JP5632230B2

JP5632230B2 - 平板型固体酸化物形燃料電池モジュールの動作方法

Info

Publication number: JP5632230B2
Application number: JP2010179359A
Authority: JP
Inventors: 横尾　雅之; 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: 2010-08-10
Filing date: 2010-08-10
Publication date: 2014-11-26
Anticipated expiration: 2030-08-10
Also published as: JP2012038646A

Description

本発明は、平板型固体酸化物形燃料電池モジュール（以下、平板型ＳＯＦＣモジュールという）の動作方法に関するものである。

平板型固体酸化物形燃料電池（平板型ＳＯＦＣ:Solid Oxide Fuel Cell、以下、平板型ＳＯＦＣともいう）は、他の燃料電池に比べて発電効率が高く、また作動温度が高い（７００〜１０００℃）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１参照）。

図７に従来の平板型ＳＯＦＣを示す。１は平板型固体酸化物形燃料電池を１つ内包する発電ユニット、２は発電ユニット１を複数、例えば８つ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、セルスタックという）である。３，４はセルスタック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はセルスタック２を収納するスタック容器、１６はセルスタック２を加圧、シールする荷重機構で、これらによって平板型ＳＯＦＣモジュール２０を構成し、セルスタック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１６は、スタック容器５の上面を貫通して設けられたスタック荷重棒２１と、このスタック荷重棒２１を上側の金属板３に押し付ける荷重装置２２とで構成され、これにより各単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。

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が薄くなる。このため、初期の還元で、発電部分であるセルスタック２の高さは、セル自体の痩せ、柔らかい集電部材の潰れ、シール材（ガラス）の溶融等により低くなる。荷重機構１６は、荷重装置２２のスタック荷重棒２１を押す力を一定にしておけば、セルスタック２の高さが変化しても、一定の荷重をセルスタック２に掛けることができる。

特開２００６−３３９０３５号公報

従来から、平板型ＳＯＦＣモジュールのセルスタックにおいては、初期特性が低いという問題があった。通電しながら長時間放置すると電圧は上昇し、発電特性の改善は見られるが、発電の初期から発電特性が高い方が望ましい。上記したように、初期特性が低くても、長時間放置すると電圧が回復する。これは、通電しながら荷重機構でセルスタックに荷重を掛け続けることによって、セパレータとセルの電気的接続が徐々に良好となるためである。

そこで、本発明者等は、発電特性について鋭意検討した結果、セルはアノード（Ni O₂）還元前の方がアノード還元後より厚いので、セパレータとセルとの電気的接続を良好にしておくためには、セルのアノード還元前に十分な時間を取って、セパレータとセルとを押し付けて接着を行う方が、押し付けの効果が大きく、その結果、時間的に効率よく初期発電特性を良好にすることが可能になることを見出した。

本発明は上記した従来の課題と知見に基づいてなされたものであり、その目的とするところは、発電の初期から発電特性が高い平板型固体酸化物形燃料電池モジュールの動作方法を提供するところにある。

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を用いたセルスタックと、前記セルスタックを加圧する荷重機構とを備え、前記セルスタックに燃料ガスと酸化剤ガスとを供給することにより発電を行う平板型固体酸化物形燃料電池モジュールの動作方法において、発電温度まで昇温するとともに前記セルスタックに発電時より大きな荷重を掛ける第１工程と、前記セルスタックの燃料極のアノードを還元する第２工程と、前記荷重を通常運転時と同じ荷重にし、発電を開始する第３工程とを少なくとも備え、前記第１工程、第２工程、第３工程の順に運転を行い、前記第１工程と前記第２工程との間に、前記セルスタックにおける燃料極のアノードが還元されない雰囲気において、前記セルスタックに発電時より大きな荷重をかけた状態で少なくとも２４時間の時間的な間隔を設けたものである。

本発明は、前記発明において、前記第１工程と前記第２工程との間に少なくとも２４時間の時間的な間隔を設けるものである。

本発明によれば、セルスタックが厚い還元前にセルスタックに荷重を掛けるようにし、かつ還元動作までに十分な時間的間隔を設けたことにより、セパレータとセルとの押し付けによる接着の効果が大きくなるので、時間的に効率よく初期発電特性を良好にすることが可能になる。

本発明に係わる平板型ＳＯＦＣモジュールの断面図である。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。本発明と従来技術との交流インピーダンス測定の結果を比較した図である。本発明と従来技術とのセルの抵抗値を比較したＩＶ特性図である。発電初期における本発明と従来技術との性能の比較図である。従来の平板型ＳＯＦＣモジュールの断面図である。

以下、本発明の実施の形態を図１ないし図６に基づいて説明する。なお、この実施の形態において、上述した図７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。

