JP5518252B2 - 平管型固体酸化物燃料電池用巨大スタック及びその製造方法 - Google Patents

平管型固体酸化物燃料電池用巨大スタック及びその製造方法 Download PDF

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Description

本発明は固体酸化物燃料電池用スタック及びその製造方法に係り、より詳しくは平管型改質器と平管型反応器を一体化したセルモジュールがセルバンドルを成して電気的に連結された大容量の固体酸化物燃料電池用スタック及びその製造方法に関するものであり、平管の両端部に二つの密封剤溝が形成された伝導性の多孔性支持体を使って、電気連結材が上下面に形成され、内部チャネルに改質触媒が内蔵された一体型(monolith type)の改質器及び支持体の平板面中央部の片面または両面に空気流動用チャネルを形成した後、一面には単位セル層が形成され、反対面には電気連結材層が形成された一体型の単位セルを混用して、一つの改質器の上下に偶数の単位セルを積層し、チューブの内部チャネルの一端または両端を塞ぎ、チューブの間が互いに貫通されて垂直通路が形成されたセルモジュールを製作し、セルモジュールをさらに上下に積層して左右に配列した後、末端集電部をガスマニホールド（マニホールド）に連結したセルバンドルが製作され、セルバンドルをさらに上下左右に配列してスタックモジュールが製作され、スタックモジュールの燃料ガス及び空気マニホールドをそれぞれ適宜連結してスタックバンドルが製作され、これをさらに上下に繰り返し配列して最終のスタックが製作され、スタックモジュール内のチューブ中央空気チャネル部は空気の流入及び排出のためのホットボックス(hot box)内に設置され、ホットボックスの外側左右に燃料ガスマニホールド装着用ラック(rack)が設置され、電気的には単位セルが直並列で混合して連結されたセルバンドルがさらに必要によって直列、並列、または直並列で混合して連結できるように製作され、構造的に安定し、セルバンドル内の両端燃料ガスマニホールド内の密封部が低温に維持されて完全な密封がなり、小型単位セルの並列連結によるスタックの大面積化が可能であり、内装された改質器が燃料電池発生熱を消耗することにより、セルバンドル内の熱変化が少なく、最終スタックの熱管理が容易であり、また特定セルの故障の際に該当セルバンドルをホットボックスから容易に交換できるので、スタックの修理が容易で、３次元的巨大化が可能な固体酸化物燃料電池用スタック及びその製造方法に関するものである。
より詳しくは平管の内部に長手方向に燃料ガス流動用チャネルが形成され、長手方向への両端部の上下左右の４面全面に一定の広さ及び深さで密封剤装着用溝(groove)を間隔を置いて二つずつ形成して完成された支持体と、支持体の内部チャネルに改質触媒が装着され、平板の上下両面に電気連結材層が形成され、さらに一端の内部チャネルを塞ぎ、密封剤溝の間の位置に内部チャネルと連結された改質ガス排出用垂直通路を形成して完成した一体型の改質器と、構造体の平板中央部の片面または両面に空気流動用チャネルを形成し、一面に陰極層、電解質層及び陽極層からなる単位セル層が形成され、反対面に電気連結材層が形成され、かつ内部チャネルの一端または両端を塞ぎ、閉塞側の密封剤溝間の位置に内部チャネルと連結されたガス流入または排出用垂直通路が形成された一体型の単位セルを混用してセルモジュールを製作し、改質器の上下面に単位セルを偶数積層して、燃料ガスが改質器に導入して内部チャネルを通りながら改質された改質ガスが垂直通路を通じて隣接した単位セルの内部をジグザグに流れて最終に改質器流入口の反対側に排出されるように製作され、電気的には直列で連結されたセルモジュールを製造し、セルモジュールをさらに左右に密着して配列し、これをさらに上下に積層して一定サイズのセルバンドルを製造し、末端セルに付着された集電板はそれぞれ左右の燃料ガスマニホールドに連結し、密封剤溝に密封剤を入れた後、全体を垂直に立て、高温で密封剤を液体状態に溶かしてチューブの間に広がるようにした後に冷やすことによって、両端の二つの密封剤の間に垂直通路を含む別途の燃料ガスチャンバーが完成された単位セルバンドルを製造し、セルバンドルをさらに上下左右に配列し、中央空気チャネル部にはホットボックスを装着し、ホットボックスの外の左右ラック上のオープンボックスに燃料ガスマニホールドを装着して完成された単位スタックモジュールを製造し、スタックモジュール上の燃料ガス及び空気の流入用及び排出用マニホールドを適宜連結して完成されたスタックバンドルを製造し、スタックバンドルをさらに上下に配列して３次元的に無制限に巨大化することができ、電気的にセルバンドルはスタックモジュール内の隣接したセルバンドルまたは隣接したスタックモジュール内のセルバンドルと直並列で混合して連結されて完成される内部改質型の巨大スタック及びその製造方法を提供する。
スタックにおいては、燃料ガスはスタックモジュール内の一端及び中間の流入用ガスマニホールド通じて改質器に流入してセルモジュール内の単位セルの内部チャネルをジグザグに通ってその反対側排出用マニホールドに排出され、空気はホットボックスの左右マニホールドを通じてチューブ外部の単位セル部位を流れることによって燃料電池反応が起こり、電気的には単位セルの間が直並列で混合して連結され、機械的には３次元的に無制限に巨大化することができ、またセルバンドルが一体構造となって機械的に安定し、スタック内のチューブ両端燃料ガスマニホールド部位が低温に維持されて完全に密封され、小型単位セルを使っても並列連結によって反応面積の大面積化が可能であり、また内部改質器の混用で温度偏差が少なくてスタックの熱管理が容易であり、また一部セルの問題の際に該当セルバンドルの交換が可能な新規でより進歩した形態のスタック及びその製作方法を提供する。
現在、第３世代燃料電池と言える固体酸化物燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell、以下ＳＯＦＣという）は、熱化学的に安定したジルコニア系を電解質として用いて、これに陰極である燃料極と陽極である空気極が付着されている形態であり、水素、メタン、メタノール、ディーゼルなどの燃料ガスを改質なしに使うことができ、酸化剤として空気あるいは酸素を使うので、高効率、低公害の次世代発電方式として脚光を浴びている分野である。このようなＳＯＦＣは、電解質としてイットリア(yttria)を添加して結晶構造の安定化をはかった安定化酸化ジルコニウムを使って来た。この材料は酸素イオンの伝導性を持っているが、このような導電性は温度に依存し、８００〜１０００℃の範囲で燃料電池としての所望の伝導性を得ることができる特徴がある。このために、ＳＯＦＣの運転温度は通常８００〜１０００℃であり、電極材料もこのような高温に耐えるためにセラミック種類の物質が使われることが好ましい。例として、空気が流入する陽極はＬａＳｒＭｎＯ３、水素が流入する陰極にはＮｉ−ＺｒＯ２混合物が通常使われる。
