JP2004288374A

JP2004288374A - 固体電解質型燃料電池組立体

Info

Publication number: JP2004288374A
Application number: JP2003075263A
Authority: JP
Inventors: Takashi Ono; 孝小野
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2003-03-19
Filing date: 2003-03-19
Publication date: 2004-10-14
Anticipated expiration: 2023-03-19
Also published as: JP4481580B2

Abstract

【課題】セル（３６）の各々に充分な効率で酸素含有ガスを供給することができ、そしてまた従来の固体電解質型燃料電池組立体に比べて安価に製造できる、固体電解質型燃料電池組立体を提供する。
【解決手段】セルの各々の延在方向に延び、片端には酸素含有ガス導入口（５６）が形成され、他端部両側壁には酸素含有ガス排出口（６０）が形成されている中空板状部材（５４）から、酸素含有ガス供給手段を構成する。
【選択図】図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体電解質型燃料電池組立体、更に詳しくは並列配置されたセルスタック間にガス供給手段が配設されている形態の固体電解質型燃料電池組立体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
次世代エネルギーとして、近年、固体高分子型、リン酸型、溶融炭酸塩型及び固体電解質型等の種々の型の燃料電池発電システムが提案されている。特に、固体電解質型燃料電池発電システムは、作動温度が１０００℃程度と高いが、発電効率が高い、排熱利用ができる等の利点を有しており、研究開発が推し進められている。
【０００３】
固体電解質型燃料電池発電システムの典型例においては、下記特許文献１に開示されている如く、実質上鉛直に延びるセルを水平方向に配置してセルスタックを形成し、かかるセルスタックを水平方向に並列配置して燃料電池組立体を構成している。通常、セルの各々には鉛直方向に貫通して延びる燃料ガス流路が配設されており、水素でよい燃料ガスはかかる燃料ガス流路を通して流動せしめられる。セルスタック間には酸素含有ガス供給手段が配設されており、かかる酸素含有ガス供給手段を通して空気でよい酸素含有ガスが供給される。酸素含有ガス供給手段は、セルスタック間に並列配置された多数個の管状部材から構成されている。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−１４９９７６号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
而して、上述した従来の固体電解質型燃料電池組立体には、複数個の管状部材から構成された酸素含有ガス供給手段に関連して、次のとおりの解決すべき問題が存在する。即ち、酸素含有ガスがセルの各々の延在方向に配置された管状部材を通して流動せしめられてその先端から排出され、従ってセルの各々の延在方向に排出されることに起因して、セルの各々に対する酸素含有ガスの供給を高効率で遂行し得ない。また、管状部材は充分な耐熱性が必要である故にセラミックの如き高耐熱性材料から形成することが必要であり、かような管状部材を多数個配設することは、製造コストを相当増大せしめる。
【０００６】
本発明は上記事実に鑑みてなされたものであり、その主たる技術的課題は、ガス供給手段を改良して、セルの各々に充分な効率で酸素含有ガスを供給することができ、そしてまた従来の固体電解質型燃料電池組立体に比べて安価に製造できる、新規且つ改良された固体電解質型燃料電池組立体を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、セルの各々の延在方向に延び、片端にはガス導入口が形成され、他端部両側壁にはガス排出口が形成されている中空板状部材から、ガス供給手段を構成することによって、上記主たる技術的課題が達成される。
【０００８】
