JP2006252941A - Fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料ガスと空気ガスとに基づいて電力を生成するセルと、セルによって生成された電力を集電する集電部材とを備え、セルは、燃料ガスと空気ガスとを酸化還元反応させるイオンを伝導させるための電解質を含む燃料電池に関する。 The present invention includes a cell that generates electric power based on fuel gas and air gas, and a current collecting member that collects the electric power generated by the cell. The cell performs oxidation-reduction reaction between the fuel gas and air gas. The present invention relates to a fuel cell including an electrolyte for conducting ions to be conducted.
固体酸化物形燃料電池は、固体電解質と、固体電解質を挟んで配置された空気極および燃料極を備えている。固体電解質はイットリア安定化ジルコニア(YSZ)等によって構成されており、空気極は、例えばペロブスカイト型ランタン系複合酸化物によって構成されており、燃料極はニッケル等を主成分とする。このように構成された固体酸化物形燃料電池は、固体電解質を介した燃料ガスと空気との酸化還元反応によって起電力を得る。 The solid oxide fuel cell includes a solid electrolyte, an air electrode and a fuel electrode arranged with the solid electrolyte interposed therebetween. The solid electrolyte is made of yttria-stabilized zirconia (YSZ) or the like, the air electrode is made of, for example, a perovskite-type lanthanum complex oxide, and the fuel electrode has nickel or the like as a main component. The solid oxide fuel cell configured as described above obtains an electromotive force by an oxidation-reduction reaction between fuel gas and air via a solid electrolyte.
この種の燃料電池では、単一のセルで得られる電力が少ないので、複数のセルを直並列に接続してモジュールを構成し、このモジュールをさらに複数個配置して所要の電力を得ている。 In this type of fuel cell, the amount of power that can be obtained from a single cell is small, so a module is formed by connecting a plurality of cells in series and parallel, and a plurality of modules are arranged to obtain the required power. .
従来の代表的な直列および並列の接続方法としては、ニッケルフェルト等の導電材を用いて各セルを直列に接続し、直列接続されたスタック構造を形成する。そして、各スタックの終端部を直列または並列に接続し、最終的なスタック構造を形成する。また、通気性の導電材によって3個以上のセルを並列に接続する構成も開示されている。
しかしながら前述した方法で直列および並列に接続したスタック構造を形成すると、燃料ガスおよび空気ガスの入り口付近での発電により発生した電流の密度と、燃料ガスおよび空気ガスの出口付近での発電により発生した電流の密度とを均一化するために、セルの面内方向に沿って電流の流れが生じる。このため、電圧損失が生じ、発電効率が低下するという問題が生じる。 However, when the stack structure connected in series and in parallel is formed by the above-described method, the density of current generated by the power generation near the fuel gas and air gas inlets and the power generation near the fuel gas and air gas outlets are generated. In order to make the current density uniform, current flows along the in-plane direction of the cell. For this reason, voltage loss arises and the problem that power generation efficiency falls arises.
空気および燃料ガスを各セルへ厳密に均一に分配することは難しく、数パーセントから10パーセント程度のばらつきが生じる。このため、空気および燃料ガスの分配の不均一性が何らかの原因で一時的に大きくなると、空気および燃料ガスが一部のセルで不足するので、セルの電圧が低下してセルが破壊するおそれがあるという問題がある。 It is difficult to distribute air and fuel gas evenly and evenly to each cell, resulting in variations of several percent to 10 percent. For this reason, if the non-uniformity in the distribution of air and fuel gas is temporarily increased for some reason, the air and fuel gas may be insufficient in some cells, so that the cell voltage may drop and the cell may be destroyed. There is a problem that there is.
本発明の目的は、発電効率が高い燃料電池を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a fuel cell with high power generation efficiency.
