JP2004247232A

JP2004247232A - 高温固体酸化物形燃料電池

Info

Publication number: JP2004247232A
Application number: JP2003037764A
Authority: JP
Inventors: Shigeyoshi Kobayashi; 成嘉小林; Shoji Ito; 昌治伊藤; Mitsuyo Takahashi; 三餘高橋; Hirohide Furuya; 博秀古谷
Original assignee: Hitachi Ltd; National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: Hitachi Ltd; National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2003-02-17
Filing date: 2003-02-17
Publication date: 2004-09-02

Abstract

【課題】燃料または空気が、電池内でリターンフロータイプとなる円筒形電池セルのセル単体での交換が可能な高温固体酸化物形燃料電池の提供。
【解決手段】一端が閉止された円筒状の電解質管５に開放側の一端から燃料または空気を供給する管が挿入され、該挿入管と電解質管の内面に塗布された電極面とは１つ以上の電気伝導材で接合されることで、この電気伝導材と挿入管表面部分が電池内面の集電経路を構成し、挿入管内に供給された燃料または空気は電解質管５の閉止端９近傍まで導かれた後、挿入管と電解質管の間に形成される環状部に流入し、挿入管内の流れとは逆向きに電解質管５の開放端へ向かって流れ、挿入管へ供給された未反応の燃料または空気がセル外２４へ流出し、電池セルの内外面からの電流取り出し構造１２，１３を備えた単セルを個別に取り外し可能な構成とした高温固体酸化物形燃料電池。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は高温固体酸化物形燃料電池、特に、燃料または空気が電池内でリターンフロータイプの円筒形電池セルに係わり、電池セル単体での交換が可能な電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の燃料電池では、インターコネクト方式の電流取り出し構造が採用され、複数の電池セルが、各インターコネクト部で相互に接触したモジュール構造となっている。そのため、接触部分の抵抗を低減するために、外部から何らかの力が加え、接触に伴う電気抵抗の低減を図っている。
【０００３】
また、燃料または空気の燃料電池セルへの供給方法がワンスルーの場合、供給された流体をセル外部の高温流体と分離するためには、セル出口部で外部の流体と混合しないシール構造が必要となり、セル両端での支持構造となる。
【０００４】
セルからの電流取り出し方法がインターコネクト方式でない場合には、各セル毎に正負両極からの電流取り出し線を設けなければならず、円筒形セルでは取り出し部、特に、外表面からの取り出し部は燃料または空気供給用のヘッダー部のシールが必要となる。
【０００５】
特許文献１では、複数のスタックから電流取り出し用のリード線の取り付け方法が示されている。この電池構造，リード線方式では、スタックの電気的な結線は並列にしか構成できず、単セルで発生する電圧以上の電圧を得ることは難しい。しかも、リード線が電池を構成する電極の端部、および、中心の１点のみに取り付けられているため、電極内で発生する電流は電気抵抗の大きな電極内を電極厚さに比較し、１桁以上長い距離を移動することになり、大きな電圧損失を発生することになる。
【０００６】
【特許文献１】
特開平６−２０３８６９号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
インターコネクト方式では、モジュール毎に１つの連携した構造物として取り扱う必要があり、モジュール内の１つが不良となった場合、モジュール全体を交換しなければならない。しかも外部からの力が加えられているため、起動時などのように急激な温度変化が加わる場合には、セル単体の内部温度分布に伴い熱応力が発生する。
【０００８】
これに外部からの力によって発生する応力が重なり、複雑な応力発生となるために、大きな応力が発生しないような、ゆっくりとした温度上昇が必要となる。
