JP4470498B2

JP4470498B2 - 固体酸化物形燃料電池

Info

Publication number: JP4470498B2
Application number: JP2004009058A
Authority: JP
Inventors: 順秋草; 隆宮澤; 雅治山田
Original assignee: Kansai Electric Power Co Inc; Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Kansai Electric Power Co Inc; Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2004-01-16
Filing date: 2004-01-16
Publication date: 2010-06-02
Anticipated expiration: 2024-01-16
Also published as: JP2005203256A

Description

本発明は、発電セルとセパレータを交互に積層した構造を有する固体酸化物形燃料電池に関し、詳しくは、発電セルに破損が生じた場合の応急的な補修機構に関するものである。

固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）は第三世代の発電用燃料電池として開発が進んでいる。現在、この固体酸化物形燃料電池は、円筒型、モノリス型、及び平板積層型の３種類が提案されており、何れも酸化物イオン伝導体から成る固体電解質を両側から空気極（カソード）と燃料極（アノード）で挟み込んだ積層構造を有する。この積層体から成る発電セルを、間に燃料極集電体と空気極集電体を介在してセパレータと交互に複数積層することにより、燃料電池スタックが構成される。

一例として、固体電解質層はイットリアを添加した安定化ジルコニア（ＹＳＺ）等で構成され、燃料極層はＮｉ、Ｃｏ等の金属あるいはＮｉ−ＹＳＺ、Ｃｏ−ＹＳＺ等のサーメットで構成され、空気極層はＬａＭｎＯ₃ 、ＬａＣｏＯ₃ 等で構成され、燃料極集電体はＮｉ基合金等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成され、空気極集電体はＡｇ基合金等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成され、セパレータはステンレス等で構成される。

固体酸化物形燃料電池では、反応用のガスとして空気極側に酸化剤ガス（酸素) が、燃料極側に燃料ガス (Ｈ₂ 、ＣＯ、ＣＨ₄等) が供給される。空気極と燃料極は、ガスが固体電解質との界面に到達することができるよう、何れも多孔質の層とされている。
空気極側に供給された酸素は、空気極層内の気孔を通って固体電解質層との界面近傍に到達し、この部分で空気極から電子を受け取って酸化物イオン（Ｏ^2-）にイオン化される。この酸化物イオンは、燃料極に向かって固体電解質層内を拡散移動する。燃料極との界面近傍に到達した酸化物イオンは、この部分で、燃料ガスと反応して反応生成物（Ｈ₂Ｏ、ＣＯ₂等）を生じ、燃料極に電子を放出する。この電子を別ルートの外部回路にて起電力として取り出すことができる。

ところで、固体酸化物形燃料電池は、起動時（発電開始時）に燃料電池モジュールの内部を所定の運転温度７００〜１０００℃の高温に昇温する必要がある。このため、起動時は、電池モジュール全体の均熱を保ちながら徐々に昇温していかないと発電セル面内に温度分布が生じ、その際の熱応力で発電セルが破損（クラック）する場合がある。この現象は運転停止時の降温過程においても起こり得るものである。

上記したように、セパレータを介在して多数の発電セルを積層した直列型燃料電池では、多数の発電セルの内の１つでも破損すると、その部分の抵抗が増大して発電性能の低下を招くことになり、発電セルの破損状態によっては、発電の継続が不能となる。
破損した発電セルを取り除いて新しい発電セルと交換する補修作業は極めて煩雑であるため復旧までに長い時間を必要とし、その間、電力の供給が停止されることになる。
そこで、出願人らは、先の出願で、発電セルに破損が生じた場合の応急的な補修方法を提案した。（特許文献１参照）
特開２００３−１０９６５１号公報

上記開示技術では、運転中に発電セルに破損が生じた時、破損した発電セル両側のセパレータの外周部を導電部材で囲むようにしてその発電セルを短絡するというものである。この補修作業により、破損した発電セル以外の発電セルでの発電を継続して電力供給を行うことができるようになり、長時間に亘る発電停止を回避することができる。

ところが、上記補修方法では、破損した発電セルに応急処理を施すために燃料電池の運転を一旦停止する必要があった。運転時７００〜１０００℃といった高温下にある燃料電池を、温度分布が生じないよう徐々に降温するには多くの時間を要することになる。また、補修後、燃料電池の運転を再開するための昇温にも降温の時と同様に多くの時間を要することになる。

このように、開示技術による補修方法は、破損した発電セルの交換作業に比べて燃料電池自体の補修時間は短縮できるものの、運転環境を設定するための多くの時間を要するという欠点が有り、まだ改善すべき点が残されていた。