本発明に係る燃料電池は、燃料ガスと空気ガスとに基づいて電力を生成する少なくとも1個のセルと、前記セルによって生成された前記電力を集電する少なくとも1個の集電部材とを備え、前記セルは、前記燃料ガスと前記空気ガスとを酸化還元反応させるイオンを伝導させるための電解質を含む燃料電池において、前記セルは、前記電解質の表面に沿って前記燃料ガスを透過させる第1燃料極と、前記燃料ガスと同じ方向に前記空気ガスを透過させるために前記電解質を挟んで前記第1燃料極と対向する位置に配置された第1空気極と、前記第1燃料極を透過した前記燃料ガスを透過させるために、前記第1燃料極と分離して前記電解質上に配置された第2燃料極と、前記第1空気極を透過した前記空気ガスを透過させるために、前記電解質を挟んで前記第2燃料極と対向する位置に前記第1空気極と分離して配置された第2空気極とをさらに含み、前記集電部材は、前記第1燃料極と前記第1空気極との1つに接続された第1集電体と、前記第2燃料極と前記第2空気極との1つに前記第1集電体と分離して接続された第2集電体とを含むことを特徴とする。 A fuel cell according to the present invention includes at least one cell that generates electric power based on fuel gas and air gas, and at least one current collecting member that collects the electric power generated by the cell. In the fuel cell, the cell includes an electrolyte for conducting an ion-reduction reaction between the fuel gas and the air gas. The cell transmits the fuel gas along a surface of the electrolyte. A fuel electrode, a first air electrode disposed at a position facing the first fuel electrode with the electrolyte interposed therebetween to allow the air gas to permeate in the same direction as the fuel gas, and the first fuel electrode. In order to permeate the fuel gas, the second fuel electrode disposed on the electrolyte separately from the first fuel electrode, and the air gas permeated through the first air electrode are permeated. electrolytic And a second air electrode disposed separately from the first air electrode at a position facing the second fuel electrode with the current collector interposed therebetween, wherein the current collecting member includes the first fuel electrode and the first air A first current collector connected to one of the electrodes, and a second current collector connected to one of the second fuel electrode and the second air electrode separately from the first current collector It is characterized by including.
本発明によれば、発電効率が高い燃料電池を提供することができる。 According to the present invention, a fuel cell with high power generation efficiency can be provided.
本実施の形態に係る燃料電池においては、セルは、電解質の表面に沿って燃料ガスを透過させる第1燃料極と、燃料ガスと平行で同じ方向に向かって空気ガスを透過させるために電解質を挟んで第1燃料極と対向する位置に配置された第1空気極と、第1燃料極を透過した燃料ガスを透過させるために、第1燃料極と分離して電解質上に配置された第2燃料極と、第1空気極を透過した空気ガスを透過させるために、電解質を挟んで第2燃料極と対向する位置に第1空気極と分離して配置された第2空気極とを含み、集電部材は、第1燃料極と第1空気極との1つに接続された第1集電体と、第2燃料極と第2空気極との1つに第1集電体と分離して接続された第2集電体とを含む。このため、空気極が第1および第2空気極に分割され、燃料極が第1および第2燃料極に分割される。従って、各空気極および各燃料極で発生した電流の密度が広がることを防止することができるので、セルの面内方向に沿った電流の流れが抑制され、電圧損失が低減する。その結果、燃料電池の発電効率を向上させることができる。 In the fuel cell according to the present embodiment, the cell includes a first fuel electrode that allows fuel gas to permeate along the surface of the electrolyte, and an electrolyte that allows air gas to permeate in the same direction parallel to the fuel gas. A first air electrode disposed at a position opposite to the first fuel electrode across the first fuel electrode and a first air electrode separated from the first fuel electrode and disposed on the electrolyte in order to allow the fuel gas that has passed through the first fuel electrode to pass therethrough. Two fuel electrodes and a second air electrode disposed separately from the first air electrode at a position facing the second fuel electrode across the electrolyte in order to transmit the air gas that has passed through the first air electrode. And a current collecting member includes a first current collector connected to one of the first fuel electrode and the first air electrode, and a first current collector on one of the second fuel electrode and the second air electrode. And a second current collector connected separately. For this reason, the air electrode is divided into first and second air electrodes, and the fuel electrode is divided into first and second fuel electrodes. Therefore, since it is possible to prevent the density of current generated at each air electrode and each fuel electrode from spreading, current flow along the in-plane direction of the cell is suppressed, and voltage loss is reduced. As a result, the power generation efficiency of the fuel cell can be improved.
