(57)【要約】【課題】小型で安定した発電出力と設置安定性の高い平板型固体酸化物形燃料電池モジュールおよびその動作方法を提供する。【解決手段】発電時において、セルスタック４は荷重機構を備えないモジュール容器２５に収納され、連結機構２２が荷重機構を兼用する。連結機構２２の連結部材２１は、熱膨張係数がセルスタック４の熱膨張係数より大きく、一端が金属板５に固定され、他端側が金属板６に形成した係止孔に挿入され、還元作用時に加えられた荷重によって塑性変形して係止部を形成し係止孔に係止される。発電時における発電温度は、還元時の温度よりも低いため、連結部材２１は還元時の温度差と、セルスタック４との熱膨張係数差とに応じた長さだけ収縮する方向の応力により金属板５を押圧し、これにより連結機構２２がセルスタック４に対して荷重機構として機能する。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
平板型固体酸化物形燃料電池を用いたセルスタックと、
前記セルスタックの上下両面を挟持する２枚の金属板およびこれらの金属板を互いに連紺する連結部材とからなる連結機構と、
を備え、
前記連結部材は、熱膨張係数が前記セルスタックの熱膨張係数より大きく、一端が前記２枚の金属板のうちのいずれか一方に固定され、他端側が前記２枚の金属板の他方に形成した係止孔に挿入され、還元作用時に加えられた荷重による塑性変形によって形成された係止部により前記係止孔に係止されている平板型固体酸化物形燃料電池モジュール。
【請求項２】
請求項１記載の平板型固体酸化物形燃料電池モジュールにおいて、
他方の金属板に形成された係止孔は、先端部が開口端縁よりも広く形成されている平板型固体酸化物形燃料電池モジュール。
【請求項３】
請求項１または２記載の平板型固体酸化物形燃料電池モジュールにおいて、
連結部材の他端部が中空に形成されている平板型固体酸化物形燃料電池モジュール。
【請求項４】
請求項１、２、３のうちのいずれか一項記載の平板型固体酸化物形燃料電池モジュールにおいて、
連結機構は、発電時においてセルスタックに対して荷重機構として機能する平板型固体酸化物形燃料電池モジュール。
【請求項５】
平板型固体酸化物形燃料電池を用いたセルスタックと、
前記セルスタックの上下両面を挟持する２枚の金属板と、熱膨張係数が前記セルスタックの熱膨張係数より大きく、一端が前記２枚の金属板のうちのいずれか一方に固定され、他端側が前記２枚の金属板の他方に形成した係止孔に挿入され、前記２枚の金属板を互いに連結する連結部材とからなる連結機構と、
を有する平板型固体酸化物形燃料電池モジュールの動作方法であって、
発電温度より高い温度で、前記セルスタックに荷重を掛けながら還元作用を行い、前記連結部材の他端部を塑性変形によって形成した係止部により前記係止孔に係止させる第１の工程と、
前記連結機構によってのみ前記セルスタックに荷重を掛けながら前記発電温度で発電する第２の工程と、
を備えた平板型固体酸化物形燃料電池モジュールの動作方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、平板型の固体酸化物からなる電解質層を備えた平板型固体酸化物形燃料電池モジュールおよびその動作方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
平板型固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ:Solid Oxide Fuel Cell、以下、平板型ＳＯＦＣともいう）は、他の燃料電池に比べて発電効率が高く、また作動温度が高い（７００〜１０００℃）ため高温の熱を利用することができるという利点を有している（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
図９に従来の平板型ＳＯＦＣを示す。１は平板型固体酸化物形燃料電池を１つ内包する発電ユニット、４は発電ユニット１を複数、例えば８つ積層して電気的に直列に接続することにより形成された平板型ＳＯＦＣスタック（以下、セルスタックという）、５、６はセルスタック４の上下面を挟持する金属板、７はセルスタック４を収納するスタック容器、８はセルスタック４を加圧、シールする荷重機構で、これらによって平板型ＳＯＦＣモジュール１０を構成し、セルスタック４に燃料ガスと酸化剤ガスを供給することにより発電を行なうようにしている。
【０００４】
