JP2005216579A - 固体酸化物型燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】 広い運転範囲で複数の筒状固体酸化物型燃料電池セルが効率良く発電をし、セルの寿命にバラツキがなく信頼性の高い安全な発電ができる筒状固体酸化物型燃料電池を提供する。
【解決手段】 燃料電池容器内１に複数のセル挿入孔７と通気孔６とを有する燃焼室仕切り板８を用いて燃焼室１１と発電室１２が形成されており、複数の筒状固体酸化物型燃料電池セル２が、前記複数のセル挿入孔７にそれぞれ挿入固定されていると共に、前記燃焼室１１内に前記筒状固体酸化物型燃料電池セル２の内部へガスを供給するガス分配器１５と、前記燃料電池容器１に前記筒状固体酸化物型燃料電池セル２の外側へ燃料ガスを供給する燃料ガス供給管１３と、前記燃料電池容器１に前記燃焼室１１の燃焼ガスを排出する排気管１８とを備えた固体酸化物型燃料電池であって、前記ガス分配器１５が均熱手段を備えている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、固体酸化物型燃料電池に関し、さらに詳しくは、片側先端が密封された筒状固体酸化物型燃料電池へのガス分配器に関する。

従来、固体酸化物型燃料電池は、燃料電池容器内に収納された複数の筒状固体酸化物型燃料電池セルが、ニッケルフェルト等の導電性部材で相互接続される集合体を形成している。燃料電池容器内において、この集合体に燃焼室仕切り板を設けて燃焼室と発電室を区分し、燃料ガス分散板を設けて発電室と燃料ガス供給室を区分し、燃焼室内に筒状固体酸化物型燃料電池セルの先端内部に供給するガス分配器を備えている。このとき、各筒状固体酸化物型燃料電池セルの先端内部へのガス供給する分配構造は、ガス供給管に沿って、燃焼室の燃焼ガスを排出する排気管を設けている構造（例えば、特許文献１参照）を形成している。

しかしながら、従来の構成では、複数の筒状固体酸化物型燃料電池セルが不均一な発電をするため、セルの寿命にバラツキがでて信頼性が低くなる、運転温度範囲が狭くなると共に、発電性能が低下してしまう、という問題があった。
特開２０００−２６８８３９号広報（３〜６頁、図１〜８）

本発明は以上のような課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、広い運転範囲で複数の筒状固体酸化物型燃料電池セルが効率良く発電をし、セルの寿命にバラツキがなく信頼性の高い安全な発電ができる筒状固体酸化物型燃料電池を提供することにある。

以上のような課題を解決する請求項１の発明は、燃料電池容器内に複数のセル挿入孔と通気孔とを有する燃焼室仕切り板を用いて燃焼室と発電室が形成されており、少なくとも空気極と電解質と燃料極を有する片側先端で密封された複数の筒状固体酸化物型燃料電池セルが、前記複数のセル挿入孔にそれぞれ挿入され、開口部近傍で固定されていると共に、前記燃焼室内に前記筒状固体酸化物型燃料電池セルの内部へガスを供給するガス分配器と、前記燃料電池容器に前記筒状固体酸化物型燃料電池セルの外側へ燃料ガスを供給する燃料ガス供給管と、前記燃料電池容器に前記燃焼室の燃焼ガスを排出する排気管とを備えた固体酸化物型燃料電池であって、前記ガス分配器が均熱手段を備えていることを特徴とする。
このように、ガス分配器が均熱手段を備えることにより、燃焼室における温度分布の影響を抑制してガス分配器の内部温度が均一に保たれ、複数の筒状固体酸化物型燃料電池セルへの供給ガスの温度及び密度を均一にできるため、筒状固体酸化物型燃料電池の中央部と外周部との放熱量の差が拡大することを抑制できる。また、複数の筒状固体酸化物型燃料電池セルの集合体内の温度分布を緩和でき、筒状固体酸化物型燃料電池セルの内外に供給するそれぞれのガスの偏りを少なくできるため、燃焼による燃焼室内の温度分布が緩和できる。したがって、固体酸化物型燃料電池は、複数の筒状固体酸化物型燃料電池セルを均一に発電させることができ、信頼性の高い安全で高効率な発電を維持できる。