この実施の形態では、前記燃料ガスの透過方向に沿った前記第1燃料極の長さは、前記燃料ガスの透過方向に沿った前記第2燃料極の長さよりも長いことが好ましい。 In this embodiment, it is preferable that the length of the first fuel electrode along the permeation direction of the fuel gas is longer than the length of the second fuel electrode along the permeation direction of the fuel gas.
前記第1燃料極の前記長さは、前記第1燃料極の前記長さと前記第2燃料極の前記長さとの合計の70%以上75%以下であることが好ましい。 The length of the first fuel electrode is preferably 70% or more and 75% or less of a total of the length of the first fuel electrode and the length of the second fuel electrode.
前記少なくとも1個のセルは、前記燃料ガスの透過方向に交差する方向に沿って互いに並列に配置された複数個のセルであることが好ましい。 The at least one cell is preferably a plurality of cells arranged in parallel with each other along a direction intersecting the fuel gas permeation direction.
前記少なくとも1個の集電部材は、互いに隣り合う前記複数個のセルの間にそれぞれ配置された複数個の集電部材であることが好ましい。 The at least one current collecting member is preferably a plurality of current collecting members respectively disposed between the plurality of adjacent cells.
前記複数個のセルにそれぞれ設けられた前記第1燃料極および前記第1空気極は、前記第1集電体によって直列に接続され、前記複数個のセルにそれぞれ設けられた前記第2燃料極および前記第2空気極は、前記第2集電体によって直列に接続されることが好ましい。 The first fuel electrode and the first air electrode provided in each of the plurality of cells are connected in series by the first current collector, and the second fuel electrode provided in each of the plurality of cells. The second air electrode is preferably connected in series by the second current collector.
前記第1集電体の前記第1燃料極に対向する面には、前記燃料ガスが透過する方向に沿って溝が形成され、前記第2集電体の前記第2燃料極に対向する面には、前記燃料ガスが透過する方向に沿って溝が形成されていることが好ましい。 A surface of the first current collector facing the first fuel electrode is formed with a groove along a direction in which the fuel gas permeates, and the surface of the second current collector facing the second fuel electrode. Preferably, a groove is formed along the direction in which the fuel gas permeates.
前記第1集電体の前記第1空気極に対向する面には、前記空気ガスが透過する方向に沿って溝が形成され、前記第2集電体の前記第2空気極に対向する面には、前記空気ガスが透過する方向に沿って溝が形成されていることが好ましい。 A surface facing the first air electrode of the first current collector is formed with a groove along a direction through which the air gas permeates, and the surface facing the second air electrode of the second current collector Preferably, a groove is formed along the direction in which the air gas permeates.
前記第1集電体と前記第1燃料極との間、および前記第2集電体と前記第2燃料極との間には、導電性の多孔体がそれぞれ設けられていることが好ましい。 It is preferable that a conductive porous body is provided between the first current collector and the first fuel electrode and between the second current collector and the second fuel electrode, respectively.
前記第1集電体と前記第1空気極との間、および前記第2集電体と前記第2空気極との間には、導電性の多孔体がそれぞれ設けられていることが好ましい。 It is preferable that a conductive porous body is provided between the first current collector and the first air electrode and between the second current collector and the second air electrode, respectively.
前記第1および前記第2空気極は、還元触媒を含むことが好ましい。 The first and second air electrodes preferably include a reduction catalyst.
前記第1および前記第2空気極の少なくとも1つは、希土類元素を包含するペロブスカイト系複合酸化物を含むことが好ましい。 It is preferable that at least one of the first and second air electrodes includes a perovskite complex oxide including a rare earth element.
前記第1および前記第2空気極の気孔率は、20%以上60%以下であることが好ましい。 The porosity of the first and second air electrodes is preferably 20% or more and 60% or less.
