装置８を示す横断面図である。
【図３】図２の発電装置８を概略的に示す縦断面図である。
【図４】ガス供給管１８と隔壁２０との気密性シール部分の構造を説明するための断面図である。
【図５】本発明の他の実施形態に係る発電装置４０を示す縦断面図である。
【符号の説明】
１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ単電池，３空気極板，４セパレータ，５酸化ガス通路，６固体電解質膜，７燃料極膜，８、４０発電装置，１２Ａ、１２Ｂ集電板，１５発電室，４２マニホールド部材，１８酸化ガス供給管，１８ａ酸化ガス供給管の内側空間，１９予熱室，２０ガス供給管が気密性を維持する隔壁，２０ａ貫通孔，２０ｂ貫通孔のテーパ面，２１ガス供給管の付勢手段，２４酸化ガス室，２８単電池のスタック，３０燃焼領域，３３、４４シール装置，３６発電室の発電領域，４１ガス排出管，４１ａガス排出管の内側空間，４５ガス排出管の付勢手段，４８ガス排出管が気密性を維持する隔壁，５０押圧部材３７の貫通孔３７ａのテーパ面，Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｋ、Ｍ、Ｎ酸化ガスの流れ，Ｅ、Ｆ、Ｌ燃料ガスの流れ，Ｊガス流通管の付勢の方向，Ｒ単電池からの応力の方向，Ｑガス流通管の移動の方向

Claims

固体電解質型燃料電池の発電装置であって、
少なくとも空気極、燃料極および固体電解質を備えており、かつ一方の発電用ガスを流すためのガス通路が設けられている固体電解質型燃料電池の単電池と、
この単電池に対して取り付けられているセラミックス製のガス流通管であって、前記ガス通路へのガスの供給または排出を行うための当該ガス流通管と、
前記一方の発電用ガスを流すためのガス室、前記単電池を収容し、他方の発電用ガスを流すための発電室、および前記一方の発電用ガスと前記他方の発電用ガスとを分離するための隔壁と
を備えており、
前記ガス流通管が前記単電池に対して気密に接合されており、前記ガス流通管が前記隔壁を貫通しており、前記ガス室と前記ガス流通管の内側空間と前記ガス通路とが連通している発電装置において、
この発電装置は、前記ガス流通管と前記隔壁との間をシールするためのシール装置を更に備えており、このシール装置が、前記ガス流通管および前記隔壁に対して接触するＯ−リングと、このＯ−リングを前記隔壁に向かって押圧する押圧部材と、前記Ｏ−リングの前記隔壁に対する押圧力を調節する調節手段とを備えており、当該シール装置により、前記ガス流通管が前記隔壁に対して気密性を維持しつつ前記隔壁に対して移動可能なようにシールされていることを特徴とする、発電装置。
前記ガス流通管を前記単電池の方へと向かって付勢する付勢手段を備えていることを特徴とする、請求項１記載の発電装置。
前記隔壁のうち前記ガス流通管が貫通している貫通孔にテーパ面が設けられていることを特徴とする、請求項１又は２のいずれか一つの請求項に記載の発電装置。
前記押圧部材のうち前記ガス流通管が貫通している貫通孔にテーパ面が設けられていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一つの請求項に記載の発電装置。