JP2001297783A - 固体電解質型燃料電池 - Google Patents

固体電解質型燃料電池

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JP2001297783A
JP2001297783A JP2000109196A JP2000109196A JP2001297783A JP 2001297783 A JP2001297783 A JP 2001297783A JP 2000109196 A JP2000109196 A JP 2000109196A JP 2000109196 A JP2000109196 A JP 2000109196A JP 2001297783 A JP2001297783 A JP 2001297783A
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Masahiro Kuroishi
正宏 黒石
Hiroyuki Nagaiwa
広幸 永岩
Susumu Aikawa
進 相川
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Toto Ltd
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Toto Ltd
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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    • Y02E60/50Fuel cells
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02P70/00Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 熱応力緩和のために分割された集電部材から
複数の集電ロッドにより電流を取り出す際に、反応室隔
壁を貫く箇所を減少させ、コストダウンを計り、さらに
耐久性・信頼性も向上させた円筒型セルタイプ固体電解
質型燃料電池を提供することを目的とする。 【解決手段】 複数の集電ロッドを1つの集電体に接続
し、この集電体から反応室外へ電流を取り出す構造とし
た。これにより、燃料ガスあるいは反応室内の熱などの
散逸を抑えている反応室隔壁を貫く箇所が減少し、部品
点数減少により製作費の低減、さらにメンテナンス性が
向上し、信頼性が向上する。

