(57)【要約】【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を提供する。【解決手段】ガス供給容器と、このガス供給容器と連通し筒状固体酸化物形燃料電池セルの密封された先端内部へガスを供給する細長いガス導入管と、からなるガス分配器を備えた筒状固体酸化物形燃料電池において、前記ガス導入管の一端に設けられたガス導入管フランジと、このガス導入管フランジを固定支持する基準となる壁である接続壁に設けられ、前記ガス導入管の外径よりも大径であってこのガス導入管が挿入された接続孔と、前記ガス導入管フランジの上方より均等な面圧力を与える圧力保持手段と、前記ガス導入管フランジを支点として回転可能に支持する接触応力緩和手段と、によって、前記ガス導入管と前記ガス供給容器との接続部が形成されていることを特徴とする。【選択図】  図１
2004152723.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気極と燃料極との間に電解質を積層し、片側先端で密封された筒状固体酸化物形燃料電池セルと、
ガスを供給するガス供給ダクトに接続されたバッファーとしてのガス供給容器と、このガス供給容器と連通し前記筒状固体酸化物形燃料電池セルの密封された先端内部へガスを供給する細長いガス導入管と、からなるガス分配器と、
を備えた筒状固体酸化物形燃料電池において、
前記ガス導入管の一端に設けられたガス導入管フランジと、
このガス導入管フランジを固定支持する基準となる壁である接続壁に設けられ、前記ガス導入管の外径よりも大径であってこのガス導入管が挿入された接続孔と、
前記ガス導入管フランジの上方より均等な面圧力を与える圧力保持手段と、
前記ガス導入管フランジを支点として回転可能に支持する接触応力緩和手段と、
によって、前記ガス導入管と前記ガス供給容器との接続部が形成されていることを特徴とする筒状固体酸化物形燃料電池。
【請求項２】
前記ガス供給容器の内部には滞留したガスを前記ガス導入管へ供給するガス供給孔を複数有する平板状のガス供給壁が収納されていると共に、前記ガス供給容器の下面に前記接続孔が形成されており、このガス供給壁の自重により前記ガス導入管フランジを前記ガス供給容器の下面へ押し付けることによって前記圧力保持手段が構成されていること特徴とする請求項１に記載の筒状固体酸化物形燃料電池。
【請求項３】
前記ガス供給容器の下方に前記接続孔が形成された平板状の接続壁を設けると共に、前記ガス供給容器の下面にはガスを流出するガス供給孔を複数有しており、前記ガス導入管フランジを前記ガス供給容器の下面と前記接続壁で挟持することによって前記圧力保持手段が構成されてい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。
【請求項４】
前記ガス導入管フランジを平面とし、その上下に弾性体のシール材を各孔基準で配置することをよって前記接触応力緩和手段が構成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の筒状固体酸化物形燃料電池。
【請求項５】
前記シール材が、セラミック繊維に金属線で補強しているもの、または、目地材を塗布して補強をしているものを有する構成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。
【請求項６】
前記ガス供給壁と前記接続壁の熱膨張係数と、前記筒状固体酸化物形燃料電池セルとの熱膨張係数が略同一であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の筒状固体酸化物形燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【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に関し、さらに詳しくは片側先端が密封された筒状固体酸化物形燃料電池のガス分配構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、筒状固体酸化物形燃料電池において、酸化剤ガスを細長い酸化剤導入管で分配して燃料電池の内部まで供給するものは、酸化剤ガスを供給する酸化剤の供給本管の一方端から他方端に流し、供給本管の軸線が分岐管の軸線に９０度より小さい角度で交差するように接続される酸化剤分配構造となっている。（特許文献１参照。）
【０００３】
【特許文献１】
特開平５−１５１９８５号広報（２〜４頁、図１）
【０００４】
