JP2005085520A - Solid oxide fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、固体酸化物形燃料電池に関し、詳しくは、燃料極集電体におけるガスの逆拡散現象を防止して発電効率の向上を図ったガスシールレス構造の固体酸化物形燃料電池に関する。 The present invention relates to a solid oxide fuel cell, and more particularly to a solid oxide fuel cell having a gas sealless structure in which a gas back diffusion phenomenon in a fuel electrode current collector is prevented to improve power generation efficiency.
酸化物イオン伝導体からなる固体電解質層を空気極層(酸化剤極層)と燃料極層との間に挟んだ積層構造を持つ固体酸化物形燃料電池は、第三世代の発電用燃料電池として開発が進んでいる。固体酸化物形燃料電池では、空気極側に酸素(空気)が、燃料極側には燃料ガス(H2 、CO等)が供給される。空気極と燃料極は、ガスが固体電解質との界面に到達することができるように、いずれも多孔質とされている。 A solid oxide fuel cell having a laminated structure in which a solid electrolyte layer made of an oxide ion conductor is sandwiched between an air electrode layer (oxidant electrode layer) and a fuel electrode layer is a third generation fuel cell for power generation. Development is progressing. In a solid oxide fuel cell, oxygen (air) is supplied to the air electrode side, and fuel gas (H 2 , CO, etc.) is supplied to the fuel electrode side. The air electrode and the fuel electrode are both porous so that the gas can reach the interface with the solid electrolyte.
空気極側に供給された酸素は、空気極層内の気孔を通って固体電解質層との界面近傍に到達し、この部分で、空気極から電子を受け取って酸化物イオン(O2-)にイオン化される。この酸化物イオンは、燃料極の方向に向かって固体電解質層内を拡散移動する。燃料極との界面近傍に到達した酸化物イオンは、この部分で、燃料ガスと反応して反応生成物(H2 O、CO2 等)を生じ、燃料極に電子を放出する。 Oxygen supplied to the air electrode side passes through the pores in the air electrode layer and reaches the vicinity of the interface with the solid electrolyte layer. At this part, it receives electrons from the air electrode and converts them into oxide ions (O 2− ). Ionized. The oxide ions diffuse and move in the solid electrolyte layer toward the fuel electrode. Oxide ions that have reached the vicinity of the interface with the fuel electrode react with the fuel gas at this portion to generate reaction products (H 2 O, CO 2, etc.), and emit electrons to the fuel electrode.
因みに、燃料に水素を用いた場合の電極反応は次のようになる。
空気極: 1/2 O2 + 2e- → O2-
燃料極: H2 + O2- → H2 O+2e-
全体 : H2 + 1/2 O2 → H2 O
Incidentally, the electrode reaction when hydrogen is used as the fuel is as follows.
Air electrode: 1/2 O 2 + 2e − → O 2−
Fuel electrode: H 2 + O 2− → H 2 O + 2e −
Overall: H 2 +1/2 O 2 → H 2 O
固体電解質層は、酸化物イオンの移動媒体であると同時に、燃料ガスと空気を直接接触させないための隔壁としても機能するため、ガス不透過性の緻密な構造となっている。この固体電解質層は、酸化物イオン伝導性が高く、空気極側の酸化性雰囲気から燃料極側の還元性雰囲気までの条件下で化学的に安定で、熱衝撃に強い材料から構成する必要があり、かかる要件を満たす材料として、イットリアを添加した安定化ジルコニア(YSZ)が一般的に使用されている。 The solid electrolyte layer is a moving medium for oxide ions and also functions as a partition wall for preventing direct contact between the fuel gas and air, and thus has a dense structure that is impermeable to gas. This solid electrolyte layer should have a high oxide ion conductivity, be chemically stable under conditions from the oxidizing atmosphere on the air electrode side to the reducing atmosphere on the fuel electrode side, and be made of a material that is resistant to thermal shock. There is generally used stabilized zirconia (YSZ) to which yttria is added as a material satisfying such requirements.
