JP4842630B2

JP4842630B2 - 固体酸化物形燃料電池

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Publication number: JP4842630B2
Application number: JP2005349078A
Authority: JP
Inventors: 知也室田; 博見床井; 高橋　　心; 章軍司
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2005-12-02
Filing date: 2005-12-02
Publication date: 2011-12-21
Anticipated expiration: 2025-12-02
Also published as: JP2007157424A

Description

本発明は固体酸化物形燃料電池に係り、特に複数個の固体酸化物形燃料電池セルと、セル同士を電気的に絶縁する仕切り部材とを備えた固体酸化物形燃料電池に関する。

電解質に固体であるセラミックス材を使用する固体酸化物形燃料電池は、動作温度が７００〜１０００℃程度と高温であるため、排熱利用を含めた高効率発電システムのキーデバイスとして期待されている。

固体酸化物形燃料電池には、大別して円筒型と平板型の二種類がある。このうち円筒型はセルの機械的強度が高いため、高温使用時に生じる熱応力への耐性が高く、さらにガスシールも容易である。

燃料電池セルの一本の出力は限られているため、実際の固体酸化物形燃料電池では、燃料電池セルを複数本集合させて使用する。通常は、複数の燃料電池セルからなるバンドルを基本単位とし、複数個のバンドルを組み合わせて燃料電池モジュールが構成される。

燃料電池モジュール内に複数個のバンドルを設置する場合は、一般にバンドル同士の間に電気絶縁性の仕切り部材が設置される（例えば、特許文献１参照）。

特開２００４−２８８５４１号公報

固体酸化物形燃料電池では、発電反応に伴い燃料電池セルで熱が発生するので、燃料電池セルの温度は、投入された酸化剤ガスや燃料ガスよりも高温となる。酸化剤ガスや燃料ガスよりも高温となった燃料電池セルからは、燃料電池セルの内部および外部を流れるガスに向けて熱が放出される。特にセル下端およびセル上端では、導入された燃料ガスおよび酸化剤ガスによる冷却効果が強く働き、他の部位に比べて温度が低くなりやすい。そのため、燃料電池セルには長尺方向に温度分布が生じ、燃料電池セルの下端部および上端部が低温で、中ほどの位置が高温となる。その温度差は１００℃から３００℃程度になることもある。

固体酸化物形燃料電池セルは、金属材料などと比較して熱伝導率が小さいセラミックス系の材料で構成されているため、温度差があっても熱が伝わりにくい性質を持っている。そのため、燃料電池セルの長尺方向の温度差は解消されにくく、大きな温度差となることがある。

このように長尺方向で温度差が生じると、燃料電池セルに熱応力が発生する。比較的強い機械的強度を有する円筒型の燃料電池においても、温度差が大きい場合には熱応力によりセルが破損する恐れがある。

本発明の目的は、複数個の固体酸化物形燃料電池セルと、セル同士を電気的に絶縁する仕切り部材とを備えた固体酸化物形燃料電池において、燃料電池セルの長尺方向に生じる温度差を小さくして、セルの破損を抑制することにある。

本発明は、電気絶縁性を有する仕切り部材を挟んで両側に固体酸化物形燃料電池セルを備え、仕切り部材の両側のセル同士が集電板によって電気的に接続されている固体酸化物形燃料電池において、仕切り部材が電気絶縁性を有する電気絶縁部材とそれよりも熱伝導率が大きい熱伝導部材とを備え、前記熱伝導部材が固体酸化物形燃料電池セルと電気的に絶縁して配置されていることを特徴とする。

これによれば、仕切り部材は本来の機能である燃料電池セル間の電気絶縁に加え、固体燃料電池内に生じた温度差を小さくする機能を持ち、さらに燃料電池セルの長尺方向の温度差を小さくする機能を持つので、熱応力の発生を抑え、セルの破損を抑制することができる。

