JPH06203858A - 固体電解質型燃料電池式発電炉 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 セルスタックが移動自在に貫通する空気室と
燃料ガス室との隔壁からのガスリークを防止できる固体
電解質型燃料電池式発電炉を提供する。 【構成】 空気室５と燃料ガス室６のうち低圧室側で、
セルスタック７に対して隔壁３が熱膨張により相対的に
移動する側のセルスタック７周りに、ペロブスカイト型
ランタン系複合酸化物から構成される圧粉体１６を冷間
時に隔壁３から所定距離Ｌだけ離して取り付ける。ま
た、隔壁３の少なくとも圧粉体１６に面する側３ａをペ
ロブスカイト型ランタン系複合酸化物にて構成する。発
電炉が約１０００℃の定常運転に入ると、隔壁３が圧粉
体１６に近ずくが、圧粉体１６と隔壁３間の隙間からガ
スリークが生じ温度が上昇すれば、焼結によって圧粉体
１６と隔壁３とがつながりこの隙間は塞がれる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は固体電解質を用いた燃
料電池式発電炉に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】固体電解質型燃料電池は、イットリア安
定化ジルコニア（ＹＳＺ）やカルシア安定化ジルコニア
（ＣＳＺ）などの固体電解質を挟んで、例えばペロブス
カイト型ランタン系複合酸化物からなる空気電極とニッ
ケルなどを主体とする燃料電極とを設け、この各電極に
臨ませて流される空気と燃料ガスとを固体電解質を介し
て電気化学的に反応させることにより起電力を得るもの
である。この種の燃料電池では、燃料ガス流路と空気流
路とを気密状態に分離する必要があるので、従来では、
例えば固体電解質を筒状に形成し、その内外面に前記各
電極を設けた筒状の単セルによって電力を得るようにし
たものが知られている。この場合、単セルで得られる電
力が少ないので、１または２以上の単セルを有する筒状
のセルスタックをケーシング内に複数配置し、これらを
電気的に直列や直並列に接続して電力を得るようにした
発電炉も多い。

【０００３】図５は１個の単セルを有するセルスタック
が内部に複数収納されている発電炉の断面図である。図
中１は発電炉の外面を形成する発電炉ケーシングであ
り、この発電炉ケーシング１にはその内部に空気仕切板
２と空気ガス仕切板３とが固着されており、発電炉ケー
シング１内はこれらによって上下方向に３つの部屋、す
なわち第１空気室４、第２空気室５および燃料ガス室６
に分けられている。そして第１空気室４には発電用の空
気を供給する空気供給孔４ａが設けられ、第２空気室５
には発電済みの空気を排出する空気排出孔５ａが設けら
れているとともに、燃料ガス室６には発電用の燃料ガス
を供給する燃料ガス供給孔６ａと発電に使用済みの燃料
ガスを排出する燃料ガス排出孔６ｂが設けられている。

【０００４】また、図中７は燃料ガス室６内に上下方向
に位置決めされているセルスタックであり、このセルス
タック７は円筒状の固体電解質の内面側に空気電極、外
面側に燃料電極を形成した円筒状の単セル８と、この単
セル８の上端側に形成されたこの単セル８とは絶縁され
ている案内部９とから構成されており、全体として上部
が開口し、下部が閉塞した形状をしている。このセルス
タック７はその下部の閉塞端側が発電炉ケーシング１の
燃料ガス室６を形成する底板１ａ上に支持され、その上
部の開口端側案内部９が空気ガス仕切板３を貫通して第
２空気室５側に臨んだ状態で位置決めされている。そし
て、このセルスタック７内には空気仕切板２を貫通して
下方に延びる空気導入管１０がその閉塞端近傍まで差し
込まれており、この空気導入管１０とセルスタック７と
の間に空気流路１１が形成されているとともに、このセ
ルスタック７の外周面近傍に燃料ガス流路１２が形成さ
れている。

