JP5536503B2

JP5536503B2 - 平板型固体酸化物形燃料電池モジュールおよびその運転方法

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Publication number: JP5536503B2
Application number: JP2010062310A
Authority: JP
Inventors: 雅之横尾; 克也林; 吉晃吉田; 広之上荷
Original assignee: Sumitomo Precision Products Co Ltd; Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Sumitomo Precision Products Co Ltd; Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2010-03-18
Filing date: 2010-03-18
Publication date: 2014-07-02
Anticipated expiration: 2030-03-18
Also published as: JP2011198546A

Description

本発明は、平板型固体酸化物形燃料電池モジュールおよびその運転方法に関する。

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１０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ボルト１０の上部に上下動自在に取り付けられ、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。

特開２００６−３３９０３５号公報

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

図１０に示す従来の平板型ＳＯＦＣモジュール７においては、単一の荷重機構６でＳＯＦＣモジュール７の初期還元運転および通常運転を行うと、両動作間の温度差によって荷重機構６を構成する部材の劣化が生じるとともに、初期還元時の荷重を通常運転時の荷重に変更する際に生じる振動によって発電ユニット１が劣化するという問題があった。すなわち、平板型ＳＯＦＣモジュール７の発電温度である７００〜１０００℃という高温の雰囲気下では、金属の強度は室温付近の温度の場合と比べて著しく低下する。このため、平板型ＳＯＦＣモジュール７の性能を高めるために大きな荷重を掛けると、ボルト１０が破断するおそれがある。ボルト１０が破断すると、その破片が断熱容器５に突き刺さったりして発電システムが破壊されてしまうおそれがある。したがって、初期還元運転を行った後は、室温まで降温した後に、ナット１１を緩めて押圧板８の位置を調整することにより、発電部２に掛けていた初期還元時の荷重を通常運転時の荷重に下げる必要がある。しかし、室温においてナット１１を緩める作業は、セラミックスばね９が伸長して押圧板８を押し上げるため振動が発生し、その振動によって発電部２を構成する部品の位置がずれて平板型ＳＯＦＣモジュール７の発電特性を低下させてしまう。
このように、従来の平板型ＳＯＦＣモジュール７では、初期還元後に大荷重によるボルト１０の破断を避けるために、荷重機構６による荷重を下げる作業を行うと、その作業にともない発生する振動が平板型ＳＯＦＣモジュール７の性能を低下させる可能性があるという問題があった。

本発明は上記した従来の問題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、初期還元時に発電性能を十分に引き出すために必要な荷重を発電部に掛けた後に、その荷重を昇降温時に発電性能を劣化させないために、必要にして、かつ長時間発電しても部品が破損しない値まで下げることができ、発電性能を向上させるようにした平板型酸化物形燃料電池モジュールおよびその運転方法を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明に係わる平板型酸化物形燃料電池モジュールは、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、初期還元後に長時間通常運転しても部品が破損しない荷重を前記発電部に掛ける第１の荷重機構と、前記第１の荷重機構に荷重を掛けることによって、前記第１の荷重機構により荷重が掛けられている前記発電部にさらに間接的に付加荷重を掛け、前記発電部に掛かる荷重を、初期還元時に発電性能を十分に引き出すために必要な荷重とする第２の荷重機構とを備えたことを特徴とするものである。

請求項２に記載の発明に係わる平板型酸化物形燃料電池モジュールは、請求項１記載の発明において、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を備えているものである。

請求項３に記載の発明に係わる平板型酸化物形燃料電池モジュールは、請求項１または２記載の発明において、前記第１の荷重機構の荷重を調整する第１の荷重調整手段と、前記第２の荷重機構の荷重を調整する第２の荷重調整手段とを有することを特徴とするものである。

請求項４に記載の発明に係わる平板型酸化物形燃料電池モジュールは、請求項１〜３のいずれかに記載の上記発明において、前記第１の荷重機構が支持部材に上下動自在に配設され発電部の上方に位置する第１の押圧板と、前記第１の押圧板と前記発電部との間に介在された第１の加圧手段とを備え、前記第２の荷重機構が前記第１の押圧板の上方に上下動自在に配設された第２の押圧板と、前記第２の押圧板と前記第１の押圧板との間に介在された第２の加圧手段とを備えていることを特徴とするものである。

請求項５に記載の発明に係わる平板型酸化物形燃料電池モジュールは、請求項４に記載の発明において、前記第１の荷重機構の第１の加圧手段と前記第２の荷重機構の第２の加圧手段が、それぞれセラミックス製の圧縮コイルばねからなることを特徴とするものである。

