JP2004119300A - 筒状固体酸化物形燃料電池発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】熱膨張差や熱サイクルに耐えうる信頼性の高い安全な筒状固体酸化物形燃料電池発電装置を提供する。
【解決手段】燃料電池容器１に収納された少なくとも空気極と電解質と燃料極を有する筒状両端開放の固体酸化物形燃料電池セル１３と、酸化剤供給孔４を有する下部隔壁８と、上部隔壁１４と、前記固体酸化物形燃料電池セル１３の下方端５が前記下部隔壁８に設けられた前記酸化剤供給孔４と気密に接合された接合部７とを有し、前記固体酸化物形燃料電池セル１３の上方端１７が前記上部隔壁１４を貫通し、前記燃料電池容器１と前記下部隔壁８および上部隔壁１４で囲まれた発電室１２に燃料ガスが供給され、前記酸化剤供給孔４から前記固体酸化物形燃料電池セル１３の内側に酸化剤ガスが供給され、発電を行う筒状固体酸化物形燃料電池発電装置において、前記接合部７周辺に伝熱遮蔽手段９を設けた筒状固体酸化物形燃料電池発電装置。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、筒状固体酸化物形燃料電池発電装置に関し、さらに詳しくは筒状両端開放の固体酸化物形燃料電池セルの接合構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、筒状固体酸化物形燃料電池発電装置において、酸化剤ガスを細長い導入管で燃料電池の内部まで供給が不要なものは、燃料電池セルの両端が開放端となっており、両端がそれぞれガスタイトなシールで分離する構造となっている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平５−１０１８４２号公報（３〜４頁、図６）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の構成では、固体酸化物形燃料電池の発電反応温度約１０００℃において、燃料電池セルの耐熱金属製モジュールケースとの熱膨張率の差や、燃料電池セルの上部隔壁と下部隔壁との熱膨張率の差により、ガスタイトなシール接合部に亀裂を生じたり、セラミック製の燃料電池セルが破損するという問題点があった。また、燃料電池発電装置の起動停止による熱サイクルによってガスタイトなシール接合部には繰り返し熱応力が加わるため、疲労による劣化の恐れも大きかった。
【０００５】
本発明は以上のような従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、その目的とするところは熱膨張率の差や熱サイクルに耐えうる信頼性の高い安全な筒状固体酸化物形燃料電池発電装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
以上のような課題を解決する請求項１の発明は、燃料電池容器に収納された少なくとも空気極と電解質と燃料極を有する筒状両端開放の固体酸化物形燃料電池セルと、酸化剤供給孔を有する下部隔壁と、上部隔壁と、前記固体酸化物形燃料電池セルの下方端が前記下部隔壁に設けられた前記酸化剤供給孔と気密に接合された接合部とを有し、前記固体酸化物形燃料電池セルの上方端が前記上部隔壁を貫通し、前記燃料電池容器と前記下部隔壁および前記上部隔壁で囲まれた発電室に燃料ガスが供給され、前記酸化剤供給孔から前記固体酸化物形燃料電池セルの内側に酸化剤ガスが供給され、発電を行う筒状固体酸化物形燃料電池発電装置において、前記接合部周辺に伝熱遮蔽手段を設けたことを特徴とするものである。伝熱遮蔽手段が設けられていることにより、固体酸化物形燃料電池セルと下部隔壁との接合部周辺温度を発電反応温度より低い温度に維持することができるため、前述の熱膨張率の差や熱サイクルによる接合部の亀裂や燃料電池セルの破損等が生じなくなり、さらに、下部隔壁を低い温度に維持できることにより、下部隔壁から外へ放出される熱量を少くし、発電室で発生する熱量の回収を多くでき、システムの他の熱源として使用できるため、熱効率が改善されてシステムの効率を向上できる。