しかしながら、従来の構成では、複数の固体酸化物形燃料電池セルの集合体よりなる燃料電池モジュールを形成した場合、固体酸化物形燃料電池セルはセラミック材料よりなるため、取付配置に対する寸法誤差を生じやすく、設置時に酸化剤導入管を最適な位置に配置することが困難であった。また、固体酸化物形燃料電池の発電反応で約７００〜１，０００℃において、供給本管と分岐管の接続部や分岐管を保持するフランジ部と固体酸化物形燃料電池セルとの熱膨張率の差や起動停止の熱サイクルによる応力により、固体酸化物形燃料電池セルが亀裂や破損するという問題があった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
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起動停止の熱サイクルによる応力を許容できるガス分配器を有する信頼性の高い安全な筒状固体酸化物形燃料電池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、空気極と燃料極との間に電解質を積層し、片側先端で密封された筒状固体酸化物形燃料電池セルと、ガスを供給するガス供給ダクトに接続されたバッファーとしてのガス供給容器と、このガス供給容器と連通し前記筒状固体酸化物形燃料電池セルの密封された先端内部へガスを供給する細長いガス導入管と、からなるガス分配器と、を備えた筒状固体酸化物形燃料電池において、前記ガス導入管の一端に設けられたガス導入管フランジと、このガス導入管フランジを固定支持する基準となる壁である接続壁に設けられ、前記ガス導入管の外径よりも大径であってこのガス導入管が挿入された接続孔と、前記ガス導入管フランジの上方より均等な面圧力を与える圧力保持手段と、前記ガス導入管フランジを支点として回転可能に支持する接触応力緩和手段と、によって、前記ガス導入管と前記ガス供給容器との接続部が形成されていることを特徴とする。
このように、ガス導入管の外径よりも大きな接続孔を設けてガス導入管と接続孔との隙間を形成し、ガス導入管を接続孔へ挿入することにより、セラミック材料よりなる燃料電池セルの集合体の燃料電池モジュールを形成した際に生ずる取付配置に対する寸法誤差と、燃料電池セルと接続壁との熱膨張率の差による運転時の位置ずれを考慮し、ガス導入管の組み立ての際、自在にガス導入管を取付けて寸法誤差を許容し、初期の燃料電池セルとガス導入管との接触を防ぐことができる。また、圧力保持手段が設けられることにより、面圧力を変化することでガス導入管の傾いたときのガス漏れ量を容易に制御することができる。さらに、接触応力緩和手段が設けられることにより、前述の熱膨張率の差や起動停止の熱サイクルによる固体酸化物形燃料電池セルとガス導入管との接触応力を緩和して固体酸化物形燃料電池セルの亀裂や破損を防ぐことができる。よって、信頼性の高い安全な発電をすることができる。
【０００７】
請求項２の発明は、前記ガス供給容器の内部には滞留したガスを前記ガス導入管へ供給するガス供給孔を複数有する平板状のガス供給壁が収納されていると共に、前記ガス供給容器の下面に前記接続孔が形成されており、このガス供給壁の自重により前記ガス導入管フランジを前記ガス供給容器の下面へ押し付けることによって前記圧力保持手段が構成されていること特徴とする。
これによって、平板の重量を変えてガス導入管を支持固定する面圧力を自在にでき、容易にガス漏れ量とガス導入管の傾きを制御することができる。
【０００８】
請求項３の発明は、前記ガス供給容器の下方に前記接続孔が形成された平板状の接続壁を設けると共に、前記ガス供給容器の下面にはガスを流出するガス供給孔を複数有しており、前記ガス導入管フランジを前記ガス供給容器の下面と前記接続壁で挟持することによって前記圧力保持手段が構成されていることを特徴とする。
これによって、ガス供給容器と接続壁の圧縮量によりガス導入管を支持固定する面圧力を自在にでき、容易にガス漏れ量とガス導入管の傾きを制御することができる。
【０００９】
請求項４の発明は、前記ガス導入管フランジを平面とし、その上下に弾性体のシール材を各孔基準で配置することをよって前記接触応力緩和手段が構成されていることを特徴とする。
これによって、筒状固体酸化物形燃料電池セル内部でガス導入管が自在に傾くことができ、熱膨張率の差や起動停止の熱サイクルによるガス導入管と筒状固体酸化物形燃料電池セルの接触応力を緩和して固体酸化物形燃料電池セルの亀裂や破損を防ぐことができる。
【００１０】
請求項５の発明は、前記シール材が、セラミック繊維に金属線で補強しているもの、または、目地材を塗布して補強をしているものを有する構成であることを特徴とするものである。
これによって、シール材料の劣化を軽減してシール性能を維持できる。
