JP4920958B2 - 固体酸化物形燃料電池及びその製作方法 - Google Patents

Description

本発明は、固体酸化物形燃料電池とその製作方法に関する。さらに詳しくは、単セルを複数本接続して集合化したバンドル構造、あるいはバンドルをさらに集合化したモジュール構造を有する固体酸化物燃料電池とその製作方法に関する。

燃料電池は、電解質を挟んでアノード（燃料極）およびカソード（空気極）を備え、アノード側には燃料ガスを、カソード側には酸化剤ガスを供給し、電解質を介して燃料と酸化剤を電気化学的に反応させることにより発電する装置である。燃料電池には、電解質が主にプロトン（Ｈ^＋）を通すものと、酸化物イオン（Ｏ^２−）を通すものがある。ここでは、酸化物イオンを通す固体酸化物形燃料電池(以下ＳＯＦＣ：Solid Oxide Fuel Cellと略す)を対象とする。

ＳＯＦＣは、酸化物イオンの伝導性を高めるために運転温度が６００〜１０００℃と高温になる。高温で電極反応が早くなるために電極材料として貴金属を使う必要がない。また、高温の排熱は、たとえば炭化水素系燃料の改質に必要な吸熱反応に供給できる。さらに、排熱は冷熱及び蒸気としても有効利用でき、熱・電気併用システムばかりでなく、ガスタービンなど他のシステムとのハイブリッドシステムを形成し易いなどの特徴を有する。

しかし、電池構成材料間に熱膨張差があると、運転温度に加熱されたときにシール部に隙間ができて燃料ガスのバイパス流路が形成され、また、集電極とモジュールとの接触状態が悪くなって電池性能が低下する恐れがある。この対策として、特許文献１には、集電板とセルの接触状態を良好に保つための押し付け機構を設けることが記載されている。また、特許文献２には、電池容器の線膨張係数をセル集合体全体の線膨張係数よりも小さくして、熱膨張差を利用してバイパス流路の形成を防止することが記載されている。特許文献３には、セルとセルの間に加熱により膨張する多孔体よりなるスペーサを配置することが記載されている。

特開平８−１６２１４６号公報（要約） 特開２００２−５６８８１号公報（要約） 特開平６−３４９５１６号公報（要約）

特許文献１に記載の押し付け機構を用いる方法は、セルと集電板との接触状態を良好に保つことはできるが、電池構造が大型化しやすい。また、特許文献２に記載の方法は、昇降温の繰り返しにより構成材料に塑性変形が生じた場合に、その後、密接力が損なわれる可能性がある。特許文献３には、電池容器とセル集合体との間の燃料バイパス流路形成防止に関しては記載されていない。

本発明の目的は、電池構成材料間の熱膨張差により燃料のバイパス流路が形成されるのを、電池内構成部材間の密接力を高めることによって抑制し、この密接力が昇降温を繰り返しても維持でき、しかも、電池構造を大型化することなく達成できるようにした固体酸化物形燃料電池及びその製作方法を提供することにある。

本発明は、複数のセルを電気的に接続してなるセル集合体の端部に集電極を配し、これらを電池容器に収納した固体酸化物形燃料電池において、電池容器と集電極との間に、復元力を有する断熱部材を、圧縮力を加えた状態で配置したことを特徴とする。

また、複数のセルを電気的に接合してなるセル集合体の端部に集電極を配し、これらを電池容器に収納するようにした固体酸化物形燃料電池の製作方法において、セル集合体と集電極を電池容器に収納する際に、集電極と電池容器の間に復元力を有する断熱部材を圧縮させて介在させるようにしたことを特徴とする。

本発明によれば、断熱部材の復元力によって、電池構成部材間の接触状態が常に良好に保持される。これにより、電池構成材料の熱膨張差によって燃料のバイパス流路が形成されるのを抑制できる。