【０００７】
請求項２の発明は、前記伝熱遮蔽手段が断熱材であることを特徴とするものである。これによって、容易に取付形状へ加工して固体酸化物形燃料電池セルと下部隔壁との接合部周辺に取付けて伝熱を遮蔽することができる。
【０００８】
請求項３の発明は、前記伝熱遮蔽手段が冷媒による熱交換器であることを特徴とするものである。これによって、固体酸化物形燃料電池セル下方端と下部隔壁との接合部周辺温度を自在に制御して伝熱を遮蔽することができる。
【０００９】
請求項４の発明は、前記伝熱遮蔽手段が燃料ガス改質触媒による改質器であることを特徴とするものである。これによって、天然ガス等の燃料ガスがＨ_２やＣＯ等に化学反応する時の吸熱反応で周囲の熱を奪って伝熱を遮蔽することができる。
【００１０】
請求項５の発明は、前記固体酸化物形燃料電池セルと前記上部隔壁との貫通部が、非気密構造であることを特徴とするものである。これによって、発電反応で約８００〜１０００℃の高温域である固体酸化物形燃料電池セルと上部隔壁との貫通部は、熱膨張差や熱サイクルによる熱歪みを緩和され、セラミック製の固体酸化物形燃料電池セルが破損、亀裂等で劣化することを防止できる。
【００１１】
請求項６の発明は、前記接合部における前記固体酸化物形燃料電池セル下方端の接合表面は、電解質であることを特徴とするものである。これによって、固体酸化物形燃料電池セル接合表面の通気性を有する部位を介して燃料ガスが酸化ガス側に漏洩すること防止できる。
【００１２】
請求項７の発明は、前記固体酸化物形燃料電池セルの下方端と前記下部隔壁の酸化剤供給孔との接合剤の熱膨張係数と、前記固体酸化物形燃料電池セルの熱膨張係数が略同一であることを特徴とするものである。これによって、固体酸化物形燃料電池セルと接合剤の熱膨張率の差や熱サイクルによる熱歪みを緩和し、接合部の接合剤が亀裂、剥離等で劣化することを防止でき、また、セラミック製の固体酸化物形燃料電池セルが破損、亀裂等で劣化することを防止できる。
【００１３】
請求項８の発明は、前記下部隔壁の熱膨張係数と、前記固体酸化物形燃料電池セルの熱膨張係数が略同一であることを特徴とするものである。これによって、固体酸化物形燃料電池セルと下部隔壁の熱膨張率の差や熱サイクルによる熱歪みを緩和し、セラミック製の固体酸化物形燃料電池セルが破損、亀裂、剥離等で劣化することを防止できる。
【００１４】
以下、本発明の実施例について図面を参照して具体的かつ詳細に説明する。
【実施例】
図１は、本発明の一実施例を示す筒状固体酸化物形燃料電池発電装置の概略図であり、酸化剤に空気を用いて以下の説明を行う。燃料電池容器１の中に、複数の筒状固体酸化物形燃料電池セル（以下燃料電池セルという）１３と、酸化剤供給孔４を有する下部隔壁８と、燃料電池セル１３の下方端５が接合剤６によって酸化剤供給孔４と気密に接合された接合部７と、断熱材９と、燃料ガスの分散機能を有する中間隔壁１１と、上部隔壁１４が収納されている。また、燃料電池セル１３は中間隔壁１１と上部隔壁１４とを貫通し、各貫通部は非気密構造を形成している。このとき、燃料電池容器１は、耐熱ステンレス鋼やインコネル等で形成することができ、中間隔壁１１と上部隔壁１４は、通気性を有するセラミック系耐熱ボードや通気孔を有する耐熱ステンレス鋼、インコネル等で形成することができる。
【００１５】