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。特に反応室からの電流取り出し部を改良し、
ガスシール性および断熱性を向上させ、さらに部品点数
の減少によりコストダウンも計った円筒型セルタイプの
固体電解質型燃料電池に関する。
【0002】
【従来の技術】T−SOFCは、特公平1−59705
等に開示されている固体電解質型燃料電池の一タイプで
ある。T−SOFCは、多孔質支持管−空気極−固体電
解質−燃料極−インターコネクタで構成される円筒型セ
ルを有する。空気極側に酸素(空気)を流し、燃料極側
にガス燃料(H2,CO等)を流してやると、このセル
内でO2-イオンが移動して化学的燃焼が起こり、空気極
と燃料極の間に電位が生じ発電が行われる。なお、空気
極が支持管を兼用する形式のものもある。
【0003】現状の代表的T−SOFCの構成材料、厚
さおよび製造方法は以下の通りである(Proc. of the 3
rd Int. Symp. on SOFC, 1993)。 支持管:ZrO2(CaO)、厚さ1.2mm、押し出
し 空気極:La(Sr)MnO3、厚さ1.4mm、スラ
リーコート 固体電解質:ZrO2(Y23)、厚さ40μm、EV
D インターコネクタ:La(Sr)MnO3、厚さ40μ
m、EVD 燃料極:Ni−ZrO2(Y23)、厚さ100μm、
スラリーコート−EVD
【0004】図2は従来の固体電解質型燃料電池の主要
部の縦断面図を示すものである。また図3は従来の固体
電解質型燃料電池セルの断面図を示すものである。セル
107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。セル107の断面は多層円筒状をして
おり、空気極161、固体電解質層163、燃料極16
5等の各層が積層されている。
【0005】セル107の各層の肉厚は数μm〜2mm
であり、それぞれ必要な機能(導電性、通気性、固体電
解質、電気化学触媒性等)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。このセル107の
内面に酸化剤(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などの燃料ガスを
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161と燃料極165との間に電
位差が生じ発電が行われる。
【0006】セル107内には、空気を通すための細長
い空気導入管104が通っている。空気導入管は、固体
電解質型燃料電池上部の空気分配器131から下に出て
セル107内に入り、その下端はセル107の底近くに
まで達している。この空気導入管の下端から、空気がセ
ル107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セル107内を上方に
向かい、セル107上端部からセル107外に出て排気
燃焼室137に至る。この排気燃焼室においては、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する。
【0007】セル107の外面には、固体電解質型燃料
電池下部の燃料供給室109から上方に向けて、燃料ガ
スが供給される。燃料ガスは、上述の発電反応に寄与し
つつセル107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
2O等)は、排気燃焼室137に入る。排気燃焼室で
燃焼した後の顕熱は、燃料電池に供給される空気及び燃
料ガスの余熱に用いられたり、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。
【0008】通常の固体電解質型燃料電池にあっては、
円筒セル1本における発電電圧は約1ボルトなので、多
数の円筒セルを直列に接続して所要の電圧を得る。その
為、組立性、メンテナンス性などを考慮し3本程度のセ
ル107を並列接続し、さらにこれらの並列セルを導電
部材108を介して直列接続し、両端に一対の集電部材
105を接続したセル集合体102を形成している。図
3では直列数6の場合を示しているが、必要な数だけ直
列接続することで十分な発電電圧を得ている。
【0009】次に、固体電解質型燃料電池におけるセル
107の電気的接続関係について説明する。セル集合体
102は必要な電位を得るために多数直列に接続され
る。さらに、多数直列接続されたセル集合体の端部で
は、集電部材105により集められた電力を外部へ供給
するために集電ロッド141により発電反応室から隔壁
103の外側へ取り出される。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】従来、集電ロッドは反
応室外へ露出するため、この部分で燃料ガスが反応室か
ら漏れないよう、あるいは空気が進入しないようにシー
ルする必要がある。さらに発電反応を行うためには発電
室はおよそ1000℃程度に保つ必要があるため、熱の
漏れを少なくするための断熱構造も必要となる。
【0011】さらに、集電部材105はセルとの線膨張
係数の差によりセルに加わる熱応力を緩和するために、
セル軸方向に分割されている。このため、集電ロッド1
41は集電部材の分割数分、設置されている。このた
め、先に述べたガスシール構造や断熱構造が分割数分、
必要になり、部品点数の増加によりコスト高になり、メ
ンテナンスも複雑になっている。
【0012】本発明は、上記課題を解決し、発電反応室
からの電力取り出し用集電ロッド141の数を最小限に
減少させ、ガスシール・断熱構造部を減少させコストダ
ウンを計り、メンテナンスも容易にできる円筒型セルタ
イプ固体電解質型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】上記課題解決するため、
第一の発明では、正極、負極それぞれの端部にある集電
部材において、複数に分割された各集電部材に接続され
た複数の第1の電流路としての集電ロッドを、反応室内
で、1つの第2の電流路としての集電体に接続し、この
集約された1つの集電体により、反応室内から電力を取
り出す構造とした、固体電解質型燃料電池を提供する。
【0014】本発明によれば、電流の取り出し箇所は、
正極、負極についてそれぞれ1カ所となり、ガスシール
部の数を従来よりの減少することができ、製作が容易と
なり、さらに信頼性、メンテナンス性向上する。
【0015】第二の発明では、複数に分割された各集電
部材に接続された複数の第1の電流路としての集電ロッ
ドから集約される1つの第2の電流路としての集電体ま
での間の第1の電流路としての集電ロッドの電流経路電
気抵抗をそれぞれ略同一に形成してなる、固体電解質型
燃料電池を提供する。
【0016】本発明によれば、電流を集約する際のロッ
ドの抵抗値の偏りが無くなると、電流が均等に流れるの
で、セル軸方向全体にわたって平均的に発電を行うこと
ができ、局所的に発電することによる異常昇温等がなく
セルの耐久性も向上する。
【0017】電気抵抗値Rは、断面を一様なるS、長さ
lの棒状体では、R=l/Sσで表わされる(ただし、
σは導電率)。各セルの電気抵抗値がそれぞれ略同一で
あるとすれば、本発明を達成する形態の一例としては、
電流路を形成する部材の長さ、断面積、導電率を調整し
て、電気抵抗値が各直列方向の電流路においてそれぞれ
同等になるようすることが考えられる。
【0018】
【発明の実施の形態】以下に図面を参照して本発明をよ
り具体的に説明する。図1は、本発明の一実施例を略示
する図であり、従来の図3の集電部材105と集電ロッ
ド141の部分を本発明の実施の形態にした場合の当該
部分を取り出して示したものである。従来の図3では集
電部材105の分割された部分に対しそれぞれ接続して
いた集電ロッド141を、本発明の実施の形態では、集
電部材1の分割された部分に対しそれぞれ集電ロッド
2、3、4、5を接続し、いったん集電体6に集め、こ
の集電体6から伸びる端子7により反応室隔壁を越えて
電流を取り出す構造とした。集電体6及び端子7による
電流の取り出し位置は必ずしも装置下部である必要はな
く、上部あるいは側面であっても構わない。
【0019】このような集電体6及び端子7を用いるこ
とで、反応容器隔壁(図示しない)を貫通する端子7は
正極・負極おのおの1カ所となり、燃料ガスの漏れを防
ぐシール構造、あるいは図示していないが反応室内の温
度を保つための断熱材等を貫通する場合の断熱構造がお
のおの1カ所となり、従来より簡略な装置となる。
【0020】また、図1のように、装置下部へ電流取り
出しを設けた場合に、分割された集電部材に接続したそ
れぞれの集電ロッドの材質および断面積を同一にする
と、下側の集電部材に接続した集電ロッドは上部のそれ
よりも長さが短くなり、電気抵抗が小さくなる。この場
合、セル集合体全体の電流はセル軸方向の下部に偏って
流れやすくなる。このため、セル全体で均等に発電が行
われる場合よりも発電量が低下し、また、セル下部での
発電反応が活発になるため、セルの下部で局所的に温度
が上昇し、セルの耐久性を低下させる。
【0021】そこで、分割された集電部材1に接続した
それぞれの集電ロッド2、3、4、5の材質および/あ
るいは断面積を調整することにより、集電体6と集電部
材1の間の複数の集電ロッド2、3、4、5の電気抵抗
を略同一にでき、これにより、セルの軸方向での電流の
偏りはなくなり、セル全体で均等に発電されるようにな
る。このため、セル全体での発電量が多くでき、耐久
性、信頼性も向上できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の燃料電池の1実施例を略示する図
【図2】 従来の集電構造による燃料電池の一実施例を
略示する図である。
【図3】 従来の燃料電池セルの実施例を略示する図で
ある。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】セル軸方向に分割された集電部材と、分割
    された各々の集電部材に接続された第1の電流路を持
    ち、当該第1の電流路を1つに集約し、反応室外へ取り
    出す第2の電流路を持つ、固体電解質型燃料電池。
  2. 【請求項2】セル軸方向に分割された集電部材と、分割
    された各々の集電部材に接続された第1の電流路を持
    ち、当該第1の電流路を1つに集約し、反応室外へ取り
    出す第2の電流路を持ち、前記第1の電流路の各電気抵
    抗を略同一にして成る、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
WO2003023886A1 (fr) * 2001-09-06 2003-03-20 Toto Ltd. Pile a combustible a electrolyse monobloc
JP5140787B1 (ja) * 2011-12-19 2013-02-13 日本碍子株式会社 空気極材料、インターコネクタ材料及び固体酸化物型燃料電池セル
JP5178957B1 (ja) * 2011-12-19 2013-04-10 日本碍子株式会社 空気極材料及び固体酸化物型燃料電池セル

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