【０００９】
セルへの燃料または空気の供給に際しては、強度的な面でのサポートと、燃料または空気を外部へ漏らさないためのシール性が要求される。
【００１０】
ガスヘッダーへのセル取付部を接着剤でシールした場合、セラミックスと金属との接合のため、不良セルを単独で取り替えるには、この接合部を分離しなければならない。しかし、再利用可能な状態での分離が困難なために、モジュール全体の交換が必要となる。
【００１１】
また、セルへの流体の供給がワンスルーの場合、入口側のシールのみならず、出口側についてもシールが必要となり、セルの両端が固定される。これにより、大きな熱応力発生の要因となる。同時に、セルを交換する際には、シール部が入口，出口の２ヶ所となるため、モジュール全体を分解して交換した後、再組立てとなり、使い勝手，特に、保守性の点で必ずしも良好とは云えない。
【００１２】
本発明は上記に鑑み、外部からの力による応力の発生が小さく、セルへの燃料または空気の供給をリターンフロー方式とすることで、セルの一端を固定し、シールするだけで運転できる高温固体酸化物形燃料電池の提供にある。
【００１３】
また、各セル毎に電流取り出し構造を備えることにより、保守性，使い勝手が良く、単独でのセル交換が可能で、急速起動時にも熱応力の発生が小さく、かつ、信頼性の高い高温固体酸化物形燃料電池の提供にある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記に対し、本発明の要旨は次ぎのとおりである。
【００１５】
安定化ジルコニア等を電解質とし、その両面にＬａ／Ｓｒ／ＭｎＯ_３のようなペロブスカイト型酸化物、Ｎｉ，Ｃｏ，貴金属などの電極材などから構成される高温固体酸化物形燃料電池において、
一端が閉止された円筒状の電解質管に開放側の一端から燃料または空気を供給する管が挿入され、該挿入管と電解質管の内面に塗布された電極面とは１つ以上の電気伝導材で接合されることで、この電気伝導材と挿入管表面部分が電池内面の集電経路を構成し、挿入管内に供給された燃料または空気は電解質管の閉止端近傍まで導かれた後、挿入管と電解質管の間に形成される環状部に流入し、挿入管内の流れとは逆向きに電解質管の開放端へ向かって流れ、挿入管へ供給された未反応の燃料または空気がセル外へ流出し、電池セルの内外面からの電流取り出し構造を備えた単セルを個別に取り外し可能な構成とした高温固体酸化物形燃料電池にある。
【００１６】
即ち、円筒形状単セルの電解質管の一端を閉止し、開放端から燃料または空気供給管を挿入、または、電解質管の断面を複数の空間に分割し、セル内の流体の流れをリターンフロー流れにし、電池内部の電極面と挿入管、複数に分割された空間との間に電流取り出し経路を構成するインターコネクトレス法式とすることにより、セルを一端で支持し、シールすることができる。
【００１７】
さらに、電極表面に多孔質の電気良導体層を設置する２層電極とすることで、電池反応部で発生する電流の流れを１層目の電極厚さ方向への抵抗とすることができ、内部抵抗の小さなインターコネクトレス方式となる。
【００１８】
これにより電池モジュールの高性能な運転が可能となり、大きな熱応力の発生が無い高温固体酸化物形燃料電池を提供できる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
〔実施例１〕
図１は、本発明による高温固体酸化物燃料電池の単セルの構造の一例を示す模式断面図である。
【００２０】
単セル１は円筒形状で、部分安定化ジルコニアＹＳＺを材料とする電解質管５の一端が、閉止部９で閉止されている。その内面にニッケルをベースとする燃料極側電極２０が、外面にはＬａ／Ｓｒ／ＭｎＯ_３系などの空気極側電極１０が設けられ、電解質との間に界面を形成している。
【００２１】
図１では、燃料供給管が燃料極側の電流取り出し構造を兼用した燃料供給兼電流取り出し管２２を形成しており、Ｎｉなどの金属管で構成される。
【００２２】
この燃料供給管には、メタン、ブタン、プロパンなどの炭化水素系燃料、あるいは、それらの混合ガスである天然ガス、また、最近注目されている合成燃料、例えば、ジメチルエーテル、ガソリンなどの液体燃料を燃料として供給することができる。もちろん水素を燃料として使用することも可能である。
【００２３】