前記第1および前記第2燃料極は、酸化触媒を含むことが好ましい。 It is preferable that the first and second fuel electrodes include an oxidation catalyst.
前記第1および前記第2燃料極の少なくとも1つは、ニッケル、白金、ニッケル−ジルコニア、ニッケル−セリア、白金−ジルコニアおよび白金−セリアから選択される少なくとも1つを含むことが好ましい。 Preferably, at least one of the first and second fuel electrodes includes at least one selected from nickel, platinum, nickel-zirconia, nickel-ceria, platinum-zirconia, and platinum-ceria.
前記第1および前記第2燃料極の気孔率は、20%以上60%以下であることが好ましい。 It is preferable that the porosity of the first and second fuel electrodes is 20% or more and 60% or less.
前記電解質は、イオン導電性材料を含むことが好ましい。 The electrolyte preferably includes an ion conductive material.
前記電解質は、イットリア安定化ジルコニアおよびランタンガレード系ペロブスカイト酸化物の少なくとも1つを含むことが好ましい。 The electrolyte preferably includes at least one of yttria-stabilized zirconia and lanthanum garade-based perovskite oxide.
前記セルは、長尺平板型セルであることが好ましい。 The cell is preferably a long flat plate cell.
前記セルは、円形セルと円筒形セルとのいずれかであることが好ましい。 The cell is preferably either a circular cell or a cylindrical cell.
前記燃料電池は、固体酸化物形燃料電池であることが好ましい。 The fuel cell is preferably a solid oxide fuel cell.
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
図1は、本実施の形態に係る燃料電池100の構成を示すブロック図である。燃料電池100は、直方体形状をしたセル1Aを備えている。セル1Aは、燃料ガス7Aと空気ガス7Bとに基づいて電力を生成する。燃料電池100には、集電体2Aおよび2Fが設けられている。集電体2Aおよび2Fは、セル1Aによって生成された電力を集電する。
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a
セル1Aは、燃料ガス7Aと空気ガス7Bとを酸化還元反応させるための電解質5Aを含む。セル1Aには、燃料極4Aが設けられている。燃料極4Aは、電解質5Aの表面に沿って燃料ガス7Aを透過させるために、燃料ガス7Aが流入する入り口側の電解質5Aの表面に接着されている。
The
セル1Aは、空気極3Aを有している。空気極3Aは、燃料ガス7Aと平行で同じ方向に向かって空気ガス7Bを透過させるために電解質5Aを挟んで燃料極4Aと対向する位置に接着されている。
The
セル1Aには、燃料極4Eが設けられている。燃料極4Eは、燃料極4Aを透過した燃料ガス7Aを透過させるために、燃料極4Aと分離して電解質5Aの出口側の上に接着されている。セル1Aは、空気極3Eを有している。空気極3Eは、空気極3Aを透過した空気ガス7Bを透過させるために、電解質5Aを挟んで燃料極4Eと対向する位置に空気極3Aと分離して接着されている。
The
集電体2Aは、空気極3Aで発電された電力を集電する。集電体2Fは、空気極3Eで発電された電力を集電する。
The
燃料電池100は、直方体形状をしたセル1B、1Cおよび1Dを備えている。燃料電池100には、集電体2B、2C、2Dおよび2Eならびに集電体2G、2H、2Iおよび2Jが設けられている。
The
セル1B、1Cおよび1Dは、燃料ガス7Aと空気ガス7Bとを酸化還元反応させるための電解質5B、5Cおよび5Dをそれぞれ含む。セル1B、1Cおよび1Dには、燃料極4B、4Cおよび4Dがそれぞれ設けられている。燃料極4B、4Cおよび4Dは、電解質5B、5Cおよび5Dの表面に沿って燃料ガス7Aを透過させるために、燃料ガス7Aが流入する入り口側の電解質5B、5Cおよび5Dの表面にそれぞれ接着されている。
セル1B、1Cおよび1Dは、空気極3B、3Cおよび3Dを有している。空気極3B、3Cおよび3Dは、燃料ガス7Aと平行で同じ方向に向かって空気ガス7Bを透過させるために電解質5B、5Cおよび5Dをそれぞれ挟んで燃料極4B、4Cおよび4Dとそれぞれ対向する位置に接着されている。
