(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体酸化物形燃料電池セルを備える燃料電池スタックと、
複数の前記燃料電池スタックを電気的に接続する導電性部材と、
複数の前記燃料電池スタック及び前記導電性部材を備える電気回路と、
複数の前記燃料電池スタック間を電気的に接続又は遮断する回路開閉部と、
前記燃料電池スタックが発電可能な温度にあるか否かを判断する温度計測手段と、
前記燃料電池スタックが発電可能な電位にあるか否かを判断する電圧計測手段と、を備える燃料電池システムであって、
前記回路開閉部は、前記燃料電池システムの立ち上げ時に、前記温度計測手段及び前記電圧計測手段のいずれの計測手段においても予め定められた所定の閾値を超え、発電が可能であると判断された発電可能な所定の状態になるまでは複数の前記燃料電池スタック間を電気的に遮断した状態を継続し、発電可能な所定の状態になると複数の前記燃料電池スタック間を電気的に接続することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
固体酸化物形燃料電池セルを備える燃料電池スタックと、
複数の前記燃料電池スタックを電気的に接続する導電性部材と、
複数の前記燃料電池スタック間を電気的に接続又は遮断する回路開閉部と、
前記燃料電池スタックが発電可能な温度にあるか否かを判断する温度計測手段と、
前記燃料電池スタックが発電可能な電位にあるか否かを判断する電圧計測手段と、を備える燃料電池システムの立ち上げ時の運転方法であって、
燃料電池システムの立ち上げ開始後、
複数の前記燃料電池スタック間の電気的な接続が遮断した状態で、発電可能な所定の状態か否かを判断する工程を行い、
前記発電可能な所定の状態か否かを判断する工程は前記温度計測手段及び前記電圧計測手段のいずれの計測手段においても予め定められた所定の閾値を超え、発電が可能であると判断されたか否かによって判断される工程であって、前記いずれの計測手段においても発電が可能であると判断された場合には発電可能な所定の状態であると判断し、いずれか一方の計測手段でも発電可能な状態ではないと判断した場合には発電可能な所定の状態ではないと判断する工程であり、
発電可能な所定の状態であると判断された後に、複数の前記燃料電池スタック間を電気的に接続する工程を行うことを特徴とする燃料電池システムの立ち上げ時の運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体酸化物燃料電池（以下、ＳＯＦＣと示す）システムに関し、特に燃料電池スタック間の電気的接続に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体酸化物燃料電池セルの1本の出力は限られているため、実際のＳＯＦＣでは、ＳＯＦＣセルを複数本集合させて使用する。通常は、複数のＳＯＦＣセルからなるスタックを基本単位とし、複数個のスタックを集電板で電気的に接続したモジュールが提案されている。（例えば、下記特許文献１参照）
【０００３】
ところで、固体酸化物燃料電池システムが大きくなるに従って膨大なセル数を必要とする。固体高分子形燃料電池では、ある１つのセルの特性が劣化すると、その他のセルのもつ起電力により、問題のセルに起電力反応とは逆の電気分解反応が強要される。この現象は「転極」と称し、ひとたび問題が発生すると加速的に劣化が進むことが指摘され（例えば、下記非特許文献１参照、下記非特許文献２参照）、システム的な対策が提案されている。（例えば、下記特許文献３参照、下記特許文献４参照）
【０００４】
しかし、固体高分子形燃料電池で起こるこの課題はＳＯＦＣで生じにくい。なぜならＳＯＦＣの使用温度は８００℃以上の高温であり、ＳＯＦＣセルの材料は８００℃以上の温度で化学的に安定な材料で構成されている。低温で駆動する高分子形燃料電池と比べると材料の化学的な安定性は高く、大容量化するＳＯＦＣシステムにおいてＳＯＦＣは「転極」による劣化を生じるとは予想されていなかった。
