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技術 SOFCスタック評価用ホルダ

出願人 株式会社チノー
発明者 江川益博佐藤翼柳橋直毅
出願日 2019年8月30日 (1年9ヶ月経過) 出願番号 2019-158489
公開日 2021年3月11日 (3ヶ月経過) 公開番号 2021-039825
状態 未査定
技術分野
  • -
主要キーワード 挟持部品 前後左右対称 焼付防止剤 トルクドライバ 予熱流路 電流バー 作動温度付近 円柱棒状
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (8)

課題

組立・分解が容易で、異なる容量のSOFCスタックの評価に対応できるSOFCスタック評価用ホルダを提供する。

解決手段

評価用ホルダ1は、支持部材9cを下マニホールド7の欠切部25aに係止し、セラミックバネ9bをボルト9aの軸部に挿入した状態で、ボルト9aを支持部材9cのネジ穴部9dに螺合し、集電体4A,4Bを収容したシール部材3A,3Bを介して一対の集電板5A,5Bと一対の絶縁部材6A,6BでSOFCスタック2を上下から挟み込むように複数組固定部材9により締付固定する。

概要

背景

SOFCは、電解質として酸素イオン導電性固体電解質を使用した燃料電池として従来から知られており、燃料酸化剤の2種類のガスをそれぞれ酸素イオン導電性固体電解質によって隔てられた燃料極空気極に供給して、それぞれの電極電気化学反応を進行させることで外部に電力を取り出している。

本件出願人は、この種のSOFCの研究開発に伴う燃料電池の性能を評価するためのホルダとして、下記特許文献1に開示される電気化学セル評価用ホルダを出願している。

特許文献1に開示される電気化学セル評価用ホルダでは、挟持部品である燃料ガス拡散板燃料極用集電体セル部、一対のセラミックス製のガスケット空気極用集電体空気ガス拡散板を積層し、燃料極側収容凹部と空気極側収容凹部とが対向するようにアルミナ製の燃料極側筐体と空気極側筐体とを突き合わせ挟持させた状態で、空気極側挿通孔セラミックバネを挿入し、燃料極側挿通孔から挿入したボルトナット締結固定して組立を行っている。

概要

組立・分解が容易で、異なる容量のSOFCスタックの評価に対応できるSOFCスタック評価用ホルダを提供する。評価用ホルダ1は、支持部材9cを下マニホールド7の欠切部25aに係止し、セラミックバネ9bをボルト9aの軸部に挿入した状態で、ボルト9aを支持部材9cのネジ穴部9dに螺合し、集電体4A,4Bを収容したシール部材3A,3Bを介して一対の集電板5A,5Bと一対の絶縁部材6A,6BでSOFCスタック2を上下から挟み込むように複数組固定部材9により締付固定する。

目的

このため、組立・分解が容易で、異なる容量のSOFCスタックの評価に対応できるSOFCスタック評価用ホルダの提供が望まれていた

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

固体酸化物形燃料電池からなる複数の単セルセパレータを介して積層されたSOFCスタックと、集電体が収容されたシール部材を介して前記SOFCスタックの上下面にそれぞれ配置される下集電板と上集電板からなる一対の集電板と、前記一対の集電板の上下面にそれぞれ配置される下絶縁部材上絶縁部材からなる一対の絶縁部材と、前記SOFCスタックに燃料ガスを供給するための燃料ガス供給管と、供給された燃料ガスを排出するための燃料ガス排出管と、前記SOFCスタックに空気ガスを供給するための空気ガス供給管と、供給された空気ガスを排出するための空気ガス排出管とが設けられ、外周部分に複数の欠切部を有し、前記下絶縁部材の下面に配置される第1のマニホールドと、前記上絶縁部材の上面に配置される第2のマニホールドと、ボルトと、セラミックバネと、前記第1のマニホールドの前記欠切部に着脱可能で前記ボルトが螺合するネジ穴部が形成された棒状の支持部材とからなる複数組固定部材と、を備え、前記第1のマニホールドと前記第2のマニホールドとは、前記支持部材を前記第1のマニホールドの前記欠切部に係止し、前記セラミックバネを前記ボルトの軸部に挿入した状態で、前記ボルトを前記支持部材のネジ穴部に螺合して前記SOFCスタックを前記一対の集電板と前記一対の絶縁部材で挟むように前記複数組の固定部材により締付固定されることを特徴とするSOFCスタック評価用ホルダ

請求項2

前記一対の集電板は、前記SOFCスタックのサイズに合わせて着脱交換可能であり、前記下集電板には、前記SOFCスタックのガス通過穴に対応して貫通孔が形成されていることを特徴とする請求項1に記載のSOFCスタック評価用ホルダ。