荷重機構８は、スタック容器７の上面を貫通して設けられたスタック荷重棒１１と、このスタック荷重棒１１を上側の金属板５に押し付ける荷重装置１２とで構成され、これにより各単セル間の密着度を高め（常温では隙間だらけ）、接続部分での電力の伝達損失を少なくしている。
【０００５】
このような平板型ＳＯＦＣモジュール１０は、定常運転を想定する温度（８００〜１０００℃）に昇温した後に、アノードの還元を行ってから発電を開始する。一度、還元した単セルは、アノード側を還元雰囲気に保ち続ければ、再度酸化されることはない。すなわち、還元作業が必要なのは、最初に昇温した時のみである。アノードを還元すると、アノードの厚さが減少して単セルが薄くなる。このため、初期の還元で、発電部分であるセルスタックの高さは、セル自体の痩せ、柔らかい集電部材の潰れ、シール材（ガラス）の溶融等により低くなる。荷重機構８は、荷重装置１２のスタック荷重棒１１を押す力を一定にしておけば、セルスタック４の高さが変化しても、一定の荷重をセルスタック４に掛けることができる。
【０００６】
他の荷重機構としてセラミックばねや重りを用いた方法も知られている。しかし、セラミックばねを用いた場合は、セルスタック４の高さが低くなると、これに掛かる荷重が小さくなり発電効率が低下してしまう。
【０００７】
重りによってセルスタック４に荷重を掛ける場合は、常に一定の荷重を掛けることができるが、セルスタック４を乗せる台の強度で掛けられる荷重は制限されてしまう。セルスタック４を設置する空間をあまりに広くすると放熱ロスが大きくなりすぎてしまうということを考えると、重りで荷重をかける場合は、３０ｋｇｆ程度が限度である。また、重りを使う場合には、重りの分だけ平板型ＳＯＦＣモジュールの重量が増大するという問題が生じる。
【０００８】
これに対し、前述した荷重機構８を用いた場合は、荷重装置１２として油圧ポンプなどを用いることにより、１００ｋｇｆ以上の荷重を容易に掛けることが可能である。
【０００９】
以上のように、スタック荷重棒１１と荷重装置１２を用いた荷重機構８は、初期還元によりセルスタック４の高さが低くなっても一定の荷重を掛けることができ、また大きな荷重を掛けることができるという点で優れている。
【００１０】
【特許文献１】特開２００６−３３９０３５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、スタック荷重棒１１と荷重装置１２を用いた荷重機構８には以下に記載するような課題があった。すなわち、スタック容器７にスタック荷重棒１１が摺動自在に貫通する穴を設ける必要があり、このような穴を設けると容器内部の気密性および断熱性が低下するため、平板型ＳＯＦＣモジュール１０の出力特性も低下してしまう。また、荷重装置１２を停止させると荷重が掛からなくなってしまうため、一度昇温し還元したセルスタック４を取り出して別の容器に入れ替えたり、輸送したりすることが困難である。
【００１２】
そこで、本発明者等は、荷重について鋭意検討した結果、セルスタックの上下面を挾む２枚の金属板と、これら金属板を連結する連結部材とからなる連結機構を設け、還元作用時においては従来の荷重機構８によって荷重を掛け、それ以降は従来の荷重機構８を取り除いて前記連結機構によって荷重を掛ける、すなわち連結機構に荷重機構を兼用させることにより、発電時には荷重機構８を備えない別のスタック容器に移して運転することができ、良好な発電出力が得られることを見出した。
【００１３】
本発明は、上記した従来の課題と知見に基づいてなされたもので、その目的とするところは、小型で安定した発電出力と設置安定性の高い平板型固体酸化物形燃料電池モジュールおよびその動作方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記目的を達成するために本発明に係る平板型固体酸化物形燃料電池モジュールは、平板型固体酸化物形燃料電池を用いたセルスタックと、前記セルスタックの上下両面を挟持する２枚の金属板およびこれらの金属板を互いに連紺する連結部材とからなる連結機構とを備え、前記連結部材は、熱膨張係数が前記セルスタックの熱膨張係数より大きく、一端が前記２枚の金属板のうちのいずれか一方に固定され、他端側が前記２枚の金属板の他方に形成した係止孔に挿入され、還元作用時に加えられた荷重による塑性変形によって形成された係止部により前記係止孔に係止されているものである。
【００１５】
また、本発明は、上記発明において、他方の金属板に形成された係止孔は、先端部が開口端縁よりも広く形成されているものである。
【００１６】