【特許文献１】特開２００７−１５７４２４号公報
【特許文献２】特開２００８−２１６０６号公報
【特許文献３】特開２００７−２５０２７１号公報
【非特許文献１】燃料電池設計技術  サイエンスフォーラム  昭和６２年９月３０日発行
【非特許文献２】電子とイオンの機能化学シリーズ  vol.1  エヌ・ティ・エス  ２００１年６月２５日
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
近年、ＳＯＦＣの開発は急速であり、特にＳＯＦＣシステムの大容量化が進んでいるが、依然としていくつかの欠点がある。現行の大容量化したＳＯＦＣシステムの問題点の１つは、例えば電流取り出しのための外部電極間が短絡するなどの急激な電位変化を起こすと、多数あるセルの１つが劣化することを本発明者は実験で明らかにした。例えば、立ち上げ時、温度上昇に伴って構成部材が熱膨張し位置ずれを生じ、また供給ガスの不燃物生成や構成材料から発生する煤によって電気的な短絡を起こす可能性があり、大容量化によって、その確率はさらに高まるが、現行のＳＯＦＣシステムは短絡によるセル劣化を回避できない。セルが劣化し、損傷に至ると、その周辺の健全なセルもダメージを受けて被害は拡大する。
【０００６】
本発明は、大容量化するＳＯＦＣシステムに関し、短絡などによって急激な電位変化を起こした場合であってもＳＯＦＣセルを損傷させない、特にＳＯＦＣスタック間の電気的接続手段を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記問題点を解決するために、本発明の燃料電池システムは、固体酸化物形燃料電池セルを備える燃料電池スタックと、複数の前記燃料電池スタックを電気的に接続する導電性部材と、複数の前記燃料電池スタック及び前記導電性部材を備える電気回路と、複数の前記燃料電池スタック間を電気的に接続又は遮断する回路開閉部と、前記燃料電池スタックが発電可能な温度にあるか否かを判断する温度計測手段と、前記燃料電池スタックが発電可能な電位にあるか否かを判断する電圧計測手段と、を備える燃料電池システムであって、前記回路開閉部は、前記燃料電池システムの立ち上げ時に、前記温度計測手段及び前記電圧計測手段のいずれの計測手段においても予め定められた所定の閾値を超え、発電が可能であると判断された発電可能な所定の状態になるまでは複数の前記燃料電池スタック間を電気的に遮断した状態を継続し、発電可能な所定の状態になると複数の前記燃料電池スタック間を電気的に接続することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、大容量化するＳＯＦＣシステムに関し、短絡などによって急激な電位変化を起こした場合であってもＳＯＦＣセルを損傷させない。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明を実施するための最良の形態を説明するのに先立って、本発明の作用効果について説明する。
【００１０】
本発明の燃料電池システムは、固体酸化物形燃料電池セルを備える燃料電池スタックと、複数の前記燃料電池スタックを電気的に接続する導電性部材と、複数の前記燃料電池スタック及び前記導電性部材を備える電気回路と、複数の前記燃料電池スタック間を電気的に接続又は遮断する回路開閉部と、前記燃料電池スタックが発電可能な温度にあるか否かを判断する温度計測手段と、前記燃料電池スタックが発電可能な電位にあるか否かを判断する電圧計測手段と、を備える燃料電池システムであって、前記回路開閉部は、前記燃料電池システムの立ち上げ時に、前記温度計測手段及び前記電圧計測手段のいずれの計測手段においても予め定められた所定の閾値を超え、発電が可能であると判断された発電可能な所定の状態になるまでは複数の前記燃料電池スタック間を電気的に遮断した状態を継続し、発電可能な所定の状態になると複数の前記燃料電池スタック間を電気的に接続することを特徴とする。
