JP2017107663A

JP2017107663A - 固体酸化物形燃料電池ユニット

Info

Publication number: JP2017107663A
Application number: JP2015238835A
Authority: JP
Inventors: 要司板垣; Yoji Itagaki; 陽介朝重; Yosuke Asashige; 智信中村; Tomonobu Nakamura; 公博水上; Kimihiro Mizukami
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2015-12-07
Filing date: 2015-12-07
Publication date: 2017-06-15

Abstract

【課題】還元処理や、発電時に生じる温度勾配等によって燃料電池スタックが変形しても、セルに応力がかかりにくく、クラック等の破損を抑制することができる固体酸化物形燃料電池ユニットを提供することを目的とする。【解決手段】複数の固体酸化物形燃料電池セルが積層される固体酸化物形燃料電池スタック１０と、固体酸化物形燃料電池スタック１０にガスを供給する配管１２と、複数のガスマニホールド１４と、ガスマニホールド１４と配管１２とを接続するベース１６とを備え、ベース１６は、各々のガスマニホールド１４および配管１２に対応して複数設けられている固体酸化物形燃料電池ユニット１００。【選択図】図２

Description

この発明は、固体酸化物形燃料電池ユニットに関する。

固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ：ＳｏｌｉｄＯｘｉｄｅＦｕｅｌＣｅｌｌ、固体電解質形燃料電池ともいう）は、燃料極（アノード）：Ｈ_２＋Ｏ^２−→Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻、空気極（カソード）：（１／２）Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｏ^２−の反応により、電気エネルギーを取り出す装置である。電気エネルギーを連続的に取り出すため、反応を連続的に行う必要があり、そのため、アノードガスとしての燃料ガス（例えばＨ_２）およびカソードに供給されるカソードガスとしての空気（Ｏ_２）等の酸化剤ガスを連続して供給する。固体酸化物形燃料電池においては、十分な電圧を得るために、複数の燃料電池セルが積層されている。それによって、燃料電池（燃料電池スタック）が構成されている。このように複数の燃料電池セルが積層されている燃料電池スタックにおいては、従来、ガスマニホールドに使用されるベースは広い面で接合する一体構造であり、かつ、全てのセルを固定する構造が主流であった（例えば、特許文献１参照）。

特開２００９−２３８６５１号公報

燃料電池スタックを一体構造のベースで固定すると、セルの変形によって発生する応力、あるいは、セルとガスマニホールドとの間の熱膨張率差によって発生する応力によって、セルまたはセルとガスマニホールドとを固定しているシール部において破損が生じるおそれがあるという問題があった。

本発明は上記問題点を解決するものであり、還元処理や、発電時に生じる温度勾配等によって燃料電池スタックが変形しても、セルに応力がかかりにくく、クラック等の破損を抑制することができる、固体酸化物形燃料電池ユニットを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の固体酸化物形燃料電池ユニットは、複数の固体酸化物形燃料電池セルが積層される固体酸化物形燃料電池スタックと、前記固体酸化物形燃料電池スタックにガスを供給する配管と、複数のガスマニホールドと、前記ガスマニホールドと前記配管とを接続するベースとを備え、前記ベースは、各々の前記ガスマニホールドおよび前記配管に対応して複数設けられていることを特徴とする。

本発明の固体酸化物形燃料電池ユニットのある特定の局面においては、前記固体酸化物形燃料電池ユニットにおいて、対向する位置の各々に前記ベースが配置されている。

本発明の固体酸化物形燃料電池ユニットにおいて、前記配管は、外径が４ｍｍ以上１３ｍｍ以下であり、長さが５ｃｍ以上５０ｃｍ以下であることが好ましい。

本発明の固体酸化物形燃料電池ユニットによれば、還元処理や、発電時に生じる温度勾配等によって燃料電池スタックが変形しても、セルに応力がかかりにくく、クラック等の破損を抑制することができる。

この発明の上述の目的，その他の目的，特徴および利点は、図面を参照して行う以下の実施例の詳細な説明から一層明らかとなろう。

図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池ユニットの一例の構成を示す斜視図である。図２は、前記燃料電池ユニットの断面を模式的に示した図である。図３は、図２に示す記燃料電池ユニットのベース部分を拡大して模式的に示した図である。図４は、本発明の他の実施形態に係る燃料電池ユニットの一例の構成を示す斜視図である。