従来の平管型ＳＯＦＣにおいては、通常、多孔性の陰極材料でなった平板を支持体として板の一面にそれぞれ緻密膜の電解質層及び多孔性の空気極層を被覆と焼結の過程によって一定厚さに形成して電解質電極アセンブリ(Electrolyte-Electrode Assembly)を作り、積層の際に上下電極組合せの陽極と陰極を電気的に連結し、また燃料ガス及び空気を導入するためのガスチャネルを両面に形成した導電性金属材料でなった連結板（Interconnect、以下‘電気連結板’という）を結合した単位セルを上下に繰り返し積層して最終スタックを構成することになる。このような平管型スタックにおいては、単位「電極板」の厚さが薄い利点があるが、セラミックの特性上、厚さの均一度や平板度を調節することが難しくて大型化が易しくなく、また単位セルの積層のために電極アセンブリと電気連結板を交互に積むとき、電気連結板内の上下面を流れる燃料ガスと空気の混合を防ぐために、セルの全縁部にガス密封(seal)材の装着が必要である。密封材料として使われるガラス系材料の軟化温度は６００℃程度から始まるが、固体酸化物燃料電池は通常８００℃以上の高温で作動することが効率面で好ましい。したがって、現在としては完全な密封剤が発見されなく、また昇温または冷却中でそれぞれの燃料電池単位セルの間に熱及び機械的応力による構造不安全性の危険と密封剤の結晶化によるガス漏出の危険も高く、究極には単位セルの大型化が難しいため、実用化のためには多くの改善が必要な実情である。
このような平管型セル(cell)の欠点を改善するために、円筒状セルと呼ばれる方式が特許文献１及び特許文献２に開示されている。このような円筒状セルは、平管型セル構造に比べ、スタックそのものの電力密度は多少低下するが、強度及びガス密封の面で大きな利点がある。この方式は、酸化ジルコニウムなどからなる多孔性支持体チューブ上に空気極、電解質、燃料極、電気連結材層の順に各材料を積層して単位燃料電池を構成するものである。したがって、電池の間に気体密封剤が不要であり、これにより平管型セルで発生するセラミック密封の問題点がない。また、それぞれの電池が堅固な支持体上に形成され、燃料電池自体が堅固なセラミック構造を構成しており、熱膨脹による抵抗力に優れている。そして、還元性雰囲気で電池と電池間の接触がなるので、金属材料でなった電気連結材(interconnect)を使っても構わない。しかし、容量増大のために単位セルを複数連結してスタックを構成する場合、発電電流が長手方向に電極面に沿って流れれば内部抵抗が増加する問題が発生して大型化が不可能である。このような欠点を改善するために、電流を半径方向に取り出すためには、個々のチューブの内外部に集電板またはワイヤを巻く必要があり、複数連結の際にチューブ同士接触しないように間隔を維持しなければならないため、不必要な空間がたくさん発生して単位体積当たり電力密度が低くなる欠点がある。
近年、上述のような平管型セル及び円筒状セルのＳＯＦＣが持っている問題点を解決するために、燃料電池モジュール自体に平管型セル構造と円筒状セル構造を一緒に持たせるようにすることで、平管型セルの密封問題を解決し、同時に電力密度も高めるための平管型(flat tube type)構造を用いた単位電池及びスタックの開発が特許文献３〜５に開示されている。しかし、この場合においても、積層のためには、平管型セルの外部に空気または燃料極ガスを導入させるためのガス流路を持って積層される平管型セル間の陽極と陰極を電気的に連結させるための一定厚さの電気連結板の０使用が必須である。平管型は、円筒状に比べ、単位電池間の接触面積を増やして体積当たりの電力密度を増大させ、積層の際の機械的安定度にも優れるが、電気連結材板の材料が金属である特性上、高温運転の際にセラミック材の電極板の間に機械的、熱的応力が発生する問題点などがある。また、高温で長期間使用するとき、電気連結材板の表面の空気による腐食可能性の問題点が発生し、大型化の際にセラミック材と金属材料の間の熱的、機械的応力の解消が困難である。
以上説明したように、固体酸化物燃料電池は、セラミックで製作される特性上、単位セル面積の大面積化が難しく、単位セルが物理的にかつ電気的に直列でだけ連結される場合には、一つの特定セルの性能が悪くなれば、すぐスタック全体の性能が同時に悪くなる問題を内包しているため、製作上すべてのセルが完璧に製作されて作動しなければならないという難しい課題を抱いており、また積層されたスタック内の特定セルの故障や性能低下の際、セルの一部の入れ替えや修理が難しいか不可能である。一般的に、固体酸化物燃料電池は高分子電解質型、溶融炭酸塩などの他の燃料電池に比べてずっと高温で作動して効率が高く、水素だけではなくてＣＯなども酸化させることができるので、石炭ガス、バイオガス、ディーゼルガスなどの多種の燃料を使うことができ、さらにＭＷ級容量以上の大規模発電所用に使用可能であり、高温排ガスはガスタービンによる追加発電が可能であるため、最も将来性があり商業的に競争力があるが、上記で列挙した諸般の問題点のために、現在は単位セルの巨大面積化及びスタックのＭＷ級以上巨大規模化が現実的に不可能な状態である。
燃料電池反応は、水素の酸化によって大量の熱が発生し、よって単位セルの面積を増大させるか積層数をふやして大型化すれば、スタック内の中心部と周辺部間の温度変化を制御することができなく、このような現象は高温で作動する固体酸化物燃料電池においてより深刻な問題を引き起こす。一方、燃料電池は水素を反応ガスとして使うが、通常水素は炭化水素を含む燃料ガスをスチームで改質して生産し、反応は吸熱反応である。したがって、単位セルの間に改質器を挿入するか単位セルの陰極層や電気連結材板に改質触媒を被覆して改質反応を同時に引き起こせば、燃料電池反応の発熱問題を制御することができるが、不幸にも現在使用されているニッケル−ジルコニアサーメットの陰極層は炭化水素の改質に対する活性は優秀であるが、Ｎｉが高温ではひどいコーキングを引き起こして陰極層が究極に破壊されるため、陰極層を炭化水素含有燃料ガスに直接露出させることができない問題点を持ち、別途の改質器を単位セルと電気連結材板の間に物理的に挿入しなければ改質反応による燃料電池反応熱の制御は不可能である。
アメリカ特許ＵＳ６２０７３１１Ｂ１号明細書 アメリカ特許ＵＳ６２４８４６８Ｂ１号明細書 大韓民国特許公開１０−２００５−００２１０２７号明細書 アメリカ特許ＵＳ６４１６８９７号明細書 アメリカ特許ＵＳ６４２９０５１号明細書
本発明で解決しようとする課題は、高温ガス密封剤が高温に露出されなく、高温でガスチャネル及び電気連結材に加わる熱応力及び空気腐食の問題がなく、スタックの大型化による機械的安全性を維持することができ、スタック内の温度変化が少なくて熱管理が容易であり、積層されたスタックの修理が容易な新規の固体酸化物燃料電池用スタックを提供することである。
本発明が解決しようとする他の課題は、高温ガス密封剤が高温に露出されなく、高温でガスチャネル及び電気連結材に加わる熱応力及び空気腐食の問題がなく、スタックの大型化による機械的安全性を維持することができ、スタック内の温度変化が少なくて熱管理が容易であり、積層されたスタックの修理が容易な新規の固体酸化物燃料電池用スタックを製造する方法を提供することである。
本発明で解決しようとするさらに他の課題は、スタック内の温度変化が少なくて熱管理が容易であり、ガスチャネルの空気腐食の問題がない新規の固体酸化物燃料電池スタック製造用セルモジュールを提供することである。
本発明で解決しようとするさらに他の課題は、スタック内の温度変化が少なくて熱管理が容易であり、ガスチャネルの空気腐食の問題がなく、大容量の安定的な運転が可能な新規の固体酸化物燃料電池スタック製造用セルバンドルを提供することである。
本発明で解決しようとするさらに他の課題は、スタック内の温度変化が少なくて熱管理が容易であり、積層されたスタックの修理が容易な新規の固体酸化物燃料電池スタック製造用スタックモジュールを提供することである。