【００１１】
例えば立ち上げ時、温度上昇に伴って構成部材が熱膨張し位置ずれを生じ、または供給ガスの不燃物生成や構成材料から発生する煤によって外部電極３１２の間が短絡しても、回路開閉部によってＳＯＦＣスタック同士の電気的接続が遮断されている。その後、発電可能な所定の状態になると、回路開閉部によってＳＯＦＣスタック同士は電気的に接続される。このようにすることで、発電可能な所定の状態になる前に外部電極３１２の間が短絡したとしても、燃料電池モジュールに電位の変化は生じず、セルの劣化や損傷を回避することができる。固体高分子形燃料電池では正常な運転であっても「転極」による劣化が進行するが、ＳＯＦＣでは短絡などによる急激な電位変化がなければ「転極」はおこらず、長期的に安定した発電性能が得られる。
【００１３】
またさらに本発明の燃料電池システムは、固体酸化物形燃料電池セルを備える燃料電池スタックと、複数の前記燃料電池スタックを電気的に接続する導電性部材と、複数の前記燃料電池スタック間を電気的に接続又は遮断する回路開閉部と、前記燃料電池スタックが発電可能な温度にあるか否かを判断する温度計測手段と、前記燃料電池スタックが発電可能な電位にあるか否かを判断する電圧計測手段と、を備える燃料電池システムの立ち上げ時の運転方法であって、燃料電池システムの立ち上げ開始後、複数の前記燃料電池スタック間の電気的な接続が遮断した状態で、発電可能な所定の状態か否かを判断する工程を行い、前記発電可能な所定の状態か否かを判断する工程は前記温度計測手段及び前記電圧計測手段のいずれの計測手段においても予め定められた所定の閾値を超え、発電が可能であると判断されたか否かによって判断される工程であって、前記いずれの計測手段においても発電が可能であると判断された場合には発電可能な所定の状態であると判断し、いずれか一方の計測手段でも発電可能な状態ではないと判断した場合には発電可能な所定の状態ではないと判断する工程であり、発電可能な所定の状態であると判断された後に、複数の前記燃料電池スタック間を電気的に接続する工程を行うことを特徴とするものであってもよい。
【００１４】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。尚、特に限定されないが以下の各実施例は、筒状固体酸化物形燃料電池として好適なＳＯＦＣシステムである。
【実施例１】
【００１５】
図１は、本発明に係る燃料電池システム４を構成する燃料電池セル１の概略図である。しかしながら、これらは１例であり限定されるものではない。燃料電池セル１は、筒状の電解質１２の内面に空気極１１を、外面に燃料極１３が形成されており、空気極１１へ電気的に接続されたインターコネクタ１４が燃料極１３と通電せず電気的に接続される構造で形成されている。このとき、空気極１１は多孔質のＬａＣｏＯ３、ＬａＭｎＯ３、ＬａＦｅＯ３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１２は、Ｙ、Ｓｃ、Ｃａなどをドープした安定化ジルコニアにより形成されている。インターコネクタ１４はＬａＣｒＯ３にＳｒやＣａ等をドープしたものにより形成されている。
【００１６】
図２は、本発明に係る燃料電池システム４を構成する燃料電池スタック２の基本構造の概略図である。本実施例では、燃料電池スタック２が１２本の燃料電池セル１を電気的に２並列×６直列に配置した構成になっているが、例えば１並列×５直列、3並列×３直列など、これらは１例であり限定されるものではない。図１に示した円筒形状の燃料電池セル１が図２の図示中、インターコネクタを上向きに２並列６直列で複数積み重ねられた燃料電池セル１２本の周囲を、導電性部材を兼ねる保持部材２８ａ、２８ｂ、ならびに保持部材２８ｃにより囲まれている。これらの燃料電池セル１は、導電性部材２９および導電性部材２１０により、直列および／または並列に電気的に接続される。すなわち図示していなが、燃料極１３とインターコネクタ１４とが接続され、および／または燃料極１３と燃料極１３とが接続され、および／またはインターコネクタ１４とインターコネクタ１４とが接続される。