本発明によれば、燃料ガスのバイパス流路の形成が抑制されることから、燃料を有効に利用できるという効果が得られる。また、断熱部材の復元力を利用して電池構成材料間に圧縮力を発生させるものであるから、電池構造が大型化することもない。また、セル周辺に供給した燃料ガスが有効に消費されるようになるため発電効率を高めることができる。さらに、電池の起動、定格、停止に至る一連の操作における直並列の電気的な接触状態を有効に保ち、出力損失を抑制できる。

以下、図面を用いて本発明の実施例を説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

図１は、本発明の実施例によるＳＯＦＣのモジュール部を模式的に示した概略縦断面図である。ＳＯＦＣモジュール部は、燃料電池の構成要素であるセル１をバンドル化して収納した電池容器１３と、電池昇温用のアノードバーナー８を備えたアノード容器１４と、空気ヘッダー１０を備えたカソード容器１２からなる。

セル１は、円筒形で下端が袋管状の固体電解質の内側にカソードを備え、外側にアノードを備えたものからなる。カソードには、カソード容器１２の空気ヘッダー１０に接続された空気導入管２が挿入されている。また、アノード側は補助電極材３を介してセルとセルが接合されバンドルを形成している。バンドル化したセルは、下部支持体９の上に設置されている。バンドルの両端の補助電極材３は、電気を取り出すための集電体７の付いたバンドル集電極４と電気的に接合されている。ＳＯＦＣモジュールは、バンドル集電極４の外周に電気絶縁材５、及び電池容器１３で圧縮力を付加した断熱部材６を配置して構成している。

モジュールの起動時には、発電可能な温度になるまでアノードバーナー８に配管１５から炭化水素系燃料ガスを供給し、配管１６から空気を供給して燃焼させ昇温する。燃焼排ガスは、カソード容器１２の上部に設けた排気口１７から排出される。なお、図１では省略したが排気口１７から排出された熱は回収されて、有効に利用される。ＳＯＦＣモジュールは、発電可能な約６００℃の温度に達すると、アノード側への空気供給を停止し、徐々に発電を開始して、電池反応により温度が８００℃〜１０００℃となって定格運転となる。

ＳＯＦＣは運転温度が高いため、電池容器１３とバンドルとの熱膨張差によりバンドル集電極４と電気絶縁材５、あるいは電気絶縁材５と断熱部材６の間に隙間を生じて、燃料ガスのバイパス流路が形成されやすく、また、補助電極材３とバンドル集電極４の接触不良を生じ易い。しかし、本実施例ではこの問題を、室温と運転温度との間で昇降温を繰り返しても弾性変形を繰り返す断熱部材６を適用し、予め所定の圧縮力を加えて配置しておくことで解決した。

図２は、本実施例によるモジュールの組立て方法と運転による伸縮挙動を示したものである。図２の（Ａ）には、セル１を二並列×四直列の集合化したバンドル２１を、バンドル間集電板２２を挟んで二直列とし、両端にバンドル集電極４、電気絶縁材５及び断熱部材６を配し、その周囲を電流の流れる方向と直交する位置に二分割した電池容器１３で囲んだ状況を示す。（Ｂ）には、電池容器１３の二分割した面が合わさるように外部から押し圧を加え、押し圧を加えたまま合わせ面を溶接し接合部２３を形成して組立てた状況を示す。（Ｃ）は電池を定格運転した時の熱膨張量を示したもので、（Ｂ）の室温での組立て位置よりもバンドル２１がαだけ伸び、さらにバンドル集電極４、電気絶縁材５、断熱部材６及び電池容器１３の全体でβだけ膨張した状況を示す。一般に、バンドルの熱膨張量αよりも電池容器の熱膨張量βが大きいために（Ｂ）で付加した圧縮力が減少する。しかし、ここでは断熱部材６の復元力により押し圧が維持される。この断熱部材６の弾性挙動により、バンドルの補助電極材３とバンドル集電極４の間で押し圧が維持され、電気的な接合が良好に保たれると共に、両部材間で拡散接合が進み、その後の繰り返し運転停止で押し圧が減少しても電気的な機能が維持される。さらに断熱部材６の弾性挙動は、バンドル集電極４と電気絶縁材５や電池容器１３との間に隙間を生じるのを抑制し、燃料のバイパス流路の形成を防止する効果も有する。電池の運転を停止して室温まで冷却した時のモジュールは、（Ｄ）に示すようにバンドルと電池容器が収縮する。また、バンドル集電極４や電気絶縁材５の塑性変形により、（Ｂ）の組立て時の押し圧よりは低くなるが、断熱部材６の弾性が維持されるため、その影響は小さい。

