TWI792204B - 高溫反應部的隔熱構造 - Google Patents

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Abstract

高溫反應部的隔熱構造，具備包圍反應部的隔熱體。隔熱體，含有含金屬元素的黏合劑成分，配置成與設在電池堆上的絕緣膜相對向。來自金屬元素的金屬離子從隔熱體朝向絕緣膜的移動是藉由金屬離子移動抑制手段來抑制。

Description

高溫反應部的隔熱構造
本發明，關於高溫反應部的隔熱構造。
作為利用電氣化學反應之發電方式的發電裝置之一種，已知有具有優異發電效率及環境對應等之特性的燃料電池。其中，固態氧化物燃料電池(SOFC：Solid Oxide Fuel Cell)，作為電解質使用氧化鋯陶瓷等之陶瓷，使用將都市氣體、天然氣、煤氣化氣體等之燃料予以重組而生成的氫及一氧化碳來進行發電。且，固態氧化物燃料電池，為了提高離子傳導率，已知有具備到達約700～1100℃左右之較高運作溫度的反應部(發電室)，而作為用途較廣之高效率的高溫型燃料電池。
例如在專利文獻1，揭示有這種固態氧化物燃料電池之一例，其示出使供給至具有燃料極與空氣極的筒狀之電池堆(電池管)之內部與外部的燃料氣體與氧化劑氣體反應而藉此產生電力用的構造。 [先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本特開2016-115629號公報
[發明所欲解決之問題]
如前述般，由於固態氧化物燃料電池具備具有較高運作溫度的反應部，故為了在起動時迅速昇溫，或有效率地維持高溫的運作溫度，是將設有燃料電池單元的反應部以隔熱體至少部分地包圍。另一方面，為了將以反應部發電的電力取出至外部，有必要使具有反應部內之燃料電池單元的電池堆之端部附近，延伸至隔熱體的外部為止。因此，在隔熱體設有貫通孔，其形成為可供電池堆的端部附近插通。
在這種貫通孔附近，插通於貫通孔的電池堆的表面與隔熱體的表面之間多少會設計成確保有間隙，但實際上會因設計誤差等之原因，而導致電池堆的表面接觸於隔熱體的表面。如上述般電池堆與隔熱體接觸之際，為了保護電池堆，是在電池堆的表面設有由絕緣性材料所成的絕緣膜。
但是在隔熱體，以成型性或強度、確保加工性等為目的，有時會使用含有金屬元素的黏合劑成分。作為這種黏合劑成分，例如使用有對於膠體二氧化矽(SiO2 或其水合物)含有成為穩定劑之鈉那般的鹼性金屬者。這種含有黏合劑成分的隔熱體在電池堆於高溫環境下長時間地接觸的話，在隔熱體的內部，金屬元素的濃縮會進展，並在運作溫度區域形成融化部。例如，將前述般之含有鈉那般之鹼性金屬的膠體二氧化矽作為黏合劑成分來含有的隔熱體，若對於含有氧化鋁(Al2 O3 )的絕緣膜在高溫環境下長時間地接觸的話，融點會降低，有在790℃左右就形成融化部的可能性。在這種狀況下，若在隔熱體與電池堆之間施加某種程度大的負電位的話，濃縮的金屬元素離子化而成者，會從隔熱體側往電池堆側移動，導致電池堆上之絕緣膜的變質或絕緣性降低。這進一步進行的話會招致短路電流所致之絕緣破壞之虞。
本發明的至少一實施形態，是有鑑於上述情事而完成者，目的在於提供高溫反應部的隔熱構造，其在高溫環境下長時間地使電池堆接觸於隔熱體之際，可防止絕緣膜的變質或絕緣性降低。 [解決問題之技術手段]
本發明之至少一實施形態之高溫反應部的隔熱構造，為了解決上述課題，具備： 電池堆，其具備至少一個反應部； 隔熱體，其含有含金屬元素的黏合劑成分，至少部分地包圍前述反應部，並配置成與設在前述電池堆上的絕緣膜相對向；以及 金屬離子移動抑制手段，其構成為抑制來自前述金屬元素的金屬離子從前述隔熱體朝向前述絕緣膜移動的情況。 [發明之效果]
根據本發明的至少一實施形態，可提供高溫反應部的隔熱構造，其在高溫環境下遍及長時間使電池堆接觸於隔熱體之際，可防止絕緣膜的變質或絕緣性降低。
以下，參照附加圖式來針對本發明的幾個實施形態進行說明。但是，作為實施形態來記載或是示於圖式之構造零件的尺寸、材質、形狀、其相對配置等，並沒有限定本發明之範圍的用意，僅為單純的說明例。
圖1是表示本發明之一實施形態之固態氧化物燃料電池模組100之全體構造的立體圖，圖2是表示圖1之固態氧化物燃料電池匣102之內部構造的剖面圖。
固態氧化物燃料電池模組100，具備：複數個固態氧化物燃料電池匣102、收納複數個固態氧化物燃料電池匣102的壓力容器104。且，固態氧化物燃料電池模組100，具有：燃料氣體供給管106、複數個燃料氣體供給支管106a。且，固態氧化物燃料電池模組100，具有：燃料氣體排出管108、複數個燃料氣體排出支管108a。且，固態氧化物燃料電池模組100，具有：氧化性氣體供給管(圖示省略)、氧化性氣體供給支管(圖示省略)。且，固態氧化物燃料電池模組100，具有：氧化性氣體排出管(圖示省略)、複數個氧化性氣體排出支管(圖示省略)。
