JP5160811B2 - 固体酸化物形燃料電池スタック - Google Patents

Description

本発明は、発電セルとセパレータで構成される固体酸化物形燃料電池スタックの修繕に関するものである。

酸化剤ガスと燃料ガスの電気化学反応で発電を行う、酸化物の電解質を持つ固体酸化物形燃料電池（Solid Oxide Fuel Cells:SOFC ）は高い発電効率を持つため、開発が進んでいる。酸化物で構成される電解質のイオン導電性で支配される電池の内部損失を小さくするため、ＳＯＦＣは高い温度（６００−１０００℃）で運転される。この高い温度に耐え得るように、ＳＯＦＣでは、電池を構成する酸化剤ガス側の空気極も燃料ガス側の燃料極もセラミックス若しくはサーメットで構成される。このようなＳＯＦＣでは、昇温と降温の繰り返し、所謂熱サイクルによりセルが劣化したり、酸化還元サイクルによりセルが劣化したりするなどセルが破損してしまう場合があった。

一般に、燃料電池はガスの電気化学反応によって発電するため、単電池では高々１ボルト程度の電圧しか生じない。そのため、燃料電池セルを積層（スタック）することによってシステムから要求される電圧を発生する必要がある。積層数は昇圧回路の効率から考えて、数１０段になることが普通である。このため、スタックを構成する一つ若しくは複数のセルが破損した場合、破損したセルが発電不可能になり、電気的な抵抗体として振舞うため、破損状態次第で、スタックそのものが使用不能の状態となったり、発電効率が低下したりする場合がある。

このような場合に、スタックを修繕する方法としては、特許文献１に開示されている不良セルの処理方法が挙げられる。この特許文献１に開示された処理方法では、破損したセルの上下に位置するセパレータの間を短絡治具によって短絡することにより、破損したセルを電気的にバイパスし、セルの破損によるスタック全体への悪影響の波及を回避するようにしている。

特許第３４６６５１４号公報

しかしながら、特許文献１に開示された処理方法では、破損したセルに対する燃料ガスの供給を止められないため、燃料効率が低下し、発電効率が低下するという問題点があった。また、破損したセルでは、燃料ガスと酸化剤ガスが発電反応ではなく、直接反応（通常の燃焼反応）を起こすため、破損したセルの付近が６００−１０００℃の作動温度よりも高温になってしまうという問題がある。そのため、破損セルの近傍に隣接する他のセルに悪影響を及ぼし、その結果セルの連続した破損が起こり、スタックそのものが破損してしまう場合があるという問題点があった。

スタックヘのガス供給管がスタックとは別に構成されている外部マニホールド型のＳＯＦＣでは、降温してガス供給管を潰すことによって破損セルへの燃料ガス供給を止めることは可能であるが、昇温、降温プロセスに時間がかかる。また、スタック内部にガス流路を形成する内部マニホールド型のＳＯＦＣでは、ガス流路を潰すことは困難である。
加えて、特許文献１に開示された処理方法では、スタックの側面に短絡治具をねじ止めする必要があるので、高温化で作業することは困難であり、スタックが冷えるまで待つ必要があり、スタックの修繕に時間がかかるという問題点があった。

本発明は、このような従来の課題に鑑みてなされたもので、発電セルに破損が生じた場合に、破損した発電セルへの燃料ガスの供給を絞り、破損した発電セルを含むスタックを電気的に短絡することを高温化で行えるようにした固体酸化物形燃料電池スタックを提供することを目的とする。

