JP2000058087A - 円筒型セルタイプ固体電解質型燃料電池 - Google Patents

円筒型セルタイプ固体電解質型燃料電池

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JP2000058087A
JP2000058087A JP10234894A JP23489498A JP2000058087A JP 2000058087 A JP2000058087 A JP 2000058087A JP 10234894 A JP10234894 A JP 10234894A JP 23489498 A JP23489498 A JP 23489498A JP 2000058087 A JP2000058087 A JP 2000058087A
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cell
fuel
cylindrical
porous body
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JP10234894A
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Takaharu Nakayama
貴晴 中山
Hiroaki Tajiri
浩昭 田尻
Masahiro Kuroishi
正宏 黒石
Hiroaki Takeuchi
弘明 竹内
Akio Ikehata
昭夫 池端
Masanobu Aizawa
正信 相沢
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Toto Ltd
Kyushu Electric Power Co Inc
Original Assignee
Toto Ltd
Kyushu Electric Power Co Inc
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 円筒型セルの集積された発電室内へのガス供
給を均一化することにより発電性能を向上させた固体電
解質型燃料電池を提供する。 【解決手段】 本発明の燃料電池は、発電室2の下部
に、セラミックボールを積層した整流層23を設置し
た。これにより、燃料ガスをセルに均一に流すことが可
能となり、高性能な燃料電池の作成が可能となった。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、円筒型セルタイプ
の固体電解質型燃料電池(以下T−SOFCともいう)
に関する。特に燃料ガス及び酸化剤ガスをセル集合体内
に均一に供給できるコンパクトな整流層を備え、より発
電性能を向上させたT−SOFCに関する。
【0002】
【従来の技術】図4は、従来知られている代表的なT−
SOFCの構造を模式的に示す図である。(A)は側面
断面図、(B)は平面断面図である。このT−SOFC
1′の中枢部分である円筒型セル集合体3は、ケーシン
グ13内の発電室2内に納められており、細長い円筒状
(寸法例、直径13mm×発電有効長500mm)の多数の
円筒型セル7から構成されている。円筒型セル7は、上
端開放・下端閉(有底筒状)のセラミックチューブであ
る。円筒型セル7の断面は多層円筒状をしており、空気
極、固体電解質層、燃料極、インターコネクタ等の各層
(図示されず)が積層されている。セル7は、そのボト
ム19において、セラミック台41上に置かれている。
セラミック台41は、ケーシング13の底板25上に置
かれている。
【0003】円筒型セル7の各層の肉厚は数μm 〜1.
5mmであり、それぞれ必要な機能(導電性、通気性、固
体電解質、電気触媒性等)を有する酸化物を主成分とす
るセラミックス材で形成されている。この円筒型セル7
の内面に酸化剤ガス(空気や酸素リッチガス等、以下空
気という)を流し、外面にH2 、CO、CH4 等の燃料
ガスを流すと、このセル内でO2-イオンが移動して電気
化学的反応が起こり、空気極と燃料極との間に電位差が
生じ発電が行われる。なお、円筒型セル7の内外関係は
逆であってもよい。
【0004】円筒型セル7内には、空気を通すための細
長い空気導入管5が通っている。空気導入管5は、燃料
電池1′上部の空気分配器(図示されず)から下に出
て、円筒型セル7内に入り、その下端はセル7の底近く
にまで達している。この空気導入管5の下端から、空気
が円筒型セル7の底に供給される。セル底に供給された
空気は、上述の発電反応に寄与しつつチューブ内を上方
に向かい、セル7上端部からセル外に出て排気燃焼室8
に至る。この排気燃焼室8においては、後述する燃料ガ
ス排気と空気排気とが混合され、排気中の未反応の酸素
と燃料が燃焼(一般的な燃焼)する。
【0005】円筒型セル7の外面には、燃料電池1′の
下部の燃料供給室20から上方に向けて燃料ガスが供給
される。なお、燃料ガスは燃料供給管27から燃料供給
室20内に入る。燃料ガスは、上述の発電反応に寄与し
つつセル7外を上方に向かい、未反応部分の燃料ガス
と、セル部での電気化学的燃焼反応生成物(CO2 、H
2 O等)は、上述の排気燃焼室に入る。この排気燃焼室
で燃焼した後の排ガスの顕熱は、燃料電池に供給される
空気及び燃料ガスの予熱に用いられたり、あるいは、通
常の蒸気ボイラー・タービンを用いる発電システムに送
られて発電に利用される。
【0006】次に、図4の燃料電池1′における円筒型
セル7の電気的接続関係について説明する。図4(B)
に示されているように、図の左右方向に4列に並んでい