燃料氣體供給管106，設在壓力容器104的內部，連接於燃料供給系統(圖示省略)，且連接於複數個燃料氣體供給支管106a，該燃料供給系統對應於固態氧化物燃料電池模組100的發電量來供給既定氣體組成與既定流量的燃料氣體G。該燃料氣體供給管106，將從燃料供給系統(圖示省略)供給之既定流量的燃料氣體，分歧導引至複數個燃料氣體供給支管106a。
燃料氣體供給支管106a，連接於燃料氣體供給管106，且連接於複數個固態氧化物燃料電池匣102。該燃料氣體供給支管106a，將從燃料氣體供給管106供給之燃料氣體以大致均等的流量來導引至複數個固態氧化物燃料電池匣102，使複數個固態氧化物燃料電池匣102的發電性能大致均勻化。
燃料氣體排出支管108a，連接於複數個固態氧化物燃料電池匣102，且連接於燃料氣體排出管108。該燃料氣體排出支管108a，將從固態氧化物燃料電池匣102排出之燃料排氣導引至燃料氣體排出管108。且，燃料氣體排出管108，連接於複數個燃料氣體排出支管108a，且一部分配置在壓力容器104的內部。該燃料氣體排出管108，將從燃料氣體排出支管108a以大致均等之流量導出的燃料排氣導引至壓力容器104之外部的燃料氣體排出系統(圖示省略)。
壓力容器104，是以內部的壓力為0.1MPa～大致1MPa、內部的溫度為大氣溫度～大致550℃來運用，利用具有耐壓性與對於氧化性氣體中所含之氧等之氧化劑具有耐腐蝕性的材質。例如SUS304等之不銹鋼系材料為佳。
固態氧化物燃料電池匣102，如圖2所示般，具有：複數個電池堆110、反應部112(發電部)、燃料氣體供給室114、燃料氣體排出室116、氧化性氣體供給室118、氧化性氣體排出室120。且，固態氧化物燃料電池匣102，具有：上部管板122a、下部管板122b、上部隔熱體124a、下部隔熱體124b。上部隔熱體124a及下部隔熱體124，構成反應部112之隔熱構造的至少一部分。
反應部112，配置有各電池堆110所具備之複數個燃料電池單元126，是使燃料氣體與氧化性氣體電氣化學地反應而進行發電的區域。在反應部112之電池堆110長度方向之中央部附近的溫度，於固態氧化物燃料電池模組100的正常運轉時，是大約在700℃～1100℃的高溫環境。為了保持這種反應部112的高溫環境，反應部112是形成在上部隔熱體124a與下部隔熱體124b之間，藉此被上部隔熱體124a及下部隔熱體124b來部分地包圍。
燃料氣體供給室114，是被固態氧化物燃料電池匣102的上部殼體128a與上部管板122a所包圍的區域。且，燃料氣體供給室114，是藉由上部殼體128a所具備的燃料氣體供給孔130a，來與燃料氣體供給支管106a(參照圖1)連通。且，在燃料氣體供給室114，電池堆110之一方的端部，是使電池堆110之基體管132的內部對於燃料氣體供給室114開放來配置。該燃料氣體供給室114，將從燃料氣體供給支管106a(圖示省略)透過燃料氣體供給孔130a來供給的燃料氣體，以大致均勻的流量來導入至複數個電池堆110之基體管132的內部，而使複數個電池堆110的發電性能大致均勻化。
燃料氣體排出室116，是被固態氧化物燃料電池匣102的下部殼體128b與下部管板122b所包圍的區域。且，燃料氣體排出室116，是藉由下部殼體128b所具備的燃料氣體排出孔130b，來與燃料氣體排出支管108a(參照圖1)連通。且，在燃料氣體排出室116，電池堆110之另一方的端部，是使電池堆110之基體管132的內部對於燃料氣體排出室116開放來配置。該燃料氣體排出室116，將通過複數個電池堆110之基體管132的內部而供給至燃料氣體排出室116的燃料排氣予以集中，透過燃料氣體排出孔130b來導引至燃料氣體排出支管108a(圖示省略)。
氧化性氣體供給室118，是被固態氧化物燃料電池匣102的下部殼體128b與下部管板122b與下部隔熱體124b所包圍的區域。且，氧化性氣體供給室118，是藉由下部殼體128b所具備的氧化性氣體供給孔134a，來與氧化性氣體供給支管(參照圖1)連通。該氧化性氣體供給室118，將從氧化性氣體供給支管(參照圖1)透過氧化性氣體供給孔134a來供給之既定流量的氧化性氣體，透過後述之氧化性氣體供給間隙138a來導引至反應部112。 又，氧化性氣體的氣體組成及供給量，是對應於固態氧化物燃料電池模組100的發電量來決定。
氧化性氣體排出室120，是被固態氧化物燃料電池匣102的上部殼體128a與上部管板122a與上部隔熱體124a所包圍的區域。且，氧化性氣體排出室120，是藉由上部殼體128a所具備的氧化性氣體排出孔134b，來與氧化性氣體排出支管(參照圖1)連通。該氧化性氣體排出室120，將從反應部112透過後述的氧化性氣體排出間隙138b而排出至氧化性氣體排出室120的氧化性排氣，透過氧化性氣體排出孔134b來導引至氧化性氣體排出支管(參照圖1)。