即ち、本発明によれば、上記主たる技術的課題を達成する固体電解質型燃料電池組立体として、第一の方向に間隔をおいて並列配置された少なくとも一対のセルスタックと、該セルスタック間に配設されたガス供給手段とを具備し、該セルスタックの各々は該第一の方向に実質上垂直である第二の方向に細長く延在するセルを該第一の方向及び該第二の方向に実質上垂直である第三の方向に複数個配置して構成されている固体電解質型燃料電池組立体において、
該ガス供給手段は、該第二の方向に延在する中空板状部材から構成されており、該中空板状部材の片端にはガス導入口が形成されており、該中空板状部材の他端部両側壁にはガス排出口が形成されている、ことを特徴とする固体電解質型燃料電池組立体が提供される。
【０００９】
該第二の方向は実質上鉛直であり、該中空板状部材の該片端は上端であるのが好適である。該ガス導入口は該第三の方向に細長く延びるスリットから構成されており、該酸素含有ガス排出口は、該他端部両側壁に該第二の方向に間隔をおいて形成された複数個の孔から構成されているのが好ましい。
【００１０】
本発明の固体電解質型燃料電池組立体においては、一対のセルスタック間に、多数の管状部材に代えて単一の中空板状部材を配設すればよく、従って製造コストを低減することができる。酸素含有ガス（或いは燃料ガス）は、中空板状の他端部両側壁に形成されたガス排出口から排出され、従ってセルスタックに向けて排出され、高効率で燃料電池セルの各々に供給される。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に従って構成された固体電解質型燃料電池組立体の好適実施形態を図示している添付図面を参照して、更に詳細に説明する。
【００１２】
図１は、本発明に従って構成された固体電解質型燃料電池組立体の好適実施形態の主要部を図示している。図示の組立体は略直方体形状であるハウジング４を具備し、このハウジング４は耐熱性金属から形成された外枠体６とこの外枠体６の内面に張設された断熱材層８とから構成されている。断熱材層８は適宜のセラミックから形成することができる。ハウジング４の下部には実質上水平に延在せしめられている水平区画板１０が配設され、区画板１０よりも下方の燃料ガスマニホルド室１２と区画板１０よりも上方の発電・燃焼室１４とに区画されている。区画板１０は優れた気密性と断熱性とを備えていることが望ましく、例えば多孔性セラミック板に無機系セメントを流し込んで少なくとも上面部を中実にせしめることによって形成されているのが好適である。
【００１３】
燃料ガスマニホルド室１２内には燃料ガスマニホルド１６が配設されている。この燃料ガスマニホルド１６は、ハウジング４の側壁下部を貫通して延びる燃料ガス導入管１８を介して燃料ガス供給源１９に接続されている。燃料ガスマニホルド１６の上面には、図１において左右方向及び紙面に垂直な方向に適宜の間隔をおいて多数の燃料ガス噴出孔（図示していない）が配設されている（かかる燃料ガス噴出孔については後に更に言及する）。
【００１４】
発電・燃焼室１４の上方には、実質上水平に延びる水平壁２０とかかる水平壁２０の４周縁から実質上鉛直に上方に延びる直立壁２２（４個の直立壁２２のうちの２個を図１に図示している）を有する耐熱金属製区画部材２４が配設されている。区画部材２４の直立壁２２間には水平壁２０から上方に間隔をおいて位置する水平板２６が固定されており、区画部材２４の水平壁２０及び４個の直立壁２２並びに水平板２６によって酸素含有ガスマニホルド２８が形成されている。この酸素含有ガスマニホルド２８は、図１に簡略に図示する如く、熱交換手段３０を介して酸素含有ガス供給源３２に接続されている。
【００１５】
上記発電・燃焼室１４内には、図１において左右方向（第一の方向）に間隔をおいて４個のセルスタック３４ａ、３４ｂ、３４ｃ及び３４ｄが並列配置されている。図１と共に図２を参照して説明を続けると、セルスタック３４ａ、３４ｂ、３４ｃ及び３４ｄの各々は、鉛直方向、即ち図１において上下方向、図２において紙面に垂直な方向（第二の方向）に細長く延在するセル３６を図１において紙面に垂直な方向、図２において上下方向（第三の方向）に複数個（図示の場合は５個）配置して構成されている。図２に明確に図示する如く、セル３６の各々は電極支持基板３８、内側電極層である燃料極層４０、固体電解質層４２、外側電極層である酸素極層４４、及びインターコネクタ４６から構成されている。