図３にモジュール組立て後の横断面を示す。総数八体のバンドル２１は、図４で後述するバンドル間集電板２２を介して電流の流れる方向に二体のバンドルが直線的に接続され、さらにバンドル集電極４で電流が折り返すように接続されている。電気的な短絡を防ぐため、バンドルを挟み込むように電流の流れ方向に沿ってマイカ製の電気絶縁材５が取り付けられている。その周囲を断熱部材６ａで取り囲み、電池容器１３に収納している。電池容器１３の材質は、バンドル全体での線膨張係数と同じか或いは小さいものが望ましく、ほぼ一致するものが最も望ましい。線膨張係数がほぼ一致する材質として、クロム−鉄合金が良好であり、ここでは、２２重量％クロム−鉄合金を用いた。

電池容器１３は電流の流れと交差する方向に二分割されており、組立て時に外部から押し圧を加えて断熱部材６ａに圧縮力を付加したまま溶接し、密封したものである。ここで、外部から過大な押し圧や、円筒セルの長手方向に不均一な押し圧が加わると、セルに局所的な応力集中が生じて破壊する可能性がある。特に、バンドル間集電板２２やバンドル集電極４が剛体の場合には、バンドル補助電極材の凹凸によってもセルに局所的な応力集中を生じることがある。

この局所的な応力集中を防止するためには、バンドル間集電板あるいはバンドル集電極にスリットを設けることが望ましい。図４はバンドル間集電板２２にスリットを設けて長手方向に容易に変形可能な構造としたものである。但し、これは一例であり、限定されるものではない。図４のバンドル間集電板２２は、Ｎｉ板を二つ折りにしたものであり、折り曲げ方向と交差する方向に多数のスリットを設け、折り曲げた内側に断熱部材６ｂを挟み込んだものである。スリット形状は三種類とした。スリット４１は、折り曲げた部分に設けたスリットで、Ｎｉ板の機械的な強度と折り曲げによる強度増加分を考慮しても容易に変形可能なようにスリットの長さと幅、および員数を決定した。また、スリット４２およびスリット４３は、バンドル補助電極材との接触面に設けたスリットである。長手方向の変形の容易さに加え、特にスリット４２については、バンドル補助電極材との熱膨張差で生じる応力を、バンドル間集電板２２の変形により吸収できるようにスリット幅を広げてある。バンドル間集電板に設けたスリットは、いずれも電気的な影響が許容できる範囲で、しかもセルの破壊強度より十分に低い荷重で変形可能なようにスリット長さ、幅、員数が決定される。また、折り曲げた内部に挟み込んだ断熱部材６ｂには、電池組立て時の押し圧で圧縮力が保持される。断熱部材６ｂの圧縮力の復元により、バンドル補助電極との電気的な接触を良好に保つことが可能となる。

一方、バンドル間集電板２２に断熱部材６ｃを挟み込むことをせずに装着すると、電池運転時に６００〜１０００℃の高温に曝され接触面で融着を起こし、停止時の降温でバンドルが熱収縮した際にバンドル補助電極材との間に接合不良が生じ、運転再開時に電気的な接合が損なわれる可能性がある。断熱部材６ｂの挟み込みは、高温での融着防止の効果も有している。