請求項６に記載の発明に係わる平板型酸化物形燃料電池モジュールは、請求項４に記載の発明において、前記第１の荷重機構の第１の加圧手段がセラミックス製の圧縮コイルばねからなり、前記第２の荷重機構の第２の加圧手段がガスが供給される伸縮自在な袋体であることを特徴とするものである。

請求項７に記載の発明に係わる平板型酸化物形燃料電池モジュールは、請求項１〜３のいずれかに記載の発明において、前記第１の荷重機構が、支持部材に上下動自在に配設され発電部の上方に位置する第１の押圧板と、前記第１の押圧板と前記発電部との間に介在された第１の加圧手段とを備え、前記第２の荷重機構が、前記第１の押圧板上に設置された荷重棒と、前記荷重棒に力を伝える荷重装置とを備えていることを特徴とするものである。

請求項８に記載の発明に係わる平板型酸化物形燃料電池モジュールは、請求項１〜７のいずれかに記載の発明において、前記第１の荷重機構による面圧が０．１２Kgf/cm² 〜０．２４Kgf/cm² で、前記第２の荷重機構による面圧が０．２４Kgf/cm² 〜０．４８Kgf/cm² であることを特徴とするものである。

請求項９に記載の発明に係わる平板型酸化物形燃料電池モジュールの運転方法は、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を備えた平板型燃料電池モジュールの初期還元運転時においては、第１の荷重機構によって、初期還元後に長時間通常運転しても部品が破損しない荷重を前記発電部に直接掛けるとともに、前記第１の荷重機構により荷重が掛けられている前記発電部に、第２の荷重機構によって前記第１の荷重機構に荷重を加えることによりさらに間接的に付加荷重を掛け、前記発電部に掛かる荷重を、初期還元時に発電性能を十分に引き出すために必要な荷重とし、初期還元後は前記第２の荷重機構を取り除き前記第１の荷重機構のみによって前記発電部に荷重を掛けて通常運転を行なうことを特徴とするものである。

請求項１〜９に記載の本発明によれば、第１の荷重機構による荷重を初期還元後の荷重に設定しておけば、初期還元運転後に第２の荷重機構を取り除いたとき、第１の荷重機構による荷重を何ら変更する必要がない。このため、荷重変更にともない振動が発生して部品が破損したりするといったおそれがなく、発電性能を向上させることができる。

請求項２に記載の発明によれば、荷重遮断手段を備えているので、所定荷重以上の荷重を掛けるおそれがない。

請求項３に記載の発明によれば、荷重調整手段を備えているので、第１、第２の荷重機構による荷重を適宜調整することができる。

請求項８に記載の発明によれば、第１の荷重機構による面圧を０．１２Kgf/cm² 〜０．２４Kgf/cm² としているので、通常運転時に第１の荷重機構を構成する部品等が破損するおそれがない。また、第２の荷重機構による面圧を０．２４Kgf/cm² 〜０．４８Kgf/cm² としているので、初期還元運転を良好に行なうことができる。

本発明に係わる平板型ＳＯＦＣモジュールの第１の実施の形態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。初期還元時の荷重の影響を示す図である。昇降温時の荷重の影響を示す図である。本発明の第２の実施の形態を示す平板型ＳＯＦＣモジュールの断面図である。本発明の第３の実施の形態を示す平板型ＳＯＦＣモジュールの断面図である。本発明の第４の実施の形態を示す平板型ＳＯＦＣモジュールの断面図である。本発明の第５の実施の形態を示す平板型ＳＯＦＣモジュールの断面図である。従来の平板型ＳＯＦＣモジュールの断面図である。

以下、図面に示す実施の形態に基づいて説明する。なお、図１０に示した構成部品と同一部品については、同一符号をもって示し、その説明を適宜省略する。
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第１の荷重機構２１と、この第１の荷重機構２１に同じく鉛直方向で下方に荷重を掛けることによって発電部２に間接的に付加荷重を掛ける第２の荷重機構２２と、これらの発電部２および第１、第２の荷重機構２１、２２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、第１の荷重機構２１は、第１のベースプレート４上に立設した複数本の第１のボルト（支持部材）１０の上部に上下動自在に配設された第１の押圧板８と、トッププレート３と第１の押圧板８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第１のセラミックスばね９と、各第１のボルト１０の上部にそれぞれ螺合された第１のナット（第１の荷重調整手段）１１とを備えている。

