WO2005117179A1

WO2005117179A1 - 固体酸化物形燃料電池及びそのシール方法

Info

Publication number: WO2005117179A1
Application number: PCT/JP2005/009428
Authority: WO
Inventors: Hiroshi Nomura; Toshihisa Takanami
Original assignee: Nihon University
Priority date: 2004-05-28
Filing date: 2005-05-24
Publication date: 2005-12-08
Also published as: JPWO2005117179A1; JP5093645B2

Abstract

　高いガスバリア性を有する一方、容易に燃料電池セルを取り外すことも可能な固体酸化物形燃料電池及びそのシール方法を提供する。　固体酸化物形燃料電池に用いられる燃料電池セルを固定する部分の空気領域１０と燃料領域１１との間をシールするために、不燃性ガスによるシールを用いる。シールは、シール用ガス管７とシール領域８と、シール領域に不燃性ガスを供給するための不燃性ガス供給口９とからなる。シール領域のガス圧は、空気領域及び燃料領域のガス圧よりも僅かに高くする。

Description

明細書

固体酸化物形燃料電池及びそのシール方法

技術分野

[0001] 本発明は、固体酸ィ匕物形燃料電池及びそのシール方法に関し、特に、不燃性ガスをシール材として用いる固体酸ィ匕物形燃料電池及びそのシール方法に関する。背景技術

[0002] 燃料電池はその電解質によって様々な形式に分類されるが、その中で固体酸ィ匕物形燃料電池 (以下、本明細書では SOFCと略す。）は、電解質に高温でイオン導電性を持つ酸ィ匕物を用いるものである。 SOFCは、各種燃料電池の中で最も高温で運転されるものであり、その電池動作温度は 800°C〜1000°Cに達する。運転温度が高温であるため、 SOFCに用いられる装置の材質の選択は難しぐ通常、ほとんどの部分がセラミックスで作成される。

[0003] 図 1を用いて、従来の SOFCの燃料電池セル部分のシール方法を説明する。固体電解質 1と空気極 2と燃料極 3とからなる燃料電池セルは、燃料管 4にシール材 5を用いて固着されている。燃料電池は反応ガスである水素と酸素を外部より供給し、化学反応させることで起電力を得るものである。特に燃料ガスとして用いられる水素は分子量が小さぐ無色、無臭の可燃性ガスであるため、僅かな隙間からでも漏れやすいので、燃料電池セルと燃料管との間には高！、ガスバリア性を有するシール材が要求される。

[0004] ここで、 SOFCの動作温度が高温になることから、このシール材 5にはゴムゃシリコーン系のシール材等は用いることはできない。 SOFCでは、一般的にはセラミックスやガラス質等をシール材として用いて、燃料電池セルを燃料管に完全に固着している。

[0005] このように、 800°Cを超える高温領域でのシール技術は非常に重要な意味を持つており、様々なシール方法が開発されている。例えば特許文献 1、特許文献 2、特許文献 3では、シール部が SOFCの動作温度より高、融点を持つ超微粒子酸化物を主成分とするシール液剤を塗布して焼成することで得られる焼結体力ゝらなるシール材を用いたものを開示して、る。

[0006] また、ガラス質等を用いたシール方法としては、例えば特許文献 4では、珪酸ソーダガラスの組成比を制御して、固相線以上、液相線以下の固液共存範囲で固相がマトリックスを形成し、液層がシール材として機能する 2元系以上の酸ィ匕物カゝらなるシール材を開示している。また、特許文献 5では、セラミックス繊維で補強された金属箔を骨材とし、この骨材に珪酸ソーダガラスを保持させたシール材を開示している。特許文献 6では、セパレータを予め酸素雰囲気中で熱処理して表面に酸化物層を形成することにより、セパレータとガラス質のシール材の適合性を上げ、シール性を向上させている。特許文献 7、特許文献 8では、円筒形セルとフランジ間、及びフランジとガスシール板 (仕切板）間のシールにガラスを用いる固体電解質燃料電池を開示してヽる。