【００１６】
電極支持基板３８は鉛直方向に細長く延びる板状片であり、平坦な両端面と半円形状の両側面を有する。電極支持基板３８にはこれを鉛直方向に貫通する複数個（図示の場合は４個）のガス通路４８が形成されている。図１から理解されるとおり、電極支持基板３８の下端部は上記区画板１０を貫通して燃料ガスマニホルド室１２内に延出せしめられており、その下端は燃料ガスマニホルド１６の上面に連結され、燃料ガスマニホルド１６の上面に形成されている燃料ガス噴射孔（図示していない）の各々が電極支持基板３８に形成されているガス通路３８の下端に連通せしめられている。セル３６における酸素極層４４は区画板１０よりも上方、従って発電・燃焼室１４内に配置されており、燃料ガスマニホルド室１２内に延出することはない。
【００１７】
インターコネクタ４６は電極支持基板３８の片端面（図２において上端面）上に配設されている。燃料極層４０は電極支持基板３８の他端面（図２において下端面）及び両側面に配設されており、その両端はインターコネクト４６の両端に接合せしめられている。固体電解質層４２は燃料極層４０の全体を覆うように配設され、その両端はインターコネクタ４６の両端に接合せしめられている。酸素極層４４は、固体電解質層４２の主部上、即ち電極支持基板３８の他端面を覆う部分上、に配設され、電極支持基板３８を挟んでインターコネクト４６に対向して位置せしめられている。
【００１８】
セルスタック３４ａ、３４ｂ、３４ｃ及び３４ｄの各々における隣接するセル３６間には集電部材５０が配設されており、一方のセル３６のインターコネクタ４６と他方のセル３６の酸素極層４４とを接続している。セルスタック３４ａ、３４ｂ、３４ｃ及び３４ｄの各々において両端、即ち図２において上端及び下端に位置するセル３６の上端面及び下端面にも集電部材５０が配設されている。そして、セルスタック３４ａ及び３４ｂの上端に配設された集電部材５０は導電部材５２によって接続され、セルスタック３４ｂ及び３４ｃの下端に配設された集電部材５０も導電部材５２によって接続され、セルスタック３４ｃ及び３４ｄの上端に配設された集電部材５０も導電部材５２によって接続されている。更に、セルタック３４ａの下端に配設された集電部材５０には導電部材５２が接続され、セルスタック３４ｄの上端に配設された集電部材５０にも導電部材５２が接続されている。かくして、全てのセル４６が電気的に直列接続されている。
【００１９】
セル３６について更に詳述すると、電極支持基板３８は燃料ガスを燃料極層４０まで透過させるためにガス透過性であること、そしてまたインターコネクタ４６を介して集電するために導電性であることが要求され、かかる要求を満足する多孔質の導電性セラミック（若しくはサーメット）から形成することができる。燃料極層４０及び／又は固体電解質層４２との同時焼成により電極支持基板３８を製造するためには、鉄属金属成分と特定希土類酸化物とから電極支持基板３８を形成することが好ましい。所要ガス透過性を備えるために開気孔率が３０％以上、特に３５乃至５０％の範囲にあるのが好適であり、そしてまたその導電率は３００Ｓ／ｃｍ以上、特に４４０Ｃ／ｃｍ以上であるのが好ましい。燃料極層４０は多孔質の導電性セラミック、例えば希土類元素が固溶しているＺｒＯ_２（安定化ジルコニアを称されている）とＮｉ及び／又はＮｉＯとから形成することができる。固体電解質層４２は、電極間の電子の橋渡しをする電解質としての機能を有していると同時に、燃料ガスと酸素含有ガスとのリークを防止するためにガス遮断性を有するものであることが必要であり、通常、３〜１５モル％の希土類元素が固溶したＺｒＯ_２から形成されている。酸素極層４４は所謂ＡＢＯ_３型のペロブスカイト型酸化物からなる導電セラミックから形成することができる。酸素極層４４はガス透過性を有していることが必要であり、開気孔率が２０％以上、特に３０内５０％の範囲にあることが好ましい。インターコネクタ４６は導電性セラミックから形成することができるが、水素ガスでよい燃料ガス及び空気でよい酸素含有ガスと接触するため、耐還元性及び耐酸化性を有することが必要であり、このためにランタンクロマイト系のペロブスカイト型酸化物（ＬａＣｒＯ_３系酸化物）が好適に使用される。インターコネクト４６は電極支持基板３８に形成された燃料通路４８を通る燃料ガス及び電極支持基板３８の外側を流動する酸素含有ガスのリークを防止するために緻密質でなければならず、９３％以上、特に９５％以上の相対密度を有していることが望まれる。集電部材５０は弾性を有する金属又は合金から形成された適宜の形状の部材或いは金属繊維又は合金繊維から成るフェルトに所要表面処理を加えた部材から構成することができる。導電部材５２は適宜の金属又は合金から形成することができる。