一方、電極である空気極(カソード)層と燃料極(アノード)層はいずれも電子伝導性の高い材料から構成する必要がある。空気極材料は、700℃前後の高温の酸化性雰囲気中で化学的に安定でなければならないため、金属は不適当であり、電子伝導性を持つペロブスカイト型酸化物材料、具体的にはLaMnO3 もしくはLaCoO3 、または、これらのLaの一部をSr、Ca等に置換した固溶体が一般に使用されている。また、燃料極材料は、Ni、Coなどの金属、或いはNi−YSZ、Co−YSZなどのサーメットが一般的である。 On the other hand, both the air electrode (cathode) layer and the fuel electrode (anode) layer, which are electrodes, must be made of a material having high electron conductivity. Since the air electrode material must be chemically stable in a high-temperature oxidizing atmosphere around 700 ° C., the metal is inappropriate, and a perovskite-type oxide material having electron conductivity, specifically LaMnO 3 Alternatively, LaCoO 3 or a solid solution in which a part of these La is substituted with Sr, Ca or the like is generally used. The fuel electrode material is generally a metal such as Ni or Co, or a cermet such as Ni—YSZ or Co—YSZ.
固体酸化物形燃料電池には、1000℃前後の高温で作動させる高温作動型のものと、700℃前後の低温で作動させる低温作動型のものとがある。低温作動型の固体酸化物形燃料電池は、例えば電解質であるイットリアを添加した安定化ジルコニア(YSZ)の厚さを10μm程度まで薄膜化して電解質の抵抗を低くし、低温でも燃料電池として発電するように改良された発電セルを使用する。 Solid oxide fuel cells include a high-temperature operation type that operates at a high temperature of about 1000 ° C. and a low-temperature operation type that operates at a low temperature of about 700 ° C. A low temperature operation type solid oxide fuel cell, for example, stabilizes the thickness of stabilized zirconia (YSZ) added with yttria as an electrolyte to a thickness of about 10 μm to reduce the resistance of the electrolyte, and generates electricity as a fuel cell even at low temperatures. So that the improved power generation cell is used.
高温の固体酸化物形燃料電池では、セパレータには、例えばランタンクロマイト(LaCrO3 )等の電子伝導性を有するセラミックスが用いられるが、低温作動型の固体酸化物形燃料電池では、ステンレス等の金属材料を使用することができる。 In a high-temperature solid oxide fuel cell, ceramics having electronic conductivity such as lanthanum chromite (LaCrO 3 ) is used as a separator. In a low-temperature operation type solid oxide fuel cell, a metal such as stainless steel is used. Material can be used.
また、固体酸化物形燃料電池の構造には、円筒型、モノリス型、及び平板積層型の3種類が提案されている。それらの構造のうち、低温作動型の固体酸化物形燃料電池には、金属のセパレータを使用できることから、金属のセパレータに形状付与しやすい平板積層型の構造が適している。 Three types of solid oxide fuel cell structures have been proposed: a cylindrical type, a monolith type, and a flat plate type. Among these structures, since a metal separator can be used for a low temperature operation type solid oxide fuel cell, a flat plate type structure that is easy to give a shape to the metal separator is suitable.
平板積層型の固体酸化物形燃料電池のスタックは、発電セル、集電体、セパレータを交互に積層した構造を持つ。一対のセパレータが発電セルを両面から挟んで、一方は空気極集電体を介して空気極と、他方は燃料極集電体を介して燃料極と接している。燃料極集電体には、Ni基合金等のスポンジ状の多孔質体を使用することができ、空気極集電体には、Ag基合金等の同じくスポンジ状の多孔質体を使用することができる。スポンジ状の多孔質体は、集電機能、ガス透過機能、均一ガス拡散機能、クッション機能、熱膨脹差吸収機能等を兼ね備えるので、多機能の集電体材料として適している。 A stack of flat plate type solid oxide fuel cells has a structure in which power generation cells, current collectors, and separators are alternately stacked. A pair of separators sandwich the power generation cell from both sides, one being in contact with the air electrode via the air electrode current collector and the other being in contact with the fuel electrode via the fuel electrode current collector. A sponge-like porous body such as a Ni-based alloy can be used for the fuel electrode current collector, and a sponge-like porous body such as an Ag-based alloy can be used for the air electrode current collector. Can do. A sponge-like porous body has a current collecting function, a gas permeation function, a uniform gas diffusion function, a cushion function, a thermal expansion difference absorption function, and the like, and is therefore suitable as a multifunctional current collector material.
