JP6113646B2 - 還元処理装置及び還元処理方法 - Google Patents
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Description
複数のセルチューブを一括して製造するには、複数のセルチューブを集合化したカートリッジに組み立てて、その後に還元処理を行う方法が考えられる。しかしながら、カートリッジに集合化されたセルチューブの場合、最外列にあるセルチューブしか実質的に検査できないため、還元処理の健全性を、全セルチューブについて確認できないという問題があった。
本発明に係る還元処理装置は、固体酸化物形燃料電池を構成する複数のセルスタックを該複数のセルスタックを集合化したカートリッジに組立てる前に還元処理する還元処理装置であって、前記セルスタックは、基体管の外周面上に燃料極と固体電解質と空気極とが積層されており、設置面に固定された円筒形状の内筒部と、前記内筒部の外周面との間に断面視が円環形状の設置空間を形成する外筒部と、前記設置空間の鉛直方向の所定領域を加熱するように配置されたヒータと、複数の前記セルスタックを前記設置空間の鉛直方向の前記所定領域に保持する保持部と、前記保持部により保持された前記セルスタックの内部に還元性ガスを流通させる還元性ガス流路と、複数の前記セルスタックが保持される前記設置空間に酸化性ガスを流通させる酸化性ガス流路とを備える。
したがって、複数のセルスタックの還元処理に要する期間を短縮するとともに、複数のセルスタックを集合化したカートリッジに組立てる前に還元処理の健全性を検査し、カートリッジの健全性を向上させることが可能な還元処理装置を提供することができる。
このようにすることで、一対の移動体を離間させた状態で複数のセルスタックを保持部により保持した状態に組立て、その後に一対の移動体を近接させることにより設置空間が形成される。したがって、複数のセルスタックの交換が容易となり、複数のセルスタックを還元処理するのに要する期間が短縮される。
このようにすることで、外筒部の外周面から内筒部の内周面に酸化性ガスが流通する状態となる。この流通方向はセルスタックが延在する軸方向に略直交する方向であり、セルスタックの軸方向の異なる位置での酸素分圧が略均一の状態となる。従って、セルスタックの軸方向の異なる位置での発電性能が均一化された高性能のセルスタックを製造することができる。
このようにすることで、セルスタックの部位のうち、前記第1空間である燃料極と固体電解質と空気極とが積層された部位を還元処理が適切に行われるように高温状態に加熱し、前記第2空間であるセルスタックの端部を損傷等が生じない低温度状態とすることができる。
このようにすることで、複数のセルスタックの温度が均一な状態で還元処理されるようにすることができる。
このようにすることで、各セルスタックの全周をヒータで均一に加熱することができる。
したがって、複数のセルスタックの還元処理に要する期間を短縮するとともに、複数のセルスタックを集合化したカートリッジに組立てる前に還元処理の健全性を検査し、カートリッジの信頼性を向上させることが可能な還元処理方法を提供することができる。
このようにすることで、一対の移動体を離間させた状態で複数のセルスタックを保持部により保持した状態に組立て、その後に一対の移動体を近接させることにより設置空間が形成される。したがって、複数のセルスタックの交換が容易となり、複数のセルスタックを還元処理するのに要する期間が短縮される。
図3に示すように、本実施形態の還元処理装置100は、内筒部10と、外筒部20と、内側ヒータ30と、外側ヒータ40と、保持部50(50a.50b,50c,50d)と、還元性ガス流路60と、酸化性ガス流入流路70と、酸化性ガス流出流路71とを備える。
内筒部10と外筒部20との間には、断面視が円環形状の設置空間Sが形成されている。設置空間Sに保持されたセルスタック101の内部には還元性ガスが流通し、設置空間Sには酸化性ガスが流通している。複数のセルスタック101は、内筒部10の外周面に設けられた内側ヒータ30と外筒部20の内周面に設けられた外側ヒータ40とにより加熱されることにより、還元処理される。燃料極が還元処理されている際に、設置空間Sに面する空気極は、酸化性ガス雰囲気となっているため、還元性ガスにより還元されることが防止される。
空気極113は、例えば、LaSrMnO3系酸化物、又はLaCoO3系酸化物で構成される。この空気極113は、固体電解質111との界面付近において、供給される空気等の酸化性ガス中の酸素を解離させて酸素イオン(O2 −)を生成するものである。