燃料極とこの燃料供給管とは図１のＡ矢視図に示すように、Ｎｉ薄板でロー付けなどにより接合され、この部分を通して電極から外部へ電流を取り出す。
【００２４】
空気極側電極１０からの電流は、空気極側集電部１１から空気極側電流取り出し部（リード線）１３に、空気極側電流取り出し接続部１２を介して外部へ取り出される。
【００２５】
これらの集電，取り出し部は、銀，Ｎｉ−Ｃｒ，ＮｉあるいはＮｉｍｏｎｉｃなどの材料で形成された線または板で、これらはメッキ，溶射，蒸着などによって形成することができる。
【００２６】
燃料供給兼電流取り出し管２２の一端には、燃料供給管鞘部材３０が接合部３３で燃料供給兼電流取り出し管２２の外側に接合されている。
【００２７】
上記の燃料供給管鞘部材３０はセラミックス、金属製の何れでもよく、セラミックスの場合には、直接、鞘部材３０の電流取り出し口から空気極側電流取り出し部（リード線）１３で空気極側の電流を取り出すことができる。
【００２８】
また、金属製の場合には、燃料供給管鞘部材３０に絶縁加工、例えば、セラミックスチューブまたはセラミックス溶射などにより電気的に絶縁し、その空間をセラミックス系の接着剤を充填することで、電気的短絡やシール上の問題も無く取り出すことができる。
【００２９】
また、燃料供給管鞘部材３０と燃料供給兼電流取り出し管２２との接合には、金属／セラミックスの場合にはセラミックス系接着剤またはロー付け、拡散接合などの方法がある。
【００３０】
単セル１は、燃料供給管鞘部材３０によりセル支持板（図示省略）に取り付けられ、流入燃料２３をセルに供給し、セル内で、未反応燃料２４をセル外へ排出され、酸化剤となる高温空気１４とを分離する。
【００３１】
固体高温酸化物形燃料電池の運転は、７００〜１０００℃の範囲で可能であるが、材料の信頼性，電池性能，原動機等との組合せによるハイブリッドシステム等を考慮すると、８００〜９００℃での運転が好ましい。
【００３２】
このような温度領域で使用される際には、前記のような構造とすることで、単セルが壊れた場合に、壊れた単セルのみを交換することができ、モジュール全体を交換する場合に比べて、保守費用の低廉化を図ることができる。しかも、燃料供給兼電流取り出し管２２に供給された燃料は、単セル内を供給管内とは逆方向に電気化学反応させながら流れる。
【００３３】
これにより、未反応燃料成分２４が燃料供給側に排出されるため、一方向からのみのモジュールの分解，組み立てが可能となり、単セルを交換を容易にすることができる。
【００３４】
また、未反応燃料２４は再度、燃料としてセルに供給できる以外に、酸化剤となる空気の予熱用燃料として使用することもでき、要求仕様に合わせて燃料電池の高効率化を図ることができる。
【００３５】
〔実施例２〕
図２は図１に示すリターンフローセル構造の他の実施例で、電解質管を複数の空間に分割したリターンフロー型インターコネクトレス方式高温固体酸化物形燃料電池セルの模式断面図である。
【００３６】
電解質管の断面を複数の空間に分割された内のいずれかの空間を燃料または空気供給流路とし、その流路出口部に分割された空間を連結するセル内ヘッダー２５を設ける。このヘッダーからの流体は、供給流路とは逆方向に電気化学反応をしながらセル内を流れ、セル外へ反応生成物の流れ，未反応燃料２４または未反応酸化剤を排出するようにしたものである。
【００３７】
図２（ｂ）ｎｉ示すように、３つに分割された空間構造を有する電解質管５を１回の押出し成形で作製することもできるが、外側の楕円管と内部の円管とを別々に押出し成形し、焼成前に組合せて一体成型することでも可能である。
【００３８】
２つの電解質管で形成される空間の内面、および、外側にある電解質管の外表面への電極塗布は、従来と同様に、外面はディッピング，刷毛塗り、内面はシリンジによる押し込みとエアーブローの組合せで行うことができる。
【００３９】
図２の実施例では、円形断面の空間を燃料供給流路とし、これにメタン，天然ガス，プロパンなどの一次燃料を、電池の電気化学反応に必要な水素成分への改質触媒を内面に塗布する。これにより電池内での電気化学反応に伴う発生熱を有効に利用し、セル温度の上昇防止、燃料改質に必要なエネルギーの自己補給などによって、セルの信頼性向上と長寿命化を図ると共に、発電効率の向上を達成することができる。
【００４０】
〔実施例３〕
図３は図１に示す電池構造において、電解質管の断面構造を４つの空間に分割した模式断面図である。