燃料極セルは上下保持部材２８ａおよび２８ｂによって押し圧されており、上下保持部材２８ａおよび２８ｂが接続部２１２により側面保持部材２８ｃに連結されることで押し圧をかけた状態で固定されている。保持部材２８ｂは複数の燃料電池セル１の空気極側と電気的に接続し、接続部２１２により側面保持部材２８ｃと絶縁されている。一方、保持部材２８ｃは燃料電池セル１の燃料極側と電気的に接続し、接続部２１２により側面保持部材２８ｃと絶縁されている。接続部２１２はアルミナ、ムライト、マグネシア、ジルコニア等を用いることができる。保持部材２８ａ、２８ｂには燃料電池バンドル間の電気的接続のために導電性部材２１３ａ、２１３ｂが一体化されている。発電された電力は、導電性部材２１３ａと２１３ｂの間に出力される。
【００１７】
図３は、本発明に係る燃料電池システム４を構成する燃料電池モジュール３の横断面の概略図であって電気的な接続が遮断される状態を示す。本実施例では、燃料電池スタック２が３×５の１５組、電気的に直列に配置された構成になっているが、例えば、２×１０、５×５など、これらは１例であり限定されるものではない。燃料電池スタック２同士の間には仕切り部材３３０が配置され、燃料電池スタック同士が電気的に短絡するのが防止される。燃料電池モジュール３は、１５個の燃料電池スタック２が導電性部材３１１を介して直列に接続配置されており、外部電極３１２を介して、電力を外部に供給している。燃料電池ジュール３では、ガス気密容器３２１により燃料電池モジュール３の内部のガスが外部に漏洩するのを防止する。また断熱と電気絶縁を兼ねたセラミック部材３２２、３１７により、燃料電池モジュール３から外部への放熱を抑制するとともに、燃料電池スタック２あるいは導電性部材３１１あるいは外部電極３１２が、ガス気密容器３２１と電気的に短絡するのを防止する。また、回路開閉部３１５は移動可能であって、電気的な接続が遮断されているとき、回路開閉部３１５と燃料電池スタック２の間に絶縁空間３１６が形成される。外部電極３１２に燃料電池スタック２が接続され、その燃料電池スタック２と他の燃料電池スタック２が導電性部材３１１により電気的に接続され、同じ構成を繰り返して、燃料電池スタック２が外部電極３１２に接続されている。
【００１８】
図４は、本発明に係る燃料電池システムの概略図である。しかしながら、これらは１例であり限定されるものではない。ＳＯＦＣモジュール４は、電圧計測器４５、電圧変換器（負荷制御部）４４、例えばＤＣ−ＤＣコンバータに接続される。ＡＣ電流を供給する場合は、電圧変換器４４は、ＤＣ−ＡＣコンバータに置き換えられる。ＳＯＦＣモジュールは地絡４８し安全を図る。またＳＯＦＣモジュール３内部の温度計測器４７、ならびに電圧計測器４６が接続されている。燃料電池システム４は連系用遮断器４１を経て電力ネットワーク４２に接続される。図２、図３、図４に示されるように電気回路を形成されている。
【００１９】
本システムの運転について説明する。しかしながら、これらは１例であり限定されるものではない。温度計測器４７により発電可能な温度を判断する。発電可能な温度は、ＳＯＦＣモジュールの構成部材が熱膨張し位置ずれを生じ、または供給ガスの不燃物生成や構成材料から発生する煤によるなど、外部電極３１２の間の短絡が発生する確率が低下する温度であって、またＳＯＦＣモジュール内の温度が均一になりＳＯＦＣセルの内部抵抗ばらつきが少なくなり、またＳＯＦＣモジュール内の燃料雰囲気が均一になりＳＯＦＣセルの起電力ばらつきが少なくなる温度であって、通常は６００℃以上に設定するのが望ましい。好ましくは７５０℃以上に設定するのが望ましい。
【００２０】
電圧計測器４５により発電可能な電位の判断する。発電可能な電位は、ＳＯＦＣモジュールの構成部材と接地との間が絶縁されていることが保証できる電位であって、通常はセル単体の開回路電圧として０．５Ｖ以上に設定するのが望ましい。
【００２１】