本発明は、ガス流路を備えたセパレータと発電セルとからなる単スタックを複数積層し、各セパレータに形成された貫通孔の連結によって燃料ガスのマニホールドを構成する内部マニホールド型の固体酸化物形燃料電池スタックにおいて、前記マニホールドの内部に、前記単スタックの積層方向に沿った軸を中心として回動可能な螺旋状の部材を備え、前記マニホールドと前記発電セルとを繋ぐ前記ガス流路は、前記積層方向と垂直な各セパレータの面内の方向のうち前記ガス流路の伸長方向と交わる方向の位置が所定数の単スタック毎にずれるように配置され、前記螺旋状の部材は、位置のずれたガス流路に対応して前記マニホールドの内部に複数設けられ、各螺旋状の部材は、特定のガス流路を塞ぐ際に、前記積層方向に沿った軸を中心として回動することにより、対応する前記ガス流路のうちの１つのガス流路の位置に選択的に配置され、このガス流路を通るガスの流れを遮断することを特徴とするものである。
また、本発明の固体酸化物形燃料電池スタックは、前記マニホールドの内部に、前記単スタックの積層方向に沿った軸を中心として回動可能であり、前記積層方向に沿って移動可能な螺旋状の部材を備え、この螺旋状の部材は、特定のガス流路を塞ぐ際に、前記積層方向に沿った軸を中心として回動し前記積層方向に沿って移動することにより、前記マニホールドと前記発電セルとを繋ぐ複数の前記ガス流路のうちの１つのガス流路の位置に選択的に配置され、このガス流路を通るガスの流れを遮断することを特徴とするものである。
また、本発明の固体酸化物形燃料電池スタックの１構成例において、前記セパレータは、導電性材料からなり、前記螺旋状の部材は、導電性材料からなり、回動時に描く円の軌跡が選択された前記ガス流路の位置のセパレータと接するように配置されるものである。
また、本発明の固体酸化物形燃料電池スタックの１構成例において、前記螺旋状の部材の幅は、前記ガス流路の幅と略同一である。
また、本発明の固体酸化物形燃料電池スタックの１構成例において、前記螺旋状の部材は、固体酸化物形燃料電池スタックの高さで半周から１周するものである。
また、本発明の固体酸化物形燃料電池スタックの１構成例において、前記螺旋状の部材は、燃料ガス供給用の前記マニホールドと燃料ガス排出用の前記マニホールドのうち少なくとも一方に設けられるものである。

本発明によれば、マニホールドの内部に、単スタックの積層方向に沿った軸を中心として回動可能な螺旋状の部材を設けることにより、高温での発電時に、ある発電セルが破損した場合に、この発電セルと繋がるガス流路を塞いで、燃料ガスの供給を絞ることができ、破損した発電セルの付近が作動温度よりも高温になることを回避し、セルの連続した破損を回避することができる。本発明では、スタックの外部から螺旋状の部材を回動させるだけでよいので、高温下でもスタックを修繕することができ、修繕に要する時間を短縮することができる。また、本発明では、破損した発電セルを挟み込んでいるセパレータの間を短絡することができるので、破損した発電セルを含む単スタックの電気抵抗損失を小さくすることができ、発電セルの破損による発電効率の低下を抑えることができる。また、本発明では、螺旋状の部材を回動させることにより、破損した発電セルと繋がるガス流路に接触点の位置を合わせることができるので、高温での発電時に熱膨張によって単スタックの積層方向の位置が変化したとしても、対応することが可能になる。

また、本発明では、螺旋状の部材を、燃料ガス供給用のマニホールドと燃料ガス排出用のマニホールドの両方に設けるようにしたり、マニホールド内部に複数個設けるようにしたりすれば、複数の単スタックを修繕することができる。

［第１の実施の形態］
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は本発明の第１の実施の形態に係る内部マニホールド型固体酸化物形燃料電池スタックの単スタックの構造を示す断面図、図２は本発明の第１の実施の形態に係るセパレータの平面図である。図１、図２において、１は発電セル、２ａ，２ｂは導電性のセラミックス若しくは耐熱合金からなるセパレータ、３は燃料ガス供給用マニホールドの一部を構成する燃料ガス供給用貫通孔、４は燃料ガス排出用マニホールドの一部を構成する燃料ガス排出用貫通孔、５は単スタック、７は発電セル１に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給用流路、８は燃料ガスを排出するための燃料ガス排出用流路、９は発電セル１を収容するセル設置部である。

