JP5099578B2

JP5099578B2 - 固体酸化物型燃料電池

Info

Publication number: JP5099578B2
Application number: JP2006240096A
Authority: JP
Inventors: 俊哉阿部; 健斎藤; 幸作藤永; 元泰宮尾; 大白濱
Original assignee: Toto Ltd
Current assignee: Toto Ltd
Priority date: 2006-09-05
Filing date: 2006-09-05
Publication date: 2012-12-19
Anticipated expiration: 2026-09-05
Also published as: JP2008066022A

Description

本発明は、固体酸化物型燃料電池に係り、特に複数の燃料電池セルを集電部材で電気的に接続した固体酸化物型燃料電池スタックの接続方法に関する発明である。

固体酸化物型燃料電池とは、異なった成分のセラミック材料を空気極、電解質および燃料極として積層して作られた燃料電池セルから構成され、約７００℃から１０００℃で最も効率的に発電するタイプの燃料電池である。特に、燃料電池セルの形状が円筒形のものを円筒形固体酸化物型燃料電池という。
従来の代表的な円筒形固体酸化物型燃料電池の一例を図７、図８に示す。図７は燃料電池モジュールの断面図、図８はモジュール内部での複数の燃料電池スタックの接続方法を示す図である。
燃料電池モジュールは、金属壁１３に複数の燃料電池セル１がセル集電部材２で電気的に接続された状態で配置され、さらに燃料電池セル１及びセル集電部材２と金属壁１３との間には絶縁部材１２が配設されている。
燃料電池セル１の開口部付近には仕切り板６が取付けられおり、この仕切り板６を挟んで、燃料電池セル１の封止端側を発電室８、燃料電池セル１開口側を燃焼室９としている。
燃料供給管１４により供給された燃料ガスは、発電室８の下方に位置する燃料分散室１１で効果的に分散されて燃料分散板１６を通過して発電室８に入り、各燃料電池セル１の外表面に接触しながら上方の仕切り板６に向かって流れる。
一方空気は、空気供給管１５から空気分配器７に供給されて効果的に分散された後、燃料電池セル１の内側に挿入された導入管１０を通じて燃料電池セル内部に導入され、燃料電池セル１の内表面に接触する。
このように構成された固体酸化物型燃料電池を７００〜１０００℃程度の作動温度まで昇温すると、燃料電池セル１の内側の空気極側から燃料電池セル１の外側の燃料極側にＯ^２-イオンが移動して電気化学的反応が起こり、発電が行われる。発電の際に生成された水蒸気および未反応燃料ガスはある適正な圧力損失と通気機能を持った仕切り板６を通過して燃焼室９に入る。また、燃料電池セル１の内部で未反応の空気も燃焼室９に入る。水蒸気及び未反応燃料ガスと未反応空気とが燃焼室９で混合され、着火燃焼後に排ガスダクト１７から排出される。仕切り板６は適正な圧力損失を持つため、燃焼室９内のガスが発電室８に逆流するのを防いでいる。金属壁１３の外周には断熱材１８が配置され、発電室８内の温度を高温に維持するとともに、放熱によるエネルギーロスを防いでいる。
燃料電池モジュール内部では、複数の円筒形の燃料電池セル１はセル集電部材２により電気的に接続され、両端部のセルには端部集電部材３が取り付けられ、所定の発電容量を持つ燃料電池スタック４を構成している。さらに、複数の燃料電池スタック４は、端部集電部材３とスタック接続部材５と接続することにより電気的に接続され、燃料電池システムとして所望される電気容量を確保している。

このような固体酸化物型燃料電池の構成では、燃料電池セル１、仕切り板６、導入管１０、絶縁部材１２、燃料分散板１６などはセラミック系材料、金属壁１３、セル集電部材２、端部集電部材３、スタック接続部材５、空気分配器７、燃料供給管１４、排ガスダクト１７などはインコネル、ステンレス、ニッケルなどの耐熱金属材料を使用することが一般的である。