このインターコネクタ107は、隣り合う燃料電池セル105において、一方の燃料電池セル105の空気極113と他方の燃料電池セル105の燃料極109とを電気的に接続し、隣り合う燃料電池セル105同士を直列に接続するものである。
なお、複数のSOFCカートリッジは、燃料ガス供給管(図示しない)、燃料ガス排出管(図示しない)、酸化性ガス供給管(図示しない)、酸化性ガス排出管(図示しない)にそれぞれ接続された状態で、圧力容器内(図示しない)に格納される。
圧力容器の外部から燃料ガス及び酸化性ガスを供給することにより、SOFCカートリッジの円筒形セルスタック内の燃料電池セルが発電する。圧力容器の内部は、0.1MPa〜1MPa程度の圧力、大気温度〜550℃程度の温度にて運用される。
以下、還元処理装置100を構成する各部について説明する。
なお、図5および図6においては、第1移動体21の図示が省略されているが、第2移動体22と同様に内筒部10から離間しているものとする。
セルスタック101a,101b,101c,101dの内部を通過した還元性ガスの一部は、セルスタック101a,101b,101c,101dの還元処理に用いられる。還元処理に用いられなかった余分の還元性ガスは、保持部50b,50d,50f,50hを通過して、還元性ガス出口62から還元処理装置100の外部に導かれる。
図示しないがセルスタック101温度計測しており、これら温度が均一になるように、内側ヒータ30に与える電力と、外側ヒータ40に与える電力とを適切に制御することにより、各セルスタック101温度を略均一にすることができる。
ステップS901(設置工程)で、還元処理装置100の操作者は、内筒部10とともに設置面Gに固定された保持部50に、複数のセルスタック101を設置する。具体的には、保持部50aのフレキシブル部材を鉛直方向上方に縮小させ、保持部50aの管状部にセルスタック101aの上端部を挿入し、その後にフレキシブル部材を鉛直方向下方に伸長させる。同様に、保持部50bのフレキシブル部材を鉛直方向下方に縮小させ、保持部50bの管状部にセルスタック101aの下端部を挿入し、その後にフレキシブル部材を鉛直方向に上方に伸長させる。このようにすることで、セルスタック101aが保持された状態となる。ここでは、セルスタック101aの設置について説明したが、他のセルスタック101についても同様の方法により保持部50により保持された状態となる。
なお、ステップS901のセルスタックの設置工程は、図5および図6に示すように、内筒部10に対して第1移動体21および第2移動体22が離間した状態で行われる。
本実施形態の還元処理装置100によれば、複数のセルスタック101が内筒部10の外周面と外筒部20の内周面との間に形成される設置空間Sに保持される。設置空間Sに保持されたセルスタック101の内部には還元性ガスが流通し、設置空間Sには酸化性ガスが流通している。複数のセルスタック101は、内筒部10の外周面に設けられた内側ヒータ30と外筒部20の内周面に設けられた外側ヒータ40とにより加熱されることにより、還元処理される。セルスタック101が還元処理されている際に、設置空間Sに面する空気極113は、酸化性ガス雰囲気となっているため、還元性ガスにより還元されることが防止される。
したがって、複数のセルスタック101の還元処理に要する期間を短縮するとともに、複数のセルスタック101を集合化したカートリッジに組立てる前に還元処理の健全性を検査することが可能な還元処理装置100を提供し、カートリッジの信頼性を向上することができる。
このようにすることで、一対の移動体を離間させた状態で複数のセルスタック101を保持部50により保持した状態に組立て、その後に一対の移動体を近接させることにより設置空間Sが形成される。したがって、複数のセルスタック101の交換が容易となり、複数のセルスタック101を還元処理するのに要する期間が短縮される。
このようにすることで、外筒部20の外周面から内筒部10の内周面に酸化性ガスが流通する状態となる。この流通方向はセルスタック101が延在する軸方向に略直交する方向であり、セルスタック101の軸方向の異なる位置での酸素分圧が略均一の状態となる。従って、セルスタック101の軸方向の異なる位置での発電性能が均一化された高性能のセルスタック101を製造することができる。なお、本実施形態では還元性ガスと酸化性ガスの流れ方向が直交するが、これに限定されるものでなく、対向流もしくは平行流としても良い。