請求項3

前記下絶縁部材の上面に配置される前記下集電板の下面には、導入される燃料ガスおよび空気ガスを予熱して前記SOFCスタックに導くための予熱流路が形成されていることを特徴とする請求項1に記載のSOFCスタック評価用ホルダ。

請求項4

前記第1のマニホールドと前記下集電板との間には、導入される燃料ガスおよび空気ガスを予熱して前記SOFCスタックに導くための予熱流路が形成された予熱流路板が絶縁部材を介して設けられることを特徴とする請求項1に記載のSOFCスタック評価用ホルダ。

請求項5

前記予熱流路の燃料極側には、粒状や粉末状の改質用触媒が設けられることを特徴とする請求項3または4に記載のSOFCスタック評価用ホルダ。

技術分野

0001

本発明は、平板型セルを用いた固体酸化物形燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell :SOFC、以下、SOFCとも言う)からなる複数の単セルセパレータを介して積層されたSOFCスタック性能特性を評価するためのSOFCスタック評価用ホルダに関するものである。

背景技術

0002

SOFCは、電解質として酸素イオン導電性固体電解質を使用した燃料電池として従来から知られており、燃料酸化剤の2種類のガスをそれぞれ酸素イオン導電性固体電解質によって隔てられた燃料極空気極に供給して、それぞれの電極電気化学反応を進行させることで外部に電力を取り出している。

0003

本件出願人は、この種のSOFCの研究開発に伴う燃料電池の性能を評価するためのホルダとして、下記特許文献1に開示される電気化学セル評価用ホルダを出願している。

0004

特許文献1に開示される電気化学セル評価用ホルダでは、挟持部品である燃料ガス拡散板燃料極用集電体セル部、一対のセラミックス製のガスケット空気極用集電体空気ガス拡散板を積層し、燃料極側収容凹部と空気極側収容凹部とが対向するようにアルミナ製の燃料極側筐体と空気極側筐体とを突き合わせ挟持させた状態で、空気極側挿通孔セラミックバネを挿入し、燃料極側挿通孔から挿入したボルトナット締結固定して組立を行っている。

先行技術

0005

特開2013−105662号公報

発明が解決しようとする課題

0006

しかしながら、上述した特許文献1に開示される電気化学セル評価用ホルダは、単セル専用のホルダであり、複数の単セルがセパレータを介して積層されたSOFCスタックに対応していなかった。しかも、SOFCスタックは、その容量に応じてサイズも異なり、用途に応じた異なる容量(例えば700W〜2kW)のSOFCスタックごとに評価を行う必要がある。

0007

ところが、上述した特許文献1に開示されるホルダを採用した場合、評価対象のSOFCスタックを上下から挟み込んで所望の荷重をかけるには、SOFCスタックのサイズに合わせた固定式結合ボルトを用いるのが好ましいが、重量や高さがあるSOFCスタックを持ち上げてホルダにセットする際に結合ボルトが邪魔になり、セットアップに手間と時間を要するという問題がある。

0008

このため、組立・分解が容易で、異なる容量のSOFCスタックの評価に対応できるSOFCスタック評価用ホルダの提供が望まれていた。

0009

そこで、本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであって、組立・分解が容易で、異なる容量のSOFCスタックの評価に対応できるSOFCスタック評価用ホルダを提供することを目的としている。

課題を解決するための手段

0010

上記目的を達成するため、本発明の請求項1に記載されたSOFCスタック評価用ホルダは、固体酸化物形燃料電池からなる複数の単セルがセパレータを介して積層されたSOFCスタックと、
集電体が収容されたシール部材を介して前記SOFCスタックの上下面にそれぞれ配置される下集電板と上集電板からなる一対の集電板と、
前記一対の集電板の上下面にそれぞれ配置される下絶縁部材上絶縁部材からなる一対の絶縁部材と、
前記SOFCスタックに燃料ガスを供給するための燃料ガス供給管と、供給された燃料ガスを排出するための燃料ガス排出管と、前記SOFCスタックに空気ガスを供給するための空気ガス供給管と、供給された空気ガスを排出するための空気ガス排出管とが設けられ、外周部分に複数の欠切部を有し、前記下絶縁部材の下面に配置される第1のマニホールドと、
前記上絶縁部材の上面に配置される第2のマニホールドと、
ボルトと、セラミックバネと、前記第1のマニホールドの前記欠切部に着脱可能で前記ボルトが螺合するネジ穴部が形成された棒状の支持部材とからなる複数組固定部材と、を備え、
前記第1のマニホールドと前記第2のマニホールドとは、前記支持部材を前記第1のマニホールドの前記欠切部に係止し、前記セラミックバネを前記ボルトの軸部に挿入した状態で、前記ボルトを前記支持部材のネジ穴部に螺合して前記SOFCスタックを前記一対の集電板と前記一対の絶縁部材で挟むように前記複数組の固定部材により締付固定されることを特徴とする。