る円筒型セル7は、互いに電気的に直列に接続されてい
る。すなわち、右側の円筒型セルのインターコネクタ1
5がその左側の外面(外面電極、この場合燃料極)にN
iフェルト17を介して接続されている。通常の燃料電
池にあっては、円筒型セル1本における発電電圧は約1
ボルト程度であるので、多数の円筒型セルを直列に接続
して所要の電圧を得る。円筒型セル集合体の最外列の外
側には、集電板9、9′が、Niフェルト11、11′
を介して、円筒型セル7に接続されている。この集電板
9から、セル集合体1で発電された電力を外部へ取り出
す。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】図4のような従来の固
体電解質型燃料電池にあっては、発電室20内における
各セル7への燃料供給が不均一となる問題があった。す
なわち、周辺部(ケーシング13寄り)に優先的に燃料
が流れ、中央部のセルに十分な燃料が供給されないので
ある。そのため、中央部のセルの発電性能が十分に出
ず、その結果燃料電池全体の出力も低くなっていた。
【0008】この問題を定量的に把握するため、次のよ
うな実験を行った。 使用燃料電池 :図4に示されている3×4列のセルを有するもの。 空気極材質 :LaSrMnO3 インターコネクタ材質:LaCaCrO3 電解質 :Y23 安定化ZrO2 (YSZ) 燃料極材質 :Ni+YSZ
【0009】 ガス供給温度:1000℃ 酸化剤 :空気、10リットル/分・セル 燃料 :加湿水素、供給量0.6リットル/分・セル 燃料利用率 :80% 電流密度 :0.3A/cm2 なおここで、燃料利用率とは、取り出す電流に必要な燃
料の量の理論値(f1)と実際に流した燃料の量(f
2 )を用いて次式で定義した。 燃料利用率=(f1 /f2 )×100(%)
【0010】このような条件で燃料電池を運転しながら
以下を測定した。 各セルの発電電圧:図4(B)に模式的に示されている
1 〜V4 各セルの温度: 同じくT1 〜T4 なお、各値の添字1、4は周辺部のセルにおける値であ
ることを表し、添字2、3は中央部のセルにおける値で
あることを表す。
【0011】図5は、上述の従来の燃料電池における各
セルの発電電圧及び温度測定データを表すグラフであ
る。図5(a)の電圧を示すグラフも、図5(b)のセ
ル温度を示すグラフも、いずれも中凹のグラフになって
いる。これは、周辺部のセルにおける電気化学的反応
が、中央部のセルにおけるそれよりも活発であることを
示している。その原因が上述の燃料の不均一供給にある
のである。
【0012】本発明は、円筒型セルの集積された発電室
内へ燃料ガス等を均一に供給できるコンパクトな整流層
を備え、より発電性能を向上させたT−SOFC燃料電
池を提供することを目的とする。
【0013】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明の円筒型セルタイプ固体電解質型燃料電池
は、 多層円筒状に積層された空気極、固体電解質層、
燃料極、及び、インターコネクタを有する複数の円筒型
セルの集合体を備え、 該セルの外周部が酸化剤ガス又
は燃料ガスの流路をなしており、 上記流路にガスを供
給するガス供給部に整流層を設け、 上記セル集合体内
のガス流路におけるガス流速のバラツキを5%以内とし
たことを特徴とする。
【0014】ガス供給部からは、円筒型セル外周部に空
気又は燃料ガスが供給される。このとき、ガス供給部内
のセラミックボール等からなるガス整流層は、ガスを均
一に分散・整流してセル集合体におくる役割を果たす。
【0015】ここで、上記セル集合体内のガス流路にお
けるガス流速のバラツキは5%以内が好ましく、±3%
以内がより好ましい。本発明者らの研究によれば、その
範囲内でSOFCの発電性能・耐久性を良好に維持でき
る。
【0016】整流層の厚さは40mm以上が好ましく、5
0mm以上がより好ましい。図2は、セル集合体内のセル
外周のガス流路の流速の分布状況を示すグラフである。
縦軸は、12箇所の測定点のうち、流速が平均の±3%
以内に収まった点の割合を示す。横軸は、整流層として
のアルミナボール(径3mm)の層の厚さを示す。グラフ
中のプロット図形の丸は平均流速51×10-3m/sの
場合を示し、正方形は平均流速25×10-3m/sの場
合を示す。
【0017】図2から明らかなように、流速分布の均一
度は流速の絶対値にはあまり関係しない。そして、整流
層厚40mmもあれば、ほとんど良好な流速分布が得られ
る。整流層厚50mm以上であれば±3%内の均一度の割
合は100%である。
【0018】ところで、整流層の厚さが厚くなると燃料
電池の装置寸法が大きくなって好ましくない。また製造
費も高くなる。そこで、上記本発明者らの知見に従い、
整流層の厚さは150mmあるいは200mm以下とするこ
とが好ましい。
【0019】
【発明の実施の形態】図1は、本発明の1実施例に係る
円筒型セル型の固体電解質型燃料電池の発電室内を示す
側面断面図である。図4の従来の燃料電池と同様の部位
は同じ符号で示されている。図1の燃料電池1の特徴
は、発電室2の下部に、セラミックハニカム21とセラ
ミック連続多孔体23とが設置されていることである。
すなわち、燃料供給室20内の下側には、ケーシング底
板25上に、セラミック連続多孔体23が置かれてい
る。セラミック連続多孔体23は、その左右及び奥行寸
法が、燃料供給室(ガス供給部)20の内側寸法より少
々小さい程度で、両者間のスキマは、微少である。
【0020】セラミック連続多孔体23の上面には、セ