【００１１】
請求項６の発明は、前記ガス供給壁と前記接続壁の熱膨張係数と、前記筒状固体酸化物形燃料電池セルと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、ガス供給壁および接続壁と、筒状固体酸化物形燃料電池セルとの熱膨張率の差で生ずるガス導入管と筒状固体酸化物形燃料電池セルの接触応力を緩和することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施形態について図面を参照して具体的かつ詳細に説明を行う。なお、以下の実施形態における筒状固体酸化物形燃料電池は、筒状セルの外側が燃料極であって内側が空気極であり、空気などの酸化剤ガスをガス分配器によって供給する構成について説明を行なう。
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の概略図である。燃料電池容器１の中に、複数の片側先端が密封された筒状固体酸化物形燃料電池セル（以下、燃料電池セル）１２の集合体からなる燃料電池モジュール１３と、ガス導入管９とガス供給容器４とガス供給ダクト２とからなるガス分配器１０と、上部隔壁１１と、下部隔壁１５が収納され、ガス分配器１０はガス導入管９がガス供給容器４に接続する接続部７を形成し、また、燃料電池セル１２は上部隔壁を貫通し、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、上部隔壁１１と下部隔壁１５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。
【００１３】
図２は、図１に示すガス分配器１０の接合部７の拡大図である。ガス供給容器３の下面であり、ガス導入管９の外径より大きい接続孔２２を有する接続壁６を基準面とし、ガス導入管９が接続孔２２に挿入され、ガス接続壁６の上部より順に、下部シール材２１と、ガス導入管フランジ２０と、上部シール材１９と、ガス供給孔１８を有するガス供給壁５とを積層し、各孔を貫通して配置して形成されている。
【００１４】
図３は、図１に示す燃料電池セル１２の概略図である。燃料電池セル１２は、空気極２４の外周上に電解質２５と燃料極２６を密着積層した片側先端が密封された筒状セルである。空気極２４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で形成されている。電解質２５は、ＹＳＺにより形成されている。燃料極２６は、多孔質のＮｉとＹＳＺのサーメットにより形成されている。
【００１５】
次に、このように構成された筒状固体酸化物形燃料電池の動作について説明を行う。空気は、ガス供給ダクト２よりガス分配器１０のガス供給容器４と接続部７とガス導入管９を介して燃料電池セル１２の先端内部に流れて空気極２４に供給され、また、燃料ガスは、燃料供給管１７と燃料分散室１６と下部隔壁１５の通気部とを介して燃料電池セル１２の外側に流れて燃料極２６に供給されると、電解質２５の両側で電気化学反応が起こり、電気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１１の排出孔（図示しない）を介して燃焼室８に排出される。一方反応済みの排空気は、燃料電池セル１２の開放端２３から燃焼室８に排出される。燃焼室８では排燃料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３を通じて排出される。固体酸化物形燃料電池の発電温度は約１０００℃であるため、発電室１４の温度も発電反応温度に近い温度になり、また、燃焼室８でも前述のような燃焼によってガス分配器１０の接続部７の周辺温度が約７００〜１０００℃となり、燃料電池セル１２とガス導入管９を支持する接続壁６との熱膨張差を生じる。しかしながら、セラミック材料よりなる燃料電池セル１２の集合体の燃料電池モジュール１３を形成した際に生ずる取付配置に対する寸法誤差と、燃料電池セル１２と接続壁６との熱膨張率の差による運転時の位置ずれを考慮し、ガス導入管９の外径よりも大きな接続孔２２を設けてガス導入管９と接続孔２２との隙間を形成し、ガス導入管９の組み立てで自在に取付けて寸法誤差を許容し、ガス導入管９を接続孔６へ挿入されるため、初期の燃料電池セル１２とガス導入管９との接触を防ぐことができる。また、ガス導入管９の一端に設けられたガス導入管フランジ２０の上方より均等な面圧力を与える圧力保持手段を有しているため、ガス導入管９の傾きを制御してガス漏れを抑えることができ、さらに、ガス導入管フランジ２０を支点として回転可能に支持する接触応力緩和手段を有しているため、熱膨張率の差や起動停止の熱サイクルによる燃料電池セル１２とガス導入管９の接触したときの応力を緩和して燃料電池セル１２の亀裂や破損を防ぐことができるため、信頼性の高い安全な発電を維持することができる。