燃料電池システム４を立ち上げ時、回路開閉部３１５によってＳＯＦＣスタック間の電気的な接続を遮断する。温度計測器４７により発電可能な温度であると判断され、電圧計測器４５により発電可能な電位であると判断されたとき、電気的な接続を遮断している回路開閉部３１５は移動し、ＳＯＦＣスタック間を電気的に接続する。温度計測器４７により発電可能な温度であると判断されても電圧計測器４５により発電可能な電位でないと判断されたとき回路開閉部３１５による電気的な接続の遮断は継続される。また電圧計測器４５により発電可能な電位であると判断されても温度計測器４７により発電可能な温度でないと判断されたとき回路開閉部３１５による電気的な接続の遮断は継続される。
【００２２】
図５は、本発明に係る燃料電池システム１を構成する回路開閉部３１５の概略図である。しかしながら、これらは１例であり限定されるものではない。図５の上図は電流遮断の状態にある回路開閉部３１５であって、保持部材２８ａに電気的接続を良好にするためのＮｉなどの導電性部材２１３ａを具備するＳＯＦＣスタック２に、金属部材５１（第2の金属部材）を対面配置する。図５は、金属部材５１と導電性部材２１３ａの電気的接続を良好にするため、金属部材５１はＮｉなどの導電性部材であってもよい。また金属部材５１は、図示しないが、２つの隣り合うＳＯＦＣスタックの導電性部材２１３ａを良好に電気的接続するだけの面積を有している。そして金属部材５１は保持部材５２、絶縁保持部材５３と一体になっている。移動ジグ５４は一体となる棒５５を出し入れすることで絶縁保持部材５３を図５の左右に動かす。捧５５とガス気密容器３２１はネジ５７で会合し、気密性を保っている。棒５５は、モーター５６によって可動することができる。なお、図５は導電性部材２１３ａと金属部材５１が離れ、電気的に遮断している様子を示す。負荷制御部が固体酸化物形燃料電池セルから電流を流すように制御する前の電気開閉部の状態を表している。図６は導電性部材２１３ａと金属部材５１が接続し、電流通電している様子を示す。負荷制御部が固体酸化物形燃料電池セルから電流を流すように制御している時の電気開閉部の状態を表している。
【００２３】
電気的に接続する金属部材５１と駆動部の間に絶縁保持部材５３を介することにより、ガス気密容器と金属部材を電気的に絶縁できる。なお金属部材５１はニッケルなどの電気導電性が高く耐熱性のある材料を用いることができる。さらには導電性部材を用いて電気的な接続の信頼性を高めてもよい。駆動部は耐熱鋼など強度のある金属材質を用いることができる。絶縁部材はアルミナ、ムライトなどのセラミックを用いても良い。
【００２４】
棒５５を移動させるモーター５６の駆動は、判定を受けて自動で行ってもよい。自動の場合は油圧シリンダ、空圧シリンダ、モーターなどによって駆動することができる。
【００２５】
なお、捧５５とガス気密容器３２１はネジ５７で会合することが望ましいが、磁気シール、耐熱パッキン、セラミックしゅう動材料を用いたかん合、金属フレキなどを用いて気密性を保っても良い。
【００２６】
本発明者は、数多くの信頼性試験ならびに実験的検証によって短絡によるセル損傷のメカニズムを明らかにすることで本発明を考案するに至った。以下、空気極を支持体とする円筒縦縞型SOFCセルを用いた検証試験の1例を次に説明する。
【００２７】
本検証実験で用いたＳＯＦＣセル１は有効長６００ｍｍとし、空気極支持体１１の組成はLa0.75Sr0.25MnO3で厚み２ｍｍ、固体電解質１２の組成は９０mol%ZrO2―１０mol%Sc2O3で厚み３０μm、燃料極１３の組成は、Ｎｉと９０mol%ZrO2―１０mol%Y2O3からなる混合材料で厚み１００μm、インターコネクター１４の組成は、La0.8Ca0.2CrO3で厚み３０μmである。
【００２８】
前記ＳＯＦＣセル２本を電気的に並列接続した組を、電気的に６組直列接続したＳＯＦＣセル１２本からなるスタックを構成し、該スタック８個を電気的に直列接続してモジュールを形成する。そして２つの該モジュールを２つ電気的に直列接続することで１０ＫＷ級発電システムが得られる。