上部管板122a，在上部殼體128a的頂板與上部隔熱體124a之間，以對於上部殼體128a的頂板及上部隔熱體124a成為大致平行的方式，固定於上部殼體128a的側板。且，上部管板122a，具有與固態氧化物燃料電池匣102所具備之電池堆110的根數對應的複數個貫通孔，在該貫通孔各自插入有電池堆110。該上部管板122a，將複數個電池堆110之一方的端部，透過未圖示之密封構件及接著構件之任一方或雙方來氣密地支撐，並隔離燃料氣體供給室114與氧化性氣體排出室120。
下部管板122b，在下部殼體128b的底板與下部隔熱體124b之間，以對於下部殼體128b的底板及下部隔熱體124b成為大致平行的方式，固定於下部殼體128b的側板。且，下部管板122b，具有與固態氧化物燃料電池匣102所具備之電池堆110的根數對應的複數個貫通孔，在該貫通孔各自插入有電池堆110。該下部管板122b，將複數個電池堆110之另一方的端部，透過未圖示之密封構件及接著構件之任一方或雙方來氣密地支撐，並隔離燃料氣體排出室116與氧化性氣體供給室118。
上部隔熱體124a，以至少部分地包圍反應部112的方式，在上部殼體128a的下端部，配置成對於上部殼體128a的頂板及上部管板122a大致平行，並固定於上部殼體128a的側板。且，於上部隔熱體124a，以對應於固態氧化物燃料電池匣102所具備之電池堆110的根數，來設置複數個貫通孔。該貫通孔的直徑，設定成比電池堆110的外徑還大。上部隔熱體124a具有氧化性氣體排出間隙138b，其形成在該貫通孔的內面與插通於上部隔熱體124a之電池堆110的外面之間。
該上部隔熱體124a，將反應部112與氧化性氣體排出室120予以分隔，而抑制上部管板122a之周圍的環境高溫化導致強度降低或氧化性氣體中所含的氧化劑所致之腐蝕增加的問題。上部管板122a等是由英高鎳合金等之具有高溫耐久性的金屬材料所成，防止上部管板122a等暴露於反應部112內的高溫而與上部殼體128a的溫度差變大導致之熱變形。且，上部隔熱體124a，使通過反應部112而暴露於高溫的氧化性排氣，通過氧化性氣體排出間隙138b而導引至氧化性氣體排出室120。
根據本實施形態，藉由上述之固態氧化物燃料電池匣102的構造，使燃料氣體與氧化性氣體在電池堆110的內側與外側相對向地流動。藉此，氧化性排氣，通過基體管132的內部而與供給至反應部112的燃料氣體之間進行熱交換，而冷卻至由金屬材料所成之上部管板122a等不會屈曲等之變形的溫度來供給至氧化性氣體排出室120。且，燃料氣體，與從反應部112排出的氧化性排氣進行熱交換而升溫，並供給至反應部112。其結果，不必使用加熱器等就可將事先升溫至適合發電之溫度的燃料氣體供給至反應部112。
下部隔熱體124b，以至少部分地包圍反應部112的方式，在下部殼體128b的上端部，配置成對於下部殼體128b的底板及下部管板122b大致平行，並固定於上部殼體128a的側板。且，於下部隔熱體124b，以對應於固態氧化物燃料電池匣102所具備之電池堆110的根數，來設置複數個貫通孔。該貫通孔的直徑，設定成比電池堆110的外徑還大。下部隔熱體124b具有氧化性氣體供給間隙138a，其形成在該貫通孔的內面與插通於下部隔熱體124b之電池堆110的外面之間。
該下部隔熱體124b，將反應部112與氧化性氣體供給室118予以分隔，而抑制下部管板122b之周圍的環境高溫化導致強度降低或氧化性氣體中所含的氧化劑所致之腐蝕增加的情況。下部管板122b等是由英高鎳合金等之具有高溫耐久性的金屬材料所成，防止下部管板122b等暴露於高溫而與下部殼體128b的溫度差變大導致變形的情況。且，下部隔熱體124b，使供給至氧化性氣體供給室118的氧化性氣體，通過氧化性氣體供給間隙138a而導引至反應部112。
根據本實施形態，藉由上述之固態氧化物燃料電池匣102的構造，使燃料氣體與氧化性氣體在電池堆110的內側與外側相對向地流動。藉此，通過基體管132的內部且通過反應部112的燃料排氣，是在與供給至反應部112的氧化性氣體之間進行熱交換，而冷卻至由金屬材料所成之下部管板122b等不會屈曲等之變形的溫度來排出至燃料氣體排出室116。且，氧化性氣體是藉由與燃料排氣的熱交換而升溫，並供給至反應部112。其結果，不必使用加熱器等就可將事先升溫至發電所必要之溫度的氧化性氣體供給至反應部112。
在此，圖3是圖2之氧化性氣體排出間隙138b附近的擴大圖。在反應部112發電出的直流電力，是藉由連接於複數個燃料電池單元126(參照圖2)之由Ni／YSZ等所成的導膜亦即集電體140來導出至電池堆110的端部附近之後，藉由後述之固態氧化物燃料電池匣102的集電機構142來集電，而取出至各固態氧化物燃料電池匣102的外部。如圖3所示般，集電體140設在基體管132上，在其更上層側，被由氧化鋁(Al2 O3 )等之絕緣性材料所成的密封絕緣膜144給覆蓋。
又，未圖示之氧化性氣體供給間隙138a附近的構造，亦與圖3所示之氧化性氣體排出間隙138b附近的構造大致相同。且，本說明書中，關於圖3所示之氧化性氣體排出間隙138b附近之構造的事項，只要沒有特別記載，就可對於氧化性氣體供給間隙138a附近來適用。