0011

本発明の請求項2に記載されたSOFCスタック評価用ホルダは、請求項1のSOFCスタック評価用ホルダにおいて、
前記一対の集電板は、前記SOFCスタックのサイズに合わせて着脱交換可能であり、
前記下集電板には、前記SOFCスタックのガス通過穴に対応して貫通孔が形成されていることを特徴とする。

0012

本発明の請求項3に記載されたSOFCスタック評価用ホルダは、請求項1のSOFCスタック評価用ホルダにおいて、
前記下絶縁部材の上面に配置される前記下集電板の下面には、導入される燃料ガスおよび空気ガスを予熱して前記SOFCスタックに導くための予熱流路が形成されていることを特徴とする。

0013

本発明の請求項4に記載されたSOFCスタック評価用ホルダは、請求項1のSOFCスタック評価用ホルダにおいて、
前記第1のマニホールドと前記下集電板との間には、導入される燃料ガスおよび空気ガスを予熱して前記SOFCスタックに導くための予熱流路が形成された予熱流路板が絶縁部材を介して設けられることを特徴とする。

0014

本発明の請求項5に記載されたSOFCスタック評価用ホルダは、請求項3または4のSOFCスタック評価用ホルダにおいて、
前記予熱流路の燃料極側には、粒状や粉末状の改質用触媒が設けられることを特徴とする。

発明の効果

0015

本発明によれば、組立・分解が容易で、異なる容量のSOFCスタックの評価にも対応できる。しかも、ホルダ外部からの荷重をかけないため、評価装置全体の小型化や簡易化が図れ、SOFCスタックのセットアップも容易に行うことができる。

図面の簡単な説明

0016

本発明に係るSOFCスタック評価用ホルダの概略構成を示す分解斜視図である。
(a),(b)SOFCスタックのサイズに合わせて着脱交換される集電板を含むSOFCスタック評価用ホルダのガスの流れを示す図である。
(a)本発明に係るSOFCスタック評価用ホルダの固定部材の取付前の状態を示す図、(b)固定部材の取付後の状態を示す図である。
集電板の一例を示す概略斜視図である。
集電板の他の例を示す概略斜視図である。
(a)集電板に形成される予熱流路の一例を示す図、(b)(a)のA−A線断面図である。
予熱流路板の一例を示す図であって、SOFCスタックより上部の構成を省略した概略図である。

実施例

0017

以下、本発明を実施するための形態について、添付した図面を参照しながら詳細に説明する。なお、添付する各図を参照した以下の説明において、方向乃至位置を示すために上、下、左、右の語を使用した場合、これはユーザが各図を図示の通りに見た場合の上、下、左、右に一致する。さらに、本明細書に添付する図面においては、図示と理解のしやすさの便宜上、適宜縮尺縦横の寸法比、形状などについて、実物から変更し模式的に表現される場合があるが、あくまで一例であって、本発明の解釈を限定するものではない。

0018

本発明に係るSOFCスタック評価用ホルダは、平板型セルを用いた固体酸化物形燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell :SOFC)からなる複数の単セルがセパレータを介して積層されたSOFCスタックの性能特性を評価する際に用いられるものである。

0019

図1に示すように、本実施の形態のSOFCスタック評価用ホルダ1は、評価対象となる立方体形状のSOFCスタック2を固定保持するもので、上下一対のシール部材3(3A,3B)、上下一対の集電体4(4A,4B)、上下一対の集電板5(5A,5B)、上下一対の絶縁部材6(6A,6B)、第1のマニホールド7、第2のマニホールド8、複数組の固定部材9を備えて概略構成される。以下、各構成について説明する。

0020

[SOFCスタック]
評価対象となるSOFCスタック2は、固体酸化物形燃料電池からなる板状の複数の単セルがセパレータを介して積層され、例えばボルトにより固定して一体化されたものである。

0021

SOFCスタック2の各単セルは、例えばYSZ/Niサーメットなどの燃料極と、例えば(La,Sr)MnO3 などの空気極との間に、例えばYSZ(イットリア安定化ジルコニア)やScSZ(スカンジア安定化ジルコニア)などの電解質を一体化して板状に構成される。

