JP5491299B2

JP5491299B2 - 平板型固体酸化物形燃料電池モジュール

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Publication number: JP5491299B2
Application number: JP2010149261A
Authority: JP
Inventors: 雅之横尾; 克也林; 吉晃吉田; 創荒井
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2010-06-30
Filing date: 2010-06-30
Publication date: 2014-05-14
Anticipated expiration: 2030-06-30
Also published as: JP2012014916A

Description

本発明は、平板型固体酸化物形燃料電池モジュールに関するものである。

平板型の固体酸化物形燃料電池（SOFC:Solid Oxide Fuel Cell、以下、平板型ＳＯＦＣともいう）モジュールは、平板型の固体酸化物からなる電解質層と、この電解質層の表裏面にそれぞれ形成した空気極および燃料極とからなる平板型の単セルを備え、燃料極に燃料ガスを供給し、空気極に酸化剤ガスを供給することにより発電を行なうようにした燃料電池である。このような平板型ＳＯＦＣモジュールは、他の燃料電池に比べて発電効率が高く、また作動温度（７００°〜１０００℃）が高いため高温の熱を利用することができるという利点を有している（例えば、特許文献１、非特許文献１参照）。

図６に、従来の平板型ＳＯＦＣモジュールを示す。同図において、１は１枚の単セルと複数枚のセパレータ等で構成される発電ユニット、２は発電ユニット１を複数、例えば８枚積層して電気的に直列に接続することにより形成された平板型ＳＯＦＣスタック（以下、発電部という）である。また、３、４は発電部２の上下面を挟持する金属製のトッププレートおよびベースプレート、５は発電部２を収納する断熱容器、６は発電部２を加圧、シールする荷重機構で、これら部材によって平板型ＳＯＦＣモジュール７を構成し、発電部２に燃料ガスと酸化剤ガスを供給することにより発電を行なうようにしている。

荷重機構６は、トッププレート３の上方に配置された押圧板８と、トッププレート３と押圧板８との間に介在された加圧手段９とを備えている。加圧手段９としては、金属酸化物を高温で熱処理して焼き固めた高温仕様に耐え得るばね、言い換えればセラミックス製の圧縮コイルばね（以下、セラミックスばねという）が用いられ、その弾撥力でトッププレート３を発電部２に押し付けることにより、各発電ユニット１のセル間の密着度を高め（常温では隙間だらけ）、接続部分での電力の伝達損失を少なくしている。なお、加圧手段として用いるばねは、上記金属酸化物のほか、非金属酸化物または非酸化物の材質も使用できる。

押圧板８は、ベースプレート４上に立設した複数本の支持部材としてのボルト１０の上部に上下動自在に取り付けられ、セラミックスばね９による発電部２への荷重を調整する荷重調整手段としてのナット１１によってセラミックスばね９に押し付けられている。荷重機構６によって発電部２に掛ける荷重は、ナット１１を回転させて押圧板８の高さを調整しセラミックスばね９の圧縮量を変えることにより自由に調整することができる。

図７は従来の平板型ＳＯＦＣモジュール７において、初期還元時に荷重機構６によりセルスタック４に１２０ｋｇｆの荷重を掛けた場合と、荷重機構３を取り外し荷重を掛けなかった場合の電流密度−電圧特性を示す図である。ここで、発電ユニット１の積層数は１である。これから明らかなように、初期還元時から初期通電において発電部分に掛かる荷重は、出力特性に影響を及ぼす。すなわち、初期還元から初期通電において発電部分には、発電特性を引き出すのに十分なだけの荷重を、その大きさを制御しながら掛ける必要がある。

特開２００６−３３９０３５号公報

S.Sugita,H.Arai,Y.Yoshida,H.Orui,and M.Arakawa: "Anode-supported planar-type SOFC development at NTT", ECS Transactions,5(2007)491-497.