【０００５】そして空気供給孔４ａから第１空気室４内
に供給された空気が空気導入管１０を介してセルスタッ
ク７内の空気流路１１に導入され、燃料ガス供給孔６ａ
から燃料ガス室６内に供給された燃料ガスがセルスタッ
ク７外方の燃料ガス流路１２に導入されると、単セル８
中の固体電解質を介して空気中の酸素ガスと燃料ガス中
の水素ガスとが電気化学的に反応して、この単セル８に
起電力を発生させ、複数のセルスタック７から所望の電
力が取り出される。そして、使用済みの空気は第２空気
室５に集められた後、その空気排出孔５ａを介して外部
に排出され、発電済みの燃料ガスは燃料ガス室６の燃料
ガス排出孔６ｂを介して外部に排出される。

【０００６】ここで、上記固体電解質を介した電気化学
的反応は約１０００℃の高温下で行われ、発電炉ケーシ
ング１やセルスタック７もこの温度まで加熱されるが、
この場合、セルスタック７は主としてペロブスカイト型
ランタン系複合酸化物やＹＳＺ等のセラミックスから構
成されているのに対し、発電炉ケーシング１は主として
Ｎｉ等の金属から構成されていて、互いの熱膨脹率が異
なるため、セルスタック７と発電炉ケーシング１とには
互いの熱膨脹量に差が生じる。このため、セルスタック
７の空気仕切板２の貫通部周りには充分な隙間１３が形
成され、発電炉のスタートアップ時等にセルスタック７
と発電炉ケーシング１とが自由に熱膨脹できるようにな
っている。

【０００７】またこの場合、このような発電炉において
は一般に空気側の圧力より燃料ガス側の圧力のほうが大
きいため、燃料ガス室６内の燃料ガスが前記隙間１３を
介して第２空気室５側に漏れ込み、燃料ガス中の水素ガ
スが第２空気室５内で燃焼し、この燃焼熱によってセル
スタック７の案内部９やその近傍の空気ガス仕切板３が
破壊されてしまうという不都合が生じる虞があった。

【０００８】そこで、従来では前記隙間１３に耐熱性の
グラスファイバー１４等を詰めることにより、この隙間
１３のシールが行われている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、セルス
タック７の空気ガス仕切板３の貫通部周りの隙間１３に
グラスファイバー１４を詰め、この隙間１３を塞いで
も、燃料ガス室６内の燃料ガスと第２空気室５内の空気
との圧力差が大きければ、グラスファイバー１４間の間
隙から燃料ガスが第２空気室５側に漏れてしまうという
不都合が生じる。また、セルスタック７と空気ガス仕切
板３間の隙間１３にセラミックスの接着剤を詰め込ん
で、この隙間１３を塞ぐことも考えられるが、この場
合、発電炉ケーシング１とセルスタック７との相互の熱
膨張を逃すという、この隙間１３の作用が失われて好ま
しくない。

【００１０】この発明は上記の事情に鑑みてなされたも
ので、このセルスタックが移動自在に貫通する空気室と
燃料ガス室との隔壁を介して、ガスリークが生じるのを
有効に防止できる固体電解質型燃料電池式発電炉を提供
することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】この発明の第１の発明
は、上記目的を達成するために、固体電解質を一対の電
極で挟み付けて形成される単セルを有し、その内外に空
気や燃料ガスが流されるセルスタックが、空気室と燃料
ガス室との隔壁を貫通し、該隔壁に対して移動自在に位
置決めされている固体電解質型燃料電池式発電炉におい
て、前記空気室と燃料ガス室のうち低圧室側で、前記セ
ルスタックに対して前記隔壁が熱膨張により相対的に移
動する側のセルスタック周りに、ペロブスカイト型ラン
タン系複合酸化物から構成される圧粉体を冷間時に前記
隔壁から所定距離離して取り付けるとともに、この隔壁
の少なくとも前記圧粉体に面する側をペロブスカイト型
ランタン系複合酸化物にて構成したことを特徴としてい
る。