0022

SOFCスタック2の各セルには、図4に示すように、燃料ガスを導入するための燃料ガス導入口2aと、燃料ガスを排出するための燃料ガス排出口2bと、空気ガスを導入するための空気ガス導入口2cと、空気ガスを排出するための空気ガス排出口2dとが設けられる。なお、図4では、最上部の単セルに形成される燃料ガス導入口2a、燃料ガス排出口2b、空気ガス導入口2c、空気ガス排出口2dのみを図示している。

0023

なお、特に図示はしないが、各単セル間に設けられるセパレータには、隣接する単セル間で燃料ガスの導入/排出および空気ガスの導入/排出を行うための流路が形成されている。また、後述する燃料改質として、予熱流路5c,31aに改質用触媒を設けて水蒸気改質を行う場合には、燃料ガスとして都市ガスなどの炭素水素系の燃料に水蒸気を混ぜて導入される。さらに、部分酸化改質を行う場合には、燃料ガスに少量の酸素を添加して導入される。

0024

[シール部材]
一対のシール部材3は、ガス漏洩防止用として設けられるものであり、矩形枠状のガスケットで構成され、図1に示すように、矩形枠板状の下シール部材3Aと上シール部材3Bとからなる。

0025

下シール部材3Aは、SOFCスタック2の底面の電極面の外側に対面して配置される。具体的には、SOFCスタック2をセットしてSOFCスタック評価用ホルダ1を組み立てる際に、SOFCスタック2の最下部に位置する単セルの燃料極の下に対面して下シール部材3Aが配置される。

0026

下シール部材3Aの中央には、後述する下集電板4Aが収容される矩形状の開口孔3aが形成されている。

0027

下シール部材3Aには、燃料ガスの導入/排出および空気ガスの導入/排出を行うための貫通孔3bが形成されている。貫通孔3bは、SOFCスタック2の燃料ガス導入口2a、燃料ガス排出口2b、空気ガス導入口2c、空気ガス排出口2dそれぞれに対応して形成される。

0028

上シール部材3Bは、SOFCスタック2の表面の電極面の外側に対面して配置される。具体的には、SOFCスタック2をセットしてSOFCスタック評価用ホルダ1を組み立てる際に、SOFCスタック2の最上部に位置する単セルの空気極の上に対面して配置される。

0029

上シール部材3Bの中央には、後述する上集電板4Bが収容される矩形状の開口孔3cが形成されている。

0030

[集電体]
一対の集電体4は、高温で酸化しにくい貴金属である例えば金(Au)や白金(Pt)製の網などで構成され、図1に示すように、矩形板状の下集電体4Aと上集電体4Bとからなる。

0031

下集電体4Aは、下シール部材3Aと高さが等しくなるように、下シール部材3Aの開口孔3a内に配置される。また、上集電体4Bは、上シール部材3Bと高さが等しくなるように、上シール部材3Bの開口孔3c内に配置される。

0032

[集電板]
一対の集電板5は、SOFCスタック2が発生する電流収集するものであり、図1に示すように、矩形板状の下集電板5Aと上集電板5Bとからなる。

0033

下集電板5Aは、下シール部材3Aの開口孔3a内に配置された下集電体4Aと接触導通するように、下シール部材3Aに対面して配置される。

0034

下集電板5Aには、燃料ガスの導入/排出および空気ガスの導入/排出を行うための貫通孔5aが形成されている。貫通孔5aは、下シール部材3Aのそれぞれの貫通孔3bに対応して形成される。

0035

下集電板5Aには、例えばボルト締め溶接により棒板状の電流バーブスバー)を取り付けるための取付板11が設けられている。電流バー(ブスバー)は、SOFCスタック2から下集電体4A、下集電板5Aを介して電流を取り出すものである。

0036

なお、図示はしないが、下集電板5Aにおいて、SOFCスタック評価用ホルダ1の組立時に下シール部材3Aと対面する位置には、下集電体4Aと接触導通する電圧線12を取り付けるための細長溝が形成されている。

0037

上集電板5Bは、上シール部材3Bの開口孔3c内に配置された上集電体4Bと接触導通するように、上シール部材3Bに対面して配置される。

0038

上集電板5Bには、下集電板5Aと同様に、例えばボルト締めや溶接により棒板状の電流バー(ブスバー)を取り付けるための取付板13が設けられている。電流バー(ブスバー)は、SOFCスタック2から上集電体4B、上集電板5Bを介して電流を取り出すものである。

0039

なお、図示はしないが、上集電板5Bにおいて、SOFCスタック評価用ホルダ1の組立時に上シール部材3Bと対面する位置には、下集電板5Aと同様に、上集電体4Bと接触導通する電圧線14を取り付けるための細長溝が形成されている。