上述したような平板型ＳＯＦＣモジュールにおいては、荷重機構６による発電部２に掛ける荷重の調整を、専らナット１１を回転させることにより押圧板８の高さを調整しセラミックスばね９の圧縮量を変えて行うようにしている。このため、ナット１１を過回転させてセラミックスばね９による発電部２に掛ける荷重を所定値以上としてしまうことにより、荷重機構６のボルト１０を破断したり発電部２を破壊してしまうおそれがあるという問題があった。また、ナット１１を回転させることにより発電部２に掛ける荷重を適正とする調整が煩雑かつ難しいという問題もあった。

本発明は上記した従来の問題に鑑みなされたものであり、その目的とするところは、発電部に掛ける荷重が所定値以上にならないようにするとともに発電部に掛ける荷重を適正とする調整作業を容易にしたところにある。

この目的を達成するために、本発明は、平板型固体酸化物形燃料電池セルを有する発電ユニットを複数枚積層して電気的に接続してなる発電部と、前記発電部に荷重を掛ける荷重機構と、前記荷重機構による荷重を調整する荷重調整手段と、前記発電部に所定の荷重以上の荷重が掛からないようにする荷重遮断手段とを備え、前記荷重機構は、支持部材に上下動自在に配設され前記発電部の上方に位置する押圧板と、前記押圧板と前記発電部との間に介在された加圧手段とを備え、前記荷重機構の加圧手段は、セラミックス製の圧縮コイルばねからなり、前記荷重遮断手段は、前記押圧板と前記発電部との間に介在されたストッパからなり、前記押圧板と前記ストッパとの間および前記ストッパと前記発電部との間のいずれか一方に焼き付き防止シートが介在し、前記焼き付き防止シートは、前記押圧板の下面全体または前記発電部の上面全体を覆うように配設されているものである。

本発明は、平板型固体酸化物形燃料電池セルを有する発電ユニットを複数枚積層して電気的に接続してなる発電部と、前記発電部に荷重を掛ける荷重機構と、前記荷重機構による荷重を調整する荷重調整手段と、前記発電部に所定の荷重以上の荷重が掛からないようにする荷重遮断手段とを備え、前記荷重機構は、支持部材に上下動自在に配設され前記発電部の上方に位置する押圧板と、前記押圧板と前記発電部との間に介在された加圧手段とを備え、前記荷重機構の加圧手段は、セラミックス製の圧縮コイルばねからなり、前記荷重遮断手段は、前記押圧板と前記発電部との間に介在されたストッパからなり、前記押圧板と前記ストッパとの間および前記ストッパと前記発電部との間に焼き付き防止シートが介在し、前記焼き付き防止シートは、前記押圧板の下面全体および前記発電部の上面全体を覆うように配設されているものである。

本発明は、前記発明のいずれか一つの発明において、前記ストッパは異なる高さの複数のストッパから、前記荷重機構によって前記発電部に掛ける荷重に応じた高さのストッパが選択されるものである。

本発明は、前記発明のいずれか一つの発明において、前記押圧板と前記ストッパとの間および前記ストッパと前記発電部との間の少なくともいずれか一方に介在する焼き付き防止シートからなるものである。

本発明は、前記発明のいずれか一つの発明において、前記焼き付き防止シートは、前記押圧板の下面全体および前記発電部の上面全体を覆うように配設されているものである。

本発明は、前記発明のいずれか一つの発明において、前記ストッパは焼き付かない材料によって形成されているものである。

本発明によれば、荷重遮断手段を備えているので、所定以上の荷重を掛けるおそれがないから、荷重機構を破断したり発電部を破壊するようなことがない。また、発電部に掛ける荷重を適正とする作業を容易かつ短時間で行うことができる。

前記発明のうちの一つの発明によれば、高さが異なる複数のストッパから荷重機構によって発電部に掛ける荷重に応じた高さのストッパを適宜選択することにより、発電部に適正かつ一定の荷重を掛けることができる。

前記発明のうちの一つの発明によれば、焼き付き防止シートを備えるまたはストッパ自体が焼き付き防止部材によって形成されていることにより、荷重調整手段が正常に機能するから発電部に適正な荷重を掛けることができる。

前記発明のうちの一つの発明によれば、焼き付き防止シートによってセラミックスばねの収縮量を小さくするようなことがないから、セラミックスばねによる発電部への荷重が小さくなるようなことがない。