圖4，是將固態氧化物燃料電池匣102的內部構造與複數個電池堆110的集電機構142一起表示的概略圖。在圖4，為了容易理解圖示，是將圖2所示之固態氧化物燃料電池匣102之詳細構造的一部分予以省略。
固態氧化物燃料電池匣102所具備的複數個電池堆110，為了將在各電池堆110發電出的電力在上部隔熱體124a及下部隔熱體124b的外側集電，而使各端部的附近延伸至上部隔熱體124a及下部隔熱體124b為止，使各電池堆110的端部附近彼此電性連接(在圖4雖省略詳細的圖示，但實際上各電池堆110的集電體140(參照圖2)是彼此電性連接)。
在圖4之例，各電池堆110是藉由集電機構142來彼此連接成串聯，藉此將從各電池堆110導出的電力，導出至固態氧化物燃料電池匣102的外部。這種集電機構142，含有：作為固態氧化物燃料電池匣102之正極及負極來導出至外部的正極導電線144a及負極導電線144b、將各電池堆110間予以連接的中間導電線146a、146b、……146e。
集電機構142的正極導電線144a及負極導電線144b，在固態氧化物燃料電池匣102的外部連接於其他固態氧化物燃料電池匣102的集電機構142，藉此使各固態氧化物燃料電池匣102的發電電力連接成串聯或並聯之後，導出至固態氧化物燃料電池模組100的外部。被導出至外部的直流電力，是藉由逆變器等來變換成既定的交流電力，並供給至電力負載。
但是在上部隔熱體124a及下部隔熱體124b，以成型性或強度、確保加工性確保等之目的，有時會使用含有金屬元素的黏合劑成分。作為這種黏合劑成分，例如使用有對於膠體二氧化矽(SiO2 或其水合物)含有成為穩定劑的鹼性金屬(Li、Na、K、Rb、Cs)者。
且，在上部隔熱體124a及下部隔熱體124b所具有的貫通孔附近(亦即氧化性氣體供給間隙138a或氧化性氣體排出間隙138b)，雖設計成在插通於貫通孔的電池堆110的表面與上部隔熱體124a及下部隔熱體124b的表面之間確保有些許的間隙，但實際上會因設計誤差等之原因，而導致電池堆110的表面接觸於上部隔熱體124a或下部隔熱體124b之至少一方的表面。
這種含有黏合劑成分的上部隔熱體124a或下部隔熱體124b之至少一方，對電池堆110於高溫環境下長時間地接觸的話，在上部隔熱體124a或下部隔熱體124b之至少一方的內部，前述金屬元素的濃縮會進展，並在運作溫度區域形成融化部。例如，將作為金屬元素含有鈉的膠體二氧化矽作為黏合劑成分來含有的隔熱體，若對於設在電池堆110上之含有氧化鋁(Al2 O3 )的密封絕緣膜144在高溫環境下長時間地接觸的話，融點會降低，有在790℃左右就形成融化部的可能性。在這種狀況下，若在上部隔熱體124a或下部隔熱體124b之至少一方與電池堆110之間施加某種程度大的負電位的話，濃縮的金屬元素離子化而成者，會從上部隔熱體124a或下部隔熱體124b之至少一方側往電池堆110側移動，導致電池堆110上之密封絕緣膜144的變質或絕緣性降低。這進一步進展的話會有招致短路電流所致之絕緣破壞之虞。
這種課題，是藉由具備以下所說明的金屬離子抑制手段150來適當地消解。金屬離子移動抑制手段150，構成為抑制金屬元素的金屬離子從上部隔熱體124a或下部隔熱體124b之至少一方朝向密封絕緣膜144移動的情況。藉由具備這種金屬離子抑制手段150，即使是上部隔熱體124a或下部隔熱體124b之至少一方對於電池堆110在高溫環境下長時間地接觸的情況，亦可有效地抑制上部隔熱體124a或下部隔熱體124b之至少一方所含有之黏合劑成分中的金屬離子往電池堆110側移動的情況。
圖4所示之金屬離子移動抑制手段150，含有將電池堆110與上部隔熱體124a及下部隔熱體124b予以電性連接的連接線152，而將電池堆110對於上部隔熱體124a及下部隔熱體124b之至少一方的電位抑制在閾值以下。如上述般藉由連接線152來電性連接電池堆110與上部隔熱體124a及下部隔熱體124b，藉此可將電池堆110對於上部隔熱體124a或下部隔熱體124b之至少一方的電位抑制在閾值以下。藉此，在上部隔熱體124a或下部隔熱體124b之至少一方對於電池堆110在高溫環境下長時間地接觸的情況，即使形成有融化部，亦可抑制陽離子亦即金屬離子(Na+ 或Si2+ )從上部隔熱體124a或下部隔熱體124b之至少一方側往電池堆110側移動的情況。其結果，可防止設在電池堆110之密封絕緣膜144的變質或絕緣性降低的情況。
連接線152，將對於電池堆110電性連接的正極導電線144a、負極導電線144b、中間導電線146a、146b、……146e之任一者與上部隔熱體124a及下部隔熱體124b之間予以連接。連接線152的連接目標，是由閾值的大小來決定亦可。例如，連接線152的連接目標設定在越接近正極導電線144a的位置則閾值會越小，前述金屬離子的移動抑制效果亦較小。另一方面，連接線152的連接目標設定在越接近負極導電線144b的位置則閾值會越大，前述金屬離子的移動抑制效果亦較大。