The
セル1Aには、燃料極4F、4Gおよび4Hが設けられている。燃料極4F、4Gおよび4Hは、燃料極4B、4Cおよび4Dを透過した燃料ガス7Aをそれぞれ透過させるために、燃料極4B、4Cおよび4Dとそれぞれ分離して電解質5B、5Cおよび5Dの出口側の上にそれぞれ接着されている。セル1Aは、空気極3F、3Gおよび3Hを有している。空気極3F、3Gおよび3Hは、空気極3B、3Cおよび3Dをそれぞれ透過した空気ガス7Bを透過させるために、電解質5B、5Cおよび5Dをそれぞれ挟んで燃料極4F、4Gおよび4Hと対向する位置に空気極3B、3Cおよび3Dとそれぞれ分離して接着されている。
The
燃料ガス7Aおよび空気ガス7Bが流入する入り口側に配置された空気極3A、3B、3Cおよび3D、ならびに燃料極4A、4B、4Cおよび4D、ならびに集電体2A、2B、2C、2Dおよび2Eは、直列に接続されており、スタック6Aを構成する。燃料ガス7Aおよび空気ガス7Bの出口側に配置された空気極3E、3F、3Gおよび3H、ならびに燃料極4E、4F、4Gおよび4H、ならびに集電体2F、2G、2H、2Iおよび2Jは、直列に接続されており、スタック6Bを構成する。このように、スタック6Aとスタック6Bとは、別個に直列に接続されており、互いに独立して電流を制御することができる。
The
燃料ガス7Aの透過方向に沿った燃料極4A、4B、4Cおよび4Dの長さは、燃料ガス7Aの透過方向に沿った燃料極4E、4F、4Gおよび4Hの長さよりも長い。燃料極4A、4B、4Cおよび4Dの長さは、燃料極4Aの長さと燃料極4Eの長さとの合計の70%以上75%以下であることが好ましい。
The lengths of the
集電体2B、2C、2D、2G、2Hおよび2Iの一方の片面に沿って燃料ガス7Aが流れ、他方の片面に沿って空気ガス7Bが流れる。従って、各集電体は、その断面方向に沿って通気性があってはならないが、燃料ガス7Aおよび空気ガス7Bが流れる集電体の表面に沿った方向には通気性を有することが好ましい。このため、集電体の両面には、燃料ガス7Aおよび空気ガス7Bが流れる方向に沿って溝を形成することが好ましい。集電体と燃料極との間、および集電体と空気極との間に導電性の多孔体を挿入してもよい。導電性の多孔体は、空気極側では空気雰囲気で、燃料極側では燃料ガス雰囲気で電気伝導性が高く安定な材料によって構成する。導電性の多孔体は、貴金属等の金属繊維によって構成することが好ましい。
The
集電体2A〜2Jは、空気雰囲気および燃料ガス雰囲気で電気伝導性が高く安定な材料によって構成する。集電体2A〜2Jは、貴金属、ステンレス等の金属材料によって構成することが好ましい。
The
空気極3A〜3Hは、還元触媒によって構成する。空気極3A〜3Hは、ランタン等の希土類元素を含有するぺロブスカイト系複合酸化物によって構成することが好ましく、ランタンコバルタイト、およびサマリウムコバルタイトによって構成することが特に好ましい。
The
空気極3A〜3Hの作製方法は、電解質と密着して酸化還元反応を生じさせる作製方法であれば特に限定されない。空気極3A〜3Hは、ランタンコバルタイト等の粉末をバインダーおよび溶媒と混合し、電解質上に塗布および焼成して10μm以上100μm以下の厚さに作製することが好ましい。
The manufacturing method of
空気極3A〜3Hの気孔率は、空気ガスを十分に透過させて電極の表面に到達させる必要があること、電極活性、および構造体としての強度の観点から、20%以上60%以下であることが好ましい。
The porosity of the
燃料極4A〜4Hの材料は、酸化触媒であれば特に限定されない。水素の酸化性能の観点から、ニッケル、白金等の金属、またはニッケル−ジルコニア、ニッケル−セリア、白金−ジルコニアおよび白金−セリア等のサーメットによって燃料極4A〜4Hを構成することが好ましい。
The material of the
燃料極4A〜4Hの作製方法は、電解質と密着して酸化還元反応を生じさせる作製方法であれば特に限定されない。燃料極4A〜4Hは、ニッケル等の粉末をバインダーおよび溶媒と混合し、電解質上に塗布および焼成して10μm以上100μm以下の厚さに作製することが好ましい。
The manufacturing method of the
燃料極4A〜4Hの気孔率は、燃料ガスを十分に透過させて電極の表面に到達させる必要があること、電極活性、および構造体としての強度の観点から、20%以上60%以下であることが好ましい。
The porosity of the
電解質5A〜5Dの材料は、イオン導電性材料であれば特に限定されない。電解質5A〜5Dは、酸化イオン導電性が高く、酸化物イオン輸率が1に近いという理由から、イットリア安定化ジルコニアおよびランタンガレート系ペロブスカイト酸化物によって構成することが好ましい。
The material of the
電解質5A〜5Dの作製方法は、緻密体を使用する方法であれば特に限定されないが、ドクターブレード法等によって50μm以上500μm以下の厚さに形成することが好ましい。
The method for producing the