発電セル１は、平板型の酸化物からなる固体電解質層（不図示）の一方の面に平板型の空気極（不図示）を配置し、電解質の反対側の面に平板型の燃料極（不図示）を配置した構成を有する。
図１、図２に示すように、セパレータ２ａには、燃料ガス供給用貫通孔３と燃料ガス排出用貫通孔４と燃料ガス供給用流路７と燃料ガス排出用流路８とが形成され、さらに発電セル１を収容する凹状のセル設置部９が形成されている。燃料ガス供給用流路７は、燃料ガス供給用貫通孔３とセル設置部９とを繋ぐように形成され、燃料ガス排出用流路８は、セル設置部９と燃料ガス排出用貫通孔４とを繋ぐように形成されている。セル設置部９の形状は発電セル１の形に依存する。セパレータ２ｂは、セパレータ２ａと同様の構成を有する。

発電セル１は、セパレータ２ａと２ｂのセル設置部９内に収容され、セパレータ２ａと２ｂによって挟むように支持される。なお、本実施の形態では、発電セル１の燃料極と向かい合っている方をセパレータ２ａとし、空気極と向かい合っている方をセパレータ２ｂとする。以上が単スタック５の構成である。

図３は本実施の形態の固体酸化物形燃料電池スタックの構造を示す分解斜視図、図４は固体酸化物形燃料電池スタックの構造を示す断面図である。図３では、１個の単スタック５のみを示しているが、図４に示すように複数の単スタック５を積層して固体酸化物形燃料電池スタックを構成する。このとき、固体酸化物形燃料電池スタックの一端（図３、図４の例では上端）には、燃料ガス供給用貫通孔３及び燃料ガス排出用貫通孔４が形成されていないセパレータ２ｃを最後に積層し、燃料ガス供給用貫通孔３と燃料ガス排出用貫通孔４を塞ぐようにする。複数の単スタック５を積層することで、複数の燃料ガス供給用貫通孔３が連結されて燃料ガス供給用マニホールドとなり、複数の燃料ガス排出用貫通孔４が連結されて燃料ガス排出用マニホールドとなる。

なお、単スタック５を繰り返し積層する代わりに、１個の単スタック５の上に発電セル１とセパレータ２ａとの組を複数積層して、最後にセパレータ２ｃを積層するようにしてもよい。

本実施の形態の固体酸化物形燃料電池スタックにおけるガスの流れは以下のとおりである。燃料ガスは、固体酸化物形燃料電池スタックの他端（図３、図４の例では下端）の開口部から燃料ガス供給用貫通孔３に供給され、発電セル１毎に設けられた燃料ガス供給用流路７を介して各発電セル１の燃料極に供給される。発電に利用された後の燃料ガスは、燃料ガス排出用流路８から燃料ガス排出用貫通孔４を介して排出される。

一方、酸化剤ガスとしての空気は、固体酸化物形燃料電池スタックを積層方向に貫通する酸化剤ガス供給用貫通孔（不図示）に供給され、発電セル１毎に設けられた酸化剤ガス供給用流路（不図示）を介して各発電セル１の空気極に供給される。発電に利用された後の空気は、発電セル１毎に設けられた酸化剤ガス排出用流路（不図示）を通って、固体酸化物形燃料電池スタックを積層方向に貫通する酸化剤ガス排出用貫通孔（不図示）を介して排出される。なお、酸化剤ガス排出用貫通孔を介さずに、空気をそのままスタック外部に放出してもよい。
こうして、６００−１０００℃の作動温度下にて固体酸化物形燃料電池スタックの各発電セル１に燃料ガスと空気を供給して、発電電流を取り出すことができる。

次に、本実施の形態の特徴について説明する。図５は固体酸化物形燃料電池スタックとして組み立てられた状態における発電セル１とセパレータ２ａの平面図であり、本実施の形態の特徴的構成である補修部材の配置を示す図である。図６は図５の補修部材の斜視図である。なお、図６では、補修部材１０の外壁面を白地で表し、内壁面を斜線部で表している。