セパレータは、発電セル間を電気接続すると共に、発電セルに対してガスを供給する機能を有するもので、燃料ガスをセパレータ外周面から導入してセパレータの燃料極層に対向する面から吐出させる燃料ガス通路と、酸化剤ガスをセパレータ外周面から導入してセパレータの酸化剤極層に対向する面から吐出させる酸化剤ガス通路を備えている。 The separator has a function of electrically connecting the power generation cells and supplying gas to the power generation cells. The fuel is introduced from the outer peripheral surface of the separator and discharged from the surface facing the separator fuel electrode layer. A gas passage and an oxidant gas passage for introducing an oxidant gas from the outer peripheral surface of the separator and discharging the gas from a surface facing the oxidant electrode layer of the separator are provided.
ところで、この種の固体酸化物形燃料電池では、発電セルの外周部のガスシール機構を備えていないシールレス構造の固体酸化物形燃料電池がある(従来は、発電セルの外周部にガスシール機構を施した構造が一般的であり、そのガスシール機構として、特許文献1が開示されている)。
シールレス構造の固体酸化物形燃料電池は、発電セルの外周部のシール機構を無くすことで構造を単純化し、生産性の向上が図れると共に、構成部材間の熱膨脹差に基づくトラブルを無くすことができるというメリットを有する。
A solid oxide fuel cell with a sealless structure simplifies the structure by eliminating the sealing mechanism at the outer periphery of the power generation cell, improving productivity, and eliminating troubles due to differences in thermal expansion between components. It has the merit of being able to.
しかしながら、シールレス構造の固体酸化物形燃料電池は、上記したようなメリットの他、シールレス構造が故の問題点も有していた。 However, the solid oxide fuel cell having the sealless structure has problems due to the sealless structure in addition to the above-described advantages.
即ち、シールレス構造では、運転時に発電セル内に燃料ガスと酸化剤ガスを供給して発電反応を生じさせると共に、発電反応に使用されなかった残余のガス(排ガス)を発電セルの外周部からセル外部に放出するようになっている。
従って、発電セル周部における流通ガスと外周部を流れる空気の線速度の相違から、発電セル外の空気を逆に燃料極側に巻き込む、所謂、逆拡散現象が生じ易い構造であり、運転時に、この逆拡散空気と発電セル内の燃料ガスが燃焼反応して電極反応に使用可能な燃料ガスを消費し、発電性能が低下するという問題や、この燃焼反応による局部的な温度上昇で発電セル内の熱応力分布が不均一となり、燃料電池スタックの寿命を極度に短縮させるという問題等を有していた。
That is, in the sealless structure, fuel gas and oxidant gas are supplied into the power generation cell during operation to cause a power generation reaction, and residual gas (exhaust gas) that has not been used for the power generation reaction is discharged from the outer periphery of the power generation cell. It discharges outside the cell.
Therefore, because of the difference in the linear velocity between the gas flowing in the peripheral part of the power generation cell and the air flowing in the outer peripheral part, the so-called reverse diffusion phenomenon, in which the air outside the power generation cell is entrapped in the reverse direction, is likely to occur. The problem is that this back-diffused air and the fuel gas in the power generation cell undergo a combustion reaction and consumes a fuel gas that can be used for the electrode reaction, resulting in a decrease in power generation performance and a local temperature rise due to this combustion reaction. There is a problem that the thermal stress distribution in the inside becomes uneven and the life of the fuel cell stack is extremely shortened.
本発明は、このようなシールレス構造特有の問題点に鑑み、燃料極集電体の外周部におけるガスの逆拡散現象を防止して、発電効率の向上を図った固体酸化物形燃料電池を提供することを目的としている。 In view of such problems inherent to the sealless structure, the present invention provides a solid oxide fuel cell that prevents the gas back-diffusion phenomenon in the outer peripheral portion of the anode current collector and improves the power generation efficiency. It is intended to provide.