【００１６】
この場合、圧力保持手段が、ガス供給孔１８を有するガス供給壁９を平板の重りで形成し、平板重量により約０．１〜１．５ｋｇ／ｃｍ２の面圧力を与えることが好ましい。これによって、ガス導入管９の位置ずれを防止し、ガス導入管フランジ２０の傾きを数度の範囲で制御でき、平板の重量を変えてガス導入管９を支持固定する面圧力を自在にでき、容易に接続部７からガス漏れ量とガス導入管９の傾きを制御することができる。よって、信頼性の高い安全な発電をすることができる。
【００１７】
接触応力緩和手段が、ガス導入管フランジ２０の上下に、ガス導入管９の外径と略同一の孔径を有する弾性体の上部シール材１９、下部シール材２１を各孔基準で配置され、また、下部シール材２１はガス導入管フランジ２０より大きい径で、ガス導入管９と一体で動けること形状であることが好ましい。例えば、ガス導入管フランジ２０を有するをガス導入管９の外径６ｍｍと、同じ約６ｍｍの孔径で上部シール材１９および下部シール材２１が設けられることによって、ガス導入管９と上部シール材１９と下部シール材２１を取付する時、孔径基準で容易に配置でき、また、ガス導入管９と下部シール材２１が密着して動くことができ、さらに、燃料電池セル１２の内部でガス導入管９が自在に傾きくことができるため、発電反応温度により周辺温度約７００〜１０００℃の高温域となる接続部７での熱膨張差や起動停止の熱サイクルによるガス導入管９と燃料電池セル１２との接触応力を緩和して燃料電池セル１２の亀裂や破損が防止できる。
【００１８】
上部シール材料１９と下部シール材料２１は、セラミック繊維や金属繊維等で形成することができるが、セラミック繊維により金属線で補強をしているもの、あるいは、目地材を塗布して補強をしているものを有する構成であることが好ましい。これによって、高温酸化後のシール材強度維持でき、シール材の弾性によりガス導入管９と上部シール材１９と下部シール材２１がなじむことができるため、シール材料の劣化を軽減してシール性能を維持できる。
【００１９】
ガス供給壁５と接続壁６の熱膨張係数と、燃料電池セル１２との熱膨張係数が略同一であることが好ましい。例えば、燃料電池セル１２の熱膨張係数が約１０．５×１０−６（ｃｍ／ｃｍ・℃）に対し、ガス供給壁５および接続壁６の熱膨張係数が約７．５〜１３．５×１０−６（ｃｍ／ｃｍ・℃）の気密性を有する耐熱ステンレス鋼やセラミック等で形成されることにより、ガス導入管９の熱膨張差による位置ずれや傾きを軽減でき、ガス供給壁５と接続壁６と、燃料電池セル１２との熱膨張率の差で生ずるガス導入管９と燃料電池セル１２の接触応力を緩和軽減することができる。
【００２０】
接続部７の周辺温度は、８００℃以下で制御されることをが好ましい。これによって、ガス供給壁５と上部シール材１９とガス導入管フランジ２０と下部シール材２１と接続壁６との熱膨張率の差を抑え、上部シール材と下部シール材の劣化を軽減できるため、接続部７のシール性能の低下を防止することができる。
【００２１】
図４は、本発明の他の実施例を示すガス分配器１０の圧力保持手段として、ガス供給容器４と接続壁６で圧縮し、ガス供給孔１８を有するガス供給容器４の下面のガス供給壁５により、ガス導入管９を支持固定する構造例を採用した例である。しかしながら、これは一例であり限定されるものではない。ガス供給容器４と接続壁６を挟み込んでねじで締め付け可能な圧縮部材２７で接続部７を圧縮する構造を形成している。このとき、圧縮部材２７でガス供給容器４の下面であるガス供給孔１８を有するガス供給壁５より、約０．１〜１．５ｋｇ／ｃｍ２の面圧力を与えることが好ましい。これによって、ガス供給容器４と接続壁６の圧縮量によりガス導入管９を支持固定する面圧力を自在にでき、ガス導入管９の位置ずれを防止し、容易に接続部７からガス漏れ量とガス導入管９の傾きを制御することができる。よって、信頼性の高い安全な発電をすることができる。
【００２２】