在圖4，雖舉例出將中間導電線146c與上部隔熱體124a及下部隔熱體124b之間予以連接的連接線152，但在同圖如虛線表示般連接於負極導電線144b亦可。在連接於負極導電線144b的情況，與連接於中間導電線146a、146b、……146e的情況相較之下，由於連接於負極側，故可得到較大的金屬離子移動抑制效果。但是，隨著連接線152的連接目標接近負極側則正極側的電位會變高，故考慮到這情況來決定連接目標為佳。
圖5是圖4的第1變形例。在第1變形例，金屬離子移動抑制手段150，進一步含有設在前述連接線152上的可變電阻154。可變電阻154對於連接線152串聯設置，是電阻值構成為可變的電阻。藉由調整連接線152上之可變電阻154的電阻值，而可任意調整電池堆110對於上部隔熱體124a及下部隔熱體124b的電位大小。藉此，一邊固定連接線152的連接目標，一邊調整閾值的大小，藉此可容易調整前述金屬離子移動抑制效果的大小。
圖6是圖4的第2變形例。在第2變形例，金屬離子移動抑制手段150，進一步含有：設在前述連接線152上的固定電阻156、可對固定電阻156供給直流電流的直流電源158。在圖6，直流電源158雖對於固定電阻156串聯設置，但並聯設置亦可。藉由調整連接線152上之直流電源158的輸出，來調整施加於固定電阻156的電位，藉此可任意調整電池堆110對於上部隔熱體124a及下部隔熱體124b的電位大小。藉此，一邊固定連接線152的連接目標，一邊調整閾值的大小，藉此可容易調整前述金屬離子移動抑制效果的大小。
其他實施形態的金屬離子移動抑制手段150，亦可具備溫度控制部160，其將上部隔熱體124a、下部隔熱體124b或密封絕緣膜144之至少一方的溫度控制成容許溫度閾值以下。溫度控制部160，將有彼此接觸之可能性的上部隔熱體124a、下部隔熱體124b或密封絕緣膜144之至少一方的溫度予以控制，藉此即使是在高溫環境下長時間地接觸的情況，亦可有效地控制融化部的產生。
圖7是表示其他實施形態之金屬離子移動抑制手段150所具備之溫度控制部160的方塊圖，圖8是將圖7之溫度控制部160所致之溫度控制方法以各個工程來表示的流程圖。
圖7所示之溫度控制部160，例如對於電腦般的電子運算裝置安裝既定的程式，藉此可實行圖8所示之溫度控制方法。溫度控制部160，具備：溫度檢測部162、相關資料記憶部164、參數控制部166。溫度檢測部162，將成為溫度管理對象之上部隔熱體124a、下部隔熱體124b或密封絕緣膜144之至少一方的溫度，例如作為熱電偶般的溫度感測器的測量值來檢測。相關資料記憶部164，事先儲存溫度檢測部162與成為控制對象的參數之間的相關資料。參數控制部166，控制成為控制對象的參數。
具有如此構造的溫度控制部160，如圖8所示般，首先藉由溫度檢測部162來取得成為溫度管理對象的上部隔熱體124a、下部隔熱體124b或密封絕緣膜144之至少一方的溫度(步驟S1)。然後，溫度控制部160，基於儲存在相關資料記憶部164之對應關連的資料，來算出用來將溫度檢測部162之溫度檢測值調整成目標溫度(容許溫度閾值以下)的參數控制量(步驟S2)。然後，參數控制部166，基於在步驟S2算出的參數控制量，來控制參數(步驟S3)。藉此，可將上部隔熱體124a、下部隔熱體124b或密封絕緣膜144之至少一方的溫度控制成抑制在容許溫度閾值以下。
又，參數控制部166所操作的參數，例如可採用：對於電池堆110的氧化氣體供給溫度、燃料氣體／氧化氣體供給量比、及固態氧化物燃料電池模組100的冷啟動時所實施之升溫控制中對氧化氣體的燃料添加量等。
圖9是表示其他實施形態之金屬離子移動抑制手段150的概略構造圖。圖9所示之金屬離子移動抑制手段150，含有冷卻媒體供給部170，其對密封絕緣膜144與隔熱體(上部隔熱體124a及下部隔熱體124b)之間的間隙(亦即氧化性氣體供給間隙138a及氧化性氣體排出間隙138b)供給冷卻媒體。冷卻媒體例如為氧化性氣體。
冷卻媒體供給部170，具備複數個噴嘴部172a及172b，其用來對於與各電池堆110對應的氧化性氣體供給間隙138a或氧化性氣體排出間隙138b來分別噴出冷卻媒體。與氧化性氣體供給間隙138a對應的噴嘴部172a，配置成以沿著流動於氧化性氣體供給間隙138a的氧化性氣體之流動的方式，從外側朝向反應部112噴出冷卻媒體。與氧化性氣體排出間隙138b對應的噴嘴部172b，配置成以沿著流動於氧化性氣體排出間隙138b的氧化性氣體之流動的方式，從反應部112朝向外側噴出冷卻媒體。藉此，藉由從冷卻媒體供給部170供給的冷卻媒體，使氧化性氣體供給間隙138a或氧化性氣體排出間隙138b的溫度降低，而抑制融化部的形成。
又，圖9所示之冷卻媒體供給部170僅為一態樣，可廣泛採用對於氧化性氣體供給間隙138a或氧化性氣體排出間隙138b供給冷卻媒體的構造。