本発明で解決しようとするさらに他の課題は、平管型改質器から積層面を通じて改質ガスが流入することができる新規の平管型単位セル反応器を提供することである。
本発明で解決しようとするさらに他の課題は、平管型単位セル反応器に積層面を通じて改質ガスが流入することができる新規の平管型改質器を提供することである。
本発明は、従来の固体酸化物燃料電池が持っている、高温運転で引き起こされる不完全なガス密封の問題、金属で製造されたガスチャネル及び電気連結材の使用による熱応力及び空気腐食の問題、セラミック単位セルの大面積化の困難さ、スタックの大型化による機械的安全性及びスタック内の温度偏差と熱管理の問題、積層されたスタックの修理が不可能な問題などの諸般問題点を解決する。
上記問題を解決するために本発明は、燃料ガスと空気を用いて電気を発生させる固体酸化物燃料電池用スタックを製造する方法において、積層の際に密封剤を装着可能な二つの密封剤溝を、電気伝導性及び多孔の平管の両端部の隣接部の上下左右４面全面に、２つの密封剤溝の間に垂直通路が配置できる密封剤溝の間隔及びの大きさとなるように形成して、平管型支持体を製造する工程と、
支持体の上下面中央部に、伝導性支持体と接触する緻密膜の電気連結材層を形成し、中央部以外の部位には緻密膜の電解質層を形成し、支持体の内外面の間を密封した後、さらに支持体の内部チャネルの一端を塞ぎ、密封剤溝の間の位置に内部チャネルから外面に延びるように燃料ガス排出用垂直通路を貫設し、内部チャネルに改質触媒を装着するか、好ましくは所定の厚さで内部チャネルを被覆して改質器を完成する工程と、
支持体の平板上面中央に燃料電極層、電解質層及び空気電極層の電極−電解質アセンブリ（ＥＥＡ）を形成し、反対側下面には伝導性支持体と連結された電気連結材層を形成し、下面のその他の部位には電解質層を形成することで、電気連結材層と電解質層は緻密膜となり、残りの層は気孔が形成され、従来のウェットコーティング及び焼結工程、または、プラズマスプレーコーティング(plasma spray coating)または物理的気相成長法（ＰＶＤ：physical vapor deposition）のようなドライコーティング処理のいずれかにより複数の層が形成された単位セルベースを製造する工程と、
単位セルベースの一端または両端を塞ぎ、塞いだ端部に隣接する部分の密封剤溝の間の位置に燃料ガス流入及び排出用垂直通路を形成して最終単位セルを製造する工程と、
改質器の平板上下面にそれぞれ偶数の単位セルを積層することで、改質器と単位セルの間の垂直通路、そして単位セルの間の垂直通路の排出口と流入口の間を合わせて燃料ガス流路を形成することにより、改質器に流入した燃料ガスが改質された後に隣接した上下面の単位セルに流入し、さらに隣接した単位セルにジグザグ(zigzag)に流入及び排出され、最後に改質器流入口の反対側に排出されるように積層されたセルモジュールを製造する工程と、
複数のセルモジュールを上下に積層し、電気的に直列に連結し、積層したセルモジュールをさらに前後に配列して電気的に並列で連結してセルバンドルベースを製造した後、セルバンドルベースの上下末端に集電板を取り付け、セルバンドルの左右端部にガスマニホールドを装着し、上面の空気電極集電板は左側ガスマニホールドに連結し、下面燃料電極集電板は右側ガスマニホールドに連結し、密封剤を密封剤溝及びセルバンドルベースの外面とマニホールド内壁の間に装着し、密封剤の左側または左右両側にセラミックペーストまたは充填剤を充填し、その外には必要時にセラミック接着剤をさらに塗布して、得られた構造体を低温で乾燥または焼結して単一構造体でなったセルバンドルを製造し、セルバンドルを長手方向に垂直に立てた後、高温で密封剤を溶かしてチューブ同士の間及びセルバンドルの外面及びマニホールド内壁の間とを密封して最終的なセルバンドルを製造する工程と、
セルバンドルをさらに上下左右に一定距離を置いて配列し、中央反応部をホットボックス内に配置し、燃料ガスマニホールド部の両端をホットボックスの外の両端に垂直に置き、仕切りが設けられたラック上に装着して、ラックを二重壁で形成し、二重壁の間はセルバンドルがホットボックス内を左右にスライドできるようにセルバンドルより断面が大きいオープンボックスで構成した最終スタックモジュールを製造する工程、
不導体及び断熱材料の矩形フレームプラグをセルバンドルとホットボックスの間に挿入して、ホットボックスの熱の外部への漏れ及びセルバンドルとラックの間の通電を防ぎ、後にセルバンドルとラックの外壁面上のオープンボックスとの間の隙間を塞いでセルバンドルの間の上下左右の開口部からなる空気注入用エアチャンバがラック上に形成され、エアチャンバ中に冷却用空気を吹き入れてマニホールド部の密封剤がとけない所定温度以下にマニホールド部の密封剤の温度を維持することができるようにして最終単位スタックモジュールを製造する工程と、
スタックモジュールに装着されたホットボックスの前後壁面上の空気排出用マニホールドと流入用マニホールドの間を繰り返し直列で連結するかまたは二つの単位スタックモジュールや直列で連結された複数のスタックモジュールをさらに前後に転置して流入用マニホールド同士及び排出用マニホールド同士繰り返し連結して空気マニホールドを繰り返し連結し、さらに燃料ガス流入用マニホールド同士及び燃料ガス排出用マニホールド同士繰り返し連結して、最終に前後に空気マニホールドが繰り返し連結されて左右に燃料ガスマニホールドが繰り返し連結された一定大きさのスタックバンドルを製造する工程、
複数のスタックバンドルをさらに上下に繰り返し積層し、燃料ガス流入または排出用マニホールドを上下方向に一つに統合した後、燃料ガスマニホールド内のセルバンドルの間を直列及び並列に電気的に所望の電流及び電圧を出すことができるように連結することにより、３次元的に巨大化したスタックを完成する工程とを備えている。
本発明はまた、上記方法で製造される固体酸化物燃料電池用スタックを提供する。
本発明によるスタックでは、空気はホットボックスの一側面に流入して個々の管状シェルの間の単位セルを通って反対側に排出される。炭化水素含有ガスは燃料ガスマニホールドに流入して改質器の内部で改質された後、改質された水素及びＣＯ含有ガスが隣接した単位セルの内部チャネルと連結された垂直通路を通じてジグザグに流れてセルモジュールの端部単位セルで排出され、最後に燃料ガス排出用マニホールドから排出される。よって二つの異種ガス（空気及び炭化水素含有ガス）が互いに混合されることがない。さらに、スタック内の単位セルは、直列及び並列に連結して、所望の電流及び電圧を得るのに適している。また基本繰り返し単位であるセルバンドルが一体構造となって構造的に安定し、完全な密封がなされる。さらにセルモジュール内に設けられた改質器上の吸熱反応が隣接した単位セル内の燃料電池反応による発熱を消耗することができるので、セルバンドル内の温度変化を減らしてセルバンドル自体の大型化が可能である。外部改質器と内部改質器を連携する場合、スタックの熱管理が容易になり、またセルバンドルをラック上に保持して特定セルの故障や性能の低下の際に、該当セルバンドルを交換して修理することができる。
そして、本発明において、固体酸化物燃料電池用スタック及び単位セルの製造に使われる支持体の製造では、平管の外面中央部に、平管を積層するとき、空気が空気チャネル部の左右方向にだけでなく上下方向にも流れることができるように支持体に所定の深さの溝部が形成される。