仕切り部材は、板状の熱伝導部材を、その両側面から板状の電気絶縁部材で挟んで構成されることが好ましい。これにより、仕切り部材の構造が単純になり、製造が容易になる。

また、仕切り部材の一部分をなす熱伝導性部材は、その一部あるいは全部が、繊維状の金属材料を集成して形成された部材、いわゆる金属フェルトにより構成されることが好ましい。金属フェルトは構造的に柔らかいため、高温運転時における電気絶縁部材と熱伝導部材の熱伸び差に起因する応力や、製造時に加わる荷重を緩衝する作用を持つ。このため、固体酸化物形燃料電池セルがより一層破損しにくくなる。

本発明は、固体電解質を挟んで燃料極と空気極を有する固体酸化物形燃料電池セルをセル接続部材により複数接続したセル集合体と、複数のセル集合体が電気的に短絡しないように仕切る電気絶縁性の仕切り部材と、仕切り部材の両側のセル集合体を電気的に接続する集電板を具備し、これらがガス気密壁の内部に収納されている固体酸化物形燃料電池において、前記仕切り部材が電気絶縁性を有する電気絶縁部材とそれよりも熱伝導率が大きい熱伝導部材とからなり、前記熱伝導部材が固体酸化物形燃料電池セルと電気的に絶縁して配置されていることを特徴とする。

これによれば、複数の燃料電池セルからなるバンドルを基本単位とし、複数個のバンドルを組み合わせて燃料電池モジュールとした固体酸化物燃料電池において、燃料電池セルの長尺方向に温度差が生じるのを抑制することができる。

更に、本発明は、固体電解質を挟んで燃料極と空気極を有する固体酸化物形燃料電池セルをセル接続部材により複数接続したセル集合体と、複数のセル集合体の間を仕切る電気絶縁性の仕切り部材と、複数のセル集合体を電気的に接続する集電板と、セル集合体を形成している複数の固体酸化物形燃料電池セルの少なくとも１つと仕切り部材との間に配置されてセル集合体を支持するセル集合体支持部材とを具備し、これらがガス気密壁の内部に収納されている固体酸化物形燃料電池において、前記仕切り部材のうちでセル集合体支持部材と接触する部分が熱伝導部材をその両側から繊維状の金属材料を集成してなる金属フェルトで挟み、更にその両側から電気絶縁部材で挟んで構成され、それ以外の部分が前記熱伝導部材で構成されていることを特徴とする。

これによれば、燃料電池モジュールにおけるセル長尺方向の温度差抑制の効果に加えて、高温運転時における電気絶縁部材と熱伝導部材の熱伸び差に起因する応力や、製造時に加わる荷重を緩衝する作用が得られ、燃料電池セルがより一層破損しにくくなるという利点がある。

本発明の固体酸化物形燃料電池は、仕切り部材の一部を構成する熱伝導部材の熱伝導により、燃料電池セルの長尺方向の温度差発生が抑制される。これにより、燃料電池セルが破損しにくくなる。

本発明による燃料電池セル長尺方向の温度差低減効果は、仕切り部材の一部分を占める熱伝導部材の熱伝導を利用している。仕切り部材の熱伝導を利用した温度差低減は、円筒型の固体酸化物形燃料電池の場合に特に顕著に発揮される。円筒型の固体酸化物形燃料電池セルは、図１に断面図を示したように、燃料電池セル１が有底筒状のセラミックチューブになっている。燃料電池セル１の断面は多層円筒状で、空気極２、固体電解質３、燃料極４の各層が積層されている。これらの各層は、それぞれ必要な機能すなわち導電性、通気性、電気化学触媒性などを有する酸化物を主成分としたセラミックス材で形成されている。また、燃料電池セル１の外側面には、空気極２と電気的に接続されたインターコネクタ６が設けられており、セルの外部から空気極２に電気接続するのに用いられる。燃料電池セル１の内側に空気や酸素などの酸化剤ガスを流し、外側に水素やメタンなどの燃料ガスを流すと、酸素イオンが空気極２から固体電解質３を介して燃料極４に移動し、燃料極４において燃料および電子と結合する発電反応が生じる。この際、空気極２と燃料極４との間に電位差が生じて発電が行われる。なお、酸化剤ガスの供給は、燃料電池セル１の内側に挿入された空気導入管５を介して行われる。