補修部材１０は、金属等の導電性材料からなる螺旋状の部材であり、固体酸化物形燃料電池スタックを積層方向に貫通するように燃料ガス供給用貫通孔３内に挿入される。この補修部材１０の上下両端の軸１１は、固体酸化物形燃料電池スタックに固定された図示しない支持部材によって回動自在に軸支されている。これにより、補修部材１０は、軸１１を中心として回動することができる。また、補修部材１０は、図５に示すように回動する螺旋の描く円が燃料ガス供給用流路７の入口と接するように配置される。

この回動する補修部材１０が描く円の直径Ｄは、燃料ガス供給用貫通孔３の幅Ｗ１及び長さＬよりも小さい。したがって、望ましくない位置で補修部材１０が燃料ガス供給用貫通孔３の壁面と接触して、正常な単スタックを不必要に短絡することは無い。後述のように、補修部材１０の目的は、破損した発電セル１への燃料ガス供給用流路７を塞ぐことにあるため、螺旋の水平方向の幅Ｗ３は、燃料ガス供給用流路７の幅Ｗ２と略同一であることが好ましい。また、補修部材１０の螺旋は、下端のセパレータから上端のセパレータまでの固体酸化物形燃料電池スタックの高さ（図４のＨ）で半周から１周することが好ましく、高さＨで丁度１周することがより好ましい。

図７（Ａ）、図７（Ｂ）は補修部材１０の動作とその効果を説明するための斜視図である。なお、図７では、記載を見易くするために、補修部材１０を全て実線で記載し、また発電セル１を省略している。
図７（Ａ）の状態では、補修部材１０は燃料ガス供給用流路７の入口を塞いでおらず、燃料ガスは燃料ガス供給用貫通孔３から燃料ガス供給用流路７を介して発電セル１へ供給される。

ここで、ある発電セル１に破損が生じた場合には、図７（Ａ）の矢印で示すように補修部材１０を図示しない駆動手段もしくは手動で回動させて図７（Ｂ）の状態にする。図７（Ｂ）の状態では、接触点１２の位置で補修部材１０が燃料ガス供給用流路７の入口を塞ぎ、また補修部材１０とセパレータ２ａ，２ｂとが接触する。このとき、補修部材１０は、破損した発電セル１を挟み込んでいるセパレータ２ａ，２ｂのみに接触し、他のセパレータとは接触しない。これにより、破損した発電セル１への燃料ガス供給量を減少させることが可能となり、また破損した発電セル１を電気的に短絡することが可能となる。なお、破損セルが存在しない場合には、接触点１２の位置を固体酸化物形燃料電池スタックの端の位置（例えば図４の上端）に設定しておけば、接触点１２がセパレータ２ａ，２ｂに不用意に接触することは無く、不要な修繕をすることは無い。

以上のように、本実施の形態では、螺旋状の補修部材１０を設けることにより、高温での発電時に、ある発電セル１が破損した場合に、この発電セル１への燃料ガス供給用流路７の入口を塞いで、燃料ガスの供給を絞ることができ、破損した発電セル１の付近が作動温度よりも高温になることを回避することができる。本実施の形態では、スタックの外部から補修部材１０を回動させるだけでよいので、高温下でもスタックを修繕することができ、修繕に要する時間を短縮することができる。また、補修部材１０は螺旋状の連続体になっており、補修部材１０を回動させることにより、破損した発電セル１への燃料ガス供給用流路７の入口に接触点１２の位置を合わせることができるので、高温での発電時に熱膨張によって単スタックの積層方向の位置が変化したとしても、対応することが可能になる。また、破損した発電セル１を挟み込んでいるセパレータ２ａと２ｂ間を短絡することができるので、破損した発電セル１を含む単スタックの電気抵抗損失を小さくすることができ、発電セル１の破損による発電効率の低下を抑えることができる。