【００１２】またこの発明の第２の発明は、固体電解質
を一対の電極で挟み付けて形成される単セルを有し、そ
の内外に空気や燃料ガスが流されるセルスタックが、空
気室と燃料ガス室との隔壁を貫通し、該隔壁に対して移
動自在に位置決めされている固体電解質型燃料電池式発
電炉において、前記隔壁を貫通するセルスタックの案内
部をペロブスカイト型ランタン系複合酸化物から構成す
るとともに、前記隔壁の空気室と燃料ガス室のうち低圧
室側の面に前記セルスタックの案内部を囲むように、ペ
ロブスカイト型ランタン系複合酸化物から構成される圧
粉体を取り付けていることを特徴としている。

【００１３】

【作用】この発明の第１の発明によれば、発電炉の運転
が開始され内部の温度が上昇してくると、空気室と燃料
ガス室との隔壁は発電炉ケーシング等の熱膨張によって
セルスタックに取り付けられた圧粉体の方へ移動してく
る。そして、冷間時の隔壁と圧粉体間の距離を熱膨張に
よる隔壁の移動量と等しくしておくと、約１０００℃の
定常運転時に圧粉体と隔壁とは接することとなる。そし
て、圧粉体自身の空隙や圧粉体と隔壁との隙間から空気
室と燃料ガス室のうち圧粉体のある低圧室側に空気また
は燃料ガスが漏れ出すと、そこで燃料ガスの燃焼が生じ
温度が上昇する。この場合圧粉体および隔壁の圧粉体に
面する側はともにペロブスカイト型ランタン系複合酸化
物から構成されるため、上記燃焼による温度上昇によっ
て圧粉体自身および圧粉体と隔壁間に焼結が生じ、これ
らの空隙や隙間は塞がれる。

【００１４】この発明の第２の発明によれば、圧粉体が
隔壁の空気室と燃料ガス室のうち低圧室側の面に、隔壁
を貫通するセルスタックの案内部を囲むように取り付け
られているため、発電炉の運転が開始され内部の温度が
上昇してくると、この圧粉体はセルスタックの熱膨張と
は無関係に発電炉ケーシング等の熱膨脹によって隔壁と
ともに移動する。そして、発電炉が約１０００℃の定常
運転に入り、圧粉体自身の空隙や圧粉体とセルスタック
の案内部との隙間から空気室と燃料ガス室のうち圧粉体
のある低圧室側に空気または燃料ガスが漏れ出すと、そ
こで燃料ガスの燃焼が生じ温度が上昇する。この場合、
圧粉体およびセルスタックの案内部はペロブスカイト型
ランタン系複合酸化物から構成されているため、圧粉体
周りの温度上昇によって圧粉体自身および圧粉体とセル
スタックの案内部間に焼結が生じ、これらの空隙や隙間
は塞がれる。

【００１５】

【実施例】つぎにこの発明の実施例を図１ないし図４を
参照して説明する。図１はこの発明の一実施例である固
体電解質型燃料電池式発電炉の断面図であり、この発電
炉の基本的構成は図５に示す発電炉と同一である。

【００１６】すなわち、この発電炉では、単セル８が形
成された複数のセルスタック７がその下部の閉塞端側を
主としてＮｉ等の金属から構成される発電炉ケーシング
１の底板１ａ上に支持させ、その上部の案内部９側を空
気ガス仕切板３に貫通させた状態で燃料ガス室６内に位
置決めされている。この場合、セルスタック７の空気ガ
ス仕切板３の貫通部周りには熱膨張逃し用の隙間１３が
形成されている。そして、その上端部側が空気仕切板２
を貫通して第１空気室４側に開口した空気導入管１０が
第２空気室５を通ってセルスタック７内に挿入され、こ
の空気導入管１０とセルスタック７間に空気流路１１が
形成されているとともに、燃料ガス室６内のセルスタッ
ク７の外周部近傍には燃料ガス流路１２が形成されてい
る。なお、第１空気室４には空気供給孔４ａ、第２空気
室５には空気排出孔５ａ、燃料ガス室６には燃料ガス供
給孔６ａおよび燃料ガス排出孔６ｂがそれぞれ設けられ
ている。