本発明の固体酸化物燃料電池用改質器では、平管型支持体の上下部平板面の中央部に電気連結材層で緻密膜が形成され、その外面は不導体のセラミック、好ましくは電解質材料で緻密膜が形成されて２種のガスが混合するのを防止する。また内部チャネルの一端を塞いで、塞いだ端部付近に内部チャネルから支持体外部に延びるように穴状またはスリット状の垂直通路を貫設する。また内部チャネルに触媒が装着されるように、好ましくは内部チャネルの内壁に被覆層が形成される。このように製作された改質器では、チューブの一端に流入した炭化水素含有燃料が触媒層で水素及びＣＯ含有ガスに改質された後、反対側の塞がった端部に隣接する改質器を通して形成された垂直通路を通じて外に排出され、隣接した単位セルの内部チャネルに流入する。さらに下部の電気連結材層は隣接した単位セルの陽極層に接触して連結され、上部電気連結材層は隣接した単位セルの陰極に連結される。
本発明において、固体酸化物燃料電池用支持体上の平板面の空気チャネルは、一定の深さ及び広さを有する溝部を構成する。よって、支持体を使用して製造された単位セル及び改質器を互いに積層するとき、溝部の陽極層が隣接した単位セルの電気連結材層または改質器の電気連結材層と電気的に連結され、空気は積層されたチューブの間の溝部を通って垂直に流れる。
本発明において、固体酸化物燃料電池用セルモジュールは、改質器の上下平板面に偶数個ずつの単位セルを積層して製造される。積層の際、電気連結材層と陽極層部位に電気連結材材料または陽極の材料でなったスラリを塗布し、密封剤溝には密封剤を入れ、密封剤溝の左右にはセラミック接着剤を充分に塗布する。そして、積層した構造体をプレスしながら、密封剤がとけないように７００℃以下、好ましくは６００℃以下で乾燥及び焼結して一体構造体を製造する。
本発明の固体酸化物燃料電池用セルモジュールにおいては、中央の改質器に流入した炭化水素含有燃料ガスは、改質器内で水素及びＣＯを含む改質ガスに改質された後、上下に隣接した単位セルに流入し、さらにその次の単位セルにジグザグに流れて、改質器流入口の反対側に最終的に排出される。このセルモジュールでは、改質器の電気連結材層と単位セルが電気的に連結され、単位セルの陽極層と隣接した単位セルの陰極層が直列で連結され、下部末端単位セルは陰極層となり、上部末端単位セルは陽極層となる。
本発明において、固体酸化物燃料電池用スタック内の燃料ガス排出用または流入用中間連結マニホールドは、セルバンドルの長さより長く構成されており、必要に応じてセルバンドルを交換可能である。
本発明の固体酸化物燃料電池用スタックでは、スタックバンドルをさらに上下に一定間隔を置いて配列している。スタックバンドルの間隔は、それぞれのマニホールドに連結される配管が収容され、セルバンドルの交換のための移動空間が確保されるよう構成されている。
本発明において、固体酸化物燃料電池用スタックは、一つのスタックモジュールを最小の大きさのスタックとして使うことができ、または単位スタックモジュールを空気流動方向に直列で連結した後、上下に配列して製造した中間の大きさのスタックとして使うこともできる。または燃料ガス方向に二つだけ直列で連結し、最後に上下方向に配列して製造したスタックとすることもできる。
本発明において、固体酸化物燃料電池用スタック内のスタックモジュールの空気流入及び排出用マニホールド間は、空気内の酸素濃度が好ましくない水準に減少する時点、好ましくは酸素濃度５％以下の時点で、互いに直列には連結されない。これらのマニホールドは、互いに向き合うように繰り返し連結されて、空気を分散して流入することにより、空気濃度の減少を避ける。
本発明において、固体酸化物燃料電池用スタックでは、スタックモジュール内の平管を垂直に立てて３次元的に繰り返し連結または配列して最終のスタックが製造される。このスタックは、燃料ガスマニホールド部を密封剤が溶ける高温の範囲、つまり７００℃以上に維持していても運転することもできる。
本発明の一実施例において、単位セル及び改質器の密封剤溝には、セルモジュールまたはセルバンドルの製造の際、密封剤でなった板型棒が装着され、高温焼結によって密封剤を溶かしてチューブのシェル側を完全に密封する。この際、完全な密封のためには、セルバンドルを垂直に立てた後、密封剤を溶かすことにより、密封剤が密封剤溝の下に溜まってチューブの間に左右前後方向に広がって完璧な密封状態を提供する。密封剤が溝から漏れることを防止するために、好ましくは積層の際に密封剤溝の下部にセラミックスラリまたはペーストを塗布し、プレスしながら焼結することにより、密封剤が溶けて下に漏れることを防止するようになる。
本発明の一実施例において、集電板のホットボックスに装入される中央部にセラミック板を付け、集電板を覆って密封することで、集電板の空気への露出による腐食を防ぐことができる。
本発明の一実施例において、改質器を製作するための平管は単位セルと同一の材料、形状及び大きさのものを使うことが好ましいが、必要時に外面に空気チャネルがないものを使うか多孔性ではない緻密膜でなったものを使っても構わない。この場合は、単位セルと左右幅及び長さが正確に一致するものが大型セルバンドルの製作及び精巧な密封によい。
本発明の一実施例において、ラック上のセルバンドルの間に挿入されてホットボックスの壁面位置に置かれる矩形フレーム状のプラグは、ホットボックス内に延びて、ホットボックス内のセルバンドル間の間隙を塞いで、間隙内への空気の流入を防止するように製造される。
本発明は一実施例において、空気が流入及び排出されるホットボックスの前後壁面は、空気孔用の小さなチャネル孔が均一に分散した厚壁で構成されて熱遮断が効果的に発揮される。必要時に小孔がランダムに形成された板を一つ以上さらに設置した後、空気の流入及び排出用マニホールドが装着されてホットボックスの熱放出を効果的に遮断し、配管に流入した空気流れの分散を効果的に増大させることができるようになる。
本発明の一実施例において、スタックの熱管理は、空気の流量を調整するか、好ましくは外部に小型改質器をさらに設置し、外部改質器と内部改質器の改質割合を調整することができる。
本発明の一観点において、改質器用多孔性平管は燃料ガスが接触する内部チャネル面と垂直通路を含む外面を電解質などの緻密膜で被覆することで、燃料ガスが支持体内の（Ｎｉなどの）金属に接触して不必要に改質されることを防いで、高温でのコーク形成による多孔性支持体の物性変形や構造破壊を防止する。
本発明は他の観点において、平管型改質器に少なくとも一つの平管型反応器が積層された固体酸化物燃料電池用セルモジュールにおいて、平管型改質器は一側が塞がっており、内部チャネルから外面に少なくとも一つの第１チャネルが貫設されて、平管型反応器は少なくとも一側が塞がっており、内部チャネルから外面に少なくとも一つの第２チャネルが貫設されて、平管型反応器の外面には単位セル反応部と空気流動チャネルが形成されて、第１チャネルは、少なくとも一つの第２チャネルと連通することを特徴とする固体酸化物燃料電池用セルモジュールを提供する。
本発明の他の観点において、平管型改質器に少なくとも一つの平管型反応器が積層された固体酸化物燃料電池用セルモジュールは、平管型改質器の一側が塞がっており、内部チャネルから外面に少なくとも一つの第１チャネルが貫設され、平管型反応器は少なくとも一側が塞がっており、内部チャネルから外面に少なくとも一つの第２チャネルが貫設され、平管型反応器の外面には単位セル反応部と空気流動チャネルが形成され、第１チャネルは少なくとも一つの第２チャネルに連通し、このようなセルモジュールが上下及び／または左右に積層してバンドルを構成するセルバンドルを提供するものである。