圖10是表示其他實施形態之金屬離子移動抑制手段150的概略構造圖。金屬離子移動抑制手段150，含有絕緣構件180，其在氧化性氣體排出間隙138b中，設置成包含密封絕緣膜144與上部隔熱體124a相對向的區域。
在圖10，是在氧化性氣體排出間隙138b中，且在電池堆110側的密封絕緣膜144上之中，遍及與上部隔熱體124a相對向的區域來設有絕緣構件180。這種氧化性氣體排出間隙138b中，在上部隔熱體124a與密封絕緣膜144之間中介有絕緣構件180，藉此使上部隔熱體124a不會直接接觸密封絕緣膜144，即使電池堆110接觸於上部隔熱體124a，亦可在構造上防止金屬離子移動至密封絕緣膜144。
這種絕緣構件180，是由導電率比絕緣膜還低的材料來構成亦可。藉此，絕緣構件180可用比較薄的膜厚來發揮充分的絕緣性能，可有效地防止金屬離子的移動。
又，在圖10雖示出絕緣構件180設在電池堆110側的情況，但亦可設在上部隔熱體124a側。該情況亦同樣地，中介有絕緣構件180，藉此使上部隔熱體124a不會直接接觸密封絕緣膜144，即使電池堆110接觸於上部隔熱體124a，亦可在構造上防止金屬離子移動至密封絕緣膜144。
且，在圖10雖示出絕緣構件180對於密封絕緣膜144構成為不同構件之情況，但與密封絕緣膜144構成為一體亦可。該情況時，與絕緣構件180構成為一體的密封絕緣膜144，是在氧化性氣體排出間隙138b中構成為遍及與上部隔熱體124a相對向的區域使至少部分的膜厚變大亦可。 又，在圖10雖示出設在氧化性氣體排出間隙138b的絕緣構件180，但同樣地在氧化性氣體供給間隙138a設置絕緣構件180亦可。
如以上說明般，上述各實施形態之固態氧化物燃料電池模組100及固態氧化物燃料電池匣102具備金屬離子移動抑制手段，藉此在高溫環境下長時間地使隔熱體接觸於設在導膜上的絕緣膜之際，可防止絕緣膜的變質或絕緣性降低。
又，在上述實施形態，固態氧化物燃料電池匣102，燃料氣體供給室114與燃料氣體排出室116與氧化性氣體供給室118與氧化性氣體排出室120是如圖2般配置，藉此成為使燃料氣體與氧化性氣體在電池堆110的內側與外側相對向地流動的構造，但亦可為其他構造。例如，在電池堆110的內側與外側平行地流動，或使氧化性氣體往與電池堆110的長度方向正交的方向流動亦可。
其他，在不超脫本發明之主旨的範圍，可將上述實施形態中的構成要件適當取代成周知的構成要件，且，適當組合上述實施形態亦可。
上述各實施形態所記載的內容，例如把握如下。
(1)本發明之一實施形態之高溫反應部的隔熱構造，具備： 電池堆(例如上述實施形態的電池堆110)，其具備至少含有一個燃料電池單元(例如上述實施形態的燃料電池單元126)的反應部(例如上述實施形態的反應部112)； 隔熱體(例如上述實施形態的上部隔熱體124a或下部隔熱體124b)，其含有含金屬元素的黏合劑成分，至少部分地包圍前述反應部，並配置成與設在前述電池堆上的絕緣膜(例如上述實施形態的密封絕緣膜144)相對向；以及 金屬離子移動抑制手段(例如上述實施形態的金屬離子移動抑制手段150)，其構成為抑制來自前述金屬元素的金屬離子從前述隔熱體朝向前述絕緣膜移動的情況。
根據上述(1)的構造，固態氧化物燃料電池匣具備金屬離子移動抑制手段，藉此即使是隔熱體對於電池堆在高溫環境下長時間地接觸的情況，亦可抑制隔熱體所含有之黏合劑成分中之來自金屬元素的金屬離子移動至電池堆側之絕緣膜的情況。
(2)在一態樣，上述(1)的構造中， 前述金屬離子移動抑制手段，含有將前述電池堆與前述隔熱體予以電性連接的連接線(例如上述實施形態的連接線152)，而將前述電池堆對於前述隔熱體的電位抑制在閾值以下。
根據上述(2)的構造，藉由連接線來電性連接電池堆與隔熱體，藉此可將電池堆對於隔熱體的電位抑制在閾值以下。藉此，即使隔熱體對於電池堆在高溫環境下長時間地接觸的情況形成融化部，亦可抑制隔熱體所含有之黏合劑成分所含有之來自金屬元素的金屬離子移動至電池堆側之絕緣膜的情況。
(3)在一態樣，上述(2)的構造中， 前述至少一個電池堆，含有藉由中間連接線(例如上述實施形態的中間連接線146a～146e)來彼此電性連接的複數個電池堆， 前述連接線，將前述中間連接線連接於前述隔熱體。
根據上述(3)的構造，將連接線連接於連接複數個電池堆間的中間連接線與隔熱體之間，藉此可將電池堆對於隔熱體的電位抑制在閾值以下。特別是具備複數個中間連接線的情況，藉由選擇連接連接線的中間連接線，而可任意調整電池堆對於隔熱體的電位大小。
(4)在一態樣，上述(2)或(3)的構造中， 前述金屬離子移動抑制手段，含有設在前述連接線上的可變電阻(例如上述實施形態的可變電阻154)。
根據上述(4)的構造，在將電池堆與隔熱體予以電性連接的連接線上設有可變電阻。該情況，藉由調整可變電阻的電阻值，而可任意調整電池堆對於隔熱體的電位大小。