燃料電池セルの一本の出力は限られているため、実際の固体酸化物形燃料電池では、図２に示すように、燃料電池セルを複数本集合させて使用する。通常は、複数の燃料電池セル１からなるバンドル１０を基本単位とし、複数個のバンドル１０を組み合わせて燃料電池モジュール２０が構成される。

バンドル１０は、複数の燃料電池セル１をセル接続部材７で電気的に接合して形成されたものである。セル接続部材７は、燃料電池セル１のインターコネクタ６や、燃料極２に接触するように設置されている。セル接続部材７は、燃料電池セル１同士を電気的に接続する役割のほか、高温運転時や製造時に、燃料電池セル１に加わる荷重を緩衝して、燃料電池セル１が破損するのを防止する役割も果たしている。そのため、セル接続部材７の材料には、電気伝導性を有し、また、板状の金属などに比較して柔らかい材質であるニッケルフェルトなどが用いられる。

本実施例では、バンドル１０が１２本の燃料電池セル１を電気的に２並列×６直列に配置した構成になっているが、用途に応じて、例えば３並列×３直列や１並列×６直列など、それ以外の構成であってもかまわない。バンドル１０同士の間には仕切り部材３０が配置され、バンドル同士が電気的に短絡するのが防止される。また、仕切り部材３０とバンドル１０の間、あるいは断熱兼電気絶縁部材２２とバンドル１０との間にはバンドル支持部材８が設置され、バンドル１０の位置がずれるのが防止される。バンドル支持部材８には、燃料電池セル１に加わる荷重を緩衝する目的で、セル接続部材７と同様にニッケルフェルトが用いられることが多い。

燃料電池モジュール２０は、複数個のバンドル１０を電気的に直列、あるいは並列に接続して構成される。実施例では３個のバンドル１０が集電板１１を介して直列に接続配置されており、外部電極１２を介して、電力が外部に供給されている。

燃料電池モジュール２０では、ガス気密壁２１により燃料電池モジュール２０の内部のガスが外部に漏洩するのを防止する。また、断熱兼電気絶縁部材２２により、燃料電池モジュール２０から外部への放熱を抑制するとともに、バンドル１０あるいは集電板１１あるいは外部電極１２が、ガス気密壁２１と電気的に短絡するのを防止する。

ところで、固体酸化物形燃料電池では、既に述べたように、発電反応に伴い燃料電池セルで熱が発生するので、燃料電池セルの温度は、投入された酸化剤ガスや燃料ガスよりも高温となる。

一般的な燃料電池セル１は、図３に示すように、燃料ガスが下方より導入され、また酸化剤ガスは、燃料電池セル１に内挿された空気導入管５を介して上方からセル下端に向けて導入され、セル下端部で燃料電池セル１内に放出された後、上方に向かって流れる。酸化剤ガスや燃料ガスよりも高温となった燃料電池セル１からは、燃料電池セル１の内部および外部を流れるガスに向けて熱が放出される。特にセル下端およびセル上端では、導入された燃料ガスおよび酸化剤ガスによる冷却効果が強く働き、他の部位に比べて温度が低くなりやすい。そのため燃料電池セル１には長尺方向に温度分布が生じ、燃料電池セル１の下端部および上端部が低温になり、中間部分が高温になる。さらに、燃料電池セル１は、セラミックス系の材料で構成されているため、温度差があっても熱が伝わりにくい。そのため燃料電池セル１の長尺方向の温度差は解消されにくい。

このような温度差にともない、燃料電池セル１には熱応力が発生する。比較的強い機械的強度を有する円筒型の燃料電池１においても、温度差が大きい場合には熱応力によりセルが破損する恐れがある。

一方、固体酸化物形燃料電池の作動温度には適正範囲がある。温度が低すぎると発電反応が進行せず、温度が高すぎると発電電圧が低下して出力が下がり、また材料の劣化も著しくなる。そのため、固体酸化物形燃料電池では、燃料電池セルの温度を適正範囲内に抑える必要がある。