[0007] また、特許文献 9では、セパレータの上下面にそれぞれ凹部と突起部を備え、これらが嵌合するありほぞ継ぎ手構造とするとともに、セパレータと固体電解質の間に耐熱性金属のガスケットを挿入し互いに面接触させて気密性を確保する方法を開示している。

[0008] 特許文献 10では、固体電解質燃料電池において、接合しょうとする 2つの材料の成分をともに含んだ材料をシール材として用いるシール方法を開示して、る。上述の技術は、平板型の燃料電池を対象としているが、円筒型構造の燃料電池の場合、円筒形のセルとこれを保持する仕切板との間をシールする必要がある。

[0009] さらに、特許文献 11では、金属部材が貯留部に充填され境界部の一部又は全部に金属部材が充填されるシール性を有する複合体を開示している。

[0010] これらの従来技術はすべてシール材により燃料電池セルが燃料管等に完全に固着されるものであった。

[0011] 特許文献 1 :特開平 11 154525号公報

特許文献 2：特開平 10— 116624号公報

特許文献 3 :特開平 10— 12252号公報

特許文献 4:特開平 5— 325999号公報

特許文献 5：特開平 6 - 231784号公報特許文献 6：特開平 8— 7904号公報

特許文献 7：特開平 5 - 29010号公報

特許文献 8：特開平 5 - 29011号公報

特許文献 9：特開平 9 - 115530号公報

特許文献 10 :特開平 9 129251号公報

特許文献 11：特開 2002— 349714号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0012] し力しながら、従来のようなシール方法を用いた場合、燃料電池セルは完全に固着されてヽるため、燃料電池セル自体の点検やメンテナンスを行!、たくてもできなかつた。燃料電池セルを交換する場合には、燃料電池セルやその周辺のシール材を破壊するしかなぐその交換には手間とコストがかかるものであった。また、燃料電池セルがまだ再利用できるものであったとしても、取り出すには破壊するしかな力つたため再利用することもできな力つた。

[0013] 本発明は、斯かる実情に鑑み、安全で高いガスバリア性を有する一方、容易に燃料電池セルを取り外すことも可能な固体酸化物形燃料電池及びそのシール方法を提供しょうとするものである。

課題を解決するための手段

[0014] 上述した本発明の目的を達成するために、本発明による固体酸化物形燃料電池は、固体電解質と空気極と燃料極とからなる燃料電池セルと、空気極に接する空気領域と、燃料極に接する燃料領域と、燃料電池セルの部分の空気領域と燃料領域との間をシールするための不燃性ガスによるシール手段とを有するものである。

[0015] ここで、シール手段は、空気領域と燃料領域との間に設けられるシール領域と、該シール領域に不燃性ガスを供給する不燃性ガス供給口とを有するものであれば良ヽ

[0016] また、シール領域のガス圧は、空気領域及び燃料領域のガス圧よりも僅かに高くすれば良い。

[0017] また、シール手段は、空気領域と燃料領域との間に挟まれる燃料電池セルの端部をシールすれば良い。

[0018] なお、不燃性ガスは、窒素ガスを用いることが可能である。また、固体酸化物形燃料電池カゝら排出される排気ガスを用いても良！ヽ。

[0019] さらに、空気領域と燃料領域とその間に挟まれる燃料電池セルとからなる燃料電池ユニットを複数用いてスタック型とし、複数の燃料電池ユニットを分離して積層するための複数のセパレータを有する構成としても良い。

[0020] このとき、シール手段は、複数の燃料電池ユニットの間に挟まれるセパレータの端部もシールするようにしても良、。

[0021] なお、シール手段は、燃料電池セルに固着されていなければ良い。

[0022] さらに、シール手段の動作が異常となったときに機能するフェイルセーフ手段を有するようにしても良い。これは、複数の不燃性ガス供給手段力もなるものや、燃料領域への燃料供給を遮断する手段力なるものであれば良い。

[0023] また、本発明のシール方法は、空気領域と燃料領域との間をシールするための不燃性ガスをシール領域に供給しながら、燃料電池の燃料を供給するものである。発明の効果