［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。図８は本発明の第２の実施の形態に係る内部マニホールド型固体酸化物形燃料電池スタックの発電セル１とセパレータ２ａの平面図であり、本実施の形態の補修部材１０の配置を示す図である。第１の実施の形態では、補修部材１０を燃料ガス供給用流路７の入口側に設けたが、図８に示すように補修部材１０を燃料ガス排出用流路８の出口側、すなわち燃料ガス排出用貫通孔４の中に設けるようにしてもよい。

本実施の形態の場合、ある発電セル１が破損した場合には、この発電セル１からの燃料ガス排出用流路８の出口を塞ぐことにより、燃料ガス流に対する抵抗を上げることができ、破損した発電セル１への燃料ガスの進入量を下げる事が可能である。これにより、本実施の形態では、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

［第３の実施の形態］
次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。図９は本発明の第３の実施の形態に係る内部マニホールド型固体酸化物形燃料電池スタックの発電セル１とセパレータ２ａの平面図であり、本実施の形態の補修部材１０の配置を示す図である。本実施の形態では、補修部材１０を燃料ガス供給用流路７の入口側と燃料ガス排出用流路８の出口側の両方に設けている。

第１、第２の実施の形態では、破損した１個の発電セル１を修繕することができるが、本実施の形態によれば、燃料ガス供給用流路７の入口側の補修部材１０で破損した１個の発電セル１を補修し、燃料ガス排出用流路８の出口側の補修部材１０で別の発電セル１を修繕することができるので、２個の発電セル１を修繕することができる。

［第４の実施の形態］
次に、本発明の第４の実施の形態について説明する。図１０は本発明の第４の実施の形態に係る内部マニホールド型固体酸化物形燃料電池スタックの構造を示す分解斜視図である。本実施の形態では、単スタックを例えば５枚単位として、５枚の単スタック毎に燃料ガス供給用流路７（７−１，７−２，７−３）の位置をずらし、この位置をずらした燃料ガス供給用流路７に対応して複数の補修部材１０（１０−１，１０−２，１０−３）を設けるようにしている。

すなわち、補修部材１０−１は、燃料ガス供給用流路が７−１の位置にある５枚の単スタックのうち任意の単スタックの発電セル１を修繕することができる。同様に、補修部材１０−２，１０−３は、それぞれ燃料ガス供給用流路７−２，７−３の入口を塞ぐためのものである。
本実施の形態では、燃料ガス供給用流路７の入口側に複数の補修部材１０を設けることにより、複数の発電セル１を修繕することができる。

なお、燃料ガス排出用流路８の出口側に複数の補修部材１０を設けるようにしてもよいし、燃料ガス供給用流路７の入口側と燃料ガス排出用流路８の出口側にそれぞれ複数の補修部材１０を設けるようにしてもよい。

また、第１〜第４の実施の形態では、補修部材１０の螺旋が固体酸化物形燃料電池スタックの高さＨで丁度１周することが好ましいとしているが、これに限るものではなく、補修部材１０の長さが高さＨより短くてもよい。この場合には、第１〜第４の実施の形態と同様に補修部材１０を回動させると同時に、補修部材１０を図示しない上下動手段もしくは手動でスタックの積層方向に沿って上下動させることで、破損した発電セル１への燃料ガス供給用流路７の入口を塞ぎ、かつこの発電セル１を挟み込んでいるセパレータ２ａと２ｂ間を短絡することができる。