すなわち、請求項1に記載の本発明は、固体電解質層の両面に燃料極層と酸化剤極層を配置し、当該燃料極層と酸化剤極層の外側にそれぞれ多孔質金属体で成る燃料極集電体と酸化剤極集電体を配置し、当該燃料極集電体と酸化剤極集電体の外側にセパレータを配置し、当該セパレータから前記燃料極集電体および酸化剤極集電体を通して前記燃料極層および酸化剤極層に燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給するシールレス構造の固体酸化物形燃料電池において、前記燃料極集電体の外周部を覆うように、ガス排出孔を有するカバーを配設し、外周部から排出される余剰ガスの排出箇所を制限する構成とした。 That is, according to the present invention, the fuel electrode layer and the oxidant electrode layer are disposed on both sides of the solid electrolyte layer, and the fuel is composed of a porous metal body on the outside of the fuel electrode layer and the oxidant electrode layer. An electrode current collector and an oxidant electrode current collector are disposed, a separator is disposed outside the fuel electrode current collector and the oxidant electrode current collector, and the fuel electrode current collector and the oxidant electrode current collector are disposed from the separator. In a solid oxide fuel cell having a sealless structure for supplying fuel gas and oxidant gas to the fuel electrode layer and oxidant electrode layer through an electric body, gas is discharged so as to cover the outer periphery of the fuel electrode current collector A cover having a hole is provided, and the exhaust gas exhausted from the outer periphery is restricted.
また、請求項2に記載の本発明は、請求項1に記載の固体酸化物形燃料電池において、前記カバーは縁部に複数の係止爪を備えており、当該係止爪にて前記多孔質金属体の両面もしくは片面を支持する構成とした。
また、請求項3に記載の本発明は、請求項1または請求項2の何れかに記載の固体酸化物形燃料電池において、前記カバーは、耐熱性金属で構成されている。耐熱性金属材としては、カンタル、インコネル、ニクロム等が使用できる。
The present invention according to
According to a third aspect of the present invention, in the solid oxide fuel cell according to the first or second aspect, the cover is made of a heat-resistant metal. As the heat-resistant metal material, Kanthal, Inconel, Nichrome or the like can be used.
請求項1から請求項3に記載の構成によれば、燃料極集電体の外周部からの燃料ガスの無駄な排出や、燃料極側へのガスの逆拡散現象を防止することができ、発電効率を向上し、燃料電池の高出力密度化が図れる。 According to the configuration of claim 1 to claim 3, it is possible to prevent wasteful discharge of the fuel gas from the outer peripheral portion of the anode current collector and the reverse diffusion phenomenon of the gas to the anode side, The power generation efficiency can be improved and the output density of the fuel cell can be increased.
以上説明したように、本発明によれば、燃料極集電体の外周部を覆うように、ガス排出孔を設けたカバーを配設し、外周部から排出される余剰ガスの排出箇所を制限するように構成したので、燃料極集電体の外周部からの無駄なガスの放出や、外部から燃料極側へのガスの逆拡散現象が防止される。これにより、発電効率が向上し、燃料電池の高出力密度化が図れると共に、燃料電池の高寿命化が図れる。 As described above, according to the present invention, a cover provided with a gas discharge hole is provided so as to cover the outer peripheral portion of the anode current collector, and the discharge location of excess gas discharged from the outer peripheral portion is limited. Thus, it is possible to prevent the unnecessary gas from being discharged from the outer peripheral portion of the fuel electrode current collector and the reverse diffusion phenomenon of the gas from the outside to the fuel electrode side. As a result, the power generation efficiency is improved, the fuel cell can have a high output density, and the life of the fuel cell can be extended.