請求項２の発明は、前記均熱手段が、前記ガス分配器の内部に設けられた金属部材からなるフィンであることを特徴とする。
これによって、ガス分配器の内部において、複数の筒状固体酸化物型燃料電池セルへの供給ガスが、金属部材からなるフィンを介して効率良く熱伝導による均熱ができるため、燃焼室の温度分布の影響を緩和できる。また、ガス分配器の各ガス導入管まで供給ガスを整流することができる。

請求項３の発明は、前記均熱手段が、前記ガス分配器の内部に設けられた金属繊維からなるフェルトであることを特徴とする。
これによって、ガス分配器の内部において、複数の筒状固体酸化物型燃料電池セルへの供給ガスが、金属部材からなるフェルトを介して効率良く熱伝導による均熱ができるため、燃焼室の温度分布の影響を緩和できる。また、フェルトによってガス分配器における内部の圧力損失を高くし、複数の筒状固体酸化物型燃料電池セルへの供給ガスを各ガス導入管へ均分しやすくできる。

請求項４の発明は、前記均熱手段が、前記ガス分配器の内部に設けられたセラミック材料からなるペレットであることを特徴とする。
これによって、ガス分配器の内部において、複数の筒状固体酸化物型燃料電池セルへの供給ガスが、ガス分配器の表面と供給ガスとの熱交換量を少なくして供給ガスの温度を維持できるため、燃焼室の温度分布の影響を緩和できる。また、ペレットによってガス分配器における内部の圧力損失を高くし、複数の筒状固体酸化物型燃料電池セルに供給する各ガス導入管への供給ガスを均分しやすくできる。

請求項５の発明は、前記均熱手段が、前記ガス分配器の内部に設けられたセラミック材料からなるフェルトであることを特徴とする。
これによって、ガス分配器の内部において、複数の筒状固体酸化物型燃料電池セルへの供給ガスが、ガス分配器の表面と供給ガスとの熱交換量を少なくして供給ガスの温度を維持できるため、燃焼室の温度分布の影響を緩和できる。また、フェルトによってガス分配器における内部の圧力損失を高くし、複数の筒状固体酸化物型燃料電池セルへの供給ガスを各ガス導入管へ均分しやすくできる。

請求項６の発明は前記均熱手段が、前記ガス分配器の内部表面あるいは外部表面に設けられた断熱材であることを特徴とする。
これによって、複数の筒状固体酸化物型燃料電池セルへの供給ガスが、ガス分配器の内部表面あるいは外部表面の断熱材で燃焼室の温度を遮蔽でき、燃焼室とガス分配器との熱伝導を低減できるため、燃焼室の温度分布の影響を緩和できる。

請求項７の発明は、前記均熱手段が、請求項２〜６中に記載の均熱手段の２つ以上の組み合わせであることを特徴とする。
これによって、複数の筒状固体酸化物型燃料電池セルへの供給ガスが、効果的に均熱できるため、複数の筒状固体酸化物型燃料電池セルに供給する各ガス導入管への供給ガスを均分しやすくできる。

本発明によれば、ガス分配器における供給ガスの温度分布を緩和し、複数の筒状固体酸化物型燃料電池へ均一な質量流量でガスが供給され、広い運転範囲で複数の筒状固体酸化物型燃料電池セルが均一な発電をできるため、信頼性の高い安全で高効率な発電ができる固体酸化物型燃料電池を形成できる。

以下、本発明の好適な実施形態について図面を参照して具体的かつ詳細に説明を行う。図１は、本発明の一実施形態を示す筒状固体酸化物型燃料電池の概略図である。しかしながら、これは一例であり、本発明はこれに限定されるものではない。図１は、複数の片側先端が密封された筒状固体酸化物型燃料電池セル（以下、燃料電池セルという）２が、長手方向でそれぞれの相互接続を導電性部材３で、複数セルの相互接続を導電性板４で、電力の取り出しを電極棒５で行う集合体を形成している。この集合体を収納する燃料電池容器１と、セル挿入孔７と通気孔６とを有する燃焼室仕切り板８と、通気孔６を有する燃料ガス分散板１０と、により燃焼室１１、発電室１２、燃料ガス供給室１３を形成し、燃料電池セル１の先端内部にガス導入管１４により酸化剤ガスを供給するガス分配器１５を燃焼室１１の内部に形成している。また、燃料ガス分散板１０の上には燃料電池セル２の封止側を保護する緩衝材９、ガス分配器１５には酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給配管１６、燃料ガス供給室１３には燃料ガスを供給する燃料ガス供給配管１７、燃料室１１には燃焼した排気ガスを排出する排気ダクト１８、がそれぞれ形成されている。このとき、導電性部材３、導電性板４、電極棒５はＮｉを主成分とする金属材料で、燃料電池容器１は耐熱ステンレス鋼やインコネル等で、燃焼ガス仕切り板８、燃料ガス分散板１０は、耐熱ステンレス鋼、インコネル等の金属材料やアルミナ等を主成分とするセラミック材料で、緩衝材９は、Ｎｉを主成分とする金属材料やアルミナ等を主成分とするセラミック材料の繊維で、それぞれ形成できる。