(5)在一態樣，上述(2)或(3)的構造中， 前述金屬離子移動抑制手段，含有：設在前述連接線上的固定電阻(例如上述實施形態的固定電阻156)、可對前述固定電阻供給直流電力的直流電源(例如上述實施形態的直流電源158)。
根據上述(5)的構造，在將電池堆與隔熱體予以電性連接的連接線上設有固定電阻及直流電源。該情況時，藉由調整直流電源的輸出，而可任意調整電池堆對於隔熱體的電位大小。
(6)在一態樣，上述(1)至(5)之任一構造中， 前述金屬離子移動抑制手段，具備溫度控制部(例如上述實施形態的溫度控制部160)，其將前述絕緣膜的溫度控制在容許溫度閾值以下。
根據上述(6)的構造，藉由溫度控制部來將絕緣膜的溫度控制成為容許溫度閾值以下，藉此即使是隔熱體對於電池堆在高溫環境下長時間地接觸的情況，亦可有效地抑制融化部的形成。其結果，可抑制隔熱體所含有之黏合劑成分的金屬離子移動至電池堆側之絕緣膜的情況。
(7)在一態樣，上述(6)的構造中， 前述金屬離子移動抑制手段，是藉由調整燃料氣體及氧化性氣體對於前述電池堆的供給量比，或是調整前述氧化性氣體的供給溫度，來控制前述絕緣膜的溫度。
根據上述(7)的構造，藉由調整該等參數，而可將絕緣膜的溫度控制成為容許溫度閾值以下。
(8)在一態樣，上述(1)至(7)之任一構造中， 前述金屬離子移動抑制手段，含有冷卻媒體供給部(例如上述實施形態的冷卻媒體供給部170)，其對前述絕緣膜及前述隔熱體之間的間隙(例如上述實施形態的氧化性氣體供給間隙138a或氧化性氣體排出間隙138b)供給冷卻媒體。
根據上述(8)的構造，對絕緣膜及隔熱體之間的間隙供給冷卻媒體，藉此可有效地抑制融化部的形成。其結果，可抑制隔熱體所含有之來自黏合劑成分的金屬離子移動至電池堆側之絕緣膜的情況。
(9)在一態樣，上述(1)至(8)之任一構造中， 前述金屬離子移動抑制手段，是在前述絕緣膜與前述隔熱體相對向的區域中，設在前述絕緣膜或前述隔熱體之至少一方之表面的絕緣構件(例如上述實施形態的絕緣構件180)。
根據上述(9)的構造，在絕緣膜或隔熱體之至少一方之表面設有絕緣構件。藉此，即使是隔熱體對於電池堆在高溫環境下長時間地接觸的情況，藉由在隔熱體與絕緣膜之間中介有絕緣構件，而可在構造上抑制隔熱體所含有之來自黏合劑成分的金屬離子移動至電池堆側之絕緣膜的情況。
(10)在一態樣，上述(9)的構造中， 前述絕緣構件，是由導電率比前述絕緣膜還低的材料來構成。
根據上述(10)的構造，由導電率比絕緣膜還低的材料來構成絕緣構件，藉此即使是隔熱體對於電池堆在高溫環境下長時間地接觸的情況，亦可抑制隔熱體所含有之來自黏合劑成分的金屬離子移動至電池堆側之絕緣膜的情況。
(11)在一態樣，上述(1)至(10)之任一構造中， 前述黏合劑成分，在膠體二氧化矽含有成為穩定劑的前述金屬元素。
根據上述(11)的構造，黏合劑成分在膠體二氧化矽含有成為穩定劑的金屬元素，在具備使用該黏合劑成分之隔熱體的固態氧化物燃料電池匣，即使是隔熱體對於電池堆在高溫環境下長時間地接觸的情況，亦可抑制隔熱體所含有之來自黏合劑成分的金屬離子移動至電池堆側之絕緣膜的情況。
(12)在一態樣，上述(1)至(11)之任一構造中， 前述金屬元素為鹼性金屬。
根據上述(12)的構造，黏合劑成分含有作為金屬元素的鹼性金屬，在具備使用該黏合劑成分之隔熱體的固態氧化物燃料電池匣，即使是隔熱體對於電池堆在高溫環境下長時間地接觸的情況，亦可抑制隔熱體所含有之來自黏合劑成分的金屬離子移動至電池堆側之絕緣膜的情況。
(13)在一態樣，上述(1)至(12)之任一構造中， 前述隔熱體具有可供前述電池堆插通的貫通孔(例如上述實施形態的氧化性氣體供給間隙138a或氧化性氣體排出間隙138b)， 前述絕緣膜在前述電池堆插通於前述貫通孔之際與前述隔熱體相對向。
根據上述(13)的構造，在形成於隔熱體的貫通孔插通有電池堆而成的固態氧化物燃料電池匣，即使是隔熱體對於電池堆在高溫環境下長時間地接觸的情況，亦可抑制隔熱體所含有之來自黏合劑成分的金屬離子移動至電池堆側之絕緣膜的情況。
(14)在一態樣，上述(1)至(13)之任一構造中， 前述電池堆，是前述反應部為發電部的固體氧化物燃料電池。
根據上述(14)的構造，在前述反應部為發電部的固態氧化物燃料電池，即使是隔熱體對於電池堆在高溫環境下長時間地接觸的情況，亦可抑制隔熱體所含有之來自黏合劑成分的金屬離子移動至電池堆側之絕緣膜的情況。
(15)在一態樣，上述(1)至(13)之任一構造中， 前述電池堆，是前述反應部為氫產生部的固體氧化物電解單元。
根據上述(15)的態樣，亦可適用於以與燃料電池單元匣相同的構造施加電力來製造氫的固態氧化物電解單元(SOEC)匣。該情況時，上述實施形態的發電部取代成不發電而產生氫的氫產生部即可。