以下、この発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。ただし、本発明は、以下の例に限定および制限されない。なお、以下で参照する図面は、模式的に記載されたものであり、図面に描画された物体の寸法の比率などは、現実の物体の寸法の比率などとは異なる場合がある。図面相互間においても、物体の寸法比率等が異なる場合がある。また、各実施形態は例示であり、異なる実施形態で示した構成の部分的な置換または組み合わせが可能であることは言うまでもない。第２の実施形態以降では、第１の実施形態と共通の事柄についての記述を省略し、異なる点についてのみ説明する。とくに、同様の構成による同様の作用効果については、実施形態毎には逐次言及しない。

図１は、本発明の実施形態に係る固体酸化物形燃料電池ユニット（以下、単に「燃料電池ユニット」と記載することがある）の一例の構成を示す斜視図である。図２は、この燃料電池ユニットの図１における一点鎖線の位置における断面を模式的に示した図である。また、図３は、図２に示す記燃料電池ユニットにおいて、二点鎖線で囲んだベース部分を拡大して模式的に示した図である。この実施形態の燃料電池ユニット１００は、固体酸化物形（ＳＯＦＣ形）の燃料電池ユニットであり、複数の平板型燃料電池セルがスタックされた固体酸化物形燃料電池スタック１０（以下、単に「燃料電池スタック」と記載することがある）、ガスを供給する配管１２、複数のガスマニホールド１４および、ガスマニホールド１４と配管１２とを接続する複数のベース１６を備えている。

固体酸化物形燃料電池スタック１０は、板状のバインド板１８ａ、１８ｂで上下から挟まれて固定されている。固体酸化物形燃料電池スタック１０とバインド板１８ａ、１８ｂとの間には、アダプタとして機能する板材２０ａ、２０ｂが挿入される。また、図面上は省略しているが、固体酸化物形燃料電池スタック１０には電極が設けられている。

従来の構成では、全てのガスマニホールドを、１つのベースを介して配管と接続するものが主流であった。しかし、燃料電池スタックには、還元処理や、発電による温度勾配によって変形が生じる。前記のような構成の場合、燃料電池スタックの変形が生じたとき、ガスマニホールドが全て固定されているために、燃料電池セルに応力がかかり燃料電池スタックにクラックが発生しやすい。一方、本実施形態の構成では、ベース１６は、１つのガスマニホールド１４とそれに対応する１つの配管１２とを接続するように、一体ではなく分割された状態で、複数設けられていることが特徴である。ベース１６は、個々の接続部に設けられているので、燃料電池スタック１０全体を拘束していない。拘束部の面積は従来の構成のものと比べて減少しており、前記接続部間の固定に起因するセル燃料電池セルへの応力も緩和される。拘束部の面積は、できるだけ小さいほうが応力緩和の点からは好ましい。

ベース１６は、ジルコニアカラー２２とフェライト系金属等からなる金属部２４とを含んでいる。ジルコニアカラー２２と金属部２４との接合部は、ガラス材を含むシール材２６でガスシールがされている。シール材２６は、例えば結晶化ガラスを主成分とし、７００℃近傍で軟化する。軟化したシール材２６は金属部２４およびジルコニアカラー２２の接合面に密着する。また、軟化したシール材２６は、９００℃近傍で結晶化する。金属部２４を構成する材料としては、特に限定されないが、燃料電池スタック１０および板材２０ａ、２０ｂを構成しているセラミック（例えば３ＹＳＺ）と熱膨張係数が近い金属を用いることが望ましい。このような材料としては、好ましくは、フェライト系ステンレス等のフェライト系金属を用いることができる。フェライト系ステンレスは耐熱性に優れている点も好ましい。また、フェライト系ステンレスの熱膨張係数は、ジルコニアの熱膨張係数と近いので、カラーをジルコニアとすることで、燃料電池スタック１０等の熱膨張係数と合わせることができる。もっとも、上記金属部２４を構成する材料は特に限定されず、他の金属を用いてもよい。