図２は、図１に示す燃料電池セル１３の概略図である。燃料電池セル１３は、空気極１９の外周上に電解質２０と燃料極２２を密着積層した両端開放の筒状セルであり、下方端５の接合表面２１を電解質２０で形成されている。空気極１９は、多孔質のＬａＣｏＯ_３、ＬａＭｎＯ_３、ＬａＦｅＯ_３等のペロブスカイト型酸化物でＳｒやＣａ等をＬａサイトにドープしたもの、あるいはドープしないもの、または、それらの複合材により形成されている。電解質２０は、ＹＳＺにより形成されている。燃料極２２は、多孔質のＮｉとＹＳＺのサーメットにより形成されている。
【００１６】
次に、このように構成された筒状固体酸化物形燃料電池発電装置の動作について説明をする。空気は、酸化剤供給管２と酸化剤供給室３および酸化剤供給孔４を介して燃料電池セル１３の内側に流れて空気極１９に供給され、また、燃料ガスは、燃料供給管１８と燃料分散室１０を介して燃料電池セル１３の外側に流れて燃料極２２に供給されると、電解質２０の両側で電気化学反応が起こり、電力と熱と水を発生する。この反応は水の電気化学反応の逆反応である。反応済みの排燃料ガスは上部隔壁１４の排出孔（図示しない）を介して燃焼室１５に排出される。一方反応済みの排空気は、燃料電池セル１３の上方端から燃焼室１５に排出される。燃焼室１５では排燃料に含まれる残留燃料と排空気に含まれる残留酸素が混合して燃焼し、燃焼ガスは排気ガスダクト１６を通じて排出される。固体酸化物形燃料電池の発電反応温度は約１０００℃であるため、発電室１２の温度も発電反応温度に近い温度になっているが、断熱材９によって発電室からの伝熱が遮蔽されるため、燃料電池セル１３の下方端５と酸化剤供給孔４の接合部７の温度は発電反応温度より低い温度に維持することができる。
【００１７】
この場合、断熱材９は、アルミナやムライト等の耐熱断熱材で形成し、燃料電池セル１３と下部隔壁８との接合部７の周辺温度を、発電反応温度より低い約３００〜７００℃の温度域に維持することが好ましい。これによって、燃料電池セル１３の下方端５と、接合剤６と下部隔壁８との熱膨張率の差や熱サイクルによる接合部７の亀裂や燃料電池セル１３の破損等が生じなくなり、また、下部隔壁８を低い温度に維持できることにより、断熱材９から下部隔壁８を通って外へ放出される熱量を少くし、発電室１２で発生する熱量の回収を多くでき、システムの他の熱源として使用できるため、熱効率が改善されてシステムの効率を向上できる。
【００１８】
燃料電池セル１３と、中間隔壁１１と上部隔壁１４の貫通部は、ムライトやアルミナ等のクッション性に優れた緩衝材で形成した非気密構造であることが好ましい。これによって、発電反応により約８００〜１０００℃の高温域である貫通部は、熱膨張差や熱サイクルによる熱歪みを緩和され、セラミック製の固体酸化物形燃料電池セルが破損、亀裂等で劣化することを防止できる。
【００１９】
燃料電池セル１３における下方端５の接合表面２１は、ＹＳＺ等の電解質２０で形成されることが好ましい。これによって、燃料電池セル１３における接合表面２１の通気性を有する部位を介して燃料ガスが酸化ガス側に漏洩すること防止することができる。
【００２０】
接合剤６の熱膨張係数が、約３００〜７００℃の温度域において燃料電池セル１３の熱膨張係数と略同一であることが好ましい。例えば、燃料電池セルの熱膨張係数が約１０．５×１０^−６（ｃｍ／ｃｍ・℃）に対し、接合剤の熱膨張係数が約７．５〜１３．５×１０^−６（ｃｍ／ｃｍ・℃）のカルシア、イットリア、スカンジア等でドープしたジルコニアを主原料としたジルコニア系等の接合剤で形成されていることによって、熱膨張率の差や熱サイクルによる熱歪みを緩和し、接合部の接合剤が亀裂、剥離等で劣化することを防止し、また、セラミック製の燃料電池セルが破損、亀裂等で劣化することを防止することができる。
【００２１】
酸化剤供給孔４を有する下部隔壁８の熱膨張係数が、約３００〜７００℃の温度域において燃料電池セル１３の熱膨張係数と略同一であることが好ましい。例えば、燃料電池セルの熱膨張係数が約１０．５×１０^−６（ｃｍ／ｃｍ・℃）に対し、酸化剤供給孔を有する下部隔壁の熱膨張係数が約７．５〜１３．５×１０^−６（ｃｍ／ｃｍ・℃）の気密性を有するフェライト系ステンレス鋼やセラミック等で形成されていることによって、燃料電池セルとの熱膨張率の差や熱サイクルによる熱歪みを緩和し、セラミック製の燃料電池セルが破損、亀裂、剥離等で劣化することを防止することができる。