本発明は、このような従来の問題点に鑑みて成されたもので、発電セルに破損が生じた場合に、運転を停止せず応急的な補修が行えるようにした固体酸化物形燃料電池を提供することを目的としている。

すなわち、請求項１に記載の本発明は、発電セルとセパレータを交互に積層して燃料電池スタックを構成すると共に、当該燃料電池スタックの内部に反応用ガスを供給して発電反応を生じさせる固体酸化物形燃料電池において、前記燃料電池スタックの積層方向に沿って導電部材を設けた棒状体を回動自在かつ前記燃料電池スタックより離接可能に配設すると共に、当該棒状体の回動および前記燃料電池スタック側への接近により、前記導電部材を隣接する両セパレータに接触し、所定の発電セルを電気的に短絡するように構成したことを特徴としている。
本構成では、破損した発電セルは燃料電池外からの操作により短絡することができるため、補修作業に伴う発電の停止が回避できる。

また、請求項２に記載の本発明は、請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池におおいて、前記棒状体に導電部材を複数設け、当該棒状体の回動角度に応じて短絡する発電セルを選択可能としたことを特徴としている。
本構成では、一体の棒状体（補修機構）で複数の補修箇所を任意に選択できるため、補修作業は簡単であり、作業時間は短くて済む。

また、請求項３に記載の本発明は、請求項１または請求項２の何れかに記載の固体酸化物形燃料電池において、前記棒状体は、発電セルをユニット単位で短絡可能な導電部材を備えることを特徴としている。
本構成では、ユニット単位での短絡であるから、補修機構を簡略化でき、且つ、補修作業は簡単であるから作業時間は短くて済む。

以上説明したように、本発明によれば、破損した燃料電池スタックの補修作業は燃料電池の運転を継続したままの状態で行えるため、従来のように補修作業のために長時間に亘って電力の供給が停止されることはない。また、補修作業は外部からの操作で行えるため、作業は極めて簡単であり、且つ、短時間で行える。

以下、本発明の実施形態を図１〜図５に基づいて説明する。

図１は固体酸化物形燃料電池の要部を示す分解断面図、図２は同、要部の分解斜視図、図３は燃料電池スタックの補修状態を示す説明図、図４は補修機構を示す図、図５は図３とは別の補修機構を示す図である。

まず、本発明が適用された固体酸化物形燃料電池の構成を図１、図２に基づいて説明する。
図１、図２において、符号１は燃料電池スタックを示す。この燃料電池スタック１は、固体電解質層２の両面に燃料極層３と空気極層４を配した発電セル５と、燃料極層３の外側に配した燃料極集電体６と、空気極層４の外側に配した空気極集電体７と、各集電体６、７の外側に配したセパレータ８とで単セル１０を構成すると共に、この単セル１０を多数積層して構成される筒状体である。尚、これら単セル１０を構成する各要素は、従来と同様のものが使用できる。

セパレータ８は、発電セル５間を電気的に接続すると共に、発電セル５に対してガスを供給する機能を有するもので、燃料ガスをセパレータ８の外周面から導入してセパレータ８の燃料極集電体６に対向する面から吐出させる燃料通路１１と、酸化剤ガスをセパレータ８の外周面から導入してセパレータ８の空気極集電体７に対向する面から吐出させる酸化剤通路１２とを有している。ただし、両端のセパレータ８（８Ａ、８Ｂ）は、通路１１、１２の何れかを有する。

また、図１に示すように、燃料電池スタック１の側方には、各セパレータ８の燃料通路１１に接続管１３を通して燃料ガスを供給する燃料用マニホールド１５と、各セパレータ８の酸化剤通路１２に接続管１４を通して酸化剤ガスを供給する酸化剤用マニホールド１６とが、発電セル５の積層方向に延在して設けられている。
符号３０は、内壁に断熱材を配した円筒状のハウジングであって、その内部に上記構成の燃料電池スタック１を配設することにより、固体酸化物形燃料電池が構成される。

ところで、本実施形態では、図２に示すように、燃料電池スタック１の近傍に、発電セル５が破損した場合の応急的な補修機構２０が設けてある。図３はその要部拡大を示している。本実施形態の補修機構２０は、セラミック等の絶縁性材料で構成した棒状体２１と、この棒状体２１に設けたステンレス等の導電性部材で構成される短絡部２２とで構成され、燃料電池スタック１の近傍に積層方向に沿って配設されている。