図３を参照して、バインド板１８ｂは、ジルコニアカラー２２とは接触しないように設けられている。このような構造とすることで、各部材間の熱膨張率差によって生じる応力を緩和することができる。

なお、本構造のベース１６では、ジルコニアを使用する部材（ジルコニアカラー２２）の形状はシンプルなものとすることができる。本実施形態に示すようなカラー形状であれば、押し出し成型等の方法で安価に作製することが可能である。

本実施形態の燃料電池ユニット１００では、各ベース１６は燃料電池スタック１０の上下等の対向する位置の各々に配置することができる。これによって、設計の自由度を向上させることができる。ベースが一体化された従来の構造では、ガスのＩＮとＯＵＴとが同じ側になっていた。ガスのＩＮとＯＵＴとが同じ側になっている場合、ガスはＩＮ側に近いセルに多く流れ、ＯＵＴ側に近いセルには流れにくくなる。これに対して、ベースを上下あるいは左右に分けて別々に配置可能な本実施形態では、ガスの流配が安定化するため好ましい。

本実施形態においては、配管１２の直径（外径）は４ｍｍ以上１３ｍｍ以下とすることが好ましい。また、配管１２の内径は３ｍｍ以上１２ｍｍ以下とすることが好ましい。配管１２の直径は細いほうが、形状に自由度を与えることができるため好ましい。一方で、配管に導入されるガスの圧力損失を低減させるという観点からは、配管１２の直径は、例えば、４ｍｍ以上８ｍｍ以下とすることが好ましい。また、配管は、長さが５ｃｍ以上５０ｃｍ以下であることが好ましく、１０ｃｍ以上３０ｃｍ以下であることがより好ましい。ここで、配管の長さとは、バインド板１８ａからバインド板１８ｂまでの長さを指す。このように細い配管を長く設けることによって、燃料電池スタックの変形による応力を、配管の弾性で緩和することができる。また、燃料電池スタックと金属との熱膨張率差に起因する応力も緩和することができる。燃料電池スタックは、還元時にアノード面に凸の方向に５０μｍ程度変形することあるが、前記のとおり、配管の直径や長さを調整することで、例えば、燃料電池スタックが５０μｍ程度変形してもクラックを発生させない程度の弾性を得ることが可能である。

図４は、本発明の他の実施形態に係る燃料電池ユニットの一例の構成を示す斜視図である。本実施形態は、ばねによるバンドを含めた固体酸化物形燃料電池ユニット２００であり、バインド板１８ａ、１８ｂで固体酸化物形燃料電池スタック１０を上下から挟み、バインド板１８ａ、１８ｂ間を、バインド板１８ａ上に設けたばね部材Ｓによって上下方向に締め付けて固定している。このような構造とすることで、燃料電池ユニットにおけるガスシール性をより確保しやすくなるという利点がある。

このように、本発明の燃料電池ユニットでは、還元処理や、発電時に生じる温度勾配等によって燃料電池スタックが変形しても、セルに応力がかかりにくく、クラック等の破損を抑制することができる。本発明によると、稼働安定性および信頼性に優れた固体酸化物形燃料電池ユニットを得ることができる。

１００、２００固体酸化物形燃料電池ユニット
１０固体酸化物形燃料電池スタック
１２配管
１４ガスマニホールド
１６ベース
１８ａ、１８ｂバインド板
２０ａ、２０ｂ板材
２２ジルコニアカラー
２４金属部
２６シール材
Ｓばね部材

Claims

複数の固体酸化物形燃料電池セルが積層される固体酸化物形燃料電池スタックと、
前記固体酸化物形燃料電池スタックにガスを供給する配管と、
複数のガスマニホールドと、
前記ガスマニホールドと前記配管とを接続するベースとを備え、
前記ベースは、各々の前記ガスマニホールドおよび前記配管に対応して複数設けられていることを特徴とする、固体酸化物形燃料電池ユニット。
前記固体酸化物形燃料電池ユニットにおいて、対向する位置の各々に前記ベースが配置されている、請求項１記載の固体酸化物形燃料電池ユニット。
前記配管は、外径が４ｍｍ以上１３ｍｍ以下であり、長さが５ｃｍ以上５０ｃｍ以下である、請求項１または２記載の固体酸化物形燃料電池ユニット。