【００２２】
図３は、本発明の一実施例に係わる接合部７の拡大図である。下部隔壁８に接合剤６を保持しやすく、かつ、空気を燃料電池セル１３の下方端５より内部へ流れやすくするため、筒状ガイドを有する酸化剤供給孔４が形成され、酸化剤供給孔４は燃料電池セル１３の接合表面２１と接合剤６で気密に接合される。また、断熱材９は下部隔壁８の上部に形成され、燃料電池セル１３と断熱材９の表面は熱歪みを緩和するため、ムライトやアルミナ等のクッション性に優れた緩衝材で形成されている。
【００２３】
図４、図５、図６は、本発明の一実施例に係わる燃料電池セル１３の下方端５と酸化剤供給孔４の取付例を示す概略図である。しかしながら、これらは一例であり、限定されるものではない。図４は、燃料電池セル１３における下方端５の下部と酸化剤供給孔４が接合剤６で気密に接合されている。図５は、燃料電池セル１３における下方端５の外周面と酸化剤供給孔４が接合剤６で気密に接合されている。図６は、燃料電池セル１３における下方端５の下部および外周面と酸化剤供給孔４が接合剤６で気密に接合されている。このとき、燃料電池セル１３の荷重や熱歪み等に耐えうる構造とするため、接合表面２１の表面積を十分確保することが好ましい。
【００２４】
図７、図８は、本発明の一実施例に係わる酸化剤供給孔４の形状例を示す概略図である。しかしながら、これらは一例であり、限定されるものではない。図７は、酸化剤供給孔４が上方へ筒状に形成され、各酸化剤供給孔４が下部隔壁８の上部全面に接合剤塗布部２４を形成でき、各酸化剤供給孔４の接合剤６が隔離されていない形状である。図８は、酸化剤供給孔４が上方へ筒状に形成され、各酸化剤供給孔４が下部隔壁８の各々で接合剤塗布部２４を形成でき、各酸化剤供給孔４の接合剤６が隔離されている形状である。このとき、酸化剤供給孔４は、燃料電池セル１３の内部へ効率良く空気を供給するため、上方に空気のガイドを形成し、燃料電池セル１３との接合作業を効率的にするため、接合剤６を保持できる構造にすることが好ましい。
【００２５】
図９は、本発明の他の実施例を示す筒状固体酸化物形燃料電池発電装置の概略図であり、伝熱遮蔽手段として、冷媒による熱交換器を採用した例である。下部隔壁８と中間隔壁１１の間に、冷媒供給配管２５と冷媒排出配管２７を有するバッファ室２６が配置される熱交換器であり、冷媒によりバッファ室２６で熱交換が行われ、接合部７の周辺温度を強制冷却で発電室１２の伝熱を軽減する構造としている。冷媒としては、空気や燃料ガス等を用いることができる。また、図示しないが、他の伝熱遮蔽手段として、下部隔壁８と中間隔壁１１の間に、燃料ガス改質触媒を配置する改質器で、燃料改質時の吸熱反応による冷却効果で発電室１２の伝熱を軽減する構造もある。燃料ガス改質触媒としては、ニッケル、ルテニウム、ロジウム等を用いることができる。
【００２６】
なお、前述の実施例にかかわらず、燃料ガスが燃料電池セル１３の内側を流れ、酸化剤ガスが燃料電池セル１２の外側を流れるように構成しても良い。さらに、燃料電池セル１３を上下逆に設置したり、水平に設置することも可能である。
【００２７】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の筒状固体酸化物形燃料電池発電装置によれば、固体酸化物形燃料電池セルと下部隔壁との接合部の温度を、発電反応温度より低い温度に維持することができるため、熱膨張差による接合部の亀裂を生じさせることがなくなる。さらに熱膨張差や熱サイクルに耐えうる信頼性の高い安全な筒状固体酸化物形燃料電池発電装置を実現することができるため、安定した高効率な発電を行うことができる。