【００２０】
図１及び図２と共に図３を参照して説明を続けると、発電・燃焼室１４に配設されているセルスタック３４ａ、３４ｂ、３４ｃ及び３４ｄ間には、酸素含有ガス供給手段を構成する中空板状部材５４が配設されている。かかる中空板状部材５４は適宜のセラミックの如き耐熱性材料から形成することができる。中空板状部材５４はセルスタック３４ａ、３４ｂ、３４ｃ及び３４ｄ間に配置され、実質上鉛直な方向（第二の方向）に延在せしめられている。図３を参照することによって明確に理解されるとおり、中空板状部材５４の片端即ち上端には酸素含有ガス導入口５６が形成されている。図示の実施形態においては、酸素含有ガス導入口５６は中空板状部材の上端を図２において上下方向に細長く延びるスリットから構成されている。中空板状部材５４の上端には実質上水平に突出するフランジ５８が形成されており、酸素含有ガス導入口５６はフランジ５８によって囲繞されている。中空板状部材５４の両側壁の他端部即ち下端部には酸素含有ガス排出口６０が形成されている。図示の実施形態においては、酸素含有ガス排出口６０は、中空板状部材５４の両側壁の下端部を幅方向（即ち図１において紙面に垂直な方向、図２において上下方向）に細長く延びるスリットから構成されている。図１を参照することによって理解される如く、中空板状部材５４の上端は、上記区画部材２４の水平壁２０に形成されている対応する開口内に位置せしめられ、従って酸素含有ガス導入口５６は酸素含有ガスマニホルド２８内に開口せしめられている。中空板状部材５４の下端は、上記区画板１０よりも幾分上方に、従って発電・燃焼室１４の下端部に位置せしめられている。
【００２１】
図４には中空板状部材１５４の変形例が図示されている。図４に図示する中空板状部材１５４においては、酸素含有ガス排出口１６０は、中空板状部材１５４の両側壁の下端部に幅方向（即ち図１において紙面に垂直な方向、図２において上下方向）に間隔をおいて形成された複数個の孔から構成されている。中空板状部材１５４のその他の構成は図３に図示する中空板状部材５４と実質上同一である。
【００２２】
上述したとおりの固体電解室燃料電池組立体においては、燃料ガス供給源１９から燃料ガス導入管１８を通して、例えば都市ガスをそれ自体は周知の適宜の様式で改質することによって得られる水素でよい燃料ガスが、燃料ガスマニホルド１６に供給される。そして、かかる燃料ガスが燃料ガスマニホルド１６からセル３６の各々の電極支持基板３８に形成されているガス通路４８の下端に導入され、ガス通路３８を通して上方に流動せしめられる。一方、酸素含有ガス供給源３２は、空気でよい酸素含有ガスを熱交換手段３０を通して酸素含有ガスマニホルド２８に供給する。酸素含有ガスマニホルド２８に供給された酸素含有ガスは、酸素含有ガス導入口５６から中空板状部材５４内に流入して中空板状部材５４内を流下し、酸素含有ガス排出口６０から排出される。酸素含有ガス排出口６０は中空板状部材５４の両側壁に形成され、セルスタック３４ａ、３４ｂ、３４ｃ及び３４ｄに指向されている。従って、酸素含有ガスは発電・燃焼室１４の下端部においてセルスタック３４ａ、３４ｂ、３４ｃ及び３４ｄに向けて噴出せしめられ、次いで発電・燃焼室１４内を上昇せしめられる。かくして、セルスタック３４ａ、３４ｂ、３４ｃ及び３４ｄの各セル３６に充分効果的に供給される。セル３６の各々においては、酸素極層４４で下記式（１）の電極反応が生成され、また燃料極層４０では下記式（２）の電極反応が生成されて発電される。
【００２３】
酸素極：１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻→ Ｏ^２−（固体電解質）・・・（１）