100:固態氧化物燃料電池模組 102:固態氧化物燃料電池匣 104:壓力容器 106:燃料氣體供給管 106a:燃料氣體供給支管 108:燃料氣體排出管 108a:燃料氣體排出支管 110:電池堆 112:反應部 114:燃料氣體供給室 116:燃料氣體排出室 118:氧化性氣體供給室 120:氧化性氣體排出室 122a:上部管板 122b:下部管板 124a:上部隔熱體 124b:下部隔熱體 126:燃料電池單元 128a:上部殼體 128b:下部殼體 130a:燃料氣體供給孔 130b:燃料氣體排出孔 132:基體管 134a:氧化性氣體供給孔 134b:氧化性氣體排出孔 138a:氧化性氣體供給間隙 138b:氧化性氣體排出間隙 142:集電機構 144:密封絕緣膜 144a:正極導電線 144b:負極導電線 146a~146e:中間連接線 150:金屬離子移動抑制手段 152:連接線 154:可變電阻 156:固定電阻 158:直流電源 160:溫度控制部 162:溫度檢測部 164:相關資料記憶部 166:參數控制部 170:冷卻媒體供給部 172:噴嘴部 180:絕緣構件
[圖1] 表示本發明之一實施形態之固態氧化物燃料電池模組之全體構造的立體圖。 [圖2] 表示圖1之固態氧化物燃料電池匣之內部構造的剖面圖。 [圖3] 圖2之氧化性氣體排出間隙附近的擴大圖。 [圖4] 將固態氧化物燃料電池匣之內部構造與複數個電池堆的集電機構一起表示的概略圖。 [圖5] 圖4的第1變形例。 [圖6] 圖4的第2變形例。 [圖7] 表示其他實施形態之金屬離子移動抑制手段所具備之溫度控制部的方塊圖。 [圖8] 將圖7之溫度控制部所致之溫度控制方法以各個工程來表示的流程圖。 [圖9] 表示其他實施形態之金屬離子移動抑制手段的概略構造圖。 [圖10] 表示其他實施形態之金屬離子移動抑制手段的概略構造圖。
102:固態氧化物燃料電池匣
110:電池堆
124a:上部隔熱體
124b:下部隔熱體
138a:氧化性氣體供給間隙
138b:氧化性氣體排出間隙
140:集電體
142:集電機構
144a:正極導電線
144b:負極導電線
146a~146e:中間連接線
150:金屬離子移動抑制手段
152:連接線

Claims (15)

  1. 一種高溫反應部的隔熱構造，具備：電池堆，其具備至少一個反應部與絕緣膜，該絕緣膜設在與前述反應部之一端連接的導膜上；隔熱體，其含有含金屬元素的黏合劑成分，至少部分地包圍前述絕緣膜，並配置成與前述絕緣膜相對向；以及金屬離子移動抑制手段，其構成為抑制來自前述金屬元素的金屬離子從前述隔熱體朝向前述絕緣膜移動的情況。
  2. 如請求項1所述之高溫反應部的隔熱構造，其中，前述金屬離子移動抑制手段，含有將前述電池堆與前述隔熱體予以電性連接的連接線，而將前述電池堆對於前述隔熱體的電位抑制在閾值以下。
  3. 如請求項2所述之高溫反應部的隔熱構造，其中，前述至少一個電池堆，含有藉由中間連接線來彼此電性連接的複數個電池堆，前述連接線，將前述中間連接線連接於前述隔熱體。
  4. 如請求項2或3所述之高溫反應部的隔熱構造，其中，前述金屬離子移動抑制手段，含有設在前述連接線上的可變電阻。
  5. 如請求項2或3所述之高溫反應部的隔熱構造，其中，前述金屬離子移動抑制手段，含有：設在前述連接線上的固定電阻、可對前述固定電阻供給直流電力 的直流電源。
  6. 如請求項1或2所述之高溫反應部的隔熱構造，其中，前述金屬離子移動抑制手段，具備溫度控制部，其將前述絕緣膜的溫度控制在容許溫度閾值以下。
  7. 如請求項6所述之高溫反應部的隔熱構造，其中，前述金屬離子移動抑制手段，是藉由調整燃料氣體及氧化性氣體對於前述電池堆的供給量比，或是調整前述氧化性氣體的供給溫度，來控制前述絕緣膜的溫度。
  8. 如請求項1或2所述之高溫反應部的隔熱構造，其中，前述金屬離子移動抑制手段，含有冷卻媒體供給部，其對前述絕緣膜及前述隔熱體之間的間隙供給冷卻媒體。
  9. 如請求項1或2所述之高溫反應部的隔熱構造，其中，前述金屬離子移動抑制手段，是在前述絕緣膜與前述隔熱體相對向的區域中，設在前述絕緣膜或前述隔熱體之至少一方之表面的絕緣構件。
  10. 如請求項9所述之高溫反應部的隔熱構造，其中，前述絕緣構件，是由導電率比前述絕緣膜還低的材料來構成。
  11. 如請求項1或2所述之高溫反應部的隔熱構造，其中，前述黏合劑成分，含有膠體二氧化矽，在前述膠體二氧化矽含有成為穩定劑的前述金屬元素。
  12. 如請求項1或2所述之高溫反應部的隔熱構造，其中，前述金屬元素為鹼性金屬。
  13. 如請求項1或2所述之高溫反應部的隔熱構造，其中，前述隔熱體具有可供前述電池堆插通的貫通孔，前述絕緣膜在前述電池堆插通於前述貫通孔之際與前述隔熱體相對向。
  14. 如請求項1或2所述之高溫反應部的隔熱構造，其中，前述電池堆，是前述反應部為發電部的固態氧化物燃料電池。
  15. 如請求項1或2所述之高溫反應部的隔熱構造，其中，前述電池堆，是前述反應部為氫產生部的固態氧化物電解單元。
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