本発明に係わる平板型ＳＯＦＣモジュールの参考例を示す断面図である。発電ユニットの分解斜視図である。燃料極支持型の単セルの側面図である。本発明に係わる平板型ＳＯＦＣモジュールの実施の形態を示す断面図である。本発明に係わる平板型ＳＯＦＣモジュールの実施の形態と比較するための形態を示す断面図である。従来の平板型ＳＯＦＣモジュールの断面図である。初期還元時にセルスタックに荷重を掛けた場合と掛けなかった場合における電流密度−電圧特性を示す図である。

以下、本発明の実施の形態を図１ないし図５に基づいて説明する。
〔本発明の前提となる参考例〕

先ず、図１ないし図３を用いて、本発明の前提となる参考例について説明する。この参考例において、上述した図６に示す従来技術において説明した同一または同等の部材については同一の符号を付し、詳細な説明は適宜省略する。

図１において、平板型ＳＯＦＣモジュール２０は、発電ユニット１を複数、例えば８枚積層して電気的に直列に接続してなる発電部２と、この発電部２に鉛直方向で下方に荷重を直接掛ける荷重機構２１と、これら発電部２および荷重機構２１を収納する断熱容器５とを備えている。

図２および図３において、発電ユニット１は、１枚の単セル２５と、複数枚のセパレータセット２６と、セルホルダー２７等で構成されている。

単セル２５は、平板型の固体酸化物からなる電解質層２８と、この電解質層２８の表裏面にそれぞれ形成した空気極２９および燃料極３０とからなり、燃料極支持型の単セルを形成している。

セパレータセット２６は、それぞれ所定形状の溝３１および穴３２を有する、例えば４枚の金属製のセパレータ２６Ａ〜２６Ｄとセルホルダー２７を重ね合わせることにより構成されている。これらのセパレータ２６Ａ〜２６Ｄとセルホルダー２７は、単セル２５を収納する空間と、空気極２９に酸化剤ガスＧ１を供排出するガス経路と、燃料極３０に燃料ガスＧ２を供排出するガス経路と、単セル２５から電気を取り出す経路（いずれも図示せず）を形成している。

再び図１において、荷重機構２１は、ベースプレート４上に立設した複数本のボルト（支持部材）１０の上部に上下動自在に配設された押圧板８と、この押圧板８とトッププレート３との間に弾装された加圧手段としての高温仕様に耐え得るセラミックスばね９と、各ボルト１０の上部にそれぞれ螺合されたナット（荷重調整手段）１１とを備えている。押圧板８には、ボルト１０が貫通する挿通孔が形成されている。

ナット１１は、押圧板８をセラミックスばね９に押し付けてその圧縮量を変えることにより荷重機構２１による荷重を調整する。また、荷重機構２１は、セラミックスばね９により給電部２に掛ける荷重が所定値以上にならないようにするストッパ（荷重遮断手段）３５を備え、このストッパ３５を備えている点で図６に示した従来の荷重機構６とは異なっている。

セラミックスばね９は、自然状態において、ストッパ３５の高さ寸法より長く、押圧板８の下降によって徐々に圧縮されることにより、発電部２に荷重を掛け、押圧板８がストッパ３５の上面に当接すると、それ以上の圧縮が制限される。セラミックスばね９としては、２つ用いたが、これに限らず１つであってもよく、また２つ以上であってもよい。

ストッパ３５は、円柱状に形成され、トッププレート３上に設置されている。また、ストッパ３５は、高さが異なる複数のストッパが予め用意されており、荷重機構２１によって発電部２に掛ける荷重に応じた高さのストッパが選択的に使用される。ただし、これに限らず一定厚さ（例えば、１〜数ｍｍ）のストッパ片を発電部２に掛ける荷重に応じた枚数だけトッププレート３上に積層配置してストッパとしたり、あるいはボルトをトッププレート３上に高さ調整可能に設けてストッパとしてもよい。なお、ストッパ３５の配置位置としては、セラミックスばね９の内側に限らず、外側にこれを囲むように設置されるものであってもよい。