【００１７】図３はセルスタック７の単セル８の断面を
示しており、単セル８は例えばＹＳＺから構成される円
筒型の固体電解質８ａと、固体電解質８ａの内面側に形
成され、例えばペロブスカイト型ランタン系複合酸化物
から構成される円筒状の空気電極８ｂと、固体電解質８
ａの外面側に形成され、例えばＮｉ−ＺｒＯ₂ サーメッ
トから構成される円筒状の燃料電極８ｃと、空気電極８
ｂに導通して燃料電極８ｃ外方に突出し、例えばペロブ
スカイト型ランタン系複合酸化物から構成される上下に
細長いインタコネクタ８ｄとから構成されている。

【００１８】この場合、左右方向に隣接するセルスタッ
ク７の単セル８同士はそのインタコネクタ８ｄと空気電
極８ｂとが導電性フェルト１３を介して電気的に直列に
接続され、前後方向に隣接するセルスタック７の単セル
８同士はその燃料電極８ｃ同士が導電性フェルト１３を
介して電気的に並列に接続されていて、複数のセルスタ
ック７の単セル８は全体として直並列に接続された構成
となっている。

【００１９】さて、この実施例ではセルスタック７の第
２空気室５側に突出する案内部９周りに、空気ガス仕切
板３から冷間時に一定距離Ｌを置いた状態で、ペロブス
カイト型ランタン系複合酸化物の圧粉体から構成される
リング状のシール部材１６が隙間なく取り付けられてい
る。また、空気ガス仕切板３はその全体、または少なく
ともシール部材１６が配設されている面側３ａがペロブ
スカイト型ランタン系複合酸化物から構成されている。

【００２０】つぎに上記シール部材１６等の作用を説明
する。発電炉の運転中には、セルスタック７も、このセ
ルスタック７を有する燃料ガス室６を構成する発電炉ケ
ーシング１もほぼ同一温度となるが、主にセラミックス
から構成されるセルスタック７に対して、主としてＮｉ
等の金属から構成される発電炉ケーシング１はその熱膨
脹率が大きいため、この発電炉のスタートアップ時にお
いては、セルスタック７より発電炉ケーシング１の熱膨
脹量が大きく、セルスタック７に対して空気ガス仕切板
３は第２空気室５側に少しずつ移動することとなる。し
たがって、セルスタック７の案内部９に取り付けられた
シール部材１６の冷間時における空気ガス仕切板３から
の距離Ｌを、セルスタック７に対する空気ガス仕切板３
の移動量と同じ長さにだけとっておくと、発電炉が約１
０００℃の定常の運転状態になった場合、シール部材１
６と空気ガス仕切板３とは接することとなる。

【００２１】いっぽう、発電炉のスタートアップ時にお
いては、セルスタック７の空気ガス仕切板３貫通部周り
の隙間１３から燃料ガス室６内の燃料ガスが第２空気室
５側に漏れ込むが、発電炉内の温度がまだ低いため問題
は生じない。そして、発電炉内の温度が約１０００℃の
定常の運転状態に近ずいてくると、シール部材１６が空
気ガス仕切板３に接してくるので、燃料ガスの第２空気
室５側への漏れ量も減少してくるが、この場合でも、シ
ール部材１６と空気ガス仕切板３間の隙間から燃料ガス
の第２空気室５内への漏れ込みは生じる。この場合、燃
料ガスが第２空気室５側に漏れ込んで燃料ガス中の水素
ガスが燃焼すると、シール部材１６周りの温度が約１２
００℃程度まで上昇するため、図２で示されるように、
燃料ガスが漏れ込む部分のシール部材１６自身およびこ
れと空気ガス仕切板３とが焼結し、このシール部材１６
と空気ガス仕切板３ａとの隙間が塞がれるとともに、シ
ール部材１６自身の空隙も塞がれる。