燃料極：Ｏ^２−（固体電解質）＋Ｈ_２→ Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻・・・（２）
【００２４】
セル３６における電極支持基板３８のガス通路４８を流動する燃料ガスの、電極反応に使用されなかった燃料ガスは、電極支持基板３８の上端から発電・燃焼室１４内に流出せしめられる。発電・燃焼室１４内に流出せしめられた燃料ガスは流出と同時に燃焼せしめられる。発電・燃焼室１４内には適宜の着火手段（図示していない）が配設されており、燃料ガスが発電・燃焼室１４に流出され始めると着火手段が作動せしめられて燃焼が開始される。中空板状部材５４を通して発電・燃焼室１４に供給された酸素含有ガス中の酸素で電極反応に使用されなかったものは燃焼に利用される。燃焼ガスは適宜の流路手段（図示していない）を通して熱交換手段３０に送給され、熱交換手段３０において酸素含有ガスと熱交換した後にハウジング４から排出される。
【００２５】
本発明に従って構成された固体電解質型燃料電池組立体の好適実施形態について添付図面を参照して詳細に説明したが、本発明はかかる実施実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲から逸脱することなく種々の変形乃至修正が可能であることが理解されるべきである、例えば、図示の実施形態においては、電極支持基板に形成されているガス通路を通して燃料ガスを流動せしめているが、電極支持基板に形成されているガス通路を通して酸素含有ガスを流動せしめる（この場合には区画板１０の下方に配設されているガスマニホルドに酸素含有ガスを供給し、中空板状部材５４又は１５４に燃料ガスを供給する）形態の固体電解質型燃料電池組立体にも本発明を適用することができる。
【００２６】
【発明の効果】
本発明の固体電解質型燃料電池組立体によれば、セルの各々に充分な効率で酸素含有ガスを供給することができ、そしてまた従来の固体電解質型燃料電池組立体に比べて安価に製造できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に従って構成された固体電解質型燃料電池組立体の好適実施形態の主要部を示す縦断面図。
【図２】図１に示す固体電解質型燃料電池組立体の主要部を示す横断面図。
【図３】図１に示す固体電解質型燃料電池組立体における中空板状部材を示す斜面図。
【図４】中空板状部材の変形例を示す斜面図。
【符号の説明】
４：ハウジング
１２：燃料ガスマニホルド室
１４：発電・燃焼室
１６：燃料ガスマニホルド
２８：酸素含有ガスマニホルド
３０：熱交換手段
３４ａ：セルスタック
３４ｂ：セルスタック
３４ｃ：セルスタック
３４ｄ：セルスタック
３６：セル
３８：電極支持基板
４０：燃料極層
４２：固体電解室層
４４：酸素極層
４６：インターコネクタ
４８：ガス通路
５０：集電部材
５２：導電部材
５４：中空板状部材（酸素含有ガス供給手段）
５６：酸素含有ガス導入口
６０：酸素含有ガス排出口

Claims

第一の方向に間隔をおいて並列配置された少なくとも一対のセルスタックと、該セルスタック間に配設されたガス供給手段とを具備し、該セルスタックの各々は該第一の方向に実質上垂直である第二の方向に細長く延在するセルを該第一の方向及び該第二の方向に実質上垂直である第三の方向に複数個配置して構成されている固体電解質燃料電池組立体において、
該ガス供給手段は、該第二の方向に延在する中空板状部材から構成されており、該中空板状部材の片端にはガス導入口が形成されており、該中空板状部材の他端部両側壁にはガス排出口が形成されている、ことを特徴とする固体電解質型燃料電池組立体。
該第二の方向は実質上鉛直であり、該中空板状部材の該片端は上端である、請求項１記載の固体電解質型燃料電池組立体。
該ガス導入口は該第三の方向に細長く延びるスリットから構成されている、請求項１又は２記載の固体電解質型燃料電池組立体。
該ガス排出口は、該他端部両側壁に形成され該第二の方向に延びるスリット又は該他端部両側壁に該第二の方向に間隔をおいて形成された複数個の孔から構成されている、請求項１から３までのいずれかに記載の固体電解質型燃料電池組立体。