【００２９】
発電試験は、ＳＯＦＣセル内側に空気を、外側に燃料ガス（Ｈ２＋Ｎ２混合ガス）を供給した。表1に示す条件を経た後、900℃まで昇温させ、発電を実施した。
【００３０】
【表１】
0005435393.tif 000002
【００３１】
通常の立ち上げ、運転、終了が支障なく稼動する発電システムであることを確認した後、改めて発電システムを立ち上げる途中、発電システムから１０ＫＷ発電を取り出す外部電極の両端を短絡させ、外部電極間の電位を急激に下げて０Ｖにすると、モジュール２個を構成しているＳＯＦＣセル１８０個のうちの１つが劣化した。
【００３２】
本試験によって劣化したＳＯＦＣセルの空気極と電解質の界面近傍を電子顕微鏡で観察した結果を図７に示す。図７の７１の範囲は空気極、７２の範囲は空気極触媒層である。図７から空気極と空気極触媒層の界面近傍の組織に微小な凹凸が発生しているのがわかる。エネルギー分散型X線分析装置（ＥＤＸ）やエックス線回折装置（ＸＲＤ）などによる詳細な分析によって、この微小な凹凸が空気極材料の還元分解した結果であることがわかった。また短絡した状態で運転を継続するとＳＯＦＣセルは破壊し、周囲の正常なＳＯＦＣセルは損傷した。
【００３３】
本発明者が検討した結果、ＳＯＦＣセルの劣化はセルを直列に配置して外部電極間の電位が１００Ｖ以上の大型発電システムにおいて、短絡などの急激な電圧変化を伴った場合にのみ生じることを突き止めた。
【００３４】
本発明者は検討を重ね、外部電極間の短絡によって特定のＳＯＦＣセルが劣化するメカニズムを明らかにし、立ち上げ時の短絡が特定のセルを劣化することを予測した。以下にその詳細を述べる。
【００３５】
セルｎの電位Eｎは起電力Ｖｎ、電流ｉ、内部抵抗Ｒｎを用い式１で説明される。
式１    Ｅｎ＝Ｖｎ−ｉＲｎ    
またセルｎ個が直列で接続されているときの両端の電位Ｅ  は式２で説明される。
式２    Ｅ＝ΣＥｎ
＝ΣＶｎ−ｉΣＲｎ
短絡したときはＥ＝０であるから式２から式３が求められる。
式３      ΣＶｎ＝ｉΣＲｎ
つまりセルｎに流れる電流ｉは式４となる。
式４    ｉ＝ΣＶｎ／ΣＲｎ
式４、式１からセルｎの電位（＝起電力）が求まる。
式５    Ｅｎ＝Ｖｎ−Ｒｎ・ΣＶｎ／ΣＲｎ
各セルの起電力の平均値をＶave、内部抵抗Raveとし、セルｎの平均値との差をΔV、ΔRとすれば式５は式６のように変換される。
式６    Ｅｎ＝（Ｖave＋ΔV）−（Rave＋ΔR）・Ｖave／Rave
＝ΔV−ΔR・ｉ
【００３６】
ＳＯＦＣ燃料電池システムで、出力端子の両端を短絡させた場合、式６は起電力が平均より低く、且つ内部抵抗が平均より高いセルにマイナス電位、すなわち「転極」が発生することを意味している。起電力が低い場合としては酸素ポテンシャル、すなわち電解質間の酸素濃度差が小さい、セルの品質粗悪などが考えられる。内部抵抗が高い場合としてはセル温度が低い、セルの品質粗悪などが考えられる。酸素濃度差はＳＯＦＣモジュール内の酸素雰囲気の不均一さと密接に関係し、セル温度差はＳＯＦＣモジュール内の温度分布と密接に関係している。
【００３７】
ところでＳＯＦＣに用いるセルは、酸素イオン（Ｏ2-）透過性を有し、かつ、ガス透過性の無い固体電解質薄膜（ＺｒＯ2、ＣｅＯ2等）と、固体電解質薄膜を挟む一方に空気電極（ＬａＭｎＯ3等）、一方に燃料極（Ｎｉ基サーメット等）が形成される。このうち空気極は、空気中の酸素と電子の反応場であり、外部の負荷から反応場へ電子を供給する導電路の働きもする。これらの機能を満足する材料として、高い導電性を持つペロブスカイト型酸化物が使われる。ところで同酸化物は近傍の酸素分圧が低下すると、空気極の還元分解を生じる。材料によって酸素濃度依存性は異なるが、導電性と酸素安定性を両立させた場合の空気極材料（例えば、(Ｌａ0.75Ｓｒ0.25)yＭｎＯ3）の雰囲気温度と還元分解を生じる酸素濃度の閾値を実験的に求めた結果を表２に示す。閾値を下回ると空気極材質は分解し、分解膨張による内部応力が発生しセル劣化が加速する。