本発明のさらに他の観点において、平管型改質器に少なくとも一つの平管型反応器が積層された固体酸化物燃料電池用セルモジュールは、平管型改質器の一側が塞がっており、内部チャネルから外面に少なくとも一つの第１チャネルが貫設され、平管型反応器の少なくとも一側が塞がっており、内部チャネルから外面に少なくとも一つの第２チャネルが貫設され、平管型反応器の外面には単位セル反応部と空気流動チャネルが形成され、第１チャネルは少なくとも一つの第２チャネルに連通し、このようなセルモジュールを上下及び／または左右に積層してバンドルが構成されたセルバンドルが直列及び／または並列で連結されたスタックモジュールを提供するものである。
本発明はさらに他の観点において、スタックモジュールが電気的に直列及び／または並列で連結したスタックバンドルを提供するものである。
本発明はさらに他の観点において、スタックバンドルを直列及び／または並列で連結した固体酸化物燃料電池用スタックを提供するものである。
本発明はさらに他の観点において、内部チャネルが形成された伝導性平管型支持体がプラグで一側が塞がっており、プラグの隣接部位で内部チャネルから支持体の外面に垂直に垂直チャネルが貫通され、内部チャネルには改質触媒が被覆されたことを特徴とする、固体酸化物燃料電池用改質器を提供するものである。
本発明はさらに他の観点において、内部チャネルが形成された伝導性の平管型支持体の外面両側に支持体のまわりに沿って密封剤が挿入される二つの溝がそれぞれ形成され、溝の間には内部チャネルに貫通される垂直チャネルが選択的に形成され、支持体の外面中央部には一つ以上の溝からなる空気チャネルが形成され、支持体の外面中央部には上面に第１電極、電解質、及び第２電極から構成される一つ以上の単位セルが形成され、下面に電気連結材層が形成され、残りの外面は緻密膜で被覆されたことを特徴とする、固体酸化物燃料電池用単位セル反応器を提供するものである。
本発明によれば、偶数個の平管型単位セルと一つの改質器を電気的に直列で連結して積層された一体構造体のセルモジュールを製造する。このセルモジュールを、前後に配列し、さらに上下に直列で連結積層し、密封剤溝に密封剤を入れる。末端セルに陽極及び陰極集電板を取り付け、集電板とそれぞれ連結されたガスマニホールドを高温で焼結し、セルバンドルは全体が一体構造体となる。このセルバンドルは、構造的に安定し、小型単位セルの並列連結によるスタック製造の容易性及び大面積化が可能となる。セルバンドル内に規則的に含まれた改質器内の吸熱反応が隣接した単位セル内の燃料電池の発熱反応熱を消耗して、セルバンドル内の温度変化を減らす。またセルバンドルを上下左右に配列し、中央にホットボックスが設置され、ホットボックスの外の左右両側のオープンボックスに燃料ガスマニホールドが装着されることによりスタックモジュールが製造される。このスタックモジュールでは、特定セルバンドルを故障の際に交換可能であり、スタックモジュールの燃料ガス及び空気の排出用及び流入用マニホールド同士をそれぞれ前後左右の４方向に適宜連結してスタックバンドルを製造する。スタックバンドルをさらに上下に配列し、セルバンドルを電気的に直列及び並列に連結することによって単位セルが電気的に直列及び並列に連結され、セルバンドルが３次元的に無制限に拡張可能な巨大スタックを製造することができる。
このように製造されたスタックにおいて、空気は、スタックモジュール上のホットボックスの一側の空気マニホールドに流入して個々のチューブのシェル側を通って反対側空気マニホールドに排出され、燃料ガスはスタックモジュールの燃料ガス流入用マニホールドを通って個々の改質器の内部チャネルに流入することにより、炭化水素含有燃料ガスが水素及びＣＯ含有ガスに改質された後、個々の単位セルの内部チャネルに流れ、最終に反対側の燃料ガス排出用マニホールドに排出される。セルバンドルは、電気的に並列で連結され、電流及び電圧の調節が可能である。
スタック内で繰り返される基本単位であるセルバンドルは、内部に改質器が内蔵されて温度変化がなく、一体構造体で製作されて構造的に安定し、故障の際に交換可能な新しくて進歩した固体酸化物燃料電池用巨大スタック及びその製造方法を提供する。
本発明による固体酸化物燃料電池用平管の両端部付近に複数の密封剤溝を形成した支持体を示す斜視図である。 図１の本発明による固体酸化物燃料電池用支持体を使って製造された改質器の上下縦方向断面図である。 図１の本発明による固体酸化物燃料電池用支持体の上面に空気流動用チャネルを形成した斜視図である。 図３の本発明による固体酸化物燃料電池用支持体の電気連結材の被覆範囲及び内部垂直通路の例を示した長手方向上下断面図である。 図３の本発明による固体酸化物燃料電池用反応部の単位セル層を形成するための電極及び電解質の被覆状態を示した長手方向上下断面図である。 図２の本発明による固体酸化物燃料電池用改質器の一つに上下に図５の単位セルを二つずつ積層してセルモジュールを製造したものを示す長手方向上下断面図である。 図６の本発明による固体酸化物燃料電池用セルモジュールを上下に四つ積層して製作されたセルバンドルを示す長手方向上下断面図である。 図７の本発明による固体酸化物燃料電池用セルバンドル四つを上下に積層して製作されたスタックモジュールを示す長手方向上下断面図である。 図８の本発明による固体酸化物燃料電池用タックモジュールを、左右に二つの燃料ガスマニホールドを連結し、前後に三つの空気マニホールドを連結したスタックバンドルを示す水平面断面図である。 図９の本発明による固体酸化物燃料電池用セルバンドルをさらに上下に三つ積層した場合の図９上の燃料ガス流入及び排出部４ヶ所の燃料ガスマニホールド上の電極間の電気連結を示した長手方向断面図である。
以下、本発明の好適な実施例について図面を参照してより詳細に説明するが、本発明これに限定されるものではない。
図１に示すように、本発明による固体酸化物燃料電池用平管型多孔性支持体１０１は、燃料電極物質を含むかあるいは第３伝導性材料で構成され、内部に一つ以上の燃料ガス流動用チャネル１を長手方向に有しており、支持体１０１の両端部付近に密封剤を装着するための密封剤溝５が二つずつ一定距離を置いて上下左右の４面全面に一定深さ及び広さに形成される。支持体１０１の上下厚さはできるだけ薄いものが良く、１０ｍｍ以下、好ましくは５ｍｍ以下、より好ましくは３ｍｍ以下であることがよい。支持体１０１の幅及び長さが大きくなるほどスタックのサイズも大きくなるが、あまりにも大きいと、後に電解質層や電気連結材層の被覆及び焼結による形成が難しくなる。支持体の構造物の製作は、押出しなどの方法で平管を製造した後、表面に研削、研磨などの方法で溝を形成して製作するか、または二つの半分の平板をプレスなどの方法で成形して製作した後、二つの板を見合わせて取り付け、取り付けた構造物の内部に燃料ガス流動用チャネルを、外部に空気流動用チャネルを形成することにより製造することができる。支持体は、必要時に、上面７、下面８及び左右側面９を研磨して上下左右の厚さが均一になるようにさらに加工される。