また、本発明は、上記発明において、前記連結部材の他端部が中空に形成されているものである。
【００１７】
また、本発明は、上記発明において、連結機構が発電時においてセルスタックに対して荷重機構として機能するものである。
【００１８】
さらに、本発明に係る平板型固体酸化物形燃料電池モジュールの動作方法は、平板型固体酸化物形燃料電池を用いたセルスタックと、前記セルスタックの上下両面を挟持する２枚の金属板と、熱膨張係数が前記セルスタックの熱膨張係数より大きく、一端が前記２枚の金属板のうちのいずれか一方に固定され、他端側が前記２枚の金属板の他方に形成した係止孔に挿入され、前記２枚の金属板を互いに連結する連結部材とからなる連結機構とを有する平板型固体酸化物形燃料電池モジュールの動作方法であって、発電温度より高い温度で、前記セルスタックに荷重を掛けながら還元作用を行い、前記連結部材の他端部を塑性変形によって形成した係止部により前記係止孔に係止させる第１の工程と、前記連結機構によってのみ前記セルスタックに荷重を掛けながら前記発電温度で発電する第２の工程とを備えているものである。
【発明の効果】
【００１９】
本発明において、還元作用時に荷重機構によって連結部材に荷重を掛けると、連結部材の他端部が塑性変形して金属板の係止孔に係止される。また、発電温度より高い温度で還元し、その後、発電温度まで下げて発電を行うため、連結部材は、セルスタックよりも収縮して短くなり熱応力が生じる。これにより２枚の金属板で金属板間にあるセルスタックを押圧する。すなわち、金属板と連結部材とからなる連結機構は、還元作用後、還元作用時の温度と発電時の温度差および熱膨張係数の差によりセルスタックに対して荷重機構として機能し、従来の荷重機構を不要にする。このため、還元作用後は、荷重機構を備えたモジュール容器からモジュールを取り出して荷重機構を備えないモジュール容器内に燃料電池を収納することにより、発電性能を向上させることができる。すなわち、荷重機構を備えなければ、セルスタックに荷重を掛けるためのスタック荷重棒を通す穴が減るため、容器の断熱性や気密性が高くなり、発電性能を向上させる。また、従来の荷重機構が不要となるので、軽量小型化と低重心化により設置安定性の向上を図ることができ、しかも容易に移動、輸送することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明を図面に示す実施の形態に基づいて詳細に説明する。
図１は本発明に係る平板型固体酸化物形燃料電池モジュールの一実施の形態を示す還元時の概略構成図、図２（ａ）は連結部材の端部を金属板の係止孔に挿入した直後の状態を示す要部の断面図、（ｂ）は連結部材の端部が塑性変形した状態を示す断面図、図３は定格の発電時の状態を示す概略構成図、図４は連結部材の端部の状態を示す断面図、図５は発電ユニットの分解斜視図、図６は燃料極支持型の単セルの側面図、図７は初期還元から初期通電までは一定の荷重が必要であることを示す図、図８は初期通電以降セルスタックヘの荷重を制御する必要がないことを示す図である。なお、図９に示した部材、部品等と同一のものについては同一符号をもって示し、その説明を適宜省略する。
【００２１】
まず、本発明の原理を説明する。
本発明は、以下に示す一連の実験結果から知見した事実に基づいている。
図７は、図９に示す従来の平板型ＳＯＦＣモジュール１０において、初期還元時にスタック荷重棒１１と荷重装置１２を用いた荷重機構８によりセルスタック４に１２０ｋｇｆの荷重を掛けた場合と、荷重装置１２を停止させて荷重を掛けなかった場合の電流密度−電圧特性を示す図である。ここで、発電ユニット１の積層数は１である。
【００２２】
図７から明らかなように、初期還元時から初期通電において発電部分に掛かる荷重は、出力特性に影響を及ぼす。すなわち、初期還元から初期通電において発電部分には、発電特性を引き出すのに十分なだけの荷重を、その大きさを制御しながら掛ける必要がある。
【００２３】
図８は、１２０ｋｇｆの荷重を掛けながら初期還元から初期通電まで行った後に、荷重を低下させた場合の電圧の変化を示す。ここで、発電ユニット１の積層数は１である。荷重は荷重装置１２においてスタック荷重棒１１を押す力を変化させることによって変化させた。また、荷重を変化させる際は、電流密度（０．２８Ａｃｍ-2）を一定とした。
【００２４】