【００２２】したがって、発電炉の定常運転時からわず
かの時間が経過すれば、シール部材１６と空気ガス仕切
板３との間の隙間は塞がれ、燃料ガス室６側への燃料ガ
スの漏れ込みは生じなくなる。またその後、シール部材
１６と空気ガス仕切板３間に隙間が生じ燃料ガスの漏れ
込みが生じても、この隙間はシール部材１６と空気ガス
仕切板３との焼結によって直ちに塞がれることとなる。
さらに、ペロブスカイト型ランタン系複合酸化物は高温
の酸化還元雰囲気において化学的に安定であるから、シ
ール部材１６が運転中劣化してそのシール性がなくなっ
てしまうこともない。

【００２３】なお、燃料ガス室６より第２空気室５のほ
うが圧力が高く、かつセルスタック７に対して発電炉ケ
ーシング１の方が熱膨張量が小さく、セルスタック７に
対して空気ガス仕切板３が燃料ガス室６側に相対的に移
動する場合は、上記シール部材１６を空気ガス仕切板３
から所定距離Ｌ離した状態で、燃料ガス室６側のセルス
タック７の案内部９に隙間なく取り付けるようにすれば
よい。

【００２４】図４はこの発明の他の実施例である固体電
解質型燃料電池式発電炉の断面図である。この発電炉で
は、図４の（ａ）で示されるように、ペロブスカイト型
ランタン系複合酸化物の圧粉体から構成されるリング状
のシール部材１７を、第２空気室５と燃料ガス室６との
低圧室（この場合は第２空気室５）側のセルスタック７
の案内部９周りの空気ガス仕切板３上に隙間なく取り付
け、かつセルスタック７の案内部９もペロブスカイト型
ランタン系複合酸化物から構成する。なお、シール部材
１７とセルスタック７の案内部９には、熱膨張時にセル
スタック７が移動できる程度にわずかな隙間が形成され
ているものとする。

【００２５】つぎにこのシール部材１７等の作用を説明
する。発電炉の運転が開始され、セルスタック７や発電
炉ケーシング１の温度が上昇すると、シール部材１７は
発電炉ケーシング１の熱膨張に伴って空気ガス仕切板３
とともに移動し、かつセルスタック７もシール部材１７
とは無関係に熱膨張する。そしてこの間、この発電炉で
はシール部材１７とセルスタック７の案内部９との隙間
およびシール部材１７自身の隙間を介して、燃料ガス室
６側から第２空気室５側に燃料ガスの漏れ込みが生じる
が、発電炉内の温度が１０００℃近傍に達すると、漏れ
込んだ燃料ガスの燃焼によってシール部材１７周りの温
度が約１２００℃程度まで上昇するため、図３の（ｂ）
で示されるように、燃料ガスが漏れ込む部分のシール部
材１７等が焼結し、このシール部材１７とセルスタック
７の案内部９との隙間が塞がれるとともに、シール部材
１７自身の空隙も塞がれ、燃料ガス室６側から第２空気
室５側への燃料ガスの漏れ込みは防止される。

【００２６】なお、第２空気室５側から燃料ガス室６側
に空気の漏れ込みが生じる場合は、シール部材１７を燃
料ガス室６内のセルスタック７の案内部９周りの空気ガ
ス仕切板３に隙間なく取り付ければよい。

【００２７】したがって、この実施例の場合、シール部
材１７を、セルスタック７に対する空気ガス仕切板３の
相対的移動方向とは無関係に、空気室５と燃料ガス室６
のうち低圧室側に置けばよく、前記実施例の場合よりも
適用できる発電炉の範囲が広くなる。また、冷間時から
このシール部材１７をセルスタック７の案内部９周りの
空気ガス仕切板３との隙間１４を塞ぐように位置決めで
きるので、その分スタートアップ時等のガス漏れを少な
くすることができる。