更に、複数の燃料電池セルを集合させた燃料電池モジュールでは、モジュール外部への放熱のため、モジュールの中央部付近に配置された燃料電池セルの温度は高く、モジュールの外周部付近に配置された燃料電池セルの温度は低くなる。このような燃料電池モジュールにおいても、個々の燃料電池セルの温度を適正範囲に収める必要がある。

しかし、燃料電池セルの長尺方向に大きな温度差があると、モジュールの中央部付近、あるいは外周部付近に配置された燃料電池セルの一部分の温度が、適正温度範囲外になる恐れがあり、モジュールを構成する全ての燃料電池セルの温度を適正範囲内に収めることが困難となる。燃料電池セルの温度が適正範囲から外れた状態で運転すると、所定の出力が得られずにシステム全体の効率が低くなるのに加え、セルの劣化が著しく進むため、寿命も短くなってしまう。

以下に示す本発明の実施例によれば、燃料電池セルの長尺方向に温度差が生ずるのが抑制され、上記の問題が解消される。但し、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。

図４は、本発明に係る固体酸化物形燃料電池の横断面図である。図５は、図４のＡ−Ａ矢視図である。本実施例は、図２に示す従来の一般的な固体酸化物形燃料電池と比較して、仕切り部材３０の構成に特徴がある。仕切り部材３１は、電気絶縁性を有する板状の電気絶縁部材４１と、電気絶縁部材４１よりも熱伝導率が高い、板状の熱伝導部材５１とから構成されている。熱伝導部材５１は、二枚の電気絶縁部材４１に挟まれるように配置され、これによりバンドル１０と接触しないようにしている。

仕切り部材における電気絶縁部材４１には、電気絶縁性を有し、耐熱性にすぐれたセラミックス系の材料や、マイカ材などを用いることが望ましい。また、熱伝導部材５１には、ニッケル板あるいはニッケルフェルトなどを用いることが望ましい。ただし、熱伝導率が高く、融点が運転時のシステムの最高温度よりも高温（１２００℃程度以上）であれば、他の材料、例えば金属材や合金材、金属フェルト材などを熱伝導部材５１に用いてもかまわない。

熱伝導部材５１が電気絶縁部材４１に接触する部位に金属フェルト材を用いると、それぞれの部材の熱伸び差に起因する応力や、製造時に加わる荷重を緩衝するが、金属フェルトにより緩衝されるため、仕切り部材３１が破損しにくくなる利点がある。

熱伝導部材５１には金属を用いることが好ましいが、一般に金属は電気絶縁性を有していない。本実施例の仕切り部材は、熱伝導部材５１を、その両側面から電気絶縁部材４１で挟んでいるので、バンドル１０同士の電気的な短絡を防止することができる。また、このような構成の仕切り部材３１は、図２に示した電気絶縁部材のみからなる仕切り部材３０にくらべて、熱を伝えやすい性質を持っていて、燃料電池モジュール２０内に生じる温度差を小さくする働きを持つ。そのため、電気絶縁部材のみで仕切り部材を形成している従来の固体酸化物形燃料電池にくらべて、燃料電池セル１の長尺方向の温度差が小さくなる。詳細について図５を用いて説明する。

一般に、物体に温度差がある場合、熱伝導による熱移動が物体の温度差を小さくする作用を持つ。固体酸化物形燃料電池においても、燃料電池セル１に長尺方向の温度差が生じると、燃料電池セル１内で、温度の高い方から低い方に熱が移動する。しかし、燃料電池セル１は金属材料などに比べて熱伝導率の小さいセラミックス系の材料で形成されているため、熱移動量はそれほど大きくなく、燃料電池セル１内での熱移動による温度差低減の効果はあまり大きくない。これが固体燃料電池セル１で大きな温度差が生じてしまう本質的な要因の一つであった。

ところで、燃料電池セル１は、外部にある部材、例えばセル接続部材７やバンドル支持部材８と熱を交換する。また、燃料電池セル１は、外部を流れる外部ガス流れ６０とも熱を交換し、さらには、これらの外部部材や外部ガス流れ６０と接している仕切り部材３１などとも間接的に熱を交換する。燃料電池セル１とこれらの外部部材あるいは外部ガス流れ６０は近接しているため、燃料電池セル１の長尺方向に座標軸をとったときの、同一座標における燃料電池セル１、外部ガス流れ６０、セル接続部材７、バンドル支持部材８、仕切り部材３１の温度差は小さく、せいぜい数℃程度である。