図５は、本発明の他の実施例を示す酸化材分配器１０の接触応力緩和手段として、ガス導入管９の外径より大きな孔径の接続孔２２を有する接続壁６の上に、下部シール材２１と略同一の外径を有するシール材支持板２８と、下部シール材２１と、球面で形成されるガス導入管フランジ２０と、ガス導入管フランジ２０の圧縮部を除いた部分にガス供給孔１８を有するガス供給壁５を配置形成し、ガス導入管フランジ２０を支点として回転可能に支持する構造例を採用した例である。しかしながら、これは一例であり限定されるものではない。このとき、ガス導入管フランジ２０の側面よりガスが供給され、接続孔２２をシール材支持板２８と下部シール材２１と球面で形成されるガス導入管フランジ２０でシールすると共に、ガス供給壁５で均等に圧縮支持しされ、また、シール材支持板２８は耐熱ステンレス鋼やインコネル等で形成されることが好ましい。例えば、下部シール材２１の内径が８ｍｍであるとすると、同じ約８ｍｍの孔径でシール材支持板２８を形成されることにより、ガス導入管９の外径とシール材２８との隙間の範囲で自在に傾くことができ、燃料電池セル１２の内部でガス導入管９が自在に傾きくことができ、また、シール材支持板２８が強度を有する材料で球面であるガス導入管フランジ２０が支持されるため、容易にガス供給壁５によりガス導入管９を支持すると共に、発電反応温度により周辺温度約７００〜１０００℃の高温域となる接続部７での熱膨張差や起動停止の熱サイクルによるガス導入管９と燃料電池セル１２との接触応力を緩和して燃料電池セル１２の亀裂や破損が防止できる。
【００２３】
図６、図７は、本発明の一実施例に係わるガス導入管フランジ２０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６は、ガス導入管フランジ２０が曲面で形成されて無理なく自在に傾きやすくできるため、ガス導入管９と燃料電池セル１２との接触応力を緩和しやすくなり、また、上部シール材１９と下部シール材２１の当り面を形成しやすくできるため、シール性能の信頼性も向上できる。図７は、ガス導入管フランジ２０がガス導入管９の端部から下方に形成され、上部シール材１９がガス導入管９で固定できるため、上部シール材１９の位置ずれを防止されてシール性能の信頼性を維持向上できる。
【００２４】
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１２の内側を流れ、酸化剤ガスが燃料電池セルの外側に流れるように構成し、燃料ガスと酸化剤ガスを入れ替えて燃料ガス分配器として同様に形成することもできる。
【００２５】
【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によれば、セラミック材料よりなる燃料電池セルの集合体の燃料電池モジュールを形成した際に生ずる取付配置に対する寸法誤差と、燃料電池セルと接続壁との熱膨張率の差による運転時の位置ずれを考慮し、ガス導入管の組み立ての際、自在にガス導入管を取付けて寸法誤差を許容し、初期の燃料電池セルとガス導入管との接触を防ぐことができ、また、ガス導入管の傾いたときのガス漏れ量を容易に制御することができ、さらに、熱膨張率の差や起動停止の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を実現できるため、安定した高効率な発電を行うことができる。
【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の概略図である。
【図２】本発明の一実施例に係わる接続部の拡大図である。
【図３】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４】本発明の他の実施例を示すガス分配器の圧力保持手段の概略図である。
【図５】本発明の他の実施例を示すガス分配器の接触応力緩和手段の概略図である。
【図６】本発明の一実施例に係わるガス導入管フランジの形状例を示す概略図である。
【図７】本発明の一実施例に係わるガス導入管フランジの形状例を示す概略図である。
【符号の説明】
１  燃料電池容器
２  ガス供給ダクト
３  排気ガスダクト
４  ガス供給容器
５  ガス供給壁
６  接続壁
７  接続部
８  燃焼室
９  ガス導入管
１０  ガス分配器
１１  上部隔壁
１２  筒状固体酸化物形燃料電池セル
１３  燃料電池モジュール
１４  発電室
１５  下部隔壁
１６  燃料分散室
１７  燃料供給配管
１８  ガス供給孔
１９  上部シール材
２０  ガス導入管フランジ
２１  下部シール材
２２  接続孔
２３  開放端
２４  空気極
２５  電解質
２６  燃料極
２７  圧縮部材
２８  シール材支持板
【図１】
2004152723.tif 000003
【図２】
2004152723.tif 000004
【図３】
2004152723.tif 000005
【図４】
2004152723.tif 000006
【図５】
2004152723.tif 000007
【図６】
2004152723.tif 000008
【図７】
2004152723.tif 000009