第１の押圧板８には、第１のボルト１０が貫通する挿通孔が形成されている。

第１のナット１１は、第１の押圧板８を第１のセラミックスばね９に押し付けてその圧縮量を変えることにより第１の荷重機構２１による荷重を調整する。

また、第１の荷重機構２１は、第１のセラミックスばね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とを備え、このストッパ３５を備えている点で図１０に示した荷重機構６とは異なっている。

第１のセラミックスばね９は、自然状態において、ストッパ３５の高さ寸法より長く、第１の押圧板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、第１の押圧板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、第１の荷重機構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、第１のセラミックスばね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。

第１の荷重機構２１によって発電部２に荷重を掛けるときは、第１のナット１１を締め付けて第１の押圧板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、第１のセラミックスばね９は圧縮されてトッププレート３を押圧し発電部２に一定の荷重を掛ける。第１の荷重機構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。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第１のボルト１０等の部品が破損しない荷重とされる。

第２の荷重機構２２は、第２のベースプレート４０上に立設した複数本からなる第２のボルト（支持部材）４１の上部に上下動自在に配設された第２の押圧板４２と、第１の押圧板８と第２の押圧板４２との間に弾装された高温仕様に耐え得る第２のセラミックスばね４３と、各第２のボルト４１の上部にそれぞれ螺合され第２の押圧板４２を第２のセラミックスばね４３に押し付けて第２のセラミックスばね４３の圧縮量を変えることにより第２の荷重機構２２の荷重を調整する第２のナット（第２の荷重調整手段）４４とを備えている。また、第２の荷重機構２２は、初期還元運転時以後は不要となり取り除かれるので、発電部２に対して取外し可能に設けられている。

第２の押圧板４２には、第２のボルト４１が貫通する挿通孔が形成されている。

第２の荷重機構２２によって発電部２に荷重を掛けるときは、第２のナット４４を締め付けて第２の押圧板４２を押し下げ、第２のセラミックスばね４３を圧縮させる。これにより第２のセラミックスばね４３による荷重が第１の押圧板８に加えられ、当該荷重が第１のセラミックスばね９による荷重を超えると第１の押圧板８を押し下げ、第２のセラミックスばね４３による荷重が付加荷重として発電部２に加えられる。この付加荷重は、第２のナット４４の位置を調整することにより自由に変えることができる。なお、第１、第２の荷重機構２１、２２によって発電部２に掛けられる荷重は、初期還元時の荷重とされる。

ここで、本実施の形態においては、第２の荷重機構２２に荷重を制限し発電部２に所定以上の付加荷重が掛からないようにする荷重遮断手段を設けていないが、第１の荷重機構２１のストッパ３５と同様なストッパを設け、第２のセラミックスばね４３による荷重を制限するようにしてもよい。

また、第２のセラミックスばね４３として１つ用いたが、これに限らず１つ以上であってもよい。さらに、第１のベースプレート４の下にこれより大きい第２のベースプレート４０を配置し、この第２のベースプレート４０上に第２のボルト４１を立設したが、第１のベースプレート４を大きく形成して第１、第２のボルト１０、４１を立設すれば、第２のベースプレート４０を省略することができる。

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、本発明の平板型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、第１、第２の荷重機構２１、２２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、第１のナット１１により第１の押圧板８を押し下げてストッパ３５に押し付け、第１のセラミックスばね９を圧縮させる。これにより、第１の荷重機構２１による荷重が発電部２に掛けられる。この第１の荷重機構２１による荷重は、初期還元後の通常運転時と同じ荷重に設定することが望ましい。また、第２のナット４４により第２の押圧板４２を押し下げて第２のセラミックスばね４３を圧縮させることにより、第２の荷重機構２２による付加荷重を第１の荷重機構２１を介して発電部２に間接的に掛け、発電部２に掛ける荷重を初期還元時の荷重にする。そして、この状態で初期還元運転を行なう。

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、第１のボルト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、第２のベースプレート４０、第２のボルト４１、第２の押圧板４２、第２のセラミックスばね４３および第２のナット４４を取り除く。すなわち、第２の荷重機構２２を取り除き、第１の荷重機構２１のみによって引き続き荷重を掛け続け、通常運転を行なう。