このような系においては、燃料電池セル１以外の部材による熱伝導で、系全体の長尺方向の温度差が低減されることが期待される。実際、従来の固体酸化物形燃料電池においては、他の構成部材に比べて高い熱伝導率を有するニッケルフェルトを材料としたセル接続部材７やバンドル支持部材８が、この役割を担っている。ただし、これらの部材の熱伝導による温度差低減効果だけでは不十分である。

本発明では、仕切り部材３１の一部を構成する熱伝導部材５１が、燃料電池セル１の長尺方向に生じた温度差を、熱伝導により低減する効果を持つ。したがって、燃料電池セルの長尺方向の温度差を小さくすることができる。なお、この温度差低減の効果は、熱伝導部材５１の板厚を厚くするほど大きくなるので、燃料電池セル１の長尺方向の温度差が所望の値となるように板厚を選ぶことが好ましい。

本発明において、仕切り部材中の熱伝導部材５１は、燃料電池セルの長尺方向に連続して存在するようにするのが好ましい。複数の短い熱伝導部材を燃料電池セルの長尺方向に断続的に配置していくことも可能ではあるが、前述のように熱伝導部材の役割は燃料電池セルの長尺方向に生じた温度差を熱伝導により低減することにあるから、セルの長手方向に連続して配置することが好ましい。

なお、本実施例の変形例として、線材または棒状の形をした熱伝導部材を、電気絶縁部材で挟み込むようにして、仕切り部材を構成することも可能である。

図６は、本発明の他の実施例に係る固体酸化物形燃料電池の横断面図である。本実施例では、仕切り部材３２の大部分は熱伝導部材で形成し、バンドル支持部材８と接触する部分を、電気絶縁部材と熱伝導性を有する金属フェルトと板状の熱伝導部材により形成した。これ以外の構成は、実施例１に示した固体酸化物形燃料電池と同一である。

本実施例の仕切り部材３２は、電気絶縁部材４２と二種類の熱伝導部材５２０、熱伝導部材５２１とから構成されている。熱伝導部材５２０にはバンドル支持部材８と接する部位に溝が設けてあり、その溝に、繊維状の金属材料を集成して形成された金属フェルト製の熱伝導部材５２１および電気絶縁部材４２を組み込むことで、仕切り部材３２が構成されている。

電気絶縁部材４２には、電気絶縁性を有し、耐熱性にすぐれたセラミックス系の材料や、マイカ材などを用いることが望ましい。また、熱伝導部材５２０には、熱伝導率の高い金属材あるいは合金材を用いることが望ましい。

本実施例の仕切り部材３２は、柔構造を持つ金属フェルト製の熱伝導部材５２１により、電気絶縁部材４２と熱伝導部材５２０の熱伸び差による応力が緩衝される。これにより、仕切り部材３２の破損が抑制される利点がある。

また、本実施例の仕切り部材３２は、バンドル支持部材８と接触する部位に電気絶縁部材４２が配置されるので、バンドル１０と熱伝導部材５２１あるいは熱伝導部材５２０が短絡するのが防止される。

本実施例では、仕切り部材３２の厚みが実施例１に示した仕切り部材３１と同じ場合に、実施例１にくらべて、熱伝導部材の厚みを大きくとれるため、燃料電池セル１の長尺方向の温度差を低減する効果が大きい。

円筒型の固体酸化物形燃料電池セルの一例を示す横断面図である。一般的な固体酸化物形燃料電池の横断面図である。円筒型の固体酸化物形燃料電池セルの縦断面と温度分布の概況を示す図である。本発明の実施例に係る固体酸化物形燃料電池の横断面図である。本発明の作用を説明する固体酸化物形燃料電池セルの縦断面図である。本発明の他の実施例に係る固体酸化物形燃料電池の横断面図である。