断熱部材６ａ，６ｂは、室温で付加した圧縮力が運転温度および室温との繰り返し温度履歴が加わっても維持され、常に復元力を発揮できるものであれば良い。また、加熱すると膨張する部材であれば、なお良い。このような材料としてはアルミナを含んだセラミックファイバーがある。ここでは、アルミナとシリカを主成分とするセラミックファイバー製のフェルトを使用した。図５には、セラミックファイバー製フェルトにある程度の押し圧を加え、取り除いた時の圧縮応力と変位の関係を模式的に示した。なお、圧縮応力と変位の関係は、繰り返し圧縮応力を加えた場合、さらに大気中および還元雰囲気中で１０００℃までの熱履歴を加えても良好に再現された。前記した断熱部材を電池容器と集電極の間、あるいはバンドル間の集電板に挟み込み、電池容器の溶接組立て時に圧縮力を付加することにより、その復元力で運転時の燃料ガスのバイパス流を抑制できるほか、電気的な接合を良好に保つことが可能となる。

本発明の実施例によるＳＯＦＣのモジュール部の模式的な縦断面図である。 モジュールの組立て方法と運転による伸縮挙動を示した図である。 本発明の実施例を説明するための模式的な横断面図である。 バンドル間集電板の構造の一例を示した斜視図である。 断熱部材の応力と変位の関係を示した図である。

符号の説明

１…セル、２…空気導入管、３…補助電極材、４…バンドル集電極、５…電気絶縁材、６…断熱部材、７…集電体、８…アノードバーナー、９…下部支持体、１０…空気ヘッダー、１２…カソード容器、１３…電池容器、１４…アノード容器、１５…配管、１６…配管、１７…排気口、２１…バンドル、２２…バンドル間集電板、２３…接合部、４１…スリット、４２…スリット、４３…スリット。

Claims (8)

1. 複数のセルを電気的に接合してなるセル集合体の端部に集電極を配し、これらを電池容器に収納した固体酸化物形燃料電池において、前記電池容器は電流の流れ方向と交差する方向に複数個に分割部を有し、前記電池容器は前記セル集合体と前記集電極を収容し、かつ前記集電極と前記電池容器の間に復元力を有する断熱部材を前記電池容器に押し圧を加えて前記断熱部材に圧縮力を付加し圧縮させた状態で、電池容器の前記分割部を接合して密封したことを特徴とする固体酸化物形燃料電池。
2. 請求項１において、前記集電極が導電手段と可撓手段、復元手段、融着防止手段を有することを特徴とする固体酸化物形燃料電池。
3. 請求項１又は２において、前記集電極と前記電池容器の間及び電気の流れが対向するセル集合体の間に電気絶縁材が備えられ、前記電気絶縁材の前記集電極側と前記電池容器側の少なくとも一方に前記断熱部材が設けられていることを特徴とする固体酸化物形燃料電池。
4. 請求項３において、前記電気絶縁材がマイカ板で形成されていることを特徴とする固体酸化物形燃料電池。
5. 請求項１において、前記集電極が金属板を二つに折り曲げたものからなり、折り曲げられた板の内側に可撓性、融着防止性及び復元力を有する断熱部材が圧縮力を加えた状態で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。
6. 請求項５において、前記集電極にスリットが形成されていることを特徴とする固体酸化物形燃料電池。
7. 複数のセルを電気的に接合してなるセル集合体の端部に集電極を配し、これらを前記電池容器に収納するようにした固体酸化物形燃料電池の製作方法において、前記電池容器を電流の流れ方向と交差する方向に複数個に分割し、前記セル集合体と前記集電極を前記電池容器に収納する際に、前記集電極と前記電池容器の間に復元力を有する断熱部材を圧縮させて介在させ、前記分割された電池容器を最終的に接合して密封するものであって、前記電池容器の外部から押し圧を加えて前記断熱部材に圧縮力を付加し、この状態で接合を行うようにしたことを特徴とする固体酸化物形燃料電池の製作方法。
8. 請求項７において、前記セル集合体を、複数個のセルを接続してバンドル化したものを間に集電板を挟んで更に複数個接合することにより形成し、前記集電極を一枚の金属板を二つに折り曲げて形成し、折り曲げた内側に復元力を有する断熱材を圧縮させて配置し、この状態で前記電池容器に収納するようにしたことを特徴とする固体酸化物形燃料電池の製作方法。

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