JP6311869B2 - 固体酸化物型燃料電池装置 - Google Patents
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Description
このように構成された本発明によれば、開口部が集電体の縁部側に形成されることにより、縁部近傍の取付孔において、燃料電池セルの位置ずれを更に吸収し易くなり、当該取付部の変形や破損の発生を低減することができる。
このように構成された本発明によれば、隣接する略半円形状の開口部の直線部分が、直線上に揃わなくすることにより、薄い板材によって形成された集電体であっても、組付時における縁部の折れや曲がり等の変形が生じ難くなり、組み付けが容易となる。縁部に変形が生じると、取付孔において弾性片と燃料電池セルの電極との電気的接触が不良になり易いが、本発明では、このような縁部の変形が抑制されるので、電気的接触不良を生じ難くすることができる。
このように構成された本発明によれば、集電体が略扇形の形状を有しており、取付孔の略半円形の開口部の直線部分が、略扇形の中心を指向しないように構成されているので、薄い板材によって形成された集電体であっても、板厚を大きくすることなく、集電体の組付時における縁部の変形が抑制され、また、燃料電池装置の運転時における熱等の影響による縁部の変形も抑制することができる。
このように構成された本発明によれば、製造時において、電力取出し用導体を集電体に連結したときに、連結部に荷重が掛っても、連結部から取付孔の開口部までの部位が撓み易くなり、当該取付孔の弾性片に及ぶ影響を小さくすることができる。よって、当該取付孔における電気的接触不良の発生を防止することができる。
図1は、本発明の一実施形態による固体酸化物型燃料電池装置(SOFC)を示す全体構成図である。この図1に示すように、本発明の一実施形態による固体酸化物型燃料電池装置(SOFC)1は、燃料電池モジュール2と、補機ユニット4を備えている。
さらに、燃料電池モジュール2には、燃料電池モジュール2により発電された電力を外部に供給するための電力取出部(電力変換部)であるインバータ54が接続されている。
図2は燃料電池セル収容容器の断面図であり、図3は燃料電池セル収容容器の主な部材を分解して示した断面図である。
図2に示すように、燃料電池セル収容容器8内の空間には、複数の燃料電池セル16が同心円状に配列され、その周囲を取り囲むように燃料流路である燃料ガス供給流路20、排ガス排出流路21、酸化剤ガス供給流路22が順に同心円状に形成されている。ここで、排ガス排出流路21及び酸化剤ガス供給流路22は、酸化剤ガスを供給/排出する酸化剤ガス流路として機能する。
即ち、排ガス排出流路21は燃料ガス供給流路20を取り囲むように配置され、酸化剤ガス供給流路22は排ガス排出流路21を取り囲むように配置されている。また、燃料電池セル収容容器8の下端側の開放空間は、燃料を各燃料電池セル16に分散させる燃料ガス分散室76の底面を構成する概ね円形の分散室底部材72により塞がれている。
燃焼触媒60は、排ガス排出パイプ58よりも上方に、外側円筒部材66の外周面と内側円筒容器68の内周面の間の円環状の空間に充填された触媒である。排ガス排出流路21を下降した排気ガスは、燃焼触媒60を通過することにより一酸化炭素が除去され、排ガス排出パイプ58から排出される。
シースヒーター61は、燃焼触媒60の下方の、外側円筒部材66の外周面を取り囲むように取り付けられた電気ヒーターである。固体酸化物型燃料電池装置1の起動時において、シースヒーター61に通電することにより、燃焼触媒60が活性温度まで加熱される。
また、外側円筒容器70の下部側面には、酸化剤ガス導入パイプ56が接続されており、酸化剤ガス供給流路22が酸化剤ガス導入パイプ56に連通される。
図4は排気集約室の部分を拡大して示す断面図であり、図5は、図2におけるV−V断面である。
図4に示すように、排気集約室18は、各燃料電池セル16の上端部に取り付けられたドーナツ型断面のチャンバーであり、この排気集約室18の中央には、酸化剤ガス噴射用パイプ74が貫通して延びている。
集約室下部材18bは、上方が開放された円形皿状の部材であり、その中央には、酸化剤ガス噴射用パイプ74を貫通させるための円筒部が設けられている。