符号の説明

１…燃料電池セル、２…空気極、３…固体電解質、４…燃料極、５…空気導入管、６…インターコネクタ、７…セル接続部材、８…バンドル支持部材、１０…バンドル、１１…集電板、１２…外部電極、２０…燃料電池モジュール、２１…ガス気密壁、２２…断熱兼絶縁部材、３０…仕切り部材、３１…仕切り部材、３２…仕切り部材、４１…電気絶縁部材、４２…電気絶縁部材、５１…熱伝導部材、５２０…熱伝導部材、５２１…熱伝導部材、６０…外部ガス流れ。

Claims

電気絶縁性を有する仕切り部材を挟んで両側に固体酸化物形燃料電池セルを備え、前記仕切り部材の両側のセル同士が集電板によって電気的に接続されている構造の固体酸化物形燃料電池において、前記仕切り部材は、電気絶縁性を有する電気絶縁部材と前記電気絶縁部材よりも熱伝導率が大きい熱伝導部材とを具備し、かつ、前記熱伝導部材を、その両側面から前記電気絶縁部材で挟んで構成され、前記熱伝導部材は、前記固体酸化物形燃料電池セルと電気的に絶縁して配置され、かつ、前記固体酸化物形燃料電池セルの長尺方向に連続して配置されていることを特徴とする固体酸化物形燃料電池。
請求項１において、前記仕切り部材は、板状であることを特徴とする固体酸化物形燃料電池。
請求項１または２に記載の固体酸化物形燃料電池において、前記熱伝導部材は、その一部あるいは全部が、繊維状の金属材料を集成して形成された部材からなることを特徴とする固体酸化物形燃料電池。
固体電解質を挟んで燃料極と空気極を有する固体酸化物形燃料電池セルをセル接続部材により複数接続したセル集合体と、複数の前記セル集合体の間を仕切る電気絶縁性の仕切り部材と、前記仕切り部材の両側のセル集合体同士を電気的に接続する集電板を具備し、これらがガス気密壁の内部に収納されている固体酸化物形燃料電池において、前記仕切り部材は、電気絶縁性を有する電気絶縁部材と前記電気絶縁部材よりも熱伝導率が大きい熱伝導部材とを具備し、かつ、前記熱伝導部材を、その両側面から前記電気絶縁部材で挟んで構成され、前記熱伝導部材は、前記固体酸化物形燃料電池セルと電気的に絶縁して配置され、かつ、前記固体酸化物形燃料電池セルの長尺方向に連続して配置されていることを特徴とする固体酸化物形燃料電池。
固体電解質を挟んで燃料極と空気極を有する固体酸化物形燃料電池セルをセル接続部材により複数接続したセル集合体と、複数の前記セル集合体の間を仕切る電気絶縁性の仕切り部材と、複数の前記セル集合体を電気的に接続する集電板と、前記セル集合体を形成している複数の前記固体酸化物形燃料電池セルの少なくとも１つと前記仕切り部材との間に配置されて前記セル集合体を支持するバンドル支持部材を具備し、これらがガス気密壁の内部に収納されている固体酸化物形燃料電池において、前記仕切り部材は、電気絶縁性を有する電気絶縁部材と前記電気絶縁部材よりも熱伝導率が大きい熱伝導部材とを具備し、かつ、前記熱伝導部材を、その両側面から前記電気絶縁部材で挟んで構成され、前記熱伝導部材は、前記固体酸化物形燃料電池セルと電気的に絶縁して配置され、かつ、前記固体酸化物形燃料電池セルの長尺方向に連続して配置されていることを特徴とする固体酸化物形燃料電池。
前記バンドル支持部材は、ニッケルフェルトで形成されていることを特徴とする請求項５記載の固体酸化物形燃料電池。
前記仕切り部材のうちで前記バンドル支持部材と接触する部分は、熱伝導部材と金属フェルトと電気絶縁部材とにより構成され、前記バンドル支持部材は、前記電気絶縁部材に接していることを特徴とする請求項５又は６に記載の固体酸化物形燃料電池。
請求項１〜７のいずれか１つにおいて、前記固体酸化物形燃料電池セルが円筒型のセルであることを特徴とする固体酸化物形燃料電池。