【００２８】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示す筒状固体酸化物形燃料電池発電装置の概略図である。
【図２】筒状固体酸化物形燃料電池セルの一例を示す概略図である。
【図３】本発明の一実施例に係る接合部の拡大図である。
【図４】本発明の一実施例に係わる燃料電池セルと酸化剤供給孔の接合例を示す概略図である。
【図５】本発明の一実施例に係わる燃料電池セルと酸化剤供給孔の接合例を示す概略図である。
【図６】本発明の一実施例に係わる燃料電池セルと酸化剤供給孔の接合例を示す概略図である。
【図７】本発明の一実施例に係わる酸化剤供給孔の形状例を示す概略図である。
【図８】本発明の一実施例に係わる酸化剤供給孔の形状例を示す概略図である。
【図９】本発明の他の実施例を示す筒状固体酸化物形燃料電池発電装置の概略図である。
【符号の説明】
１　燃料電池容器
２　酸化剤供給管
３　酸化剤供給室
４　酸化剤供給孔
５　下方端
６　接合剤
７　接合部
８　下部隔壁
９　断熱材
１０　燃料分散室
１１　中間隔壁
１２　発電室
１３　筒状固体酸化物形燃料電池セル
１４　上部隔壁
１５　燃焼室
１６　排気ガスダクト
１７　上方端
１８　燃料供給管
１９　空気極
２０　電解質
２１　接合表面
２２　燃料極
２３　クッション性断熱材
２４　接合剤塗布部
２５　冷媒供給配管
２６　バッファ室
２７　冷媒排出配管

Claims (8)

1. 燃料電池容器に収納された少なくとも空気極と電解質と燃料極を有する筒状両端開放の固体酸化物形燃料電池セルと、酸化剤供給孔を有する下部隔壁と、上部隔壁と、前記固体酸化物形燃料電池セルの下方端が前記下部隔壁に設けられた前記酸化剤供給孔と気密に接合された接合部とを有し、前記固体酸化物形燃料電池セルの上方端が前記上部隔壁を貫通し、前記燃料電池容器と前記下部隔壁および上部隔壁で囲まれた発電室に燃料ガスが供給され、前記酸化剤供給孔から前記固体酸化物形燃料電池セルの内側に酸化剤ガスが供給され、発電を行う筒状固体酸化物形燃料電池発電装置において、前記接合部周辺に伝熱遮蔽手段を設けたことを特徴とする筒状固体酸化物形燃料電池発電装置。
2. 前記伝熱遮蔽手段が断熱材であることを特徴とする請求項１に記載の筒状固体酸化物形燃料電池発電装置。
3. 前記伝熱遮蔽手段が冷媒による熱交換器であることを特徴とする請求項１に記載の筒状固体酸化物形燃料電池発電装置。
4. 前記伝熱遮蔽手段が燃料ガス改質触媒による改質器であることを特徴とする請求項１に記載の筒状固体酸化物形燃料電池発電装置。
5. 前記固体酸化物形燃料電池セルと前記上部隔壁との貫通部が、非気密構造であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の筒状固体酸化物形燃料電池発電装置。
6. 前記接合部における前記固体酸化物形燃料電池セル下方端の接合表面は、電解質であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の筒状固体酸化物形燃料電池発電装置。
7. 前記固体酸化物形燃料電池セル下方端と前記下部隔壁の酸化剤供給孔との接合剤の熱膨張係数と、前記固体酸化物形燃料電池セルの熱膨張係数が略同一であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の筒状固体酸化物形燃料電池発電装置。
8. 前記下部隔壁の熱膨張係数と、前記固体酸化物形燃料電池セルの熱膨張係数が略同一であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の筒状固体酸化物形燃料電池発電装置。

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