【００４１】
本実施例の場合には、図３（ｂ）に示す様に電解質管断面の中心部に三角形断面構造を形成したことで、電解質管強度が向上し、外側にある円形断面部の電解質管５の壁の厚さを薄くでき、電解質部の内部抵抗を小さくできるので電池性能の向上を図ることができる。
【００４２】
〔実施例４〕
図４は図１に示す電池構造において、空気極側電極１０の表面に集電特性を改善する目的で、電気伝導性の良い材料の集電多孔質層からなる空気極側集電部１５を設けたものである。この空気極のリード線として空気極側電流取り出し部１３は、空気極側電流取り出し接合部１２で接続されている。
【００４３】
上記の電気伝導性の良い材料の集電多孔質層からなる空気極側集電部１５を設けることで、空気極側の電流の流れは、移動距離の最も短い膜厚方向となり、電流移動に伴う内部抵抗が低減でき、電池の性能の向上を図ることができる。
【００４４】
〔実施例５〕
図５は図１に示す単セルにおいて、燃料供給兼電流取り出し管２２を直接、燃料極側電極２０へ接合した構造を示す。これも図１と同様な効果を得ることができる。
【００４５】
〔実施例６〕
図６は、図１に示す単セル１において、燃料極を２層の多孔質としたものである。電解質管５と接する燃料極側電極２０は、電気化学反応を活性化するため電解質、例えば、安定化ジルコニア粉末とＮｉ粉末とを混合したＮｉサーメットで構成した。この１層目の電極は、先に述べたようにシリンジで電極スラリーを電解質チューブ内へ圧入し、その後、空気で余分な電極スラリー部分を吹き飛ばし後、焼成する。燃料ガスの流れ側の燃料極集電層２６として機能するようにＮｉ粉末のみで構成する。
【００４６】
この２層目の電極も焼成後の１層目の上に１層目と同様な方法で形成することができる。燃料極をこのような２層構造とすることで、前記図４の空気極の場合と同様に、燃料極内の電流の流れを、最も移動抵抗の少ない膜厚方向としたことで電池性能が向上する。
【００４７】
〔実施例７〕
図７は本実施例の単セル電池のモジュール構造を示す模式断面図である。複数の単セル１は、燃料供給管鞘部材３０により燃料ヘッダー４０の１つの構成部材であるセル支持部材兼セル挿入板３２に取り付けられている。
【００４８】
起動時には、燃料ヘッダー４０に供給された燃料は単セル本体内を流れ、セル温度が電池反応作動温度に達するまでは未反応燃料２４のままセル外へ流出する。
【００４９】
このような起動時の未反応燃料２４は１次供給燃料のままであり、セル起動用バーナー（図示省略）へ供給され、空気と反応し、セル温度を電池作動開始温度まで加熱することになる。セル温度が作動開始温度に達すると、供給された燃料は電気化学反応で消費され、一部は未反応のままセル外へ流出する。
【００５０】
この電池運転中の未反応燃料２４には１次供給燃料の改質成分、例えば、水素、一酸化炭素などの未反応分と、これらのガスが電気化学反応で消費された結果の水分、および、改質されていない１次供給燃料成分などが含まれ、モジュール出口の高温作動ガスとの熱交換で予熱され、反応用の余熱空気１６と触媒燃焼器５０内で混合，反応し、高温空気１４としてセルへ供給される。
【００５１】
セル本体は、未反応燃料集合室４５を構成するセル支持部材兼セル挿入板の開口部から高温空気１４の流れの中に設置して、高温空気１４と未反応燃料２４とは、セル本体鞘部材３５のシール効果で分離される。
【００５２】
セルセル支持部材兼セル挿入板３２の高温空気側には断熱材４６が設置され、セルの電気化学反応領域からの熱損失を防止している。
【００５３】
モジュール全体は、セル支持部材兼セル挿入板３２と一体で取り外すことができる。取り外した後にセルを単独で抜き取ることができ、容易に故障したセルを交換することが可能である。
【００５４】
また、上記セル支持部材３２は、片側からのアクセスで容易に取り外すことができるので、その保守作業を大幅に低減することができる。
【００５５】
【発明の効果】
本発明によれば、電解質管の一端を閉止し、この電解質管の中に挿入された燃料または空気供給管が燃料極側あるいは空気極側の電流取り出し構造を兼ねている。従って、燃料または空気がこの供給管から供給され、電解質管の閉止端で供給管内の流体の流れ方向とは逆向きに流れるリターンフロー流れ構造となる。
【００５６】
これによりセルの電流を各電極から取り出すことで、外部からの力による応力発生が無く、かつ、急速起動の可能な一方向からのみのモジュールの分解、組立てとなり、容易に単セルを交換することができる。