[0024] 本発明の固体酸ィ匕物形燃料電池及びそのシール方法には、高いガスノリア性を有する一方、容易に燃料電池セルを取り外すことも可能という利点がある。したがつて、燃料電池セルの点検やメンテナンスが容易に行えるようになり、燃料電池セルを交換する場合にも安価に簡単に短時間で交換することが可能となる。

発明を実施するための最良の形態

[0025] 以下、本発明を実施するための最良の形態を図示例と共に説明する。図 2は、本発明の第 1実施例の SOFCの燃料電池セルのシール部分を説明するための模式的な断面図である。また、図 3は図 2の SOFCのシール部分の説明をするのに用いる一部断面の模式的な斜視図である。図中、図 1と同一の符号を付した部分は同一機能部分を表わしている。なお、以下の説明では平板型の燃料電池セルを図示例に挙げて説明するが、本発明はこれに限定されず、円筒型等の他の燃料電池セルの形式であっても適用可能である。

[0026] 図 2に示すように、固体電解質 1と空気極 2と燃料極 3とからなる燃料電池セルが、燃料管 4の支持部 40に置かれている。そして、燃料電池セルの上部にはセルカバー 6が載せられ、燃料電池セルを固定している。なお、セルカバー 6は燃料電池セルを完全に固定するようなものではなぐ錘として載せられているものである。さらに、燃料管 4の外側を覆うように、燃料管と同心円上で僅かな隙間をもってシール用ガス管 7 が設けられる。ここで燃料管 4には、シール用ガス管 7から不燃性ガスをシール領域 8 に供給するための不燃性ガス供給口 9が設けられている。なお、図示例では不燃性ガス供給口 9は 4箇所に設けられているものを示したが、本発明はこれに限定されず、シール領域 8に不燃性ガスが供給されれば、 1箇所であっても複数箇所であっても構わない。

[0027] SOFCにおいて、空気領域 10に燃料領域 11の燃料、例えば水素等が入り込むと、爆発の危険性があるため、本発明の SOFCでは、空気領域 10と燃料領域 11との間に挟まれる燃料電池セルの端部をシール領域 8でシールして、る。シール領域 8 には、不燃性ガス供給口 9を介してシール用ガス管 7から不燃性ガスを導入し、不燃性ガスが満たされる。この不燃性ガスにより、空気領域 10と燃料領域 11の間がシーノレされる。

[0028] ここで、導入される不燃性ガスは、例えば窒素ガスであり、空気領域 10や燃料領域 11のガス圧よりも僅かに高くなる状態で供給されることが好ましい。勿論完全に等しいガス圧であっても良いが、僅かに高いガス圧とすることで、空気領域 10の空気や燃料領域 11の燃料がシール領域 8に漏れ出ることを完全に防ぐことが可能である。なお、不燃性ガスのガス圧が高すぎる場合には、空気領域 10や燃料領域 11に漏れた不燃性ガスにより、燃料や空気を希釈してしまうことになるため、燃料や空気がシール領域 8に入り込まな、程度の僅かに高、ガス圧を保つように制御されることが好ましい。なお、まず不燃性ガスを供給し、その状態で燃料を供給するようにすれば、装置起動時でも、燃料が空気領域の方へ、又は空気が燃料領域の方へ流出する可能 '性はない。

[0029] また、不燃性ガスとして常に新しい窒素を用意するのではなぐ燃料電池から排出される排気ガスをシール用の不燃性ガスとして再利用することも可能である。例えば、燃料側の排気であるオフガスには水素も混入してヽるため、コジェネレーションとして空気を混ぜて燃焼させた熱を利用したりするが、このとき排出される排気ガスも不燃性ガスとして利用可能である。

[0030] ここで、通常、 SOFCにおいて、空気領域 10と燃料領域 11のガス圧は一致させて使用する。これは、燃料電池セルは lmm未満と薄い構造であり、熱応力に加えてガス圧の差による機械的応力を受けると燃料電池セルが割れてしまう可能性があるからである。したがって、シール用の不燃性ガスが一方の側のみに流出する可能性はない。但し、空気領域と燃料領域のガス圧の差が、燃料電池セルが応力に耐えられる程度の微小な差である場合には、ガス圧が高いほうに合わせて、それよりも僅かに高 V、ガス圧の不燃性ガスを供給する必要がある。