図２は支持体１０１を使って改質器１０２を製造する方法を示したもので、支持体の内部チャネルの一端にセラミックプラグ１１、密封剤バー１２、セラミックプラグ１１を順に挿入し、支持体を垂直に立てた後、密封剤を溶かして内部チャネルを密封し、内部チャネルと連結し、かつ、支持体の外部を延びるように垂直通路２２を穿孔などの方法で形成する。その後、支持体の上下面７及び８の中央に緻密膜の電気連結材層３１を被覆し、内部チャネル１と、電気連結材層３１を除く支持体の外面全体に電解質層の緻密膜１４を形成して、燃料ガスが支持体と接触することを遮断する。そして、内部チャネル１に改質器触媒１９を装着して、内部チャネル１の内壁を被覆して改質器１０２を製造する。密封剤溝５には、後に単位セルとともに積層するとき、密封剤板１８が装着されて焼結される。運転の際には、燃料ガスは流入口２１に流入し、内部チャネルの改質触媒によって水素及びＣＯ含有ガスに改質されて、垂直通路２２からなる排出口を通じて隣接した単位セルに流入する。
図３、図４及び図５は、支持体１０１を使って単位セル１０３を製造する一例を示したもので、図３の例に示すように、支持体の上面７の中央部に、長手方向に対して直角方向の空気流動用チャネル２が凹凸状に形成される。空気流動用チャネルは、長手方向に対して直角方向に加えて、長手方向及び幅方向の組み合わせや格子状に形成してもよく、支持体を上下に積層するとき、長手方向に対して直角方向に空気の流れが形成できればどんな形状とすることも可能である。また空気流動用チャネルは、上板７ではない下板８に形成することもでき、あるいは上下板７、８の両面に形成して、積層の際にチャネルの深さをもっと深くし、または支持体の厚さを薄くすることができる。その後、図４に示すように、内部チャネル内の端部にセラミックプラグ１１、密封剤バー１２、セラミックプラグ１１を装着して焼結して内部チャネルを塞ぎ、密封剤溝の間の位置に内部チャネルから外部に延びる垂直通路２３を形成する。その後、図５に示すように、上板７の空気チャネル部に陰極（燃料電極）層１３、電解質層１４及び陽極（空気電極）層１５を順に被覆し、下面８の中央部に電気連結材層３１を被覆し、下面８の残部には電解質層１４を被覆する。次に、平坦な上面及び下面を、個別にまたは同時に焼結することにより、多孔性の電極層、緻密膜の電解質及び電気連結材層を形成する。燃料電極層１３の被覆は、支持体１０１が燃料電極材料からなる場合、図５のように省略することもできる。また、陰極層１３、電解質層１４及び陽極層１５でなった電解質電極集アセンブリは、空気流動用チャネル２上にまたは空気流動用チャネルのない上面に形成することできる。この場合は、支持体１０１の内部と接続されるように反対の面に電気連結材層が形成される。電気連結材層３１は、被覆及び焼結の工程に加えて、プラズマスプレーまたは蒸着のようなドライコーティング法により形成することができる。
図６は、改質器１０２の上下面に四つの単位セル１０４ａ〜１０４ｄを積層して製造した一体構造体のセルモジュール１０４を示したものである。図６に示すように、改質器１０２の上面及び下面に隣接した単位セル１０４ｂ、１０４ｃは内部チャネルの両端がいずれも塞がれており、内部チャネルの一方の端部には、下面を通る垂直通路が形成され、他方の端部には、上面を通る垂直通路が形成されている。ついで単位セル１０４ａ、１０４ｄは、内部チャネルの一端のみ塞がれており、上面または下面を通る垂直通路が形成される。従って、改質器の流入口２１に流入した炭化水素含有燃料ガスは、改質触媒上で水素及びＣＯ含有ガスに改質された後、垂直通路２２からなる流出口から隣接する単位セルの垂直通路を通って隣接する単位セルの流入口２３に入り、流出口２４に流れる。そしてガスは、次の単位セルの垂直通路を通じて流入口２３に流入し、ジグザグに流れ、最後に改質器の流入口の反対側に設けられた排出口２５を通ってに排出される。したがって、燃料ガスが改質器の一方から流入し他方から排出されるようにするために、改質器の上下には単位セルが偶数個積層されることが、必要である。垂直通路を含む燃料ガスチャンバーを形成するように垂直通路の両側に位置する密封剤溝に装着された密封剤によってモジュールの間隙が半径方向に密封されるので、内部チャネル１から垂直通路を通じてセルモジュールの外に排出されるガスは、空気から遮断され、内部チャネルにだけ流れることが可能となる。したがって、セルモジュールは、単位セルを積層することにより製造される。この積層工程において、電気連結材層及び単位セル層に電気連結材または陽極材料のスラリをさらに塗布し、密封剤溝の両側にセラミック材のペーストを塗布し、密封剤がとけない高温で、好ましくは６００℃以下の温度で単位セルを乾燥してから焼結することにより、改質器と単位セルが互いに電気的に直列で連結され、構造的に一つとなった一体構造体が形成される。
図７は、複数のセルモジュールを前後に配列してセルモジュールとし、これをさらに上下に積層して製造された、スタック製造の基本単位となるセルバンドルの垂直断面図を示したものである。図７に示すように、四つのセルモジュールが上下に電気的に直列で連結されるように積層される。図７には示されていないが、積層されたセルモジュールを左右にさらに密着配列して電気的に並列で接続されることが好ましい。積層工程において、単位セルの積層時と同様に、セルモジュール内の密封剤溝に密封剤を装着し、セルモジュール上の電気連結材層と隣接した陽極層に電気連結材または陽極材料のスラリを塗布し、密封剤溝の両端左右にセラミックのペーストを塗布する。得られたセルモジュールを、垂直及び水平に加圧しながら乾燥及び焼結することにより、セルモジュール同士電気的に連結され、かつ、連結して構造的に一体化したセルバンドルのベースが製造される。その後、セルバンドルのベースの最上部及び最下部のセルに集電板４１、４２を取付け、セルバンドルの支持体を備える穴あき板(perforated plate)４７まで延びるようにガスマニホールド５１、５２を取り付ける。ここで、上側陽極集電板４１は、左側マニホールド５１に電気連結材４３を介して電気的に連結され、下側陽極集電板４２は右側マニホールド５２に電気連結材４４を介して電気的に連結される。さらに、ガスマニホールドの内壁とセルバンドルの外面の間をセラミックペーストで満たし、十分な量の密封剤で右側を満たす。得られた構造物を垂直に立て、高温で、好ましくは７００℃以上で焼結することで、ガラス密封剤がとけて、密封剤溝の下部にまたは焼結したセラミックペースト上に付着した状態で、セルモジュールと、セルバンドルの外面と、マニホールドの内壁との間に広がる。最後に、構造物の温度を低温に下げて密封剤を固化させてセルバンドル１０５が製造される。
図８はセルバンドルを４×４のマトリクス状に配列した単位スタックモジュールの垂直断面図を示す。セルバンドル中央の空気チャネル部は、ホットボックス(hot box)６１内に配置されており、燃料ガスマニホールドの両端部は、二重壁ラック７１に設けられたオープンボックス内に配置される。その後、セルバンドルとホットボックスの壁部の間に、電気的に不導体で断熱可能な材料でなった矩形状のプラグを設けてホットボックスの熱を遮断してラックとセルバンドル間の通電を防止する。最後に二重壁ラックの外面上のセルバンドルとオープンボックスとの間の矩形リング状の空間を塞いで空気冷却用チャンバ８１を形成し、冷却用空気をチャンバー流入口５５に吹き入れて、ガスマニホールド部の温度を密封剤がとけない温度、好ましくは６００℃以下に一定に維持することにより、マニホールド内のガラスの密封剤がとけることを防止するようになる。
図９は４×４個のセルバンドルを装着した二つの単位スタックモジュール１０６を、燃料ガス流入用マニホールド５７同士の連結により左右に連結し、さらに得られた構造物を、空気流入用マニホールド５３と空気排出用マニホールド５４の間を直列に連結することで接続して製造したスタックバンドル１０７の水平断面図である。