【００５７】
また、未反応燃料成分は、再度、燃料としてセルに供給できる他に、酸化剤となる空気の予熱用燃料として使用でき、電池システムの高効率化を図ることができる。
【００５８】
また、本発明の燃料電池は、モジュールにすることで温水器，ファンヒーター，ガスタービン、あるいは、固体高分子形燃料電池と組み合わせて使用できる。その結果、燃料電池の保守，使い勝手の良い熱・電気、電気・電気、または、電気・化学反応物等のハイブリッド出力が得られ、分散型発電システムに好適な特性が達成できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１の一端閉止電解質管に燃料供給兼電流取り出し管を挿入したリターンフロー型インターコネクトレス方式高温固体酸化物形燃料電池セルの模式断面図である。
【図２】実施例２の電池の電解質管を複数の空間に分割したリターンフロー型インターコネクトレス方式の高温固体酸化物形燃料電池セルの模式断面図である。
【図３】実施例３の電池の電解質管の断面構造を示す模式断面図である。
【図４】実施例４の電池の空気極に集電多孔質層を設けたセル構造を示す模式断面図である。
【図５】実施例５の電池のセル構造を示す模式断面図である。
【図６】実施例６の電池のセル構造を示す模式断面図である。
【図７】実施例７の電池スタックモジュールの構造を示す模式断面図である。
【符号の説明】
１…単セル、５…電解質管、９…閉止部、１０…空気極側電極、１１…空気極側集電部、１２…空気極側電流取り出し接続部、１３…空気極側電流取り出し部、１４…高温空気、１５…空気極側集電層、１６…予熱空気、２０…燃料極側電極、２１…燃料極側集電部、２２…燃料供給兼電流取り出し管、２３…流入燃料、２４…未反応燃料，反応生成物の流れ、２５…セル内ヘッダー、２６…燃料極側集電層、２７…改質用触媒層、３０…燃料給管鞘部材、３２…セル支持部材兼セル挿入板、３３…接合部、３４…セル挿入壁面、３５…セル本体鞘部材、４０…燃料ヘッダー、４５…未反応燃料集合室、４６…断熱材、５０…触媒燃焼器。

Claims

安定化ジルコニア等を電解質とし、その両面にＬａ／Ｓｒ／ＭｎＯ_３のようなペロブスカイト型酸化物、Ｎｉ，Ｃｏ，貴金属などの電極材などから構成される高温固体酸化物形燃料電池において、
一端が閉止された円筒状の電解質管に開放側の一端から燃料または空気を供給する管が挿入され、該挿入管と電解質管の内面に塗布された電極面とは１つ以上の電気伝導材で接合することで、この電気伝導材と挿入管表面部分が電池内面の集電経路を構成し、挿入管内に供給された燃料または空気は電解質管の閉止端近傍まで導かれた後、挿入管と電解質管の間に形成される環状部に流入し、挿入管内の流れとは逆向きに電解質管の開放端へ向かって流れ、挿入管へ供給された未反応の燃料または空気がセル外へ流出し、電池セルの内外面からの電流取り出し構造を備えた単セルを個別に取り外し可能な構成としたことを特徴とする高温固体酸化物形燃料電池。
安定化ジルコニア等を電解質とし、その両面にＬａ／Ｓｒ／ＭｎＯ_３のようなペロブスカイト型酸化物、Ｎｉ，Ｃｏ，貴金属などの電極材などから構成される高温固体酸化物形燃料電池において、
一端が閉止された電解質管の断面形状が２室以上の空間に分割され、閉止端では分割された空間が一つの空間に連結し、電解質管の開放端側から電解質管断面のいずれかの空間に燃料または空気が供給され、閉止端の連結空間部で上記燃料または空気が供給されなかった空間へ流入し電解質管の開放端へ向かって流れ、その表面に電池内面の電極材料と同じ材料が塗布された空気または燃料供給管を有し、電池セルの内外面からの電流取り出し構造を備え、単セルを個別に取り外し可能な構成としたことを特徴とする高温固体酸化物形燃料電池。
前記燃料を供給する電解質管の分割空間の内面に、燃料改質用材料を塗布した請求項２に記載の高温固体酸化物燃料電池。
空気側電極の表面に電気良導性の多孔質層を設けた請求項１または２に記載高温固体酸化物形燃料電池。
燃料極側電極を電解質面に接する側と燃料が流れる側とで構成材料を変えた２層構造とする請求項１または２に記載の高温固体酸化物形燃料電池。
前記燃料または空気の供給管を直接電極表面に接触させリード線を兼用するよう構成した請求項１または２に記載の高温固体酸化物形燃料電池。