このようにすることで、セルスタック101の部位のうち、燃料極109と固体電解質111と空気極113とが積層された部位を還元処理が適切に行われるように800〜1000℃の高温状態に加熱し、セルスタック101のその他の部位を保持部50の耐熱温度400〜700℃とすることができる。また、その他の部位の温度を400〜700℃に保つことにより、燃料極109と固体電解質111と空気極113とが積層された空間S1(第1空間)の温度をを均一化し、その結果、セルスタック101の出力特性を均一化できる。なお、以上の説明では内側ヒータ30および外側ヒータ40を用いて、セルスタック101の両側から加熱したが、本実施形態は以上のヒータ構成に限定されるものでなく、ヒータは片側だけでも良い。
このようにすることで、各セルスタック101の全周を均一に内側ヒータ30と外側ヒータ40から加熱することが可能となり、他のセルスタック101から遮蔽されることを抑制できる。
20 外筒部
21 第1移動体(移動体)
22 第2移動体(移動体)
30 内側ヒータ(ヒータ)
40 外側ヒータ(ヒータ)
50 保持部
60 還元性ガス流路
70 酸化性ガス流入流路(酸化性ガス流路)
71 酸化性ガス流出流路(酸化性ガス流路)
90 断熱部材
100 還元処理装置
101 セルスタック
103 基体管
105 燃料電池セル
109 燃料極
111 固体電解質
113 空気極
115 リード膜
G 設置面
S 設置空間
Claims (7)
- 固体酸化物形燃料電池を構成する複数のセルスタックを該複数のセルスタックを集合化したカートリッジに組立てる前に還元処理する還元処理装置であって、
前記セルスタックは、基体管の外周面上に燃料極と固体電解質と空気極とが順に積層されており、
設置面に固定された円筒形状の内筒部と、
前記内筒部の外周面との間に断面視が円環形状の設置空間を形成する外筒部と、
前記設置空間の鉛直方向の所定領域を加熱するように配置されたヒータと、
複数の前記セルスタックを前記設置空間の鉛直方向の前記所定領域に保持する保持部と、
前記保持部により保持された前記セルスタックの内部に還元性ガスを流通させる還元性ガス流路と、
複数の前記セルスタックが保持される前記設置空間に酸化性ガスを流通させる酸化性ガス流路とを備える還元処理装置。 - 前記外筒部が、前記設置面上で前記内筒部に対して近接または離間する一対の移動体を有し、該一対の移動体が前記内筒部に近接した状態で前記設置空間が形成される請求項1に記載の還元処理装置。
- 前記酸化性ガス流路が、
前記外筒部の内周面から前記設置空間に前記酸化性ガスを流入させる酸化性ガス流入流路と、
前記内筒部の外周面から前記内筒部の内側に前記酸化性ガスを流出させる酸化性ガス流出流路とを備える請求項1または請求項2に記載の還元処理装置。 - 前記設置空間を、前記セルスタックの前記燃料極と前記固体電解質と前記空気極とが積層された部分が配置される第1空間と、前記セルスタックの端部が配置される第2空間とに分離する一対の断熱部材を備え、
前記ヒータは、前記第2空間よりも前記第1空間を高温に加熱する請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の還元処理装置。 - 前記保持部は、複数の前記セルスタックのうち第1群の前記セルスタックを前記内筒部と同軸の第1の円周上に配置し、複数の前記セルスタックのうち第2群の前記セルスタックを前記内筒部と同軸であって前記第1の円周よりも径の大きい第2の円周上に配置し、
前記第1の円周の中心と前記第1群のセルスタックが配置される各位置とを通過する複数の直線上とは異なる位置に、前記第2群のセルスタックが配置される請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の還元処理装置。 - 固体酸化物形燃料電池を構成する複数のセルスタックを該複数のセルスタックを集合化したカートリッジに組立てる前に還元処理する還元処理方法であって、
前記セルスタックは、基体管の外周面上に燃料極と固体電解質と空気極とが積層されており、
設置面に固定された円筒形状の内筒部と、該内筒部と同軸に配置された外筒部との間に形成された断面視が円環形状の設置空間の鉛直方向の所定領域に、複数のセルスタックを設置する設置工程と、
前記設置工程により配置された前記セルスタックの内部に還元性ガスを流通させる還元性ガス流通工程と、
複数の前記セルスタックが保持される前記設置空間に酸化性ガスを流通させる酸化性ガス流通工程と、
前記設置空間の鉛直方向の前記所定領域を加熱するように配置されたヒータにより、前記設置空間の鉛直方向の前記所定領域を加熱する加熱工程とを備える還元処理方法。 - 前記外筒部は、前記設置面上で前記内筒部に対して近接または離間する一対の移動体を有しており、
前記一対の移動体を前記内筒部に近接させて、前記設置空間を形成する設置空間形成工程を備える請求項6に記載の還元処理方法。
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