図２は、本発明の一実施形態に係わる燃料電池セル２の概略図である。しかしながら、これは一例であり、本発明はこれに限定されるものではない。燃料電池セル２は、筒状の電解質２０の内面に空気極１９を、外面に燃料極２１が形成されており、空気極１９へ電気的に接続されたインターコネクタ２２が燃料極２１とは電気的に接続されていないように形成された構造を備えている。このとき、空気極１９は多孔質のＬａＣｏＯ₃、ＬａＭｎＯ₃、ＬａＦｅＯ₃等のペロブスカイト型酸化物を用いることが出来、さらにＳｒやＣａ等をＬａサイトにドープしたもの、あるいはそれらの複合材も用いることが出来る。電解質２０はＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）により形成されている。燃料極２１は多孔質のＮｉとＹＳＺのサーメットにより形成されている。インターコネクタ２２はＬａＣｒＯ₃にＳｒやＣａ等をドープしたものにより形成されている。

次に、このように形成された筒状固体酸化物型燃料電池の動作について、酸化剤ガスを空気として説明する。空気は、酸化剤ガス供給配管１６より燃焼室１１の内部に設けられたガス分配器１５のガス導入管１４を介して発電室１２の内部に設けられた各燃料電池セル２の先端内部に流れて空気極１９へ供給され、燃料ガスは、燃料ガス供給配管１７より燃料ガス供給室１３、燃料ガス分散板１０に形成される通気孔６を介して発電室１２の内部に形成される燃料電池セル２の外側に流れて燃料極２１に供給されると、電解質２０の両側で電気化学的反応が起こり、電気と熱と水を発生する。この反応は水の電気化学的反応の逆反応である。このとき、発電室１２における雰囲気温度が約１，０００℃の高温で複数の燃料電池セル２の集合体が発電している。また、この集合体の中央部では空気、燃料ガスにより主に放熱しており、この集合体の外周部では、空気、燃料ガス、周囲の断熱材（図示せず）により主に放熱される。つまり燃料電池セル２からの放熱により、発電室１２の中央部から外周部に向かって温度が低くなるような温度分布を生じる。この温度分布の影響により、この集合体に供給される燃料ガスは、この集合体の中央部で発電反応を活発にして密度を薄くし、さらに、燃焼室１１の内部では、燃料ガスの残分の流量分布による温度分布、圧力分布が生じるため、複数の燃料電池セル２に供給される空気および燃料ガスによる放熱量の差が大きくなる。結果として、複数の燃料電池セル２が発電を効率低下させて固体酸化物型燃料電池の発電効率を低下してしまう傾向にある。本発明では、ガス分配器１５内の空気温度を均一にする均熱手段を設けて供給ガスの温度、密度を均一にし、複数の燃料電池セル２へ供給するガスを均一な質量流量で供給できる構造を形成している。

これによって、燃焼室１１における温度分布の影響を抑制してガス分配器１５の内部温度が均一に保たれ、複数の燃料電池セル２へ供給する空気の温度や密度を均一にでき、空気を均分して複数の燃料電池セル２へ供給できるため、筒状固体酸化物型燃料電池の中央部と外周部との放熱量の差が拡大することを抑制できる。また、発電室１２内の温度分布を緩和でき、燃料電池セル２の内外に供給される空気と燃料ガスの偏りを少なくできるため、燃焼室１１の燃焼による温度分布が緩和できる。したがって、固体酸化物型燃料電池は、複数の燃料電池セル２を均一に発電させることができ、信頼性の高い安全で高効率な発電を維持できる。