集約室上部材18aは、下方が開放された円形皿状の部材であり、その中央には、酸化剤ガス噴射用パイプ74を貫通させるための開口部が設けられている。集約室上部材18aは、集約室下部材18bの上方に開口したドーナツ型断面の領域に嵌め込まれる形状に構成されている。
また、この接合部に充填されたセラミック接着剤により形成されたセラミック接着剤層の上には、大径シールリング19aが配置され、セラミック接着剤層を覆っている。大径シールリング19aは円環状の薄板であり、セラミック接着剤の充填後、充填されたセラミック接着剤を覆うように配置され、接着剤の硬化により排気集約室18に固定される。
まず、内側円筒部材64と外側円筒部材66の間の空間で構成されている燃料ガス供給流路20の下部には、水蒸気改質用の水を蒸発させるための蒸発部86が設けられている。蒸発部86は、外側円筒部材66の下部内周に取り付けられたリング状の傾斜板86a及び水供給パイプ88から構成されている。また、蒸発部86は、発電用の空気を導入するための酸化剤ガス導入パイプ56よりも下方で、排気ガスを排出する排ガス排出パイプ58よりも上方に配置されている。傾斜板86aは、リング状に形成された金属の薄板であり、その外周縁が外側円筒部材66の内壁面に取り付けられる。一方、傾斜板86aの内周縁は外周縁よりも上方に位置し、傾斜板86aの内周縁と、内側円筒部材64の外壁面との間には隙間が設けられている。
また、燃料ガス供給パイプ90の上端は、傾斜板86aよりも下方に位置している。燃料ブロア38から送られた原燃料ガスは、傾斜板86aの下側に導入され、傾斜板86aの傾斜により流路を絞られながら傾斜板86aの上側へ上昇する。傾斜板86aの上側へ上昇した原燃料ガスは、蒸発部86で生成された水蒸気と共に上昇する。
CmHn+xH2O → aCO2+bCO+cH2 (1)
本発明の実施形態による固体酸化物型燃料電池装置1においては、燃料電池セル16として、固体酸化物を用いた円筒横縞型セルが採用されている。各燃料電池セル16上には、複数の単セル16aが横縞状に形成されており、これらが電気的に直列に接続されることにより1本の燃料電池セル16が構成されている。各燃料電池セル16は、その一端がアノード(陽極)、他端がカソード(陰極)となるように構成され、複数の燃料電池セル16のうちの半数は上端がアノード、下端がカソードとなるように配置され、残りの半数は上端がカソード、下端がアノードとなるように配置されている。
これらの電極層103b及びリード膜層104bは、燃料電池セル16端部において第1固定部材63を貫通し、第1固定部材63よりも下方に突出するように形成されている。
電極層103bは、リード膜層104bよりも下方まで形成されており、外部に露出された電極層103bに集電体82が電気的に接続されている。これにより、端部に位置する単セル16aの燃料極層98が、一体的に形成された電極層103bを介して集電体82に接続され、図中の矢印のように電流が流れる。また、第1固定部材63の挿通穴63aの縁とリード膜層104bの間の隙間には、セラミック接着剤が充填されており、燃料電池セル16は、リード膜層104bの外周で第1固定部材63に固定される。
多孔質支持体97は、本実施形態においては、フォルステライト粉末、及びバインダーの混合物を押し出し成形し、焼結することにより形成されている。
燃料極層98は、本実施形態においては、NiO粉末及び10YSZ(10mol%Y2O3−90mol%ZrO2)粉末の混合物により構成された導電性の薄膜である。
固体電解質層100は、本実施形態においては、La0.9Sr0.1Ga0.8Mg0.2O3の組成のLSGM粉末により構成された薄膜である。この固体電解質層100を介して酸化物イオンと水素又は一酸化炭素が反応することにより電気エネルギーが生成される。
インターコネクタ層102は、本実施形態においては、SLT(ランタンドープストロンチウムチタネート)により構成された導電性の薄膜である。燃料電池セル16上の隣接する単セル16aはインターコネクタ層102を介して接続される。
電極層103a、103bは、本実施形態においては、燃料極層98と同一の材料で形成されている。
リード膜層104a、104bは、本実施形態においては、固体電解質層100と同一の材料で形成されている。