本発明の平板型ＳＯＦＣモジュール２０の利点について説明する。
本発明の平板型ＳＯＦＣモジュール２０では、第２の荷重機構２２を取り外す作業を行うとき、第１の荷重機構２１の荷重は何ら変更せず、そのままにしておく。このため、その構成部品が位置ずれしたり振動したりするおそれがなく、平板型ＳＯＦＣモジュール２０の性能の低下を低減することができる。また、第１の荷重機構２１によって発電部２に掛け続ける荷重が適切であれば、昇降温時における部品の位置ずれも抑制することができ、平板型ＳＯＦＣモジュール２０の性能を向上させることができる。

初期還元時に必要な荷重、および昇降温時に必要な荷重について、以下に説明する。
初期還元時に第２の荷重機構２２によって発電部２に掛ける付加荷重は、面圧が０．４８Kgf/cm² 以上とすることが望ましい。この値は、以下の実験より求めた。平板型ＳＯＦＣモジュール２０（発電ユニット１の積層数１）を電気炉内に設置して発電性能試験を行った。発電部２の荷重機構は、電気炉を開閉することなく外部から自由に荷重を制御できるものを用いた。

平板型ＳＯＦＣモジュール２０に０Ｋｇｆ、６０Ｋｇｆ、および１２０Ｋｇｆの荷重を掛けながらＳＯＦＣモジュール２０を８００℃まで昇温し、荷重を変化させずに初期還元から初期通電を行った。

ここで、スタックの面積が２４９．５cm² として、荷重が１２０Ｋｇｆに対してスタックに掛かる面圧は、０．４８Kgf/cm² （０．０４７ＭＰａ）、荷重６０Ｋｇｆに対してスタックに掛かる面圧は０．２４Kgf/cm²（０．０２４ＭＰａ）、荷重３０Kgfに対してスタックに掛かる面圧は０．１２Kgf/cm² （０．０１２ＭＰａ）、荷重１５Ｋｇｆに対してスタックに掛かる面圧は０．０６Kgf/cm² （０．００６ＭＰａ）である。

酸化剤ガスＧ１としては空気を用い、燃料ガスＧ２としては水素を用いた。水素および空気の供給量は、電流密度が０．２８Ａｃｍ^-2における燃料利用率、および酸素利用率が、それぞれ、６０％、１５％となるように決定した。

図４に、初期還元運転時に第２の荷重機構２２によって荷重を掛けなかった場合と、６０ｋｇｆおよび１２０Ｋｇｆの荷重を掛けた場合の電流密度と電圧の関係を示す。
□が荷重を掛けなかった場合（荷重０Ｋｇｆ）の実験結果であり、△が６０Ｋｇｆの荷重を掛けた場合、そして、○が１２０ｋｇｆの荷重を掛けた場合の実験結果である。６０Ｋｇｆ、および１２０ｋｇｆの荷重を掛けた場合の性能は明らかに荷重を掛けなかった場合よりも高い。また、０．２８Ａｃｍ^-2における電圧は、１２０ｋｇｆの場合の方が６０ｋｇｆの場合よりも高いが、その差は小さく３ｍＶ程度であった。すなわち、荷重が１２０Ｋｇｆ以下の場合は、荷重を掛けるほど発電性能は上昇するが、荷重が６０Ｋｇｆと１２０Ｋｇｆの場合の発電性能の差は小さく、第２の荷重機構２２によって荷重を１２０Ｋｇｆより大きくしても発電性能が大幅に上昇することはない。つまり、第２の荷重機構２２による荷重を６０Ｋｇｆ〜１２０Ｋｇｆとすれば、ＳＯＦＣモジュール２０の性能は、ほぼ引き出すことができているといえる。以上の実験結果により、第２の荷重機構２２によって発電部２に掛ける荷重は６０Ｋｇｆ〜１２０Ｋｇｆとすることが望ましい。

第１の荷重機構２１によって発電部２に掛ける荷重は、３０Ｋｇｆから６０Ｋｇｆの範囲とすることが望ましい。まず、荷重を３０Ｋｇｆ以上とするべき理由について説明する。この値は、以下の実験より求めた。

平板型ＳＯＦＣモジュール２０（発電ユニット１の積層数１）を電気炉内に設置して発電性能試験を行った。発電部２の荷重機構は、電気炉を開閉することなく外部から自由に荷重を制御できるものを用いた。