図８から明らかなように、初期通電を行った後であれば、発電特性は荷重による影響を受けない。つまり、初期還元から初期通電まで一定の荷重を掛けていれば、その後は荷重を制御する必要がないといえる。ただし、発電中に外部から振動が加わった場合に備え、その後の発電中も荷重を掛け続けることが望ましい。また、昇降温時には様々な部材が熱膨張で変形し、部材の位置がずれるような力が掛かるので、昇降温時にも荷重を掛け続けることが望ましい。そして、室温において設置場所を移動する際にも、振動に備えて荷重を掛け続けることが望ましい。
【００２５】
以上の事項をまとめると、
(1) 初期還元から初期通電までは、発電特性を引き出すのに十分なだけの荷重を、その大きさを制御しながら、発電部分に掛け続ける必要がある。
(2) 初期通電後も発電部分に荷重を掛け続けることが望ましいが、その大きさを制御する必要はない。
【００２６】
以下、本発明に係る平板型固体酸化物形燃料電池モジュールについて詳細に説明する。
図１において、本発明に係る平板型ＳＯＦＣモジュール２０は、複数の発電ユニット１を積層して電気的に直列に接続することにより形成した平板型のセルスタック４を備えている点で、図９に示した従来の平板型ＳＯＦＣモジュール１０と略同一ではあるが、還元作用時と、その後の定格発電時における荷重方式が異なる点と、還元作用後に２枚の金属板５、６と連結部材２１とからなる連結機構２２に荷重機構を兼用させた点が従来装置と異なっている。すなわち、平板型ＳＯＦＣモジュール２０は、上述した通り定常運転を想定する温度に昇温した後、アノードの還元を行なってから発電を開始する必要がある。このため、図１に示すように還元作用時においては、還元作用によるアノードの厚さの減少による各単セル２（図５、図６）間の密着度の低下、電力の伝達損失等を防止するために荷重機構８によってセルスタック４に必要な荷重を加えている。荷重機構８としては、スタック荷重棒１１と荷重装置１２とを用いたが、必要な荷重を掛けることができる荷重機構であれば、どのような荷重機構であってもよい。
【００２７】
初期還元から初期通電は、定常発電温度よりも高い温度で行う。例えば、定常発電温度が８００℃であれば、８２０〜８５０℃程度で初期還元を行う。
【００２８】
図５および図６において、発電ユニット１は、単セル２と、セパレータセット３と、セルホルダー１４等で構成されている。
【００２９】
単セル２は、平板型の固体酸化物からなる電解質層１５と、この電解質層１５の表裏面にそれぞれ形成した空気極１６および燃料極１７とからなり、燃料極支持型の単セルを形成している。
【００３０】
セパレータセット３は、それぞれ所定形状の溝１８および穴１９を有する、例えば４枚の金属製のセパレータ３Ａ〜３Ｄとセルホルダー１４を重ね合わせることにより構成されるもので、これらのセパレータ３Ａ〜３Ｄとセルホルダー１４によって前記単セル２を収納する空間と、空気極１６に酸化剤ガスを供排出するガス経路と、燃料極１７に燃料ガスを供排出するガス経路と、単セル２から電気を取り出す経路（いずれも図示せず）を形成している。
【００３１】
このような単セル２とセパレータセット３とからなる発電ユニット１を複数積層し電気的に直列に接続することにより形成されたセルスタック４は、連結機構２２が取付けられた後、荷重機構８を備えたモジュール容器７（図９に示した従来のスタック容器７に相当、以下同様）内に収納され（図１）、初期還元された後モジュール容器７から取り出され、図３に示す荷重機構８を備えないモジュール容器２５内に収納される。
【００３２】
セルスタック４の上下面を挟持する２枚の金属板５、６は、４本の連結部材２１によって各角部がそれぞれ連結されている。上側の金属板５は、還元作用時において荷重機構８のスタック加重棒１１によって所定の荷重が加えられる。下側の金属板６は、断熱プレート２３上に設置されており、セルスタック４に加わる荷重を受け止める。
【００３３】
連結部材２１は、熱膨張係数がセルスタック４の熱膨張係数（平均熱膨張係数）よりも大きい金属材料によって中実の丸棒状に製作され、上端２１ａが上側の金属板５に溶接、ナット等によって固定されており、下端部２１ｂが下側の金属板６の上面に形成した不貫通孔からなる係止孔２４に差し込まれているだけで固定されていない。連結部材２１の前記係止孔２４に挿入される下端部２１ｂは、荷重機構８により所要の荷重が加えられると塑性変形する形状であればどのような形状であってもよく、本実施の形態においては図２（ａ）に示すように中空（筒状）に形成されている。前記係止孔２４は、開口部２４ａの端縁側が連結部材２１の外径より若干大きい穴径で、先端部（内奥部）２４ｂが開口部２４ａよりも大きい穴径を有している。連結部材２１は、初期還元によってアノードの厚さが減少してセルスタック４の高さが低くなると、荷重機構８により金属板５に加えられている荷重によって下端部２１ｂが徐々に押し潰される。このため、下端部２１ｂのうち係止孔２４の先端部２４ｂに挿入されている下側部分が、図２（ｂ）に示すように軸線と直交する方向に大きく塑性変形すると係止部２１ｃを形成し、係止孔２４内に係止される。