さらに、固体酸化物型燃料電池の運転時には、燃料電池セル１、セル集電部材２、端部集電部材３、スタック接続部材５はそれぞれ電気的な接触を維持するため、押圧が掛けられた状態で７００〜１０００℃程度の温度にさらされる。そのため、燃料電池セル１とセル集電部材２、あるいはセル１と端部集電部材３、あるいは端部集電部材３とスタック接続部材５は発電運転後は焼結することとなる。すなわち、運転後の固体酸化物型燃料電池では、燃料電池セル１、セル集電部材２、端部集電部材３、スタック接続部材５等が焼結し、一体化された状態となる。
しかし、燃料電池システムの長いライフサイクルの過程では、多数ある燃料電池セルの一部において性能が低下したり、なんらかの外因により一部の燃料電池セルが破損する可能性があり、この場合、劣化または破損した燃料電池セルあるいは燃料電池スタックのみを交換し、健全な燃料電池セルあるいは燃料電池スタックは再利用することが望まれる。

従来、燃料電池スタックの交換に関しては、向かい合う燃料電池スタックの端部の集電板同士を合わせて端縁部を溶接接続する、あるいは燃料電池スタックの端部の集電板同士を別のスタック接続部材を介して溶接接続し、スタック交換の必要に応じて溶接部を切断する方法が提案されている。（例えば、特許文献１参照）
しかしながら、燃料電池運転後には集電板同士、あるいは集電板とスタック接続部材とが焼結してしまうため、運転後にそれぞれのスタックを元の状態で取り扱うことはできなかった。
また、交換の際には端部の集電板、あるいはスタック接続部材の一部を切断あるいは研削するため、取り外し復旧できる回数は数回程度に限られるため、前述のように中央部の燃料電池スタック４を交換する際は多くの燃料電池スタック４において取り外し復旧の履歴が加わってしまい、実質的には燃料電池システム全体としても数回の交換が可能となるだけである。
特表２００２−５０２１００公報

本発明は、上記問題を解決するためになされたもので、本発明の課題は、燃料電池システム内に配設された燃料電池スタックを簡単に取り外し交換することである。

上記目的を達成するために本発明は、複数の燃料電池セルを電気的に集電部材で接続することで構成した燃料電池スタックを複数備えた固体酸化物型燃料電池であって、複数の燃料電池スタックのそれぞれに設けられた、一端が燃料電池セルに接続され、他端が自由端とされた端部集電部材と、一つの燃料電池スタックと隣接する燃料電池スタック間に設けられ、かつ一つの燃料電池スタックに設けられた端部集電部材及び、隣接する燃料電池スタックの端部集電部材間を電気的に接続するスタック接続部材と、一つの端部集電部材と一つのスタック接続部材との間に設けられた導電性セラミック部材と、導電性セラミック部材、端部集電部材およびスタック接続部材の周囲に設けられた壁部と、壁部の外側に設けられるとともに、導電性セラミック部材を端部集電部材とスタック接続部材とによって挟持されるように壁部が押圧され、一つの端部集電部材、導電性セラミック部材および一つのスタック接続部材との間の電気的な接続を維持させる押圧手段とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、燃料電池システム内に配設された燃料電池スタック４を簡単に取り外し交換することができる。

