CN101427412A - 单室型固体氧化物燃料电池 - Google Patents

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Abstract

一种单室型固体氧化物燃料电池，将燃料极和空气极与固体氧化物电解质接合的固体氧化物燃料电池单元配置在发动机等燃烧废气的流路(燃料电池单元收纳部)内，使其位于从废气导入部向燃料电池单元收纳部导入并向废气排出部排出的高温燃烧废气的流动中，利用燃烧废气的热能加热固体氧化物燃料电池单元，将燃烧废气所包含的碳氢化合物和碳氧化物作为燃料气体使用来进行发电。

Description

单室型固体氧化物燃料电池
技术领域
本发明涉及单室型固体氧化物燃料电池。
背景技术
固体氧化物燃料电池(solid oxide fuel cell：SOFC)具备将燃料极(氢电极)和空气极(氧电极)与由固体氧化物构成的电解质接合(形成)的固体氧化物燃料电池单元(单元)。该燃料电池通过向单元中供给燃料气体和空气等而产生电力。由于该燃料电池在高温下动作，所以不使用贵金属也能够得到高输出和高发电效率。
然而，用隔板把燃料极和空气极隔开，向燃料极侧供给燃料气体、向空气极侧供给空气等所谓的双室型固体氧化物燃料电池由于具有隔板等而导致结构复杂。
与此相对，单室型固体氧化物燃料电池不用隔板将固体氧化物电解质中形成的燃料极和空气极隔开，而是配置在氢或甲烷等燃料气体和空气等混合的环境内来产生电力。
这种单室型固体氧化物燃料电池例如在日本特开2002-280015号公报、日本特开2002-280017号公报、日本特开2002-313357号公报所公开。
单室型固体氧化物燃料电池由于不需要隔板，所以能够实现结构简单且便宜的燃料电池。
但由于使用固体氧化物作为电解质的燃料电池在高温环境中产生电力，所以若不将单元配置于例如摄氏500度到1000度以上的高温环境中，则不产生电力。因此，现有的单室型固体氧化物燃料电池与双室型固体氧化物燃料电池同样地，需要用于实现高温环境的加热器等加热机构和使其动作的能量源，结构的简化受到限制。
在将单室型固体氧化物燃料电池与内燃机或外燃机等组合而构成能量源的混合系统中，需要内燃机等的燃料和燃料电池的燃料气体这两者。因此，结构变得复杂，导致制造成本、运行成本等上升。由于该混合系统需要对燃烧废气进行净化的装置，所以结构更加复杂，成本上升。
发明内容
因此，为了解决上述各问题，本发明提供一种单室型固体氧化物燃料电池，其不使用加热器等而能够实现用于使单元发电的高温环境(发电开始温度以上的高温环境)。
本发明的目的在于提供一种单室型固体氧化物燃料电池，其不使用内燃机等的燃料以外的燃料而能够利用燃料电池得到电力。
而且，本发明的目的在于提供一种能够以简单结构实现便宜的混合系统的单室型固体氧化物燃料电池。
另外，本发明的目的在于提供一种单室型固体氧化物燃料电池，优选能够净化内燃机等的燃烧废气，且能够进一步简化结构和降低成本。
为了达到上述目的，本发明的单室型固体氧化物燃料电池包括：导入燃烧废气的废气导入部；使从所述废气导入部导入的所述燃烧废气流经的燃料电池单元收纳部；将流经所述燃料电池单元收纳部的所述燃烧废气排出的废气排出部；配置在所述燃料电池单元收纳部的内部、且将燃料极和空气极与由固体氧化物构成的电解质接合的固体氧化物燃料电池单元。
因此，本发明的单室型固体氧化物燃料电池利用从废气导入部向燃料电池单元收纳部导入并向废气排出部排出的高温废气，将固体氧化物燃料电池单元加热到例如摄氏500度到1000度以上的发电开始温度以上。因此，不需要另外使用加热器等加热机构就能够利用所述燃料电池单元产生电力。
这样暴露在高温燃烧废气中的所述燃料电池单元的空气极与燃烧废气中的空气等进行反应，生成作为燃料电池进行动作所需要的离子(例如氧离子)。
生成的离子在所述燃料电池单元的固体氧化物电解质内从空气极向燃料极移动，在燃料极与燃烧废气所包含的CHx或COx等进行反应，生成二氧化碳(CO2)或水(H2O)。将如此生成的二氧化碳或水(水蒸气)与燃烧废气一并排出到外部。
因此，本发明的单室型固体氧化物燃料电池，能够减少燃烧废气所包含的甲烷气体等CHx(碳氢化合物)或一氧化碳等COx(碳氧化物)，净化燃烧废气。
这样，本发明的单室型固体氧化物燃料电池被燃烧废气的热能加热，将燃烧废气中的CHx或COx等作为燃料气体利用，从而作为燃料电池进行动作。此时，上述单室型固体氧化物燃料电池能够减少燃烧废气中的CHx或COx等，净化燃烧废气。
如上所述，根据本发明的单室型固体氧化物燃料电池，由于不使用加热器等而利用燃烧废气的热能来实现发电开始温度以上的高温环境，所以能够简化结构和降低成本。
根据本发明的单室型固体氧化物燃料电池，由于固体氧化物燃料电池单元使用例如内燃机等的燃烧废气来产生电力，所以能够实现混合系统的简单化和降低成本。
根据本发明的单室型固体氧化物燃料电池，由于固体氧化物燃料电池单元可净化例如内燃机等的燃烧废气，所以能够进一步实现混合系统结构的简单化和降低成本。
所述固体氧化物燃料电池单元包括：第一固体氧化物燃料电池单元，其配置在所述燃料电池单元收纳部的内部；第二固体氧化物燃料电池单元，其配置在所述第一固体氧化物燃料电池单元的所述燃烧废气流向的下游侧，且具有比所述第一固体氧化物燃料电池单元低的发电开始温度。
附图说明
图1是表示本发明一实施例的单室型固体氧化物燃料电池的剖面结构的一例的图；
图2是表示图1的实施例的变形例的图。
具体实施方式