荷重機構２１によって発電部２に荷重を掛けるときは、ナット１１を締め付けて押圧板８を押し下げ、ストッパ３５の上面に押し付ける。これにより、セラミックスばね９は圧縮されてトッププレート３を押圧し発電部２に一定かつ適正な荷重を掛ける。荷重機構２１による荷重は、ストッパ３５の高さを変えることにより自由に変更することができる。換言すれば、高さが異なる複数のストッパから荷重機構２１によって発電部２に掛ける荷重に応じた高さのストッパ３５を適宜選択することにより、発電部２に適正かつ一定の荷重を掛けることができる。なお、この荷重は、初期還元後に長時間通常運転して発電してもボルト１０等の部品が破損しない荷重とされる。

このような平板型ＳＯＦＣモジュール２０は、定常運転を想定する温度（８００〜１０００℃）に昇温した後に、アノードの還元を行ってから発電を開始する。一度還元した単セル２５は、アノード側を還元雰囲気に保ち続ければ、再度酸化されることはない。すなわち、還元作業が必要なのは、最初に昇温した時のみである。アノードを還元すると、アノードの厚さが減少して単セル２５が薄くなる。このため、初期の還元で、発電部２の高さは、単セル２５自体の痩せや、柔らかい集電部材の潰れや、シール材（ガラス）の溶融等により低くなる。

次に、この参考例による平板型ＳＯＦＣモジュール２０の運転方法について説明する。平板型ＳＯＦＣモジュール２０の初期還元運転時には、荷重機構２１によって大きな荷重を掛ける必要がある。大きな荷重を掛ける場合は、ナット１１を締め付けることにより押圧板８を押し下げてストッパ３５に押し付け、セラミックスばね９を圧縮させる。これにより、荷重機構２１による初期還元時の荷重が発電部２に掛けられる。

初期還元運転が終了した後も大きな荷重を掛け続けると、ボルト１０が破断して、発電装置を破壊するおそれがある。そのため初期還元後は、ナット１１を緩め荷重機構２１による荷重を調整して通常運転時と同じ荷重にし、通常運転を行なう。

この参考例による平板型ＳＯＦＣモジュール２０の利点について説明する。
この参考例による平板型ＳＯＦＣモジュール２０では、ナット１１を締め付けて押圧板８を押し下げ、セラミックスばね９を圧縮してトッププレート３を押圧し発電部２に初期還元時の荷重を掛けるとき、トッププレート３がストッパ３５の上面に押し付けられるため、所定値以上の荷重が発電部２に掛かるおそれがない。このため、発電部２を破壊したり、ボルト１０が破断したりするようなことがない。また、荷重機構２１による荷重は、ストッパ３５の高さを変えることにより自由に変更することができる。
〔本発明の実施の形態〕

次に、図４および図５を用いて、本発明の実施の形態について説明する。

上述した参考例のように、平板型ＳＯＦＣモジュール２０の発電部２に荷重を掛ける荷重機構２１にストッパ３５を用いた場合、ストッパ３５が押圧板８またはトッププレート３に焼き付いてしまうおそれがあり、焼き付いてしまうとセラミックスばね９が機能しなくなり、荷重機構２１による荷重調整が正常に機能しなくなるというおそれがあった。すなわち、この焼き付きが一旦起きると、初期還元後に発電部２への荷重を小さくしようとしても、セラミックスばね９が伸長しないので、発電部２に荷重が掛からなくなるという不都合が発生する。そこで、この実施の形態では、このような不都合を取り除くためになされたものである。

この実施の形態においては、トッププレート３とストッパ３５との間およびストッパ３５と押圧板８との間に８００度程度の高温でも、金属に焼き付かない材質であるマイカ、アルミナ等の部材によって形成した焼き付き防止シート４１，４２を介在させたことに特徴を有する。このような構成とすることにより、初期還元時あるいは通常運転時に、ストッパ３５と押圧板８およびストッパ３５とトッププレート３との間で焼き付けが発生しないため、セラミックスばね９が正常に機能し、荷重調整が機能しなくなるというようなことがない。なお、この焼き付き防止シート４１，４２をストッパ３５と押圧板８およびストッパ３５とトッププレート３との両方の間に介在させるようにしたが、必要に応じて少なくともいずれか一方に設ければよい。

この焼き付き防止シート４１はトッププレート３の上面全体を覆う外形に形成され、焼き付き防止シート４２は押圧板８の下面全体を覆う外形に形成されている。このように構成されていることにより、焼き付き防止シート４１，４２を介在させたことによって、セラミックスばね９の収縮量が小さくなるようなことがなく、セラミックスばね９の発電部３への荷重が変わるようなことがないから、荷重調整が正常に行われる。