0040

また、一対の集電板5(5A,5B)は、図2(a),(b)に示すように、SOFCスタック2のサイズ(容量)に合わせて着脱交換可能である。SOFCスタック2は、サイズ(容量)が異なると、燃料ガス導入口2a、燃料ガス排出口2b、空気ガス導入口2c、空気ガス排出口2dの位置も異なる場合がある。この対策として、SOFCスタック2のサイズ(容量)を変えて評価を行う場合には、SOFCスタック評価用ホルダ1のセット時にSOFCスタック2のガス導入口2a,2cおよびガス排出口2b,2dの位置と一致する位置に貫通孔5aが形成された下集電板5Aに交換するとともに、この下集電板5Aと同サイズの上集電板5Bに交換する。

0041

なお、図2(a),(b)では、SOFCスタック2を挟み込むようにして設けられる一対のシール部材3(3A,3B)、一対の集電体4(4A,4B)、一対の集電板5(5A,5B)、一対の絶縁部材6(6A,6B)を省略している。

0042

[絶縁部材]
一対の絶縁部材6は、一対の集電板5とマニホールド7,8との間(下集電板5Aと第1のマニホールド7との間、上集電板5Bと第2のマニホールド8との間)の絶縁を図るものであり、図1に示すように、矩形板状の下絶縁部材6Aと上絶縁部材6Bとからなる。

0043

下絶縁部材6Aは、下集電板5Aと第1のマニホールド7Aとの間の絶縁を図るとともにガスシールの機能を兼用しており、下集電板5Aの下に対面して配置される。下絶縁部材6Aには、燃料ガスの導入/排出および空気ガスの導入/排出を行うための貫通孔6aが形成されている。貫通孔6aは、下集電板5Aのそれぞれの貫通孔5aと対応して形成される。

0044

上絶縁部材6Bは、上集電板5Bと第2のマニホールド7Bとの間の絶縁を図るものであり、上集電板5Bの上に対面して配置される。

0045

[第1のマニホールド]
第1のマニホールド(以下、下マニホールドと言う)7は、図1に示すように、下絶縁部材6Aの下に対面して配置され、SOFCスタック2に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給管21と、供給された燃料ガスを排出するための燃料ガス排出管22と、SOFCスタック2に空気ガスを供給するための空気ガス供給管23と、供給された空気ガスを排出するための不図示の空気ガス排出管とが設けられる。

0046

下マニホールド7には、図2(a)や図2(b)に示すように、燃料ガス供給管21から供給される燃料ガスを下絶縁部材6Aへ通過させるためのガス通過孔7aが形成されている。

0047

下マニホールド7には、図2(a)や図2(b)に示すように、下絶縁部材6Aからの燃料ガスを燃料ガス排出管22へ通過させるためのガス通過孔7bが形成されている。

0048

下マニホールド7には、図1に示すように、空気ガス供給管23から供給される空気ガスを下絶縁部材6Aへ通過させるためのガス通過孔7cが形成されている。

0049

なお、図示はしないが、下マニホールド7には、下絶縁部材6Aからの空気ガスを不図示の空気ガス排出管へ通過させるためのガス通過孔が形成されている。また、SOFCスタック2での反応後の空気ガスをSOFCスタック2の側面から排出する場合には、空気ガスの排出に関係する構成を省略することもできる。

0050

下マニホールド7の外周部分には、固定部材9の後述する支持部材9cの小径部が係止するU字状の欠切部25aを有する複数の係止部25が所定間隔で一体に形成されている。図1の例では、下マニホールド7の外周部分の前後左右対称に2箇所ずつ合計8箇所にU字状の欠切部25aを有する係止部25が突出形成されている。

0051

[第2のマニホールド]
第2のマニホールド(以下、上マニホールドと言う)8は、上絶縁部材6Bの上に対面して配置される。上マニホールド8の外周部分には、下マニホールド7の複数の取付部25に対応して、固定部材9の後述するセラミックバネ9bが装着されてボルト9aが挿通される凹部付きの挿通孔26aを有する複数の取付部26が所定間隔で一体に形成されている。図1の例では、上マニホールド8の外周部分の前後左右対称に2箇所ずつ合計8箇所に凹部付きの挿通孔26aを有する取付部26が突出形成されている。

0052

[固定部材]
複数組の固定部材9は、図1図3(a),(b)に示すように、ボルト9aと、セラミックバネ9bと、下マニホールド7に着脱可能な支持部材9cとからなる。なお、図3(a),(b)では、SOFCスタック2を挟み込むようにして設けられる一対のシール部材3(3A,3B)、一対の集電体4(4A,4B)、一対の集電板5(5A,5B)、一対の絶縁部材6(6A,6B)を省略している。