以下，根据图1说明本发明一实施例的单室型固体氧化物燃料电池。
首先说明单室型固体氧化物燃料电池的结构。
单室型固体氧化物燃料电池10具有：废气流路部20和固体氧化物燃料电池单元30。废气流路部20具有：废气导入部21，其导入例如汽油发动机等发动机(未图示)的燃烧废气40；燃料电池单元收纳部22，其收纳固体氧化物燃料电池单元30并使燃烧废气40流经；废气排出部23，其排出流经燃料电池单元收纳部22内部的燃烧废气40。
固体氧化物燃料电池单元30例如具有形成长方形平板状的固体氧化物电解质31。固体氧化物电解质31的一个表面形成有空气极32，另一个表面形成有燃料极33。作为燃烧废气40，从发动机排出的燃烧废气40导入到废气导入部21。
接着说明固体氧化物燃料电池单元30的构成材料。
固体氧化物电解质31例如能够利用8mol-YSZ(氧化钇稳定化氧化锆)、5mol-YSZ、SDC(氧化钪掺杂二氧化铈)、GDC(钆掺杂二氧化铈)或ScSZ(氧化钪稳定化氧化锆)等形成。
空气极32例如能够利用LSM(ランタンストロンチウムマンガナイト：锰酸镧锶)或LSC(ランタンストロンチウムコバルタイト：钴酸锶镧)等形成。
燃料极33例如能够利用NiO+YSZ、NiO+SDC、NiO+GDC、LSCM(ランタンストロンチウムコバルトマンガナイト：锰酸镧锶结合钴酸锶镧)或FeO3等形成。
以下说明如上所述构成的单室型固体氧化物燃料电池10的作用。
从发动机排出的燃烧废气40中包含有CHx(碳氢化合物)、COx(碳氧化物)、空气等。若该燃烧废气40在摄氏500度到1000度的高温状态下从废气导入部21向废气流路部20导入，则固体氧化物燃料电池单元30被加热到发电开始温度以上的温度。
这样被加热的固体氧化物燃料电池单元30的空气极32由燃烧废气40中的空气生成氧离子(O2-)。该氧离子通过单元的固体氧化物电解质31内部而从空气极32向燃料极33移动。这样移动的氧离子在燃料极33与燃烧废气40所包含的CHx或COx进行反应，生成二氧化碳(CO2)或水(H2O)。因此，若在空气极32与燃料极33之间连接负载11，则利用氧离子而被搬运的电子从燃料极33(负电极)向空气极32(正电极)流动，向负载11供给电力。
即单室型固体氧化物燃料电池10能够利用发动机的燃烧废气40所具有的废热(热能)和CHx、COx，作为燃料电池进行动作并产生电力。因此，单室型固体氧化物燃料电池10除了接受燃烧废气40所包含的CHx或COx以外，不需要另外接受用于使其作为燃料电池进行动作的燃料气体的供给。另外，从废气导入部21导入的燃烧废气40所包含的CHx或COx利用在固体氧化物燃料电池单元30中进行的上述反应，生成二氧化碳或水(水蒸气)并从废气排出部23排出到外部。
将该单室型固体氧化物燃料电池10应用在汽车上，若将汽油发动机或柴油发动机等发动机的燃烧废气向废气流路部20导入，则该汽车也能够从单室型固体氧化物燃料电池10获得能量。其结果是，节省油耗，并且净化发动机的燃烧废气。
在此，也可以将单室型固体氧化物燃料电池10设置在汽车的消音器内。当然也可以将单室型固体氧化物燃料电池10应用在摩托车或汽车以外的各种车辆等中。
即只要将本发明的单室型固体氧化物燃料电池应用在以内燃机或外燃机作为动力源(能量源)的车辆或装置中，就能够使用燃烧废气来发电。因此，能够以简单的结构产生电力，节省油耗且净化燃烧废气。而且能够简化结构，也能够降低成本。
本发明的单室型固体氧化物燃料电池并不限定于上述实施例。
例如也可以在平板的一个面形成燃料极和空气极而构成固体氧化物燃料电池单元。也可以在形成为筒型的固体氧化物电解质的内周面和外周面形成燃料极(或空气极)和空气极(或燃料极)而构成固体氧化物燃料电池单元。
构成固体氧化物、燃料极和空气极的物质只要能够利用燃烧废气的温度成为发电开始温度即可，并不限定于上述实施例所列举的物质。
也可以在废气流路部内配置多个固体氧化物燃料电池单元，将各固体氧化物燃料电池单元电串联连接或并联连接，使其产生电力。
而且也可以使用发电开始温度高的第一固体氧化物燃料电池单元和发电开始温度比上述发电开始温度低的第二固体氧化物燃料电池单元。此时，也可以将第一固体氧化物燃料电池单元配置在燃烧废气流向的上游侧，并且将第二固体氧化物燃料电池单元配置在下游侧，将这些第一和第二固体氧化物燃料电池单元电串联连接或并联连接。
作为上述实施例的变形例，图2表示如上所述使用多个固体氧化物燃料电池单元的燃料电池。该变形例除了固体氧化物燃料电池单元是多个之外，与上述实施例相同，与上述实施例相同的部件使用相同的附图标记。
即在燃料电池单元收纳部22内，设置有与上述实施例同样结构的第一固体氧化物燃料电池单元30。在该第一固体氧化物燃料电池单元30的燃烧废气40流向的下游侧，与第一固体氧化物燃料电池单元30同样地设置有由固体氧化物电解质31’、空气极32’、燃料极33’构成的第二固体氧化物燃料电池单元30’。该第二固体氧化物燃料电池单元30’的发电开始温度比第一固体氧化物燃料电池单元30的发电开始温度低。
将这些第一固体氧化物燃料电池单元30和第二固体氧化物燃料电池单元30’串联连接，向负载11供给电力。
若使用如上所述的多个固体氧化物燃料电池单元，则能够从燃烧废气得到较多的电力，并且能够更有效地净化燃烧废气。另外，对应不同的配置位置，使发电开始温度不同，从而能够在更宽的温度范围内有效进行发电。
上述实施例和变形例使用发动机的燃烧废气来发电，但也可以使用来自发动机以外的燃烧装置的燃烧废气。

