JP5262241B2

JP5262241B2 - 固体酸化物形燃料電池

Info

Publication number: JP5262241B2
Application number: JP2008089626A
Authority: JP
Inventors: 勝哉平田; 浩之江藤; 直也村上; 剛原田
Original assignee: Kansai Electric Power Co Inc; Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Kansai Electric Power Co Inc; Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2008-03-31
Filing date: 2008-03-31
Publication date: 2013-08-14
Anticipated expiration: 2028-03-31
Also published as: JP2009245686A

Description

本発明は、断熱ハウジング内に燃料電池スタックを収容して構成した固体酸化物形燃料電池に関するものである。

近年、燃料の有する化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する燃料電池は、高効率でクリーンな発電装置として注目されている。特に、固体酸化物形燃料電池は、発電効率が高く、且つ、排熱を有効に利用できるなどの多くの利点を有することから、第三世代の発電用燃料電池として研究開発が進めらている。

この固体酸化物形燃料電池は、酸化物イオン導電体から成る固体電解質層を両側から酸化剤極層（カソード）と燃料極層（アノード）で挟み込んだ積層構造を有し、発電時には、反応用ガスとして酸化剤極層側に酸化剤ガス（酸素) が、また燃料極層側に燃料ガス (Ｈ_２、ＣＯ、ＣＨ_４等)が供給される。酸化剤極層と燃料極層は、反応用ガスが固体電解質層との界面に到達することができるよう、何れも多孔質の層とされている。

発電セル内において、酸化剤極層側に供給された酸素は、酸化剤極層内の気孔を通って固体電解質層との界面近傍に到達し、この部分で酸化剤極層から電子を受け取って酸化物イオン（Ｏ^２−）にイオン化される。この酸化物イオンは、燃料極層に向かって固体電解質層内を拡散移動する。燃料極層との界面近傍に到達した酸化物イオンは、この部分で、燃料ガスと反応して反応生成物（Ｈ_２Ｏ、ＣＯ_２等）を生じ、燃料極層に電子を放出する。電極反応で生じた電子は、別ルートの外部負荷にて起電力として取り出すことができる。

この種の固体酸化物形燃料電池の中に、運転時に、燃料電池スタックの内部に反応用ガスを供給して発電反応を生じさせると共に、発電反応に使用されなかった残余のガスを、発電セルの外周部より放出するシールレス構造のものがあり、シールレス構造の固体酸化物形燃料電池では、発電セルとセパレータを多数積層して構成した燃料電池スタックを、架台上に多数積み上げて、断熱ハウジング内に収容している（例えば、特許文献１参照）。

図３は特許文献１に記載されたシールレスタイプの固体酸化物形燃料電池の縦断面図である。図において、符号１は固体酸化物形燃料電池、符号２は断熱ハウジング、符号３は積層方向を縦にして断熱ハウジング２の内部に配設された燃料電池スタックである。

断熱ハウジング２は、ステンレス等の金属製の内部缶体２Ａと外部缶体２Ｂの間に断熱材１８を内装したもので、このハウジング２内に、複数（例えば、８基）の燃料電池スタック３が集合・配置されて、ステンレス等の金属製の架台４１に支持されることで、高出力型の燃料電池モジュールが構成されており、この燃料電池モジュール（固体酸化物形燃料電池１）が支持台４０の上に設置されている。

また、ハウジング２内の各燃料電池スタック３には、反応用ガスとして外部から供給される燃料ガスおよび酸化剤ガス（空気）を各燃料電池スタック３内に導入するための燃料ガス供給管１５と酸化剤ガス供給管１６が接続されている。なお、燃料ガス供給管１５は、ハウジング２内において、予熱用の燃料熱交換器３３や改質器３２等を介して各燃料電池スタック３に接続され、酸化剤ガス供給管１６は予熱用の酸化剤ガス熱交換器３４を介して各燃料スタック３に接続されている。

燃料電池スタック３は、図４に示すように、固体電解質層４の両面に燃料極層５および酸化剤極層６を配した発電セル７と、燃料極層５の外側の燃料極集電体８と、酸化剤極層６の外側の酸化剤極集電体９と、各集電体８、９の外側のセパレータ１０を順番に多数積層した構造を有する。