図３は、均熱手段に金属部材からなるフィン２３を内部に設けたガス分配器１５の内部平面図であり、図４は、図３の側面図である。これは一例であり、本発明はこれに限定されるものではない。図３、４は、ガス分配器１５の内部に、比熱が小さく熱伝導率が高いＣｕやＮｉ等を主成分とする金属板からなる格子構造のフィン２３を形成している。このとき、フィン２３の比熱は０．２ｃａｌ・（ｇ^-1・Ｋ^-1）以下、熱伝導率は０．１ｃａｌ・（ｃｍ・Ｋ^-1・ｓｅｃ^-1）以上であることが好ましい。

これによって、ガス分配器１５の内部において、複数の燃料電池セル２へ供給する空気が、格子構造のフィン２３を介して効率良く熱伝導による均熱ができるため、燃焼室１１の温度分布の影響を緩和できる。また、ガス分配器１５の各ガス導入管１４まで空気を整流することができる。

図５は、均熱手段に金属部材からなるフェルト２４を内部に設けたガス分配器１５の内部平面図であり、図６は、図５の側面図である。これは一例であり、本発明はこれに限定されるものではない。図５、６は、ガス分配器１５の上部に３〜５ｍｍ程度の隙間を設けて比熱が小さく熱伝導率が高いＣｕやＮｉ等を主成分とする金属フェルト２４を配置して空気が流れるように形成している。このとき、金属フェルト２４の比熱は０．２ｃａｌ・（ｇ^-1・Ｋ^-1）以下、熱伝導率は０．１ｃａｌ・（ｃｍ・Ｋ^-1・ｓｅｃ^-1）以上であることが好ましい。

これによって、ガス分配器１５部において、複数の燃料電池セル２へ供給する空気が、金属フェルト２４を介して効率良く熱伝導による均熱ができるため、燃焼室１１の温度分布の影響を緩和できる。また、金属フェルト２４によってガス分配器１５における内部の圧力損失を高くし、複数の燃料電池セル２に供給する空気を各ガス導入管１４へ均分しやすくできる。

図７は、均熱手段にセラミック材料からなるペレットを内部に設けたガス分配器１５の内部平面図であり、図８は、図７の側面図である。これは一例であり、本発明はこれに限定されるものではない。図７、図８では、ガス分配器１５の上部に３〜５ｍｍ程度の隙間を設けて比熱が大きく熱伝導率が高いアルミナやムライト等のセラミック材料からなるペレット２５を、ペレット保持板２６の上に配置している。ペレット保持板２６にはペレット２５を落下防止するためにペレット２５より小さな複数の通気孔（図示せず）を有し、空気が流れるように形成されている。ペレット２５は、燃焼室１１の熱伝導の影響を受けにくくするため、比熱を０．２ｃａｌ・（ｇ^-1・Ｋ^-1）以上、熱伝導率を０．５ｃａｌ・（ｃｍ・Ｋ^-1・ｓｅｃ^-1）以下、サイズをΦ０．５〜３．０ｍｍ程度の材料で構成することが好ましい。

これによって、ガス分配器１５の内部において、複数の燃料電池セル２へ供給する空気が、ガス分配器１５の内部表面と空気との熱交換量を少なくでき、供給する空気の温度を維持できるため、燃焼室１１の温度分布の影響を緩和できる。また、ペレット保持板２６により固定保持されるペレット２５によってガス分配器１５における内部の圧力損失を高くし、複数の燃料電池セル２に供給する空気を各ガス導入管１４へ均分しやすくできる。

ガス分配器１５の内部に、比熱が大きく熱伝導率が高いアルミナやムライト等のセラミックフェルト（図示せず）を形成し、このセラミックフェルトは、燃焼室１１の熱伝導の影響を受けにくくするため、比熱を０．２ｃａｌ・（ｇ^-1・Ｋ^-1）以上、熱伝導率を０．５ｃａｌ・（ｃｍ・Ｋ^-1・ｓｅｃ^-1）以下の材料で構成することが好ましい。