[0031] なお、図示例ではシール領域 8は、固体電解質 1と燃料管 4とセルカバー 6とに囲まれた部屋状の領域となっているが、本発明はこれに限定されず、部屋状の領域が無く密着した状態となっていても勿論構わない。即ち、この場合、密着している状態における僅かな隙間部分がシール領域となるわけである。また、本発明のシール方法は、完全に固着された状態で使うことは意図していないが、固着された状態であっても、漏れた場合の安全策等として本発明のシール方法を用いることも勿論可能である

[0032] このように、本発明のシール部分は、シール材として不燃性ガスを用いるガスシールであるため完全に固着する必要がない。また、ガスであるため、高温になっても問題なくシール機能を有するものである。ただし、不活性ガスの供給が何らかのトラブルで停止した場合には、簡単に燃料と空気が混合する危険性がある。したがって、これを防止するためのフェイルセーフ機能を設けることが好ま、。具体的なフェイルセーフ機能としては、例えばシール用ガス管への不燃性ガスの供給器を複数設けておき、一つが故障しても別の供給器により供給可能なようにしておくことが考えられる。さらに、異常を感知した場合に、即、燃料の供給を停止できるようにしても良い。このようなものに限らず、あらゆるフェイルセーフ機能を本願に適用することが可能である

[0033] 次に、本発明の第 2実施例の SOFCを説明する。図 4は、燃料電池セルを複数スタックした SOFCに、本発明のシール手段を適用した例を説明するための模式的な断面図である。図中、図 2と同一の符号を付した部分は同一機能部分を表わしている。空気領域 10と燃料電池セルと燃料領域 11とが 1ユニットとして燃料電池を構成し、これがセパレータ 15を介して積層されている。このようなスタック型の SOFCであっても、空気領域と燃料領域との間、即ち、燃料電池セルの端部を不活性ガスによりシールすることが可能である。さらに、セパレータ 15と燃料管 4又はセルカバー 6とは、完全に固着していても良いが、固着しない場合には、燃料電池セルの部分と同様に、セパレータの端部をシールするようにしても良い。この場合も燃料電池セルと同様に、セパレータ 15の端部にシール領域を設け、そこに不燃性ガスを供給するための不燃性ガス供給口を設ければ良!ヽ。

[0034] なお、本発明の固体酸ィ匕物形燃料電池及びそのシール方法は、上述の図示例にのみ限定されるものではなぐ本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。例えば、円筒型の燃料電池セルの場合では、これを保持する仕切り板との間に本発明のシール手段を設ければ良い。即ち、仕切り板内部に不燃性ガス供給口を設け、燃料電池セルと仕切り板の境界部分にシール領域を設ければ良い。さら〖こ、燃料電池セルがセラミックスシール材等で燃料管等に完全に固着されたものであっても、漏れ防止のフェイルセーフ手段として本願のシール手段を設けることも勿論可能である。