ラミックハニカム21が、厚さが一定の層をなすように
設置されている。ハニカム21の穴の方向は上下方向と
なっている。ハニカム21の左右、奥行寸法、及び、ハ
ニカム21と燃料供給室20の壁面とのスキマについて
は、上述のセラミック連続多孔体23の場合と同様であ
る。なお、ハニカム21と連続多孔体23の上下関係は
逆であってもよい。
【0021】図1の燃料電池を用いて、以下の条件で発
電実験を行った。発電実験A セル寸法、セル各部材質:前述の従来例と同じ ガス供給温度、酸化剤・燃料の種類・流量、電流密度:
前述の従来例と同じ 整流層:アルミナボール(径3mm) 厚さ50mm セラミックハニカム:コージエライト、穴寸法1.2m
m,厚さ30mm 燃料:加湿水素、供給量0.6リットル/分・セル、利
用率80%
【0022】図3は、図1に示されている本発明の1実
施例に係るT−SOFCを、加湿水素を燃料として運転
した場合における各セルの発電電圧及び温度を示すグラ
フである。発電電圧及び温度の測定位置は図4(B)に
示されている従来例の場合と同じである。
【0023】図3においては、電圧、温度とも、中央部
のセルと周辺部のセルでほとんど差はなく、燃料ガスが
各セルに均一に供給されていることが示されている。こ
れらの結果より、セル下部に連続空孔を有する多孔体、
ハニカムなどを用いることで燃料ガスをセルに均一に流
すことが可能となり、高性能な燃料電池を作成可能とな
ることが明らかになった。
【0024】
【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、セル下部に連続空孔を有する多孔体、ハニカ
ムなどの整流層を配置することで燃料ガスをセルに均一
に流すことが可能となり、高性能な燃料電池の作製が可
能となった。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の1実施例に係る円筒型セル型のT−S
OFCの発電室内を示す側面断面図である。
【図2】セル集合体内のセル外周のガス流路の流速の分
布状況を示すグラフである。
【図3】図1に示されている本発明の1実施例に係るT
−SOFCを、加湿水素を燃料として運転した場合にお
ける各セルの発電電圧及び温度を示すグラフである。
【図4】従来知られている代表的なT−SOFC1′の
構造を模式的に示す図である。(A)は側面断面図、
(B)は平面断面図である。
【図5】上述の従来の燃料電池における各セルの発電電
圧及び温度測定データを表すグラフである。
【符号の説明】
1′ 燃料電池 2 発電室 3 円筒型セル集合体 5 空気導入管 7 円筒型セル 9 集電板 11 Niフェルト 13 ケーシング 15 インターコネクタ 17 Niフェル
ト 19 ボトム 20 燃料供給室 21 セラミックハニカム 23 整流層 25 ケージング底板 27 燃料供給管 41 セラミック台
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 田尻 浩昭 福岡市南区塩原2丁目1番47号 九州電力 株式会社総合研究所内 (72)発明者 黒石 正宏 福岡県北九州市小倉北区中島2丁目1番1 号 東陶機器株式会社内 (72)発明者 竹内 弘明 福岡県北九州市小倉北区中島2丁目1番1 号 東陶機器株式会社内 (72)発明者 池端 昭夫 福岡県北九州市小倉北区中島2丁目1番1 号 東陶機器株式会社内 (72)発明者 相沢 正信 福岡県北九州市小倉北区中島2丁目1番1 号 東陶機器株式会社内 Fターム(参考) 5H026 AA06 CV02 HH03 HH05 5H027 AA06

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 多層円筒状に積層された空気極、固体電
    解質層、燃料極、及び、インターコネクタを有する複数
    の円筒型セルの集合体を備え、 該セルの外周部が酸化剤ガス又は燃料ガスの流路をなし
    ており、 上記流路にガスを供給するガス供給部に整流層を設け、 上記セル集合体内のガス流路におけるガス流速のバラツ
    キを5%以内としたことを特徴とする円筒型セルタイプ
    固体電解質型燃料電池。
  2. 【請求項2】 上記整流層の厚みを40mm以上としたこ
    とを特徴とする請求項1記載の円筒型セルタイプ固体電
    解質型燃料電池。
  3. 【請求項3】 上記整流層がセラミックスボールを充填
    したものあるいは多孔体であることを特徴とする請求項
    1又は2記載の円筒型セルタイプ固体電解質型燃料電
    池。
  4. 【請求項4】 上記整流層の厚さが40〜200mmであ
    ることを特徴とする請求項1記載の円筒型セルタイプ固
    体電解質型燃料電池。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008282792A (ja) * 2007-04-11 2008-11-20 Hitachi Ltd 燃料電池発電システム
KR101323234B1 (ko) * 2011-09-30 2013-10-30 한국에너지기술연구원 연료전지의 번들 모듈
KR20200072940A (ko) * 2018-12-13 2020-06-23 재단법인 포항산업과학연구원 고체산화물 연료전지용 분배 플레이트 및 이를 포함하는 고체산화물 연료전지

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