0053

支持部材9cは、円柱棒状に形成され、ボルト9aが螺合するネジ穴部9dが上端側に形成されている。また、支持部材9cの下端側には、下マニホールド7の係止部25の欠切部25aに係止する小径部9eが形成されている。さらに、支持部材9cには、熱電対を挿入して固定するための固定孔9fが形成されている。

0054

上記のように構成されるSOFCスタック評価用ホルダ1において、下マニホールド7と上マニホールド8とは、各支持部材9cの小径部9eを下マニホールド7の係止部25の欠切部25aに係止し、セラミックバネ9bを挿通孔26aの凹部に装着した状態で、ボルト9aの軸部をセラミックバネ9bに挿入し、各ボルト8aを支持部材9cのネジ穴部9dに螺合してSOFCスタック2を上下一対のシール部材3(3A,3B)、上下一対の集電体4(4A,4B)、上下一対の集電板5(5A,5B)、上下一対の絶縁部材6(6A,6B)で挟み込んでSOFCスタック2に所望の荷重がかかるように締付固定される。

0055

[各部品の材料について]
なお、各部品の材料について説明すると、一対の集電板5(5A,5B)、下マニホールド7、上マニホールド8、固定部材9のボルト9a、支持部材9cは、SOFC作動温度付近での安定性が必要であり、周辺治具からSOFCスタック2内への金属蒸気揮発等によりSOFCスタック2が正常に評価できなくなることを防止するため、例えばSUS系やZMG、インコネル、Croferなどの耐熱性、高温での耐蝕性が高い合金で構成される。

0056

なお、下マニホールド7、上マニホールド8、固定部材9のボルト9a、支持部材9cは、例えばアルミナ、窒化ケイ素などのセラミックで構成することもできる。

0057

また、一対のシール部材3(3A,3B)および一対の絶縁部材(6A,6B)は、通常のガスケット(樹脂製Oリング等)をSOFC作動温度で使用できないため、例えばバーミキュライトマイカアルミナファイバーなどの弾力性を有するセラミック材で構成される。

0058

さらに、固定部材9のセラミックバネ9bは、通常の金属製のバネでは高温でへたりが生じてSOFCスタック2への荷重が減少してしまうため、SOFC作動温度でもへたらずにSOFCスタック2に所望の荷重をかけられるセラミック製のバネが使用される。

0059

[SOFCスタック評価用ホルダの組立手順について]
次に、SOFCスタック2の性能特性を評価する場合のSOFCスタック評価用ホルダ1の組立手順について具体的に説明する。

0060

なお、特に図示はしないが、電気炉内の底部中央には、SOFCスタック評価用ホルダ1を設置するための取付台が配置されている。また、取付台の周囲には、SOFCスタック2に燃料ガスを導入するための燃料ガス導入管が電気炉の外からコイル状に引き回され、さらに燃料ガス導入管の周囲にはSOFCスタック2に空気ガスを導入するための空気ガス導入管が電気炉の外から燃料ガス導入管と同心状に引き回されている。

0061

SOFCスタック評価用ホルダ1を電気炉内に設置するにあたっては、まず、下マニホールド7を電気炉内の取付台上に設置する。そして、下マニホールド7の燃料ガス供給管21をコイル状の燃料ガス導入管に接続する。また、下マニホールド7の空気ガス供給管23をコイル状の空気ガス導入管に接続する。さらに、下マニホールド7の燃料ガス排出管22および不図示の空気ガス排出管を電気炉の外に引き出して配管する。

0062

次に、下マニホールド7の上に下絶縁部材6Aを位置合わせして設置し、数ヶ所を例えば瞬間接着剤で仮止めする。続いて、下集電板5Aを下絶縁部材6Aの上に位置合わせして設置し、数ヶ所を例えば瞬間接着剤で仮止めする。そして、下集電板5Aの細長溝に電圧線12をセットし、数ヶ所を例えば瞬間接着剤で仮止めする。

0063

次に、下シール部材3Aを下集電板5Aの上に位置合わせして設置し、数ヶ所を例えば瞬間接着剤で仮止めする。そして、下シール部材3Aの開口孔3a内に、電圧線12と下集電体4Aが触れるように下集電体4Aを設置する。このとき、下シール部材3Aと下集電体4Aの高さが等しくなるように、下集電体4Aを重ねて厚さを調整する。