平板型ＳＯＦＣモジュール２０に１２０Ｋｇｆの荷重を掛けながらＳＯＦＣモジュール２０を８００℃まで昇温し、１２０Ｋｇｆの荷重のまま、初期還元から初期通電を行った。燃料ガスＧ２には水素を用い、酸化剤ガスＧ１には空気を用いた。水素および空気の供給量は、電流密度が０．５３Ａｃｍ^-2における燃料利用率および酸素利用率が、それぞれ６０％、３０％となるように設定した。初期通電後、０．５３Ａｃｍ^-2で電圧の経時変化を１００時間程度観測した。その後、１２０Ｋｇｆの荷重を掛けながら降温し、室温まで冷却した後に、荷重を０Ｋｇｆ、１５Ｋｇｆ、３０Ｋｇｆ、および１２０Ｋｇｆ（変化なし）とした。すなわち、試験は４ケース行った。室温で荷重を決定した後に、昇温して０．５３Ａｃｍ^-2まで通電し、一定時間放置した後に降温するという作業を繰り返した。

試験結果を図５に示す。初期通電後の荷重を１２０Ｋｇｆ、３０Ｋｇｆ、１５Ｋｇｆ、および０Ｋｇｆとした場合の結果が、それぞれ、一、△、□、および○である。横軸は時間であり、縦軸は０．５３Ａｃｍ^-2通電時の初期電圧からの変化である。１２０Ｋｇｆおよび３０Ｋｇｆの場合は、昇降温を行った直後に若干の性能の低下が見られるが、放置していると性能は回復する。これに対し、１５Ｋｇｆおよび０Ｋｇｆの場合は、昇降温を行った直後に大きく性能が低下し、放置しても性能は回復しきらない。以上の実験結果により、昇降温する際の第１の荷重機構２１によって発電部２に掛ける荷重は、３０Ｋｇｆ以上とすることが望ましい。

次いで、荷重を６０Ｋｇｆ以下とするべき理由について説明する。この値は、以下の実験より求めた。

第１のボルト１０に１２０Ｋｇｆの荷重を掛けたまま８００℃下に放置した。その結果、数百時間で第１のボルト１０は破断した。これに対し、第１のボルト１０に６０Ｋｇｆの荷重を掛けたまま８００℃で放置しても、第１のボルト１０には２０００時間以上顕著な変化が見られなかった。以上の実験結果により、荷重は６０Ｋｇｆ以下にすることが望ましい。

使用したボルト材質と寸法、ボルトに掛かる応力の関係は以下の通りである。
材質：ＳＵＳ４３０
寸法：Ｍ１０
応力：５１．７Kgf/cm²（１２０Kgf時）、２５．９Kgf/cm²（６０Kgf時）
（Ｍ１０有効断面積：０．５８cm²、ボルト：４本）

図６は、本発明の第２の実施の形態を示す図である。
本実施の形態は、ベースプレート４上に立設した複数本のボルト１０に第１の荷重機構２１の第１の押圧板８と第２の荷重機構２２の第２の押圧板４２をそれぞれ上下動自在に配設した点が図１に示す第１の実施の形態の平板型ＳＯＦＣモジュール２０と異なり、その他の構成、および第１、第２の荷重機構２１、２２によって掛ける荷重は略同一である。すなわち、ボルト１０を第１、第２の荷重機構２１、２２の第１、第２の押圧板８、４２を共通に上下動自在に支持する支持部材として用いたものであり、これによって図１に示した第２のベースプレート４０および第２のボルト４１を省略することができ、また第１、第２の押圧板８、４２を同一の大きさに形成することができる。

図７は、本発明の第３の実施の形態を示す図である。
本実施の形態は、第２の荷重機構２２として、ガス圧を利用して第１の押圧板８に付加荷重を掛けるようにしたものである。このため、第２の荷重機構２２は、セラミックスばね４３の代わりに第１の押圧板８と第２の押圧板４２との間に介在された伸縮自在で高温仕様に耐え得る金属製の袋体（加圧手段）４５を備え、この袋体４５をガス供給管４６を介して供給されるガスによって膨張させることにより第１の押圧板８に所定の荷重を掛けるようにしている。第２の荷重機構２２による荷重は、袋体４５に供給するガスのガス圧を調整することによって制御することができる。なお、その他の構成および第１、第２の荷重機構２１、２２によって掛ける荷重は、上記した第１または第２の実施の形態と略同一である。

図８は、本発明の第４の実施の形態を示す図である。
本実施の形態は、第２の実施の形態と同様に第１、第２の加圧機構２１、２２の第１、第２の押圧板８、４２をボルト１０にそれぞれ上下動自在に配設するとともに、第２の加圧機構２２の加圧手段として図７に示す第３の実施の形態と同様に袋体４５を用いたものである。なお、その他の構成および第１、第２の荷重機構２１、２２によって掛ける荷重は、上記した第１、第２または第３の実施の形態と略同一である。