これによって、ガス分配器１５の内部において、複数の燃料電池セル２へ供給する空気が、ガス分配器１５の内部表面と空気との熱交換量を少なくでき、供給する空気の温度を均一に維持できるため、燃焼室１１の温度分布の影響を緩和できる。また、セラミックフェルトによってガス分配器１５における内部の圧力損失を高くし、複数の燃料電池セル２に供給する空気を各ガス導入管１４へ均分しやすくできる。

図９は、均熱手段として外部表面へ断熱材２７を設けたガス分配器１５の概略図である。これは一例であり、本発明はこれに限定されるものではない。図９では、ガス分配器１５における外部表面の全周囲に、アルミナやムライト等のセラミック材料からなる断熱材２７が設けられている。

これによって、複数の燃料電池セル２へ供給する空気が、ガス分配器１５の外部表面の断熱材２７で燃焼室１１の温度を遮蔽でき、燃焼室１１とガス分配器１５との熱伝導を緩和できるため、燃焼室１１の温度分布の影響を緩和できる。

なお、前述の実施例にかかわらず、燃料ガスが燃料電池セル２の内側を流れ、空気が燃料電池セルの外側に流れるように構成し、燃料ガスと空気を入れ替えて燃料ガス分配器としても同様に形成することもできる。

本発明の一実施形態を示す固体酸化物型燃料電池の概略図である。 本発明の一実施形態に係わる筒状固体酸化物型燃料電池セルの概略図である。 均熱手段として金属部材からなるフィンを内部に設けたガス分配器の内部平面図である。 図３の側面図である。 均熱手段として金属フェルトを内部に設けたガス分配器の内部平面図である。 図５の側面図である。 均熱手段としてセラミック材料からなるペレットを内部に設けたガス分配器の内部平面図である。 図７の側面図である。 均熱手段として外部表面へ断熱材を設けたガス分配器の概略図である。

符号の説明

１ 燃料電池容器
２ 筒状固体酸化物型燃料電池セル
３ 導電性部材
４ 導電性板
５ 電極棒
６ 通気孔
７ セル挿入孔
８ 燃焼室仕切り板
９ 緩衝材
１０ 燃料ガス分散板
１１ 燃焼室
１２ 発電室
１３ 燃料ガス供給室
１４ ガス導入管
１５ ガス分配器
１６ 酸化剤ガス供給配管
１７ 燃料ガス供給配管
１８ 排気ダクト
１９ 空気極
２０ 電解質
２１ 燃料極
２２ インターコネクタ
２３ フィン
２４ 金属フェルト
２５ ペレット
２６ ペレット保持板
２７ 断熱材

Claims (7)

1. 燃料電池容器内に複数のセル挿入孔と通気孔とを有する燃焼室仕切り板を用いて燃焼室と発電室が形成されており、
   少なくとも空気極と電解質と燃料極を有する片側先端で密封された複数の筒状固体酸化物型燃料電池セルが、前記複数のセル挿入孔にそれぞれ挿入され、開口部近傍で固定されていると共に、
   前記燃焼室内に前記筒状固体酸化物型燃料電池セルの内部へガスを供給するガス分配器と、前記燃料電池容器に前記筒状固体酸化物型燃料電池セルの外側へ燃料ガスを供給する燃料ガス供給管と、前記燃料電池容器に前記燃焼室の燃焼ガスを排出する排気管とを備えた固体酸化物型燃料電池であって、
   前記ガス分配器が均熱手段を備えていることを特徴とする固体酸化物型燃料電池。
2. 前記均熱手段が、前記ガス分配器の内部に設けられた金属部材からなるフィンであることを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物型燃料電池。
3. 前記均熱手段が、前記ガス分配器の内部に設けられた金属繊維からなるフェルトであることを特徴とする請求項１または２に記載の固体酸化物型燃料電池。
4. 前記均熱手段が、前記ガス分配器の内部に設けられたセラミック材料からなるペレットであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の固体酸化物型燃料電池。
5. 前記均熱手段が、前記ガス分配器の内部に設けられたセラミック材料からなるフェルトであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の固体酸化物型燃料電池。
6. 前記均熱手段が、前記ガス分配器の内部表面あるいは外部表面に設けられた断熱材であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の固体酸化物型燃料電池。
7. 前記均熱手段が、請求項２〜６中に記載の均熱手段の２つ以上の組み合わせであることを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物型燃料電池。
   

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