0064

次に、評価対象のSOFCスタック2を、アノード(燃料極)側を下にして下シール部材3Aの上に位置合わせして設置する。続いて、上シール部材3BをSOFCスタック2の上に位置合わせして設置し、数ヶ所を例えば瞬間接着剤で仮止めする。そして、上シール部材3Bの開口孔3c内に、電圧線14と上集電体4Bが触れるように上集電体4Bを設置する。

0065

次に、上集電板5Bの細長溝に電圧線14をセットし、数ヶ所を例えば瞬間接着剤で仮止めする。そして、電圧線14が細長溝に固定されていることを確認した後、電圧線14側を下にして上シール部材3Bの上に上集電板5Bをセットする。

0066

次に、上シール部材3Bを上集電板5Bの上に位置合わせして設置し、数ヶ所を例えば瞬間接着剤で仮止めする。続いて、上マニホールド8を上シール部材3Bの上に位置合わせして設置し、数ヶ所を例えば瞬間接着剤で仮止めする。そして、固定部材9を用いて下マニホールド7と上マニホールド8との間を、トルクドライバを用いて固定部材9のボルト9aを手締めする。その際、SOFCスタック2に対して均等に荷重がかかるように、予め決められた順序(例えば図1の(1)→(2)→(3)→(4)→(5)→(6)→(7)→(8)の順序)でボルト9aを少しずつ締める。

0067

次に、上下一対の集電板5A,5Bと電流バーを位置合わせし、ネジ山焼付防止剤が塗布されたボルトで締結する。そして、SOFCスタック2に予め取り付けられているボルトを外し、例えばテスター等を用いて導通、絶縁の確認を行う。そして、電流バーと電圧線12,14を電子負荷に接続してSOFCスタック評価用ホルダ1の組立が完了する。

0068

[下集電板の他の形態について]
次に、図5および図6を参照しながら下集電板の他の形態について説明する。なお、図6(a)の矢印は燃料ガスおよび空気ガスの流れを示している。

0069

図5の下集電板5Cのシール部材3Aと対面する上面において、ガスが導入される貫通孔5aには、図5斜線で示すように、長溝5bが連通して形成されている。ここで言うガスが導入される貫通孔5aとは、シール部材3Aの開口孔3aを介してSOFCスタック2の燃料ガス導入孔2aに連通して流路を形成する貫通孔5aと、シール部材3Aの開口孔3cを介してSOFCスタック2の空気ガス導入孔2cそれぞれに接続して流路を形成する貫通孔5aである。

0070

また、下集電板5Cの下絶縁部材6Aと対面する下面には、導入された燃料ガスおよび空気ガスを予熱するため、図6(a)の斜線および図6(b)に示すように、長溝5bが形成された貫通孔5aと図1の下絶縁部材6Aの貫通孔6aとの間をジグザグ蛇行して連結するように長溝による予熱流路5cが形成されている。

0071

これにより、下マニホールド7の燃料ガス供給管21から供給される燃料ガスは、下マニホールド7のガス通過孔7aから絶縁部材6Aの貫通孔6aを通り、下集電板5Cの予熱流路5cにて予熱されて貫通孔5aに導かれ、貫通孔5aに連通する長溝5bからシール部材3Aの開口孔3aを介してSOFCスタック2の燃料ガス導入孔2aに導入される。

0072

また、下マニホールド7の空気ガス供給管23から供給される空気ガスは、下マニホールド7のガス通過孔7cから絶縁部材6Aの貫通孔6aを通り、下集電板5Cの予熱流路5cにて予熱されて貫通孔5aに導かれ、貫通孔5aに連通する長溝5bからシール部材3Aの開口孔3cを介してSOFCスタック2の空気ガス導入孔2cに導入される。

0073

なお、予熱流路5cは、下マニホールド7の燃料ガス供給管21から供給される燃料ガスと空気ガス供給管23から供給される空気ガスを個々に予熱するものであるが、導入されたガスをSOFCスタック2に導くにあたって、極力長い流路となるように下集電板5Cの下面に形成するのが好ましい。

0074

また、図6(a),(b)では予熱流路5cを下集電板5Cに形成する構成であるが、この構成に限定されるものではない。すなわち、上述した下集電板5Cの予熱流路5cと同じ機能を実現するため、図7の構成を採用することもできる。

0075

[予熱流路の他の形態について]
図7の構成では、予熱流路31aが形成された予熱流路板31を別体に構成し、燃料ガスの導入/排出および空気ガスの導入/排出を行うための貫通孔32aが形成された絶縁部材32を下集電板5Aの下面に配置し、ガスシールの機能を兼用する絶縁部材32と下絶縁部材6Aとの間に予熱流路板31を配置する。そして、下マニホールド7のガス通過穴7a,7bから下絶縁部材6Aの貫通孔6aを介して導入された燃料ガスおよび空気ガスを、予熱流路31aにて予熱して絶縁部材32の貫通孔32a、下集電板5Aの貫通孔5a、下シール部材3Aの貫通孔3aを介してSOFCスタック2の燃料ガス導入口2aおよび空気ガス導入口2cに導入する。