Claims (4)

1、一种单室型固体氧化物燃料电池，其特征在于，包括：
导入燃烧废气的废气导入部；
使从所述废气导入部导入的所述燃烧废气流经的燃料电池单元收纳部；
将流经所述燃料电池单元收纳部的所述燃烧废气排出的废气排出部；
配置在所述燃料电池单元收纳部的内部、且将燃料极和空气极与由固体氧化物构成的电解质接合的固体氧化物燃料电池单元。
2、如权利要求1所述的单室型固体氧化物燃料电池，其特征在于，将从内燃机或外燃机排出的燃烧废气作为所述燃烧废气导入到所述废气导入部。
3、如权利要求2所述的单室型固体氧化物燃料电池，其特征在于，所述固体氧化物燃料电池单元使所述燃烧废气所包含的碳氢化合物或碳氧化物的任一个或两个进行反应，生成二氧化碳或水的任一个或两个。
4、如权利要求1所述的单室型固体氧化物燃料电池，其特征在于，所述固体氧化物燃料电池单元包括：第一固体氧化物燃料电池单元，其配置在所述燃料电池单元收纳部的内部；第二固体氧化物燃料电池单元，其配置在所述第一固体氧化物燃料电池单元的所述燃烧废气流向的下游侧，且具有比所述第一固体氧化物燃料电池单元低的发电开始温度。
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