図９に示すように空気は個々のスタックモジュール１０６内のホットボックス壁面を通して形成された空気流入用マニホールド５３に流入し、空気の流入／排出用マニホールド８４を通って、最後に空気排出用マニホールド５４から排出される。燃料ガスは燃料ガス流入用マニホールド８７に流入して両側に形成された燃料ガス排出用マニホールドから排出される。
図１０は、図９のスタックバンドルをさらに垂直に上下に三つ積層して、スタックモジュールが１８個（２×３×３）積層されたときの燃料ガスの流入及び排出マニホールド付近におけるＡ−Ａ’、Ｂ−Ｂ’、Ｃ−Ｃ’、Ｄ−Ｄ’線の４つの断面図である。参考として、図１０の断面図は図９の左側から右側に見たときのそれぞれのセルバンドル内の燃料ガスマニホールドの終端面を示したもので、これにセルバンドル間の電気連結を例示した。図１０のＡ−Ａ’断面図に示すように、スタックは個々のスタックモジュール内の４×４個のセルバンドルが並列で連結され、さらに上下に積層された三つのスタックモジュールが並列で配置されて最終に４×４×３＝４８個のセルバンドルが並列で連結さる。三つのスタックモジュール内の燃料ガスマニホールドが陰極となり、ついでＢ−Ｂ’断面の陽極マニホールドとＣ−Ｃ’断面の陰極マニホールドの間が直列で連結され、さらにＤ−Ｄ’断面の左側陽極マニホールドと右側陰極マニホールドが直列で連結され、ついでＣ−Ｃ’断面の陽極マニホールドとＢ−Ｂ’断面の陰極マニホールドの間が連結され、Ａ−Ａ’断面の中間陽極マニホールドと右側の陰極マニホールドが連結され、ついでＢ−Ｂ’断面の陽極マニホールドと陰極マニホールドが連結され、最終にＤ−Ｄ’断面の陽極マニホールドで外に出るようになる。
したがって、スタックは総６回の直列連結がなされ、最終的に４８個の並列で連結されたセルバンドルが６回の直列連結を経るようになる。セルバンドル内の単位セルが２０個の直列連結と４回の並列連結を持つように積層された場合には、最終のスタックは、単位セルを基準に、４８×４＝１９２回の並列連結と６×２０＝１２０回の直列連結を有するようになる。これは、単位セルの大きさが幅５ｃｍ×長さ５０ｃｍの小型でも３００ｃｍ２×１９２＝５７，６００ｃｍ２の大面的の単位セルを１２０個積層したものとなる。仮に、単位セルが０．２Ｗ／ｃｍ２の電力であり、平管の大きさを厚さ０．４ｃｍ×幅４．０ｃｍ×長さ６０ｃｍに製作し、有効単位セルの長さを５０ｃｍにし、両側の５ｃｍはガスマニホールドとして使用し、セルバンドル内の２０個の単位セルと５個の改質器を積層し、このように積層されたものを左右に四つ配列すると、セルバンドルの最終大きさは、厚さ１０ｃｍ×幅１２ｃｍ×長さ６０ｃｍの大きさとなる。セルバンドルを上下左右に４×４＝１６個配列し、セルバンドルの間隔を１．０ｃｍにすれば、単位スタックモジュールの大きさは、厚さ４３ｃｍ×幅５１ｃｍ×長さ６０ｃｍとなる。スタックモジュールを、図９及び図１０に示すように、燃料ガス流動方向に二つ、空気流動方向に三つ、上下方向に三つ積層して配列し、マニホールドの長さを５ｃｍにすれば、厚さ１５０ｃｍ×幅１７０ｃｍ×長さ１３５ｃｍの総体積３．４４ｍ３の大きさの最終スタックが製作される。スタックは面積５．７６ｍ２の単位セルを１２０個積層したものとなり、発生電力量は１．３８ＭＷとなってスタックが巨大化し、１０ＭＷの電力を発生するためには、スタックモジュールを燃料ガス流動方向に四つ、空気流動方向に六つ、上下に六つに拡張すると、総体積３．０ｍ×３．４ｍ×２．７ｍ＝２．７ｍ３程度の体積が必要であり、スタックモジュールの繰り返し拡張による技術上または運転上の難しい問題が発生しない。
１ 固体酸化物燃料電池用平管内の燃料ガス流動用内部チャネル
２ 固体酸化物燃料電池用平管平板面の片面に長手方向に対して直角方向に形成された外部空気チャネル
５ 密封剤装着用溝
７ 支持体内の上部平板面
８ 支持体内の下部平板面
９ 支持体内の左右側面
１１ 内部チャネルに装着されたガス密封用セラミックプラグ
１２ 内部チャネルに装着されたガス密封用密封剤プラグ
１３ 単位セル層内の被覆された陰極層
１４ 改質器または単位セルの外部平板面に緻密膜に形成された電解質層
１５ 単位セルに被覆される陽極層
１８ 密封剤溝にバーまたはプレートに成形されて装着される密封剤
１９ 改質器の内部に被覆された炭化水素改質用触媒
２１ 改質器内の燃料ガス流入口
２２ 改質器内の改質されたガス排出用垂直通路
２３ 単位セル内の水素含有ガス流入用垂直通路
２４ 単位セル内の水素含有ガス排出用垂直通路
２５ 単位セル内の最終廃ガス排出用排出口
３１ 改質器または単位セルの外部平板面に支持体の内部と連結されて緻密膜で形成された電気連結材層
４１ セルモジュール内の陽極集電板
４２ セルモジュール内の陰極集電板
４３ 陽極集電板及び燃料ガスマニホールド間の電気連結材
４４ 陰極集電板及び燃料ガスマニホールド間の電気連結材
４５ 集電板の上部空間補充用セラミック板
４７ 燃料ガスマニホールド内のセルバンドル支持用打孔板
５１ 陽極集電板に連結された燃料ガスマニホールド
５２ 陰極集電板に連結された燃料ガスマニホールド
５３ 空気流入用マニホールド
５４ 空気排出用マニホールド
５５ 燃料ガスマニホールド冷却チャンバー内の空気流入口
５６ 燃料ガスマニホールド冷却チャンバー内の空気排出口
５７ 燃料ガス流入用マニホールド
５８ 燃料ガス排出用マニホールド
６１ ホットボックス
６２ 空気の流入及び排出マニホールド内の遮熱及び空気分散用打孔板
６３ 空気流入のためのホットボックス内の打孔壁面
６４ 空気排出のためのホットボックス内の打孔壁面
７１ セルバンドルの燃料ガスマニホールド装着用ラック
７２ セルバンドルとラック間の電気絶縁及びホットボックス間の隙間断熱のための矩形フレーム型セラミックプラグ
８１ 燃料ガスマニホールド冷却用空気チャンバー
８４ 空気流入後空気排出用統合マニホールド
８５ 空気流入用統合マニホールド
８６ 空気排出用統合マニホールド
８７ 燃料ガス流入用統合マニホールド
８８ 燃料ガス排出用統合マニホールド
９１ セルバンドル連結用陰極集電板
９２ セルバンドル連結用陽極集電板
９３ セルバンドル連結用陰極集電板及び陽極集電板を連結する電気連結体
１０１ 平管型支持体
１０２ 支持体で完成された改質器
１０３ 外部平板の片面に空気チャネルが形成された支持体
１０４ 支持体で製作される単位セル
１０４ａ セルモジュール内の改質器上部末端に積層された単位セル
１０４ｂ セルモジュール内の改質器の上面に隣接して積層された単位セル
１０４ｃ セルモジュール内の改質器の下面に隣接して積層された単位セル
１０４ｄ セルモジュール内の改質器の下部末端に積層された単位セル
１０５ セルモジュールを左右に配列して上下に積層して製作されるセルバンドル
１０６ セルバンドルを上下左右に配列して完成されたスタックモジュール

Claims (21)

  1. 平管型改質器に積層された少なくとも一つの平管型反応器を備える固体酸化物燃料電池用セルモジュールにおいて、
    前記平管型改質器は一方側が塞がれており、かつ、内部チャネルから外面に延びる少なくとも一つの第１チャネルが内部に貫設され、
    前記平管型反応器は一方側が塞がれており、内部チャネルから外面に延びる少なくとも一つの第２チャネルが内部に貫設され、
    前記平管型反応器の外面には単位セル反応部と空気流動用チャネルが形成され、