このように構成された燃料電池100においては、燃料ガス7Aが燃料極4A〜4Dに流入し、空気ガス7Bが空気極3A〜3Dに流入すると、空気極3A〜3Dから酸化物イオンが、電解質5A〜5Dをそれぞれ通って燃料極4A〜4Dへ移動する酸化還元反応が生じ、起電力が発生する。発生した起電力は、集電体2A〜2Eによって集電される。
In the
そして、燃料極4A〜4Dからそれぞれ流出した燃料ガス7Aは燃料極4E〜4Hへそれぞれ流入し、空気極3A〜3Dから流出したそれぞれ流出した空気ガス7Bは空気極3E〜3Hへそれぞれ流入する。次に、燃料極4E〜4Hに流入した燃料ガス7Aと空気極3E〜3Hに流入した空気ガス7Bとの間で電解質5A〜5Dをそれぞれ介して酸化還元反応が生じ、起電力が発生する。発生した起電力は、集電体2F〜2Jによって集電される。
Then, the
図2は、本実施の形態に係る燃料電池に設けられたセルの電圧と電流との間の関係を示すグラフである。横軸はセルの電流を示し、縦軸はセルの電圧を示す。曲線C1に示されるように、セルにおいて発生する電流が増大するに従って、セルの電圧は減少し、電圧損失L1が増大する。本実施の形態に係る構成によれば、スタック6Aとスタック6Bとに各セルを分割しているので、各電極上で発生した電流の密度分布が広がらず、セルの面内方向に沿った電流の流れが抑制され、その結果、電圧損失を抑制することができる。
FIG. 2 is a graph showing the relationship between the voltage and current of a cell provided in the fuel cell according to the present embodiment. The horizontal axis indicates the cell current, and the vertical axis indicates the cell voltage. As shown by curve C1, as the current generated in the cell increases, the cell voltage decreases and the voltage loss L1 increases. According to the configuration according to the present embodiment, since each cell is divided into
以上のように本実施の形態によれば、セル1Aは、電解質5Aの表面に沿って燃料ガス7Aを透過させる燃料極4Aと、燃料ガス7Aと平行で同じ方向に向かって空気ガス7Bを透過させるために電解質5Aを挟んで燃料極4Aと対向する位置に配置された空気極3Aと、燃料極4Aを透過した燃料ガス7Aを透過させるために、燃料極4Aと分離して電解質5A上に配置された燃料極4Eと、空気極3Aを透過した空気ガス7Bを透過させるために、電解質5Aを挟んで燃料極4Eと対向する位置に空気極3Aと分離して配置された空気極3Eとを含み、集電部材は、空気極3Aに接続された集電体2Aと、空気極3Eに集電体2Aと分離して接続された集電体2Fとを含む。このため、空気極が空気極3Aおよび3Eに分割され、燃料極が燃料極4Aおよび4Eに分割される。従って、各空気極および各燃料極で発生した電流の密度が広がることを防止することができるので、セル1Aの面内方向に沿った電流の流れが抑制され、電圧損失が低減する。その結果、燃料電池の発電効率を数%向上させることができる。
As described above, according to the present embodiment, the
また、ガスの分配の不均一性が何らかの原因で一時的に大きくなったときに、従来の構成では燃料ガスまたは空気ガスの不足が一部のセルで生じていたが、本実施の形態に係るセルでは、ガス出口側のセルスタックで燃料ガスまたは空気ガスの不足が生じても、ガス入り口側のセルスタックでは燃料ガスおよび空気ガスの不足は生じにくい。このため、スタック全体としての電圧損失はより少なくなり、発電効率を向上させることができる。 In addition, when the non-uniformity of gas distribution temporarily increases for some reason, a shortage of fuel gas or air gas has occurred in some cells in the conventional configuration. In the cell, even if a shortage of fuel gas or air gas occurs in the cell stack on the gas outlet side, a shortage of fuel gas and air gas hardly occurs in the cell stack on the gas inlet side. For this reason, the voltage loss as the whole stack becomes smaller, and the power generation efficiency can be improved.