例えば、焼き付き防止シート４１，４２が図５に示すように、ストッパ３５の断面と同じ外形に形成されている場合は、セラミックスばね９の収縮量が小さくなることにより、セラミックスばね９による発電部３へ掛かる荷重が小さくなるからである。したがって、同様な理由からトッププレート３とストッパ３５との間およびストッパ３５と押圧板８との間にペースト状の焼き付け防止剤を塗布するのも好ましくない。一方、ストッパ３５自体を８００度程度の高温でも、金属に焼き付かない材質で、かつストッパとしての強度を保持できる部材によって形成することにより、焼き付き防止シート４１，４２と同じ作用効果が得られるため、焼き付き防止シート４１，４２が不要になる。

なお、本実施の形態においては、燃料極３０に十分な強度を持たせた燃料極支持型の単セル２５を用いた例を示したが、これに限らず十分な強度を有する平板型固体電解質２８の表裏面に空気極２９、燃料極３０をそれぞれ配置した電解質支持型の単セルまたは空気極２９に十分な強度を持たせた空気極支持型の単セルを用いてもよい。

１…発電ユニット、２…発電部、３…トッププレート、４…ベースプレート、５…断熱容器、６…荷重機構、７…ＳＯＦＣモジュール、８…押圧板、９…セラミックスばね（加圧手段）、１０…ボルト（支持部材）、１１…ナット（荷重調整手段）、２０，４０…平板型ＳＯＦＣモジュール、２１…加圧機構、２５…単セル、２６…セパレータセット、２７…セルホルダー、２８…電解質、２９…空気極、３０…燃料極、３１…溝、３２…穴、３５…ストッパ（荷重遮断手段）、４１，４２…焼き付き防止シート。

Claims

平板型固体酸化物形燃料電池セルを有する発電ユニットを複数枚積層して電気的に接続してなる発電部と、
前記発電部に荷重を掛ける荷重機構と、
前記荷重機構による荷重を調整する荷重調整手段と、
前記発電部に所定の荷重以上の荷重が掛からないようにする荷重遮断手段とを備え、
前記荷重機構は、支持部材に上下動自在に配設され前記発電部の上方に位置する押圧板と、前記押圧板と前記発電部との間に介在された加圧手段とを備え、
前記荷重機構の加圧手段は、セラミックス製の圧縮コイルばねからなり、
前記荷重遮断手段は、前記押圧板と前記発電部との間に介在されたストッパからなり、
前記押圧板と前記ストッパとの間および前記ストッパと前記発電部との間のいずれか一方に焼き付き防止シートが介在し、
前記焼き付き防止シートは、前記押圧板の下面全体または前記発電部の上面全体を覆うように配設されていることを特徴とする平板型固体酸化物形燃料電池モジュール。
平板型固体酸化物形燃料電池セルを有する発電ユニットを複数枚積層して電気的に接続してなる発電部と、
前記発電部に荷重を掛ける荷重機構と、
前記荷重機構による荷重を調整する荷重調整手段と、
前記発電部に所定の荷重以上の荷重が掛からないようにする荷重遮断手段とを備え、
前記荷重機構は、支持部材に上下動自在に配設され前記発電部の上方に位置する押圧板と、前記押圧板と前記発電部との間に介在された加圧手段とを備え、
前記荷重機構の加圧手段は、セラミックス製の圧縮コイルばねからなり、
前記荷重遮断手段は、前記押圧板と前記発電部との間に介在されたストッパからなり、
前記押圧板と前記ストッパとの間および前記ストッパと前記発電部との間に焼き付き防止シートが介在し、
前記焼き付き防止シートは、前記押圧板の下面全体および前記発電部の上面全体を覆うように配設されていることを特徴とする平板型固体酸化物形燃料電池モジュール。
請求項１または請求項２記載の平板型固体酸化物形燃料電池モジュールにおいて、
前記ストッパは異なる高さの複数のストッパから、前記荷重機構によって前記発電部に掛ける荷重に応じた高さのストッパが選択されることを特徴とする平板型固体酸化物形燃料電池モジュール。