このような構造においても、上記した第１〜第３の実施の形態の平板型ＳＯＦＣモジュール２０と同様に発電部２に所望の荷重を掛けることができる。

図９は、本発明の第５の実施の形態を示す図である。
本実施の形態は、第２の荷重機構２２を、第１の押圧板８に付加荷重を掛ける荷重棒（加圧手段）５１と、この荷重棒５１に鉛直方向で下方への力を伝える荷重装置５２とで構成し、荷重棒５１の上端部と荷重装置５２を断熱容器５の外部に突出させることにより、外部から第１の押圧板８に対して付加荷重を掛けるようにしている。荷重棒５１による第１の押圧板８に対する荷重は、荷重装置４１が荷重棒５１を押す力を変えることにより調整することができる。なお、その他の構成および第１、第２の荷重機構２１、２２によって掛ける荷重は、上記した第１、第２、第３または第４の実施の形態と略同一である。

このような構成においても、上記した第１の実施の形態と同様な効果を得ることができる。

本発明においては、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、５…断熱容器、８…第１の押圧板、９…セラミックスばね（加圧手段）、１０…ボルト、１１…ナット、２０…平板型ＳＯＦＣモジュール、２１…第１の加圧機構、２２…第２の加圧機構、２５…単セル、３５…ストッパ（荷重遮断手段）、４１…ボルト、４２…第２の押圧板、４３…セラミックスばね（加圧手段）、４４…ナット、４５…袋体（加圧手段）、５１…荷重棒（加圧手段）、５２…荷重装置。

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、
初期還元後に長時間通常運転しても部品が破損しない荷重を前記発電部に掛ける第１の荷重機構と、
前記第１の荷重機構に荷重を掛けることによって、前記第１の荷重機構により荷重が掛けられている前記発電部にさらに間接的に付加荷重を掛け、前記発電部に掛かる荷重を、初期還元時に発電性能を十分に引き出すために必要な荷重とする第２の荷重機構と、
を備えた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を備えた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、
前記第１の荷重機構による荷重を調整する第１の荷重調整手段と、前記第２の荷重機構による荷重を調整する第２の荷重調整手段とを有す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、２、３のうちのいずれか一項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、
前記第１の荷重機構は、支持部材に上下動自在に配設され発電部の上方に位置する第１の押圧板と、前記第１の押圧板と前記発電部との間に介在された第１の加圧手段とを備え、
前記第２の荷重機構は、前記第１の押圧板の上方に上下動自在に配設された第２の押圧板と、前記第２の押圧板と前記第１の押圧板との間に介在された第２の加圧手段とを備え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４項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、
前記第１の荷重機構の第１の加圧手段と前記第２の荷重機構の第２の加圧手段は、それぞれセラミックス製の圧縮コイルばねからな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４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、
前記第１の荷重機構の第１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、前記第２の荷重機構の第２の加圧手段は、ガスが供給される伸縮自在な袋体であ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、２、３のうちのいずれか一項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、
前記第１の荷重機構は、支持部材に上下動自在に配設され発電部の上方に位置する第１の押圧板と、前記第１の押圧板と前記発電部との間に介在された第１の加圧手段とを備え、
前記第２の荷重機構は、前記第１の押圧板上に設置された荷重棒と、前記荷重棒に力を伝える荷重装置とを備え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１〜７のうちのいずれか一項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、
前記第１の荷重機構による面圧が０．１２Kgf/cm² 〜０．２４Kgf/cm² で、前記第２の荷重機構による面圧が０．２４Kgf/cm² 〜０．４８Kgf/cm² であ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を備えた平板型燃料電池モジュールの初期還元運転時においては、第１の荷重機構によって、初期還元後に長時間通常運転しても部品が破損しない荷重を前記発電部に直接掛けるとともに、
前記第１の荷重機構により荷重が掛けられている前記発電部に、第２の荷重機構によって前記第１の荷重機構に荷重を加えることによりさらに間接的に付加荷重を掛け、前記発電部に掛かる荷重を、初期還元時に発電性能を十分に引き出すために必要な荷重とし、
初期還元後は前記第２の荷重機構を取り除き前記第１の荷重機構のみによって前記発電部に荷重を掛けて通常運転を行なう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の運転方法。