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
先ず、本発明が適用された固体酸化物形燃料電池の全体構成を図2および図3を用いて説明する。図2は固体酸化物形燃料電池の要部を示す分解断面図、図3は同要部の分解斜視図である。
図中、符号1は燃料電池スタックを示している。この燃料電池スタック1は、固体電解質層2の両面に燃料極層3と空気極層(酸化剤極層)4を配した発電セル5と、燃料極層3の外側の燃料極集電体6と、空気極層4の外側の空気極集電体(酸化剤極集電体)7と、各集電体6、7の外側のセパレータ8を順番に積層した構造を有する。
First, the overall configuration of a solid oxide fuel cell to which the present invention is applied will be described with reference to FIGS. FIG. 2 is an exploded cross-sectional view showing the main part of the solid oxide fuel cell, and FIG. 3 is an exploded perspective view of the main part.
In the figure, reference numeral 1 denotes a fuel cell stack. The fuel cell stack 1 includes a
ここで、固体電解質層2は、イットリアを添加した安定化ジルコニア(YSZ)等で構成され、燃料極層3は、Ni、Co等の金属あるいはNi−YSZ、Co−YSZ等のサーメットで構成され、空気極層4は、LaMnO3 、LaCoO3 等で構成され、燃料極集電体6は、Ni基合金等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成され、空気極集電体7は、Ag基合金等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成され、セパレータ8は、ステンレス等で構成されている。
Here, the
セパレータ8は、発電セル5間を電気接続すると共に、発電セル5に対してガスを供給する機能を有するもので、内部に燃料ガスをセパレータ8の外周面から導入してセパレータ8の燃料極集電体6に対向する面のほぼ中央部から吐出させる燃料ガス通路11と、酸化剤ガスをセパレータ8の外周面から導入してセパレータ8の空気極集電体7に対向する面から吐出させる酸化剤ガス通路12を有している。但し、両端のセパレータ8(8A、8B)は、ガス通路11、12の何れか一方のみを有する。
The
また この燃料電池スタック1の側方には、図2に示すように、各セパレータ8の燃料ガス通路11に接続管13を通して燃料ガスを供給する燃料用マニホールド15と、各セパレータ8の酸化剤ガス通路12に接続管14を通して酸化剤ガス(空気)を供給する酸化剤用マニホールド16とが、発電セル5の積層方向に延在して設けられている。
Further, on the side of the fuel cell stack 1, as shown in FIG. 2, a
また、この固体酸化物形燃料電池は、発電セル5の外周部にガス漏れ防止シールを設けないシールレス構造とされており、運転時には、図4に示すように、燃料ガス通路11および酸化剤ガス通路12を通してセパレータ8の略中心部から発電セル5に向けて供給される燃料ガスおよび酸化剤ガス(空気)を発電セル5の外周方向に拡散させながら燃料極層3および空気極層4の全面に行き渡らせて発電反応を生じさせると共に、発電反応で消費されなかった残余の高温ガスを、発電セル5の外周部から外に自由に排出するようになっている。また、各集電体6、7の外周部も外部に開放されていることから、各集電体6、7内を拡散するガスの一部は集電体6、7の空孔を通して外周部の全面より排出されている。
In addition, this solid oxide fuel cell has a sealless structure in which a gas leakage prevention seal is not provided on the outer peripheral portion of the
そして、このようなシールレス構造において、本実施形態では、特に、燃料極集電体6においては、図1に示すように、集電体を構成する円形の多孔質金属体23の外周部を覆うように、リング状の金属カバー20が配設される構成としている。カバー20は多孔出金属体23の外周面に密着するように配設するのが好ましい。また、このカバー20は、例えば、カンタル、インコネル、ニクロム等の導電性、且つ、耐熱性の金属で構成されており、その周側部の全周に亘って多数のガス排出孔21が所定の間隔で形成されている。尚、このガス排出孔21は、例えば、4〜8個程度と少なくしても良いが、周側部の全周に亘って均一に設けてあることが好ましい。
In such a sealless structure, in this embodiment, particularly in the anode
また、カバー20の上下周縁部には、中抜きされた台形状の係止爪22が多数形成されており、これら係止爪22の基部を図示のように直角に折り曲げることにより、多孔質金属体23はその上下面を支持されるようになっている。
カバー20は金属製であるから、加工性は良く、且つ、その導電性から積層時にセパレータ8と発電セル5との電気的接続に支障を来すことはない。
また、係止爪22に中抜き22aを設けることで、この係止爪22がセパレータ8から供給される燃料ガスの積層方向の流通に妨げとならないようになっている。尚、係止爪22は片側のみに設けて多孔質金属体23の何れか一方を支持するようにしても良い。