【００３４】
また、連結部材２１は、下端部２１ｂが押し潰されると長さが短くなるため、上側の金属板５をセルスタック４の上面に押し付ける。また、発電時における発電温度は、上記した通り還元時の温度よりも低いため、連結部材２１は還元時の温度差と、セルスタック４との熱膨張係数差とに応じた長さだけ収縮しようとする応力が生じて金属板５を押圧し、これにより連結機構２２がセルスタック４に対して荷重機構として機能する。したがって、初期還元を行なった後の定格発電時においては、アノード側を還元雰囲気に保ち続ければ再度酸化されることはない。言い換えれば、還元作業を必要としないため、セルスタック４を連結機構２２とともにモジュール容器７から取り出して、図３に示すように外付けの荷重機構を備えない別のモジュール容器２５内に設置し所定の発電温度にて発電を行なうことができる。
【００３５】
このように、本発明に係る平板型ＳＯＦＣモジュール２０は、定格発電時に連結機構２２を荷重機構として機能させるようにしているため、図１に示したモジュール容器７からモジュールを取り出して図３に示すように従来の荷重機構８を備えない別のモジュール容器２５内に設置することができ、これによりモジュール容器７からガスや熱が漏洩して平板型ＳＯＦＣの性能が低下するという従来の問題を解決することができ、良好な発電出力を得ることができる。すなわち、モジュール容器２５が荷重機構８を備えなければ、スタック荷重棒１１が貫通する穴を設ける必要がないため、モジュール容器２５の断熱性および気密性が向上し、発電性能を向上させることができる。
【００３６】
また、発電時において従来の荷重機構８を必要としなければ、小型軽量化することができ、しかも低重心化により設置安定性を向上させることができる。
【００３７】
なお、上記した実施の形態においては、連結部材２１の上端２１ａ側を上側の金属板５に固定し、下端部２１ｂ側を筒状に形成して下側の金属板６に形成した係止孔２４に挿入し、荷重を加えて塑性変形させることにより係止部２１ｃを形成し、係止孔２４内に係止する構造としたが、本発明はこれに限らず、上側の金属板５に係止孔を形成し、連結部材２１の上端側を塑性変形し易い形状に形成して係止孔に挿入し、荷重を加えて塑性変形させることにより係止部としてもよい。
【００３８】
また、本実施の形態においては、燃料極に十分な強度を持たせた燃料極支持型の単セル２を示したが、十分な強度を有する平板型固体電解質の表裏面に燃料極、空気極をそれぞれ配置した電解質支持型の単セルまたは空気極に十分な強度を持たせた空気極支持型の単セルを用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明に係る平板型固体酸化物形燃料電池モジュールの一実施の形態を示す還元時の概略構成図である。
【図２】（ａ）は連結部材の端部を金属板の係止孔に挿入した直後の状態を示す要部の断面図、（ｂ）は連結部材の端部を塑性変形させて係止部を形成した状態を示す要部の断面図である。
【図３】定格の発電時の状態を示す概略構成図である。
【図４】連結部材の端部の状態を示す断面図である。
【図５】発電ユニットの分解斜視図である。
【図６】燃料極支持型の単セルの側面図である。
【図７】初期還元から初期通電までは一定の荷重が必要であることを示す図である。
【図８】初期通電以降は、スタックヘの荷重を制御する必要がないことを示す図である。
【図９】荷重機構を備えた従来の平板型固体酸化物形燃料電池モジュールの概略構成図である。
【符号の説明】
【００４０】
１…発電ユニット、２…単セル、３…セパレータセット、３Ａ〜３Ｄ…セパレータ、４…セルスタック、５、６…金属板、７…モジュール容器、８…荷重機構、１０…平板型ＳＯＦＣモジュール、１１…固体電解質、１２…空気極、１３…燃料極、２０…平板型ＳＯＦＣモジュール、２１…連結部材、２１ｃ…係止部、２２…連結機構、２４…係止孔。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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