発電効率は、下記の(式1)によって表される。 The power generation efficiency is expressed by the following (Formula 1).
(発電効率)=(燃料利用率)×(電池効率) …(式1)、
燃料利用率は可能な限り高くして発電することが好ましいが、燃料利用率が高すぎると、燃料電池の出口側において燃料が希薄になるため、電池効率が極端に低下する。従って、燃料利用率と電池効率とのバランスを適度に調整することが好ましい。
(Power generation efficiency) = (Fuel utilization) × (Battery efficiency) (Equation 1)
It is preferable to generate electricity with the fuel utilization rate as high as possible. However, if the fuel utilization rate is too high, the fuel becomes diluted at the outlet side of the fuel cell, and the cell efficiency is extremely lowered. Therefore, it is preferable to appropriately adjust the balance between the fuel utilization rate and the cell efficiency.
本実施形態では、燃料極を第1燃料極と第2燃料極とに分割して別個に発電することにより、それぞれの燃料利用率に見合った発電ができる。なお、燃料極の分割数を多くする方が発電効率は良くなるが、それぞれの集電体を通して得られる電力が極めて小さくなるという問題がある。燃料ガスの各セルへの分配のばらつきに対応できる範囲で可能な限り大きなスタック6Aを想定すると、燃料極4A、4B、4Cおよび4Dの長さは、燃料極4Aの長さと燃料極4Eの長さとの合計の70%以上75%以下であることが好ましい。
In the present embodiment, the fuel electrode is divided into the first fuel electrode and the second fuel electrode, and power is generated separately, so that power generation corresponding to each fuel utilization rate can be performed. Note that the power generation efficiency is improved by increasing the number of divisions of the fuel electrode, but there is a problem that the electric power obtained through each current collector becomes extremely small. Assuming a
なお、本実施の形態では、長尺平板型セルの例を説明したが、本発明はこれに限定されない。燃料ガスと空気ガスとが互いに平行で同じ向きに流れる構成であればよく、例えば円形型セルまたは円筒型セルの中心部から燃料ガスと空気ガスとを導入し、周辺部から排出する構成に対しても本発明を適用することができる。またスタックを構成するセルの数は、図1に示す数に限定されず、任意の数に構成することができる。 In the present embodiment, an example of a long flat cell has been described, but the present invention is not limited to this. The fuel gas and the air gas may be configured to flow in parallel and in the same direction. For example, the fuel gas and the air gas are introduced from the center part of the circular cell or the cylindrical cell and are discharged from the peripheral part. However, the present invention can be applied. Further, the number of cells constituting the stack is not limited to the number shown in FIG. 1, and can be configured to an arbitrary number.