0076

[燃料改質について]
ところで、燃料電池における燃料改質は、都市ガスなどの燃料から水素を取り出す技術であり、その改質方法としては水蒸気改質と部分酸化改質がある。水蒸気改質では、都市ガスなどの炭化水素系の燃料に水蒸気を混ぜて、500℃以上の高温でRu(ルテニウム)などの貴金属触媒を通すと進行し、水素と二酸化炭素が生成される。なお、部分酸化改質では、燃料に少量の酸素を添加し、加熱すると一酸化炭素と水素が生成される。

0077

例えば図5および図6の下集電板5Cまたは図7の予熱流路板31において、予熱流路5cまたは予熱流路31a内に例えば粒状や粉末状の改質用触媒(例えばRu(ルテニウム)などの貴金属触媒)を詰め込む構成を採用すれば、ガスがSOFCスタック2に供給されるまでの距離を長くして上述した水蒸気改質による燃料改質を行うことができる。

0078

[効果について]
このように、本実施の形態によれば、SOFCスタック2を一対のマニホールド7,8(下マニホールド7、上マニホールド8)で挟み込む構造とし、固定部材9のセラミックバネ9bによる荷重を採用している。そして、一対のマニホールド7,8(下マニホールド7、上マニホールド8)は、図3(a),(b)に示すように、下マニホールド7に対して横から着脱可能な支持部材9cを下マニホールド7の欠切部25aに係止し、セラミックバネ9bをボルト9aの軸部に挿入した状態で、ボルト9aを支持部材9cのネジ穴部9dに螺合してSOFCスタック2を一対のシール部材3(3A,3B)、一対の集電板5(5A,5B)、一対の絶縁部材6(6A,6B)で挟み込んで所望の荷重がかかるように締付固定している。これにより、組立・分解が容易で、重量のあるSOFCスタックのセットアップや用途に応じた異なる容量(例えば700W〜2kW)のSOFCスタックの評価にも対応できる。しかも、ホルダ外部からの荷重をかけないため、評価装置全体の小型化や簡易化が図れ、SOFCスタックのセットアップも容易に行うことができる。

0079

また、図2(a),(b)に示すように、SOFCスタック2のサイズに応じて一対の集電板5(5A,5B)を交換すれば、所定範囲の容量(例えば700W〜2kW)のSOFCスタックの性能特性を標準的に評価することができる。

0080

さらに、図6(a),(b)に示すように、導入されるガス(燃料ガス、空気ガス)を予熱するための予熱流路5cを下集電板5Aの下面に形成すれば、予熱されたガスをSOFCスタックに導入することができる。また、図7に示すように、別体に構成された予熱流路板31を用いれば、必要に応じて導入されるガスの予熱を行うことができる。

0081

また、図6の下集電板5Aの予熱流路5cや図7の予熱流路板31の予熱流路31aに改質用触媒を設ける構成とすれば、燃料改質を行いながらSOFCスタックに対してガスの供給を行うことができる。

0082

以上、本発明に係るSOFCスタック評価用ホルダの最良の形態について説明したが、この形態による記述及び図面により本発明が限定されることはない。すなわち、この形態に基づいて当業者等によりなされる他の形態、実施例及び運用技術などはすべて本発明の範疇に含まれることは勿論である。

0083

1SOFCスタック評価用ホルダ
2 SOFCスタック
2a燃料ガス導入口
2b燃料ガス排出口
2c空気ガス導入口
2d 空気ガス排出口
3(3A,3B)シール部材
3a,3c開口孔
3b貫通孔
4(4A,4B)集電体
5(5A,5B,5C)集電板
5a 貫通孔
5b長溝
5c予熱流路
6(6A,6B)絶縁部材
6a 貫通孔
7 下マニホールド
7a,7b,7cガス通過穴
8 上マニホールド
9固定部材
9aボルト
9bセラミックバネ
9c支持部材
9dネジ穴部
9e小径部
9f固定孔
11,13取付板
12,14電圧線
21燃料ガス供給管
22燃料ガス排出管
23 空気ガス供給管
25係止部
25a 欠切部
26取付部
26a挿通孔
31 予熱流路板
31a 予熱流路
32 絶縁部材
32a 貫通孔

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