ここで、固体電解質層４はイットリアを添加した安定化ジルコニア（ＹＳＺ）等で構成され、燃料極層５はＮｉ等の金属あるいはＮｉ−ＹＳＺ等のサーメットで構成され、空気極層６はＬａＭｎＯ3、ＬａＣｏＯ3等で構成され、燃料極集電体８はＮｉ等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成され、空気極集電体９はＡｇ等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成され、セパレータ１０はステンレス等で構成されている。

セパレータ１０は、発電セル７間を電気的に接続すると共に、発電セル７に反応用ガスを供給する機能を有し、上記した燃料ガス供給管１５を通して供給される燃料ガスをセパレータ１０の外周面から導入してセパレータ１０の燃料極集電体８に対向するほぼ中央部から吐出する燃料ガス通路１１と、上記した酸化剤ガス供給管１６を通して供給される酸化剤ガスをセパレータ１０の外周面から導入してセパレータ１０の酸化剤極集電体９に対向する面のほぼ中央部から吐出する酸化剤ガス通路１２を備えている。

また、この固体酸化物形燃料電池１は、発電セル７の外周部にガス漏れ防止シールを設けないシールレス構造とされており、運転時には、図４に示すように、燃料ガス通路１１および酸化剤ガス通路１２を通してセパレータ１０の略中心部から発電セル７に向けて吐出される燃料ガスおよび酸化剤ガス（空気）を、発電セル７の外周方向に拡散させながら燃料極層５および酸化剤極層６の全面に良好な分布で行き渡らせて発電反応を生じさせると共に、発電反応で消費されなかった残余のガス（排ガス）を発電セル７の外周部から外に自由に放出するようになっている。
特開２００７−５１３３号公報

ところで、上述したような従来のシールレスタイプの燃料電池スタック３を有する固体酸化物形燃料電池１においては、燃料電池スタック３の構成部品や架台４１および内部缶体２Ａなどにステンレス等の金属材料を用いているので、燃料電池スタック３の周辺で未反応の燃料ガスが燃焼することにより発生した酸化スケールが、燃料電池スタック３の周辺に浮遊したり堆積したりすることがあった。燃料電池スタック３の周辺に酸化スケールが浮遊したり堆積したりすると、本来、絶縁がとられている部位の絶縁性能が劣化し、短絡や地絡を起こす可能性がある。

本発明は、上記事情を考慮し、酸化スケールによる影響を排除できるようにした固体酸化物形燃料電池を提供することを目的とする。

請求項１の発明の固体酸化物形燃料電池は、発電セルを多数積層して構成した燃料電池スタックを、金属製の架台に載せることで支持して、金属製の内壁を有する断熱ハウジング内に収納し、運転時に、前記燃料電池スタックの内部に反応用ガスを供給して発電反応を生じさせると共に、発電反応に使用されなかった残余のガスを、発電セルの外周部より放出するシールレス構造の固体酸化物形燃料電池において、前記断熱ハウジングの内壁のうち、少なくとも天井面と周囲側面を、銀メッキ処理またはカロライズ処理を施した酸化スケール飛散防止板で覆うと共に、前記架台に銀メッキ処理またはカロライズ処理を施したことを特徴としている。
請求項２の発明は、請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池であって、前記燃料電池スタックが、前記断熱ハウジング内に、高さ方向に複数、同一平面内に複数配設されていることを特徴としている。

請求項１の発明によれば、断熱ハウジングの内壁のうち少なくとも天井面と周囲側面を酸化スケール飛散防止板で覆ったので、断熱ハウジングの内壁から発生した酸化スケールを、燃料電池スタックの近傍へ飛散しないように規制することができる。また、燃料電池スタックを支持する架台に銀メッキ処理またはカロライズ処理を施したので、架台から酸化スケールが発生しないように規制することができる。従って、酸化スケールの燃料電池スタック周辺への浮遊や堆積を減らすことができ、酸化スケールが原因の短絡や地絡を防ぐことができる。