    前記第１チャネルは少なくとも一つの第２チャネルと連通しており、
    前記第１チャネルは、前記内部チャネルから前記外面に延びるように前記塞がれた一方側に垂直に形成され、
    前記第２チャネルは、前記内部チャネルから前記外面に延びるように前記塞がれた一方側に垂直に形成され、
    原料ガスは前記改質器内で改質され、前記第１チャネルと前記第２チャネルを通って前記平管型反応器の前記内部チャネルに流入し、反応後に排出され、
    前記第１チャネル及び前記第２チャネルは、前記反応器及び／または前記改質器の両側部付近にそれぞれ形成された二つの密封剤溝の間に形成され、
    前記平管型改質器は伝導性の多孔性材料により形成されており、外面中央部が電気連結材で緻密に被覆され、残りの外面と内面は電解質で緻密に被覆され、内部チャネルの少なくとも一部表面に改質触媒が被覆され、
    前記平管型反応器は伝導性の多孔性材料でなり、外面中央部に少なくとも一つ以上の空気流動用チャネルが形成され、外面中央部の上面に反応部が形成され、下面に電気連結材層が形成され、
    前記改質器の上面及び下面にはそれぞれ、偶数個の前記平管型反応器が積層され、前記平管型反応器の廃ガス排出口は、前記改質器の流入口の反対側に形成され、
    前記平管型改質器の内部チャネルには、改質触媒が被覆され、
    前記平管型反応器は、上面に一つ以上の空気流動用チャネルが形成され、前記溝に燃料極、電解質、及び空気極が順に被覆された一つ以上の単位セルが形成され、
    前記セルモジュールは直列で積層されることを特徴とする固体酸化物燃料電池用セルモジュール。
  2. 平管型改質器に積層された少なくとも一つの平管型反応器を備える固体酸化物燃料電池用セルモジュールにおいて、
    前記平管型改質器は一方側が塞がれており、かつ、内部チャネルから外面に延びる少なくとも一つの第１チャネルが内部に貫設され、
    前記平管型反応器は一方側が塞がれており、内部チャネルから外面に延びる少なくとも一つの第２チャネルが内部に貫設され、
    前記平管型反応器の外面には単位セル反応部と空気流動用チャネルが形成され、
    前記第１チャネルは少なくとも一つの第２チャネルと連通することを特徴とする固体酸化物燃料電池用セルモジュール。
  3. 前記第１チャネルは、前記内部チャネルから前記外面に延びるように前記塞がれた一方側に垂直に形成され、
    前記第２チャネルは、前記内部チャネルから前記外面に延びるように前記塞がれた一方側に垂直に形成されることを特徴とする請求項２に記載の固体酸化物燃料電池用セルモジュール。
  4. 原料ガスは前記改質器内で改質され、前記第１チャネルと前記第２チャネルを通って前記平管型反応器の前記内部チャネルに流入し、反応後に排出されることを特徴とする請求項２に記載の固体酸化物燃料電池用セルモジュール。
  5. 前記第１チャネル及び前記第２チャネルは、前記反応器及び／または前記改質器の両側部付近にそれぞれ形成された二つの密封剤溝の間に形成されることを特徴とする請求項２に記載の固体酸化物燃料電池用セルモジュール。
  6. 前記平管型改質器は伝導性の多孔性材料により形成されており、外面中央部が電気連結材で緻密に被覆され、残りの外面と内面は電解質で緻密に被覆され、内部チャネルの少なくとも一部表面に改質触媒が被覆されたことを特徴とする請求項２に記載の固体酸化物燃料電池用セルモジュール。
  7. 前記平管型反応器は伝導性の多孔性材料でなり、外面中央部に少なくとも一つ以上の空気流動用チャネルが形成され、外面中央部の上面に反応部が形成され、下面に電気連結材層が形成されることを特徴とする請求項２に記載の固体酸化物燃料電池用セルモジュール。
  8. 前記改質器の上面及び下面にはそれぞれ、偶数個の前記平管型反応器が積層され、前記平管型反応器の廃ガス排出口は、前記改質器の流入口の反対側に形成されることを特徴とする請求項２に記載の固体酸化物燃料電池用セルモジュール。
  9. 前記平管型改質器の内部チャネルには、改質触媒が被覆されていることを特徴とする請求項２に記載の固体酸化物燃料電池用セルモジュール。
  10. 平管型反応器は、上面に一つ以上の空気流動用チャネルが形成され、前記溝に燃料極、電解質、及び空気極が順に被覆された一つ以上の単位セルが形成されたことを特徴とする請求項２に記載の固体酸化物燃料電池用セルモジュール。
  11. 前記セルモジュールは直列で積層されることを特徴とする請求項２に記載の固体酸化物燃料電池用セルモジュール。
  12. 請求項１乃至１１のいずれか一項のセルモジュールが上下及び／または左右に積層されてバンドルを構成することを特徴とするセルバンドル。
  13. バンドルの上面と下面に集電板が取り付けられ、左面と右面にガスマニホールドが取り付けられ、一方側のマニホールドが上面と電気的に連結され、他方側のマニホールドが下面と電気的に連結されることを特徴とする請求項１２に記載のセルバンドル。
  14. 請求項１乃至１１のいずれか一項の複数のセルモジュールが上下に積層され、積層されたセルモジュールの上下面に集電板が形成されたセルバンドルを直列及び／または並列で連結してなることを特徴とするスタックモジュール。
  15. 請求項１乃至１１のいずれか一項の多数のセルモジュールが上下に積層され、積層されたセルモジュールの上下面に集電板が形成されたセルバンドルを電気的に直列及び／または並列で連結してなるスタックモジュールを電気的に直列及び／または並列で連結して構成されることを特徴とするスタックバンドル。
  16. 請求項１５のスタックバンドルを直列及び／または並列で連結してなることを特徴とする固体酸化物燃料電池用スタック。
  17. 内部チャネルが形成された伝導性平管型支持体はプラグで一方側が塞がれており、前記プラグの隣接部位において内部チャネルから支持体の外面に延びるように垂直チャネルが貫設され、前記内部チャネルには改質触媒が被覆されていることを特徴とする固体酸化物燃料電池用改質器。
  18. 前記平管型支持体は多孔性材質で構成された伝導性支持体であり、上面中央部と下面中央部は電気連結材で被覆され、残りの外面は電解質で被覆されることを特徴とする請求項１７に記載の固体酸化物燃料電池用改質器。
  19. 前記支持体外面の両側に隣接する部分には、支持体のまわりに沿って二つの溝が形成され、前記溝には密封剤が挿入され、前記二つの溝の間に垂直チャネルが形成されることを特徴とする請求項１７または１８に記載の固体酸化物燃料電池用改質器。
  20. 内部チャネルが形成された伝導性の平管型支持体の両端に隣接する外面部に、支持体のまわりに沿って密封剤が挿入される二つの溝がそれぞれ形成され、前記溝の間には内部チャネルに延びるように垂直チャネルが貫設され、
    前記支持体の外面中央部には一つ以上の溝でなった空気チャネルが形成され、支持体の上面中央部には、第１電極、電解質、及び第２電極からなる一つ以上の単位セルが形成され、前記支持体の下面に電気連結材層が形成され、
    残りの外面は緻密膜で被覆されることを特徴とする固体酸化物燃料電池用単位セル反応器。
  21. 前記平管型支持体は垂直チャネルが形成された側の出入口がプラグで塞がっていることを特徴とする請求項２０に記載の固体酸化物燃料電池用単位セル反応器。
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