以下に図面を参照して、本発明をより具体的に説明する。
図１は、本発明の第一の実施例を略示する円筒形固体酸化物型燃料電池の平面断面図である。

複数の円筒形の燃料電池セル１はセル集電部材２により電気的に接続され、端部集電部材３と端部集電板２４を備えた燃料電池スタック４を構成している。
セル集電部材は７００〜１０００℃程度の高温下において燃料電池セル同士を電気的に接続することと、セル間の応力を緩和する事が求められる。セル集電部材としては、ステンレスやニッケルなどの耐熱性を有する金属のフェルト材やフォーム材を好適に用いることができる。また、応力緩和をより効果的に行うために、アコーディオン状に折り畳んだ形状とすることで弾力性を持たせることもできる。端部集電部材としては、セル集電部材と同じくニッケルなどの耐熱金属のフェルト材やフォーム材を折り畳んだ形状のものを好適に用いることができる。端部集電板としては、ステンレスやニッケルなどの耐熱性を有する金属の板を好適に用いることができる。また、燃料電池スタック４は予め焼結させても良い。
本実施例では、一方の燃料電池スタック４の端部集電板２４と他方の燃料電池スタック４の集電板２４との間に導電性セラミック部材２０を介在させている。さらに、導電性セラミック部材２０を保持するために、集電板２４同士をボルト２１で締め付けている。このような構成とすることで、燃料電池運転中には集電板と導電性セラミック部材とが適度な接触状態を保ち、安定した導電性が維持される。さらに、導電性セラミック部材は７００〜１０００℃程度の高温下においても焼結しにくく、金属材料との焼結性も低いので、燃料電池メンテナンス時においては、ボルトを緩めるだけで導電性セラミックスと端部集電板とを容易に分離することができ、スタックを運転前と同じ状態で取り外すことができる。
導電性セラミックス部材としては、７００〜１０００℃程度の高温下で高い電子導電性を示す材料、例えばランタンマンガナイト、ランタンコバルタイトなどのペロブスカイト型酸化物を好適に用いることが出来る。また燃料電池モジュールの組立て性を考慮すると、導電性セラミックスの粒子を有機バインダーでシート状に成形したものを好適に用いることができる。有機バインダーは固体酸化物型燃料電池の運転温度では揮発するため、運転後にはセラミック粒子のみの凝集体が残った状態となるが、セラミック粒子の凝集体は簡単に破壊することができるためスタックに余計な力を与えずに端部集電板とセラミック部材とを分離することができる。

図２は本発明の第二の実施例を略示する円筒形固体酸化物型燃料電池の平面断面図である。

図２の燃料電池スタック４は、図１の燃料電池スタック４と同様の構成であり、複数の円筒形の燃料電池セル１はセル集電部材２により電気的に接続され、端部集電部材３と端部集電板２４を備えた燃料電池スタック４を構成している。
本実施例では、燃料電池システムとして所望される電気容量を確保するために、複数の燃料電池スタック４の端部集電板２４同士を、導電性セラミック部材２０及びスタック接続部材５を介して電気的に接続している。さらに、本実施例ではスタック同士が並列に配置されている。スタック接続部材５は、並列に配置した燃料電池スタック４を接続するための平板形状である。また、隣接する一方の燃料電池スタックの端部と他方の燃料電池スタックの端部とに接続できるように、図２の横方向に十分な長さを有している。スタック接続部材の横方向の長さは、燃料電池スタック２個を接続する場合には燃料電池スタックの幅の倍より大きいことが好ましい。また、燃料電池スタックｎ個を１枚のスタック接続部材で電気的に接続する場合には、スタック接続部材を燃料電池スタックの幅のｎ倍よりも大きいことが好ましい。このような構成とすることで、隣接する燃料電池スタック同士が側面で接触して電気的にショートすることを防止することができる。
導電性セラミック部材２０は、端部集電板２４とスタック接続部材５で挟持されている。さらに、燃料電池の運転温度下でも電気的接続を維持できるように、端部集電板２４とスタック接続部材５が集電部材取付けボルト２１で固定され、導電性セラミック部材２０に押圧力が働く構成になっている。
スタック同士の接続を容易に行うために、端部集電板２４やスタック接続部材５には、予めボルト穴を設けておくことが好ましい。本実施例では、スタック集電板には隣接する燃料電池スタックとそれぞれボルト接続するために、２個のボルト穴が設けられている。