また、本実施形態では、電極層103a、103bが燃料極層98と同一の多孔質材料で形成されているが、これに限らず、電極層103a、103bが、反応抑制層99や空気極層101と同一の多孔質材料を含む他の電気導電性の多孔質材料で形成されていてもよい。例えば、燃料電池セル16の端部に最も近い位置に形成された単セル16aの空気極層101を更に端部方向に延長し、その延長した部分を電極層としてもよい。
まず、固体酸化物型燃料電池装置1の起動工程において、燃料ブロア38が起動され、燃料の供給が開始されると共に、シースヒーター61への通電が開始される。シースヒーター61への通電が開始されることにより、その上方に配置された燃焼触媒60が加熱されると共に、内側に配置された蒸発部86も加熱される。燃料ブロア38により供給された燃料は、脱硫器36、熱交換器34、電磁弁35を介して、燃料ガス供給パイプ90から燃料電池セル収容容器8の内部に流入する。流入した燃料は、燃料ガス供給流路20内を上端まで上昇した後、改質部94内を下降し、内側円筒部材64の下部に設けられた小穴64bを通って燃料ガス分散室76に流入する。なお、固体酸化物型燃料電池装置1の起動直後においては、改質部94内の改質触媒96の温度が十分に上昇していないため、燃料の改質は行われない。
図7は、集電体82を上から見た図であり、図7(a),図7(b)はそれぞれ燃料電池セル16の上端部,下端部に取り付けられる集電体82A,82Bを示している。図8(a)及び図8(b)は、それぞれ燃料電池セルを取り付けるための取付孔84,84Aの拡大図である。図9は、一部の集電体の拡大図である。
まず、内側円筒部材64、中間円筒部材65、外側円筒部材66、及び第1固定部材63を溶接により一体に組み立てる(図3参照)。また、内側円筒部材64と中間円筒部材65の間に設けられる改質部94には、改質触媒96を充填する。さらに、水供給パイプ88及び燃料ガス供給パイプ90も溶接により取り付ける。
このように、各燃料電池セル16が位置決めされた状態で、集約室下部材18bの上にセラミック接着剤を注入し、カバー部材19cを配置した後、乾燥炉内で加熱することによりセラミック接着剤を硬化させる。これにより、セラミック接着剤層118(図2参照)が形成される。セラミック接着剤層118により、燃料電池セル16と集約室下部材18bとのセル接合部が気密的に接合される。
なお、各燃料電池セル16は、そのリード膜層104a、104bの部分でセラミック接着剤により接着される(図6参照)。
この加熱工程により、セラミック接着剤は、以後の製造工程を実施可能な状態まで硬化される。また、後の工程において、セラミック接着剤は、第2の加熱工程を行うことにより、固体酸化物型燃料電池装置1の起動工程における温度上昇に耐え得る状態まで硬化される。
図12は集電体の固定方法の説明図であり、図13は集電体が燃料電池セルに固定された状態を示す説明図である。
各燃料電池セル16は、円筒形状の多孔質支持体97を有し、その外周面に、燃料極層98,反応抑制層99,固体電解質層100,空気極層101,電極層103a及び103b,リード膜層104a及び104bが形成されている(図6参照)。
次に、図12(a)に示すように、集電体82の各集電体83a−83gをセル配列に対して位置合わせし(図12(a)の仮想線参照)、各集電体をセル配列に対して押し込む。これにより、各燃料電池セル16が、対応する取付孔84に挿入される。所定位置まで各集電体が押し込まれると、取付孔84の弾性片84aが燃料電池セル16の電極層103a,103bに弾性的に係合する(図12(a)の実線参照)。
図13(a)に示すように、取付孔84では、燃料電池セル16の電極層103a,103bの全周にわたって16個の弾性片84aが弾性的に係合し、導電性接着剤153によって物理的に固定されると共に電気的に接続される。また、仮に一部の弾性片84aが電極層と当接しない場合(片当たりの場合)においても、導電性接着剤153を介して、すべての弾性片84aを電極層と電気的に接続させることができる。
なお、本実施形態では、取付孔84Aにおいて導電性接着剤153を用いることが望ましいが、片当たりが生じない場合には、取付孔84においては必ずしも導電性接着剤153を用いなくてもよい。
燃料電池セルは集電体のような金属機械部品ほど製造寸法精度が高くないため、セル配列において、各燃料電池セルは理想的な位置から僅かずつずれて配置する。このため、集電体を理想的な位置に位置合わせして、セル配列に組付けようとしても、大きな組付力が必要になる。そして、このような大きな組付力でセル配列に集電体を無理に組み付けようとすると、取付孔の弾性片による電極剥がれや、集電体の変形による集電体同士の接触(短絡)等が生じるおそれがある。