【００２８】

【発明の効果】以上の説明から明らかなようにこの発明
の第１の発明によれば、空気室と燃料ガス室のうち低圧
室側で、セルスタックに対して隔壁が熱膨張により相対
的に移動する側のセルスタック周りに、ペロブスカイト
型ランタン系複合酸化物から構成される圧粉体を冷間時
に隔壁から所定距離離して取り付けるとともに、この隔
壁の少なくとも圧粉体に面する側をペロブスカイト型ラ
ンタン系複合酸化物にて構成しているため、発電炉が約
１０００℃の定常運転に入った段階で、ガスリークにと
もなって圧粉体自身や圧粉体と隔壁間に焼結が生じ、圧
粉体自身の空隙や圧粉体と隔壁間の隙間が塞がれて、セ
ルスタックとセルスタックが貫通する隔壁間の隙間から
のガスリークは防止される。この場合、ペロブスカイト
型ランタン系複合酸化物は高温下の酸化還元雰囲気にお
いて化学的に充分安定であり、長期的に上記シール状態
を維持できる。

【００２９】またこの発明の第２の発明によれば、隔壁
を貫通するセルスタックの案内部をペロブスカイト型ラ
ンタン系複合酸化物で構成するとともに、隔壁の空気室
と燃料ガス室のうち低圧室側の面にセルスタックの案内
部を囲むように、ペロブスカイト型ランタン系複合酸化
物から構成される圧粉体を取り付けているので、発電炉
が約１０００℃の定常運転に入った段階で、ガスリーク
にともなって圧粉体自身や圧粉体とセルスタック間に焼
結が生じ、圧粉体自身の空隙や圧粉体とセルスタックの
案内部間の隙間が塞がれて、セルスタックとセルスタッ
クが貫通する隔壁間の隙間からのガスリークは防止され
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例である固体電解質型燃料電
池式発電炉の断面図である。

【図２】シール部材周りの作用説明図である。

【図３】単セル等の断面図である。

【図４】この発明の他の実施例である固体電解質型燃料
電池式発電炉のシール部材周りの作用説明図である。

【図５】従来の固体電解質型燃料電池式発電炉の断面図
である。

【符号の説明】

３…空気ガス仕切板（隔壁）、 ５…第２空気室（空気
室）、 ６…燃料ガス室、 ７…セルスタック、 ８…
単セル、 ８ａ…固体電解質、 ８ｂ…空気電極（電
極） ８ｃ…燃料電極（電極）、 ９…案内部、 １６
…シール部材（圧粉体）、 １７…シール部材（圧粉
体）。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 中島 武憲 東京都江東区木場一丁目５番１号 株式会 社フジクラ内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 固体電解質を一対の電極で挟み付けて形
   成される単セルを有し、その内外に空気や燃料ガスが流
   されるセルスタックが、空気室と燃料ガス室との隔壁を
   貫通し、該隔壁に対して移動自在に位置決めされている
   固体電解質型燃料電池式発電炉において、前記空気室と
   燃料ガス室のうち低圧室側で、前記セルスタックに対し
   て前記隔壁が熱膨張により相対的に移動する側のセルス
   タック周りに、ペロブスカイト型ランタン系複合酸化物
   から構成される圧粉体を冷間時に前記隔壁から所定距離
   離して取り付けるとともに、この隔壁の少なくとも前記
   圧粉体に面する側をペロブスカイト型ランタン系複合酸
   化物にて構成したことを特徴とする固体電解質型燃料電
   池式発電炉。
2. 【請求項２】 固体電解質を一対の電極で挟み付けて形
   成される単セルを有し、その内外に空気や燃料ガスが流
   されるセルスタックが、空気室と燃料ガス室との隔壁を
   貫通し、該隔壁に対して移動自在に位置決めされている
   固体電解質型燃料電池式発電炉において、前記隔壁を貫
   通するセルスタックの案内部をペロブスカイト型ランタ
   ン系複合酸化物から構成するとともに、前記隔壁の空気
   室と燃料ガス室のうち低圧室側の面に前記セルスタック
   の案内部を囲むように、ペロブスカイト型ランタン系複
   合酸化物から構成される圧粉体を取り付けていることを
   特徴とする固体電解質型燃料電池式発電炉。