Further, a plurality of trapezoidal
Since the
Further, by providing the
このように、多孔質金属体23の外周面をリング状のカバー20で覆う構造にすることにより、燃料極集電体6の外周部より排出されるガスの排出箇所をガス排出孔21部分のみに制限することができ、その結果、多孔質金属体23内を拡散する燃料ガスが、その外周部全体より排出されることが回避されて、発電反応に寄与しない燃料ガスの外周部からの排出量を抑えると共に、その分燃料ガスを効率的に発電セル5側に供給することができるようになる。
In this way, by forming a structure in which the outer peripheral surface of the
加えて、カバー20により、燃料極側への空気の逆拡散現象が防止され、発電セル内部において発生した燃焼反応により電極反応に使用可能な燃料ガスが消費され発電性能を低下させるという問題や燃焼による局部的な温度上昇で発電セル内の熱応力分布が不均一となり、燃料電池スタック1の寿命を短縮させるというシールレス構造特有の問題を極力無くすことができる。これにより、発電効率を向上し、燃料電池の高出力密度化が図れると共に、燃料電池スタック1の高寿命化が図れるようになる。
In addition, the
また、発電セル5、集電体6、7、セパレータ8の積層過程において、燃料極集電体6の多孔質金属体23は、この金属製カバー20により積層方向の加重に対するガイド板の役目を果たすことから、積層時の圧力により多孔質金属体23が過度に押し潰されることはなく、積層後も多孔質金属体23には略球状の空孔が確保されており、当多孔質金属体23内において均一で良好なガスの流れを確保することができる。
In the stacking process of the
因みに、通常、多孔質金属体として、厚み約2mm程度のものが使用されており、金属カバー20を有しない空気極集電体7の場合は、積層時の圧力で多孔質金属体が厚さ0.7mm程度に押し潰されてしまうが、当空気極集電体7には、元来、必要反応量の約2倍程の多量の空気が供給されるため、集電体内でのガス拡散性や発電セル側へのガス供給量等に問題は生じない。
Incidentally, a porous metal body having a thickness of about 2 mm is usually used, and in the case of the air electrode
このように、多孔質金属体23の外周面をカバー20で覆うことにより、燃料極集電体6をより厚くすることができ、多孔質金属体23の厚みが増せば燃料ガスの流量を多くすることができる。集電体内に供給された多量の燃料ガスは、このカバー20の配設により、外周部からの無駄な排出が制限されており、よって、集電体内に拡散したガスは効率良く発電セル5側に供給されるようになる。
Thus, by covering the outer peripheral surface of the
2 固体電解質層
3 燃料極層
4 酸化剤極層(空気極層)
6 燃料極集電体
7 酸化剤極集電体(空気極集電体)
8 セパレータ
20 カバー
21 ガス排出孔
22 係止爪
23 多孔質金属体
2
6 Fuel electrode
8
21
Claims (3)
前記燃料極集電体の外周部を覆うように、ガス排出孔を有するカバーを配設し、外周部から排出される余剰ガスの排出箇所を制限したことを特徴とする固体酸化物形燃料電池。 A fuel electrode layer and an oxidant electrode layer are arranged on both sides of the solid electrolyte layer, and a fuel electrode current collector and an oxidant electrode current collector made of a porous metal body are respectively disposed outside the fuel electrode layer and the oxidant electrode layer. A separator is disposed outside the fuel electrode current collector and the oxidant electrode current collector, and the fuel electrode layer and the oxidant electrode layer are passed from the separator through the fuel electrode current collector and the oxidant electrode current collector. In a solid oxide fuel cell having a sealless structure for supplying fuel gas and oxidant gas to
A solid oxide fuel cell characterized in that a cover having a gas discharge hole is provided so as to cover the outer peripheral portion of the fuel electrode current collector, and the exhaust gas exhaust locations discharged from the outer peripheral portion are limited. .
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