また、本実施形態では、一部の弾性片84aが取り除かれているので、隣接する集電体に対して、導電性接着剤153が弾性片84aを伝って垂れて、隣接する集電体同士を短絡させるおそれを低減することができる。
薄い金属板で形成された集電体83d,83gは、製造時において金属製の軸方向に延びる棒状の部材であるバスバー80を少なくとも一時的に支持する場合があり、また、運転中において温度上昇に伴うバスバー80の長さ変化による影響を受ける場合がある。即ち、集電体83d,83gは、バスバー80から上向き及び下向きの応力を受ける場合がある。しかしながら、このような応力が掛ったときに、開口部84dが連結部83h,83iに近い位置に形成されていると、連結部83h,83iから取付孔84Aの開口部84dまでの部位が撓み易くなり、開口部84dの外側部分が上下の動きを吸収し、弾性片84a及びこれに係合する燃料電池セル16に対する影響を小さくすることができる。これにより、集電体83d,83gの全体的な位置ずれや変形が生じる程度を低減できると共に、連結部83h,83iの近傍における取付孔84Aでの燃料電池セル16と弾性片84aとの間の電気的接触不良の発生を抑制することができる。
2 燃料電池モジュール
6 ハウジング
8 燃料電池セル収容容器
10 発電室
16 燃料電池セル
63 第1固定部材
74 酸化剤ガス噴射用パイプ
80 バスバー(電力取出し用導体)
82,82A,82B 集電体
83a−83g 集電体(集電板)
83h,83i 連結部
83j,83k 円弧部
84,84A 取付孔
84a 弾性片
84d 開口部
84f 直線部
84g 仮想延長線
85a−85d 仮想直線
98 燃料極層
100 固体電解質層
101 空気極層
103a,103b 電極層
153 接着剤
Claims (5)
- 収容空間を有するハウジングと、
前記ハウジングの収容空間内において同方向に沿うように並列された状態で配置された複数の燃料電池セルと、
前記複数の燃料電池セルの端部に形成された電極を電気的に接続する複数の集電体と、を備えた固体酸化物型燃料電池装置であって、
前記集電体は、前記燃料電池セルの端部を挿入するための複数の取付孔が形成された金属板であり、各取付孔には複数の所定数の弾性片が設けられており、
各集電体の各取付孔に、対応する燃料電池セルの端部が挿入されることにより、前記複数の集電体が前記弾性片の弾性力によって前記複数の燃料電池セルに対して取り付けられており、
前記集電体の縁部近傍に形成された取付孔は、前記所定数の弾性片のうち、一部の弾性片が取り除かれて開口部が形成されており、残された弾性片が導電性接着剤によって前記燃料電池セルの電極に固定されていることを特徴とする固体酸化物型燃料電池装置。 - 前記集電体の縁部近傍に形成された取付孔において、前記開口部は、前記集電体の縁部側に形成されていることを特徴とする請求項1に記載の固体酸化物型燃料電池装置。
- 前記集電体の縁部近傍に形成された取付孔において、前記開口部は略半円形を有し、隣接する複数の取付孔の前記開口部は、前記開口部の直線部分の仮想延長線が直線上に整列しないように形成されていることを特徴とする請求項1に記載の固体酸化物型燃料電池装置。
- 前記複数の集電体の各々は略扇形の形状を有しており、前記複数の集電体は、前記複数の燃料電池セルの端部において、略円形の形状を形成するように並列して配置されており、
前記集電体の縁部近傍に形成された取付孔において、前記開口部は略半円形を有し、前記開口部は、前記開口部の直線部分が、前記複数の集電体の並列配置によって形成される前記略円形の形状の中心を向かないように形成されていることを特徴とする請求項1に記載の固体酸化物型燃料電池装置。 - 前記集電体の連結部に連結される外部への電力取出し用導体を更に備え、
前記集電体の連結部は、前記開口部が形成された取付孔の近傍であって、前記取付孔の周方向において前記開口部が形成された方向に位置することを特徴とする請求項1に記載の固体酸化物型燃料電池装置。
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