図３は本発明の第三の実施例を略示する円筒形固体酸化物型燃料電池の斜視図であり、図４は本発明の第三の実施例を略示する円筒形固体酸化物型燃料電池の平面断面図である。

図３では、複数の円筒形の燃料電池セル１はセル集電部材２により電気的に接続され、端部集電部材３を備えた燃料電池スタック４を構成している。
本実施例では、燃料電池システムとして所望される電気容量を確保するために、複数の燃料電池スタック４の端部集電部材３同士を、導電性セラミック部材２０及びスタック接続部材５を介して電気的に接続している。
さらに本実施例では、導電性セラミック部材２０を保持するために、燃料電池スタック４及び導電性セラミック部材２０及びスタック接続部材５を囲むようにスタック枠部材２２―ａ〜ｄで構成されるスタック枠２２が設けられている。
スタック枠２２は燃料電池セル１の線膨張係数１１〜１３μ/Ｋよりも小さい線膨張係数を持つ材質、たとえばアルミナ（線膨張係数８μ/Ｋ）で作られ、運転温度である７００℃〜１０００℃においては、熱膨張差によりスタック枠２２−ａおよびスタック枠２２−ｃが燃料電池スタック４及び導電性セラミック部材２０及びスタック接続部材５に押圧力を与えるので、燃料電池スタック４及び導電性セラミック部材２０及びスタック接続部材５の電気的接続を維持することができる。
あるいは、予めスタック枠２２が集電端部３と導電性セラミック部材２０とスタック接続部材５に押圧を与えた状態で組み立てるならば、スタック枠２２は燃料電池セル１の線膨張係数１１〜１３μ/Ｋとほぼ同等の線膨張係数であるフェライト系のステンレスを使うことも可能である。この場合、電気的にショートすることを防ぐ目的で、スタック枠２２−ａとスタック枠２２−ｃが電気的に絶縁されるようスタック枠２２−ｂやスタック枠２２−ｃとは絶縁材を介して固定されるなどの絶縁処置がなされる。

図５は本発明の第四の実施例を略示する円筒形固体酸化物型燃料電池の平面断面図である。

図５では、複数の円筒形の燃料電池セル１はセル集電部材２により電気的に接続され、端部集電部材３を備えた燃料電池スタック４を構成している。
本実施例では、燃料電池システムとして所望される電気容量を確保するために、複数の燃料電池スタック４の端部集電部材３同士を、導電性セラミック部材２０及びスタック接続部材５を介して電気的に接続している。
さらに本実施例では、導電性セラミック部材２０を保持するために、燃料電池スタック４及び導電性セラミック部材２０及びスタック接続部材５を囲むように絶縁部材１２が設けられ、さらにその周囲には金属壁１３が設けられ、金属壁１３の外側にはバネによって金属壁を内側へ押圧する押圧機構２３が複数設けられている。
金属壁１３は耐熱に優れたインコネルやステンレスが使われ、かつ容易に変形できるよう０．３ｍｍ〜１．０ｍｍ程度の薄板が使われる。よって、押圧機構２３により外部から内部に向かって与えられた押圧は金属壁１３が変形することにより絶縁部材１２に伝わり、絶縁部材１２からスタック接続部材５及び導電性セラミック部材２０及び燃料電池スタック４に伝わる。従って、燃料電池スタック４及び導電性セラミック部材２０及びスタック接続部材５の電気的接続を維持することができる。

導電性セラミック部材の厚さは、２０μｍ〜１００μｍが好ましい。
導電性セラミックス部材の厚さを２０μｍ以上とすることで、燃料電池スタック同士、あるいは燃料電スタックとスタック集電板が直接接触して焼き付いてしまうことを効果的に防止することができる。一方、導電性セラミック部材の厚さを１００μｍ以下とすることで、電気抵抗値を小さくすることができる。