さらに本実施の形態では、固体酸化物形燃料電池の例を説明したが、本発明はこれに限定されない。図1に示す構成と同等のセルおよびスタック構成をとり得る燃料電池であればよく、リン酸形燃料電池、固体高分子形燃料電池および溶融炭酸塩形燃料電池等にも本発明を適用することができる。 Furthermore, in the present embodiment, an example of a solid oxide fuel cell has been described, but the present invention is not limited to this. Any fuel cell that can have the same cell and stack configuration as the configuration shown in FIG. 1 may be used, and the present invention is also applied to phosphoric acid fuel cells, polymer electrolyte fuel cells, molten carbonate fuel cells, and the like. Can do.
本発明は、燃料ガスと空気ガスとに基づいて電力を生成するセルと、セルによって生成された電力を集電する集電部材とを備え、セルは、燃料ガスと空気ガスとを酸化還元反応させるための電解質を含む燃料電池に適用することができる。 The present invention includes a cell that generates electric power based on fuel gas and air gas, and a current collecting member that collects the electric power generated by the cell. The cell performs oxidation-reduction reaction between the fuel gas and air gas. It can apply to the fuel cell containing the electrolyte for making it.
1A セル
2A、2F 集電体
3A、3E 空気極
4A、4E 燃料極
5A 電解質
7A 燃料ガス
7B 空気ガス
Claims (14)
前記セルによって生成された前記電力を集電する少なくとも1個の集電部材とを備え、
前記セルは、前記燃料ガスと前記空気ガスとを酸化還元反応させるイオンを伝導させるための電解質を含む燃料電池において、
前記セルは、前記電解質の表面に沿って前記燃料ガスを透過させる第1燃料極と、
前記燃料ガスと同じ方向に前記空気ガスを透過させるために前記電解質を挟んで前記第1燃料極と対向する位置に配置された第1空気極と、
前記第1燃料極を透過した前記燃料ガスを透過させるために、前記第1燃料極と分離して前記電解質上に配置された第2燃料極と、
前記第1空気極を透過した前記空気ガスを透過させるために、前記電解質を挟んで前記第2燃料極と対向する位置に前記第1空気極と分離して配置された第2空気極とをさらに含み、
前記集電部材は、前記第1燃料極と前記第1空気極との1つに接続された第1集電体と、
前記第2燃料極と前記第2空気極との1つに前記第1集電体と分離して接続された第2集電体とを含むことを特徴とする燃料電池。 At least one cell that generates electrical power based on fuel gas and air gas;
And at least one current collecting member for collecting the electric power generated by the cell,
In the fuel cell, the cell includes an electrolyte for conducting ions that cause a redox reaction between the fuel gas and the air gas.
The cell includes a first fuel electrode that allows the fuel gas to permeate along a surface of the electrolyte;
A first air electrode disposed at a position facing the first fuel electrode with the electrolyte interposed therebetween to allow the air gas to permeate in the same direction as the fuel gas;
A second fuel electrode disposed on the electrolyte separately from the first fuel electrode in order to permeate the fuel gas that has passed through the first fuel electrode;
A second air electrode disposed separately from the first air electrode at a position facing the second fuel electrode across the electrolyte in order to transmit the air gas that has passed through the first air electrode; In addition,
The current collecting member includes a first current collector connected to one of the first fuel electrode and the first air electrode;
A fuel cell comprising: a second current collector connected to one of the second fuel electrode and the second air electrode separately from the first current collector.
前記複数個のセルにそれぞれ設けられた前記第2燃料極および前記第2空気極は、前記第2集電体によって直列に接続される請求項5に記載の燃料電池。 The first fuel electrode and the first air electrode respectively provided in the plurality of cells are connected in series by the first current collector,
The fuel cell according to claim 5, wherein the second fuel electrode and the second air electrode respectively provided in the plurality of cells are connected in series by the second current collector.
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