本発明は、セパレータに燃料ガス及び酸化剤ガスのマニホールドを形成する内部マニホールド型の固体酸化物形燃料電池スタックに適用することができる。

本発明の第１の実施の形態に係る内部マニホールド型固体酸化物形燃料電池スタックの単スタックの構造を示す断面図である。 本発明の第１の実施の形態に係るセパレータの平面図である。 本発明の第１の実施の形態に係る内部マニホールド型固体酸化物形燃料電池スタックの構造を示す分解斜視図である。 本発明の第１の実施の形態に係る内部マニホールド型固体酸化物形燃料電池スタックの構造を示す断面図である。 本発明の第１の実施の形態に係る補修部材の配置を示す平面図である。 図５の補修部材の斜視図である。 本発明の第１の実施の形態に係る補修部材の動作と効果を説明するための斜視図である。 本発明の第２の実施の形態に係る補修部材の配置を示す平面図である。 本発明の第３の実施の形態に係る補修部材の配置を示す平面図である。 本発明の第４の実施の形態に係る内部マニホールド型固体酸化物形燃料電池スタックの構造を示す分解斜視図である。

符号の説明

１…発電セル、２ａ，２ｂ，２ｃ…セパレータ、３…燃料ガス供給用貫通孔、４…燃料ガス排出用貫通孔、５…単スタック、７…燃料ガス供給用流路、８…燃料ガス排出用流路、９…セル設置部、１０…補修部材、１１…軸、１２…接触点。

Claims (6)

1. ガス流路を備えたセパレータと発電セルとからなる単スタックを複数積層し、各セパレータに形成された貫通孔の連結によって燃料ガスのマニホールドを構成する内部マニホールド型の固体酸化物形燃料電池スタックにおいて、
   前記マニホールドの内部に、前記単スタックの積層方向に沿った軸を中心として回動可能な螺旋状の部材を備え、
   前記マニホールドと前記発電セルとを繋ぐ前記ガス流路は、前記積層方向と垂直な各セパレータの面内の方向のうち前記ガス流路の伸長方向と交わる方向の位置が所定数の単スタック毎にずれるように配置され、
   前記螺旋状の部材は、位置のずれたガス流路に対応して前記マニホールドの内部に複数設けられ、
   各螺旋状の部材は、特定のガス流路を塞ぐ際に、前記積層方向に沿った軸を中心として回動することにより、対応する前記ガス流路のうちの１つのガス流路の位置に選択的に配置され、このガス流路を通るガスの流れを遮断することを特徴とする固体酸化物形燃料電池スタック。
2. ガス流路を備えたセパレータと発電セルとからなる単スタックを複数積層し、各セパレータに形成された貫通孔の連結によって燃料ガスのマニホールドを構成する内部マニホールド型の固体酸化物形燃料電池スタックにおいて、
   前記マニホールドの内部に、前記単スタックの積層方向に沿った軸を中心として回動可能であり、前記積層方向に沿って移動可能な螺旋状の部材を備え、
   この螺旋状の部材は、特定のガス流路を塞ぐ際に、前記積層方向に沿った軸を中心として回動し前記積層方向に沿って移動することにより、前記マニホールドと前記発電セルとを繋ぐ複数の前記ガス流路のうちの１つのガス流路の位置に選択的に配置され、このガス流路を通るガスの流れを遮断することを特徴とする固体酸化物形燃料電池スタック。
3. 請求項１または２記載の固体酸化物形燃料電池スタックにおいて、
   前記セパレータは、導電性材料からなり、
   前記螺旋状の部材は、導電性材料からなり、回動時に描く円の軌跡が選択された前記ガス流路の位置のセパレータと接するように配置されることを特徴とする固体酸化物形燃料電池スタック。
4. 請求項１または２記載の固体酸化物形燃料電池スタックにおいて、
   前記螺旋状の部材の幅は、前記ガス流路の幅と略同一であることを特徴とする固体酸化物形燃料電池スタック。
5. 請求項１または２記載の固体酸化物形燃料電池スタックにおいて、
   前記螺旋状の部材は、固体酸化物形燃料電池スタックの高さで半周から１周することを特徴とする固体酸化物形燃料電池スタック。
6. 請求項１または２記載の固体酸化物形燃料電池スタックにおいて、
   前記螺旋状の部材は、燃料ガス供給用の前記マニホールドと燃料ガス排出用の前記マニホールドのうち少なくとも一方に設けられることを特徴とする固体酸化物形燃料電池スタック。

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