導電性セラミックス部材の設け方としては、例えば、仮焼された導電性セラミック粒子に有機樹脂をバインダーとしてと混ぜたものをシート状に加工したセラミックシートを、所望の部位に設ける方法がある。このような方法を用いることで、組立て時に導電性セラミック部材を所望の部位に容易に設けることができる。燃料電池の運転温度である７００℃〜１０００℃に至るまでの間でバインダーは揮発するので、導電性セラミック粒子のみから形成される凝集体が残り、集電端部３とスタック接続部材５を電気的に接続させる導電性セラミック部材が形成される。この状態では導電性セラミック自身は粒子同士は焼結しておらず、紛体のプレス体と同等の状態となっている。従って、燃料電池運転後に導電性セラミック部材は容易に破壊することができる。よって、運転中には電気的に接続されたている燃料電池スタックと導電性セラミック部材とスタック接続部材は、燃料電池運転後に、導電性セラミック部材を破壊することにより、容易に燃料電池スタックとスタック接続部材に分離することができ、燃料電池スタックを容易に取り出すことができる。
また、再度取付けの際には、新たにセラミックシートを燃料電池スタックとスタック接続部材の間に挟んで組み立てることにより、燃料電池を組立てることができる。
よって、燃料電池システム内における一部の燃料電池スタックを交換することができるので、燃料電池システムの長いライフサイクルの過程で、多数ある燃料電池セルの一部において性能が低下したり、なんらかの外因により一部の燃料電池セルが破損しても、劣化または破損した燃料電池セルを含む燃料電池スタックのみを交換し、燃料電池システム全体を長寿命化することが可能となる。

前述したスタック枠２２を用いた押圧機構２３や金属壁１３の外側に設けたバネによる押圧機構２３が設けられている場合は、図６に示すように導電性セラミック部材２０をセル集電部材２の間に挟むことができる。こうすることで、燃料電池スタック４の着脱だけでなく、燃料電池セル１の着脱が可能となる。よって、なんらかの外因により一部の燃料電池セル１が破損しても、劣化または破損した燃料電池セル１のみを交換し、より低コストで燃料電池システム全体を長寿命化することが可能となる。

本発明の第一の実施例を略示する円筒形固体酸化物型燃料電池の平面断面図である。本発明の第二の実施例を略示する円筒形固体酸化物型燃料電池の平面断面図である。本発明の第三の実施例を略示する円筒形固体酸化物型燃料電池の斜視図である。本発明の第三の実施例を略示する円筒形固体酸化物型燃料電池の平面断面図である。本発明の第四の実施例を略示する円筒形固体酸化物型燃料電池の平面断面図である。本発明の第五の実施例を略示する円筒形固体酸化物型燃料電池の平面断面図である。従来の固体酸化物型燃料電池モジュールを示す図である。従来の固体酸化物型燃料電池モジュール内部での複数の燃料電池スタックの接続方法を示す図である。

符号の説明

１…燃料電池セル
２…セル集電部材
３…端部集電部材
４…燃料電池スタック
５…スタック接続部材
６…仕切り板
７…空気分配器
８…発電室
９…燃焼室
１０…導入管
１１…燃料分散室
１２…絶縁部材
１３…金属壁
１４…燃料供給管
１５…空気供給管
１６…燃料分散板
１７…排ガスダクト
１８…断熱材
１９…電極ロッド
２０…導電性セラミック部材
２１…集電部材取付けボルト
２２…スタック枠
２２−ａ…スタック枠部材
２２−ｂ…スタック枠部材
２２−ｃ…スタック枠部材
２２−ｄ…スタック枠部材
２３…押圧機構
２４…端部集電板

Claims

複数の燃料電池セルを電気的に集電部材で接続することで構成した燃料電池スタックを複数備えた固体酸化物型燃料電池であって、
前記複数の燃料電池スタックのそれぞれに設けられた、一端が燃料電池セルに接続され、他端が自由端とされた端部集電部材と、
前記一つの燃料電池スタックと隣接する燃料電池スタック間に設けられ、かつ前記一つの燃料電池スタックに設けられた端部集電部材及び、隣接する燃料電池スタックの端部集電部材間を電気的に接続するスタック接続部材と、
前記一つの端部集電部材と前記一つのスタック接続部材との間に設けられた導電性セラミック部材と、
前記導電性セラミック部材、前記端部集電部材および前記スタック接続部材の周囲に設けられた壁部と、
前記壁部の外側に設けられるとともに、前記導電性セラミック部材を前記端部集電部材と前記スタック接続部材とによって挟持されるように前記壁部が押圧され、前記一つの端部集電部材、前記導電性セラミック部材および前記一つのスタック接続部材との間の電気的な接続を維持させる押圧手段とを備えることを特徴とする固体酸化物型燃料電池。