この棒状体２１は、回動自在であって、その一端部を固体酸化物形燃料電池のハウジング３０より外部に突出させて、外部操作にて棒状体２１を回動できるようになっている。棒状体２１を回動することにより、この棒状体２１の短絡部２２を隣接する上下両セパレータ８、８の外周部に接触させたり離したりさせることができる。

上記構成の補修機構２０では、運転中に燃料電池スタック１を構成する多数の発電セル５の内の１つが破損した場合、この破損した発電セル５の両端に配置される一対のセパレータ８、８間を補修機構２０の短絡部２２で電気的に短絡することにより、不良となった発電セル５を電気的に除外して他の正常な発電セル５で発電を継続することができる。この場合、正常な発電セル５で発生した電流は、破損個所ではこの導電性の短絡部２２を通して流れるため、負荷側には継続的に電力供給が成されることになる。

本実施形態では、短絡部２２を矢印形状としたが、セパレータ８の外周部に効果的に接触できる形状であれば良く、これに限定されるものではなく、セパレータ８との接触面積を多くするために短絡部２２の厚みを厚くするのが好ましい。また、短絡箇所（補修箇所）での電力損失を極力少なくするため、本実施形態では、短絡部２２がセパレータ８と接触する部分に電子伝導性の優れる銀メッシュ等を溶着している。

尚、燃料電池スタック１における発電セル５の良不良は各発電セル５の電圧より判断することができる。

このように、本実施形態では、破損した発電セルの短絡作業は燃料電池外の操作により運転状態のままで行えるため、従来のような補修作業に伴う発電の停止が回避できる。且つ、補修作業は簡単であり、作業時間は極めて短時間で済む。

また、図４は、棒状体２１の長さ方向に複数の短絡部２２を設けた補修機構２０を示しており、各短絡部２２は棒状体２１の周方向に所定の角度ずらした状態としてに形成されていおり、補修の際正常な発電セル５が同時に短絡されないようになっている。尚、これら短絡部２２は絶縁性の棒状体２１に取り付けてあるから各々は相互に絶縁された状態となっている。

本構成では、この棒状体２１の回動角度によって短絡可能な発電セル５を任意に選択できるため、補修作業は容易になるが、棒状体２１の回動操作における発電セル５の不本意な短絡事故を回避するために、この棒状体２１自体を回動自在とすると共に、燃料電池スタック１より離接可能（図４中、左右矢印方向）となるように構成し、棒状体２１の回動操作は燃料電池スタック１より離れた位置で行い、所定の回動角度を設定した後に、燃料電池スタック１側に接近させるようにした。

また、本構成において、ハウジング３０の外に突出させた棒状体２１の端部に、例えば、図示しない角度計等を設置しておいて、棒状体２１の回転角度に対応する発電セル５が一目で分かるようにしておくと好ましい。

また、図５に示すように、短絡部２２による積層方向の短絡幅を大きくして、発電セル５を所定のユニット単位（図５中、ユニット１、ユニット２・・・）で短絡できるようにしても良い。この場合も、棒状体２１の回動操作はハウジング３０の外より操作可能であることは勿論である。ユニット単位での短絡とすることにより、補修機構２０の構造を簡略化でき、且つ、補修作業もより簡単になる。尚、ユニット単位は、単セル５〜１０枚分（出力数Ｗ〜１ＫＷ程度）を１ユニットとするのが良い。

本実施形態の固体酸化物形燃料電池の要部を示す分解断面図。同、要部の分解斜視図。本実施形態の補修機構による燃料電池スタックの補修状態を示す説明図。同、補修機構を示す図。本実施形態の補修機構による燃料電池スタックの補修状態を示す図３とは別の説明図。

符号の説明

１燃料電池スタック
５発電セル
８セパレータ
２１棒状体
２２導電部材（短絡部）

Claims

発電セルとセパレータを交互に積層して燃料電池スタックを構成すると共に、当該燃料電池スタックの内部に反応用ガスを供給して発電反応を生じさせる固体酸化物形燃料電池において、
前記燃料電池スタックの積層方向に沿って導電部材を設けた棒状体を回動自在かつ前記燃料電池スタックより離接可能に配設すると共に、当該棒状体の回動および前記燃料電池スタック側への接近により、前記導電部材を隣接する両セパレータに接触し、所定の発電セルを電気的に短絡するように構成したことを特徴とする固体酸化物形燃料電池。
前記棒状体に導電部材を複数設け、当該棒状体の回動角度に応じて短絡する発電セルを選択可能としたことを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池。
前記棒状体は、発電セルをユニット単位で短絡可能な導電部材を備えることを特徴とする請求項１または請求項２の何れかに記載の固体酸化物形燃料電池。