図面の簡単な説明

[0035] [図 1]図 1は、従来の一般的な SOFCの燃料電池セル部のシール方法を説明するための模式的な断面図である。

[図 2]図 2は、本発明の第 1実施例の SOFCの燃料電池セル部のシール方法を説明するための模式的な断面図である。

[図 3]図 3は、本発明の第 1実施例の SOFCの燃料電池セル部のシール方法を説明するための模式的な斜視図である。

[図 4]図 4は、本発明の第 2実施例の SOFCのスタック型の燃料電池セル部のシール方法を説明するための模式的な断面図である。

符号の説明

[0036] 1 固体電解質空気極

燃料極

燃料管

シール材セノレカノく一シーノレ用ガス管シール領域不燃性ガス供給口空気領域燃料領域セパレータ支持部

Claims

請求の範囲

[1] 燃料電池の動作温度が高温である固体酸ィ匕物形燃料電池であって、該燃料電池は、

固体電解質と空気極と燃料極とからなる燃料電池セルと、

前記空気極に接する空気領域と、

前記燃料極に接する燃料領域と、

前記燃料電池セルの部分の前記空気領域と燃料領域との間をシールするための不燃性ガスによるシール手段と、

を有することを特徴とする固体酸化物形燃料電池。

[2] 請求項 1に記載の固体酸化物形燃料電池にお!、て、前記シール手段は、前記空気領域と燃料領域との間に設けられるシール領域と、該シール領域に不燃性ガスを供給する不燃性ガス供給口とを有することを特徴とする固体酸化物形燃料電池。

[3] 請求項 2に記載の固体酸ィ匕物形燃料電池において、前記シール領域のガス圧は、前記空気領域及び燃料領域のガス圧よりも僅かに高いことを特徴とする固体酸化物形燃料電池。

[4] 請求項 1乃至請求項 3の何れかに記載の固体酸化物形燃料電池において、前記シール手段は、前記空気領域と燃料領域との間に挟まれる前記燃料電池セルの端部をシールすることを特徴とする固体酸化物形燃料電池。

[5] 請求項 1乃至請求項 4の何れかに記載の固体酸化物形燃料電池において、前記不燃性ガスは、窒素ガスであることを特徴とする固体酸化物形燃料電池。

[6] 請求項 1乃至請求項 5の何れかに記載の固体酸化物形燃料電池において、前記不燃性ガスは、前記固体酸ィ匕物形燃料電池カゝら排出される排気ガスであることを特徴とする固体酸化物形燃料電池。

[7] 請求項 1乃至請求項 6の何れかに記載の固体酸化物形燃料電池であって、前記空気領域と燃料領域とその間に挟まれる前記燃料電池セルとからなる燃料電池ュ-ットを複数有し、さらに、前記複数の燃料電池ユニットを分離して積層するための複数のセパレータを有することを特徴とする固体酸化物形燃料電池。

[8] 請求項 7に記載の固体酸化物形燃料電池にお!、て、前記シール手段は、前記複数の燃料電池ユニットの間に挟まれる前記セパレータの端部をシールすることを特徴とする固体酸化物形燃料電池。

請求項 1乃至請求項 8の何れかに記載の固体酸化物形燃料電池において、前記シール手段は、前記燃料電池セルに固着されていないことを特徴とする固体酸ィ匕物形燃料電池。

請求項 1乃至請求項 9の何れかに記載の固体酸ィヒ物形燃料電池であって、さらに、前記シール手段の動作が異常となったときに機能するフェイルセーフ手段を有することを特徴とする固体酸化物形燃料電池。

請求項 10に記載の固体酸ィ匕物形燃料電池において、前記フェイルセーフ手段は、複数の不燃性ガス供給手段からなることを特徴とする固体酸化物形燃料電池。請求項 10又は請求項 11に記載の固体酸化物形燃料電池にお!、て、前記フェイルセーフ手段は、前記燃料領域への燃料供給を遮断する手段カゝらなることを特徴とする固体酸化物形燃料電池。

固体電解質と空気極と燃料極とからなる燃料電池セルと、前記空気極に接する空気領域と、前記燃料極に接する燃料領域とを有する固体酸化物形燃料電池において、前記空気領域と燃料領域との間のシール領域をシールする方法であって、該方法は、

前記空気領域と燃料領域との間をシールするための不燃性ガスを前記シール領域に供給しながら、燃料電池の燃料を供給することを特徴とする固体酸化物形燃料電池のシール方法。

請求項 13に記載の固体酸ィ匕物形燃料電池のシール方法において、前記供給される不燃性ガスは、前記空気領域及び燃料領域のガス圧よりも僅かに高ヽガス圧で供給されることを特徴とする固体酸化物形燃料電池のシール方法。

請求項 13又は請求項 14に記載の固体酸ィ匕物形燃料電池のシール方法であって、さらに、前記不燃性ガスの供給に異常があった場合には、燃料電池への燃料の供給を停止することを特徴とする固体酸化物形燃料電池のシール方法。