図１において、荷重機構６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６による荷重を調整する。荷重機構６によってセルスタック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を押し下げることにより、セラミックスばね９が圧縮され、その圧縮力によって金属板３を押圧しセルスタック２に一定かつ適正な荷重を掛ける。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。

このように構成された平板型ＳＯＦＣモジュール７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、セルスタック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、本発明に係る平板型ＳＯＦＣモジュール７の運転方法について説明する。本発明に係る平板型ＳＯＦＣモジュール７においては、初期還元運転時の段階からセパレータ２６と単セル２５との電気的接続を良好にしておくために、単セル２５の燃料極３０のアノードの還元（酸化ニッケル→ニッケル）を行う前に十分な時間、本実施の形態においては２４時間程度をとって、セパレータ２６と単セル２５とを押し付けて接着を行っておく。このことは、単セル２５はアノード還元前の方がアノード還元後より厚いので、アノード還元前の方が押し付ける効果が大きく、その結果、時間的に効率よく初期発電特性を良好にすることができることによる。

すなわち、ナット１１を締め付け、荷重機構６によってセルスタック２に荷重を掛けて、発電温度まで昇温する第１の工程を行う。この第１の工程を行った後に、そのまま２４時間程度放置して、セパレータ２６と単セル２５との接着が良好になるまで待って、第２の工程であるセルスタック２の還元を行う。

この初期還元時には、荷重機構６によって大きな荷重を掛ける必要があるが、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６による荷重を調整して通常運転時と同じ荷重にし、第３の工程である通常運転を行なう。

図４は本発明と従来技術との交流インピーダンス測定の結果を比較した図であって、複素インピーダンス平面プロット(Complex Impedance Plane Plot)、またはCole-Cole プロットと呼ばれるものである。同図において、「本発明」とは、「セルスタック２に荷重を掛けて発電温度まで昇温させた後に、そのまま１日放置してからセルスタック２の還元を開始する」という本発明の運転方法による実験結果を示し、「従来」とは、「セルスタック２に荷重を掛けて発電温度まで昇温させた直後に（セパレータ２６と単セル２５との十分な接着を待たずに）、還元を開始する」という運転方法による実験結果を示す。

ここでの交流インピーダンス法は、交流の単一正弦波を掃引して複素インピーダンスを測定する方法（ＦＲＡ法）であって、測定対象にコンデンサ成分が含まれているとプロットは半円を描き、その実軸（横軸）を切る点が抵抗値Ｒ（直流抵抗成分）に相当する。同図において、円弧の大きさが抵抗の大・小を示している。同図からわかるように、本発明における低周波側の円弧Ｒ１が、従来における低周波側の円弧Ｒ２よりも小さくなっている。これは、セパレータとセルとの接続が改善され、電流を流した際の抵抗が小さくなったことを示している。

図５は、本発明と従来技術とのセルの抵抗値を比較したＩＶ特性図である。同図に示すように、本発明においては、５０Ａを流した際の電圧が従来技術よりも２０ｍＶ程度上昇している。すなわち、セルスタックの還元を行う前に、セルスタックに荷重を掛けてセルスタックの接着を良好とすることにより、従来と比較してセルスタックの抵抗値が小さくなることを示している。

図６は、発電初期における本発明と従来技術との性能を比較した図である。同図によれば、本発明の運転方法は、従来よりも発電初期から高い性能が得られることがわかる。

このように、セルスタック２が厚い還元前にセルスタック２に荷重機構６によって荷重を掛けるようにし、かつ還元動作までに十分な時間的間隔を設けたことにより、セパレータとセルとの押し付けによる接着の効果が大きくなるので、時間的に効率よく初期発電特性を良好にすることが可能になる。

１…発電ユニット、２…セルスタック（平板型ＳＯＦＣスタック）、６…荷重機構、７…平板型固体酸化物形燃料電池モジュール（平板型ＳＯＦＣモジュール）、９…セラミックスばね、１０…ボルト、１１…ナット（荷重調整手段）、２５…単セル、２６…セパレータセット、２８…電解質層、２９…空気極、３０…燃料極。

Claims

平板型固体酸化物形燃料電池を用いたセルスタックと、
前記セルスタックを加圧する荷重機構とを備え、
前記セルスタックに燃料ガスと酸化剤ガスとを供給することにより発電を行う平板型固体酸化物形燃料電池モジュールの動作方法において、
発電温度まで昇温するとともに前記セルスタックに発電時より大きな荷重を掛ける第１工程と、
前記セルスタックの燃料極のアノードを還元する第２工程と、
前記荷重を通常運転時と同じ荷重にし、発電を開始する第３工程とを少なくとも備え、
前記第１工程、第２工程、第３工程の順に運転を行い、
前記第１工程と前記第２工程との間に、前記セルスタックにおける燃料極のアノードが還元されない雰囲気において、前記セルスタックに発電時より大きな荷重をかけた状態で少なくとも２４時間の時間的な間隔を設け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の動作方法。