請求項２の発明によれば、断熱ハウジング内に、高さ方向に複数、同一平面内に複数配設されている場合にも、酸化スケールの燃料電池スタック周辺への浮遊や堆積を減らすことができ、酸化スケールが原因の短絡や地絡を防ぐことができる。

以下、本発明の実施形態を説明する。
図１は実施形態の固体酸化物形燃料電池の概略構成を示す側断面図、図２は断熱ハウジングを構成する内部缶体に酸化スケール飛散防止板を張り付ける部位を示すための概略斜視図である。

この固体酸化物形燃料電池１は、図３に示したものと燃料電池スタック３の段数が違うだけで、基本的な構成要素をほぼ同じくしたものであり、同等要素部分には同一符号を付して説明を省略する。

この固体酸化物形燃料電池１も、シールレスタイプの燃料電池スタック３を有するものであり、断熱ハウジング２内に、高さ方向および同一平面方向に複数の燃料電池スタック３を、ステンレス製の架台４１に支持を取りながら収容している。また、断熱ハウジング２は、ステンレス製の内部缶体２Ａを有するもので、その内部缶体２Ａの中に、架台４１や燃料電池スタック３、燃料ガス熱交換器３３、酸化剤ガス熱交換器３４等を収容している。これら熱交換器３３、３４を始めとして、金属製の部分である架台４１の表面には、銀メッキ処理やカロライズ処理が施されている。

カロライズ処理とは、アルミニウムを高温に加熱して素材表面に拡散させるものであり、カロライズ処理を施すことにより、ステンレス素材の中にアルミニウムが浸透し、表面がアルミニウム合金化する。

また、大面積を有する内部缶体２Ａの内面（内壁）には、カロライズ処理を後から施すのは難しいので、図２に示すように、内面のうちの、底面２Ａ−３を除く、少なくとも天井面２Ａ−１と周囲側面２Ａ−２を、銀メッキ処理またはカロライズ処理を施した酸化スケール飛散防止板５０で覆っている。

このように、断熱ハウジング２の内部缶体２Ａの内面のうち少なくとも天井面２Ａ−１と周囲側面２Ａ−２を酸化スケール飛散防止板５０で覆った場合、内部缶体２Ａの内面から発生した酸化スケールを、燃料電池スタック３の近傍へ飛散しないように規制することができる。また、燃料電池スタック３を支持する架台４１にも、銀メッキ処理またはカロライズ処理を施しているので、架台４１から酸化スケールが発生しないように規制することができる。従って、酸化スケールの燃料電池スタック３周辺への浮遊や堆積を大幅に減らすことができ、酸化スケールが原因の短絡や地絡を未然に防ぐことができ、安定した運転が可能になる。

本発明の実施形態の固体酸化物形燃料電池の概略構成を示す側断面図。断熱ハウジングを構成する内部缶体に酸化スケール飛散防止板を張り付ける部位を示すための概略斜視図。従来の固体酸化物形燃料電池の例を示す縦断面図。燃料電池スタックの要部構成図で、運転時のガスの流れを示す図。

符号の説明

１固体酸化物形燃料電池
２断熱ハウジング
２Ａ内部缶体（断熱ハウジングの内壁）
３燃料電池スタック
４１架台
５０酸化スケール飛散防止板

Claims

発電セルを多数積層して構成した燃料電池スタックを、金属製の架台に載せることで支持して、金属製の内壁を有する断熱ハウジング内に収納し、運転時に、前記燃料電池スタックの内部に反応用ガスを供給して発電反応を生じさせると共に、発電反応に使用されなかった残余のガスを、発電セルの外周部より放出するシールレス構造の固体酸化物形燃料電池において、
前記断熱ハウジングの内壁のうち、少なくとも天井面と周囲側面を、銀メッキ処理またはカロライズ処理を施した酸化スケール飛散防止板で覆うと共に、前記架台に銀メッキ処理またはカロライズ処理を施したことを特徴とする固体酸化物形燃料電池。
前記燃料電池スタックが、前記断熱ハウジング内に、高さ方向に複数、同一平面内に複数配設されていることを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池。