【００３８】
【表２】
0005435393.tif 000003
【００３９】
またセルｎの起電力Ｖｎの理論値（開回路電圧：ＯＣＶ）は式７で与えられる。μ（Ｏ２、ａ）はアノードの酸素ポテンシャル、μ（Ｏ２、ｃ）はカソードの酸素ポテンシャル、Ｆはファラデー定数である。すなわち起電力Ｖｎは電解質の両側の酸素ポテンシャル差で決定されることを示している。
式７    Ｖｎ＝−（μ（Ｏ２、ａ）−μ（Ｏ２、ｃ））／４Ｆ
【００４０】
通常の運転条件下ではカソードの酸素濃度は閾値を下回ることはない。また「転極」によってマイナス電位を生じても、小規模のＳＯＦＣシステムであれば酸素濃度の閾値を下回るだけの電位がセルに発生することはなく、たとえ品質の悪いセルであっても空気極が劣化することはない。
【００４１】
しかし、ＳＯＦＣシステムが大規模になり、ＳＯＦＣモジュール内の雰囲気や温度のばらつきが大きくなると、酸素濃度は閾値を下回ることになる。
【００４２】
本発明者は、ＳＯＦＣセル１を１本用い、ＳＯＦＣセル８１に直流安定化電源８２を接続しセル電極間の電位計８３によりセル電極間にマイナスの電位を作用させる実験を実施した。図７に回路図を示す。本系統的実験で用いたＳＯＦＣセル１は有効長６００ｍｍとし、空気極支持体１１の組成はLa0.75Sr0.25MnO3で厚み２ｍｍ、固体電解質１２の組成は９０mol%ZrO2―１０mol%Sc2O3で厚み３０μm、燃料極１３の組成は、Ｎｉと９０mol%ZrO2―１０mol%Y2O3からなる混合材料で厚み１００μm、インターコネクター１４の組成は、La0.8Ca0.2CrO3で厚み３０μmである。
【００４３】
本実験において、−０．５Ｖのセル電位ではセルの劣化は見られないが、−１．０Ｖのセル電圧になると若干の内部抵抗の増加が認められ、−２．０Ｖのセル電位になるとセルは劣化した。
【００４４】
すなわち酸素分圧の閾値を越える電位がかかったときにセルが劣化する。このような事象は大容量のＳＯＦＣ装置において短絡などの不具合が発生したときに限られた現象である。また酸素分圧の閾値を越える電位はモジュール温度が６００℃以下の場合、モジュール内の温度ばらつきによってセル内部抵抗ばらつきが大きく、またモジュールないの雰囲気ばらつきによってセル起電力ばらつきが大きく、特に危険である。一旦短絡を生じると、現在のＳＯＦＣ装置においては、セルに大きなダメージを生じるという認識はなく、セル破損に至り、ＳＯＦＣモジュール全体を損傷することになってしまう。本発明によってかかる損傷を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本実施形態のＳＯＦＣセルを示す図である。
【図２】本実施形態のＳＯＦＣスタックを示す図である。
【図３】本実施形態のＳＯＦＣモジュールを示す図である。
【図４】本実施形態の燃料電池システムの概略図である。
【図５】本実施形態の回路開閉部を示す図である。（電流遮断の状態）
【図６】本実施形態の回路開閉部を示す図である。（電流導通の状態）
【図７】本試験によって劣化したＳＯＦＣセルの空気極と電解質の界面近傍を電子顕微鏡像である。
【図８】セル電極間にマイナスの電位を作用させる実験に用いた回路図である。
【符号の説明】
【００４６】
１…ＳＯＦＣセル、２…ＳＯＦＣバンドル、３…ＳＯＦＣモジュール、４…ＳＯＦＣ発電装置、２１３ａ…導電性部材、３１５…回路開閉部
【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】
0005435393.tif 000008
【図６】
0005435393.tif 000009
【図７】
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【図８】
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