JP2008071709A

JP2008071709A - 燃料電池

Info

Publication number: JP2008071709A
Application number: JP2006251527A
Authority: JP
Inventors: Naoki Watanabe; 直樹渡邉; Akira Kawakami; 晃川上
Original assignee: Toto Ltd
Current assignee: Toto Ltd
Priority date: 2006-09-15
Filing date: 2006-09-15
Publication date: 2008-03-27

Abstract

【課題】燃料電池全体を効率的に温めることができる燃料電池を提供する。
【解決手段】本発明の燃料電池(1)は、複数の管状の燃料電池セル(2a〜2e)と、それらを密封包囲するケーシング(4)を有する。各燃料電池セル(2a〜2e)は、外側電極層(6)と、内側電極層(7)と、流路(12)を有する。燃料電池セル(2a〜2e)は、長手方向に対する横方向に一方の側(A1)から他方の側(B1)に並んで配置される。ケーシング(4)は、外側電極層(6)用の外側ガスをケーシング(4)に流入させる流入ポート(14a)を他方の側(A2)に有し、外側ガスを流出させる流出ポート(14)を一方の側(A1)に有する。燃料電池セル(2a〜2e)の流路(12)は、内側電極層(7)用の内側ガスが一方の側(A2)の燃料電池セル(2a)から次第に他方の側(A2)の燃料電池セル(2e)に流れるように連結される。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）に関し、更に詳細には、複数の管状の燃料電池セルを互いに整列させた固体酸化物形燃料電池に関する。

従来から、複数の管状の燃料電池セルを互いに整列させた固体酸化物形燃料電池が知られている（例えば、特許文献１参照）。まず、図７を参照して、従来の燃料電池の構造を説明する。図７は、従来の燃料電池の概略的な平面断面図である。

図７に示すように、燃料電池１００は、３つの管状の燃料電池セル１０２と、燃料電池セル１０２を密封式に包囲するケーシング１０４を有している。燃料電池セル１０２は、内側の電極層１０６と、外側の電極層１０７と、それらの間に位置する電解質層１０８と、長手方向に延びる流路１１２とを有している。図７では、外側の電極層１０６、内側の電極層１０７及び電解質層１０８を一体に示している。３つの燃料電池セル１０２は、その長手方向に対する横方向Ａに一方の側Ａ１から他方の側Ａ２に向かって並んでおり、燃料電池セル１０２の両端部が、支持板１１４及びシール材１１６を介して、ケーシング１０４に固定されている。ケーシング１０４は、支持板１１４及びシール材１１６によって、燃料電池セル１００の長手方向に沿って３つの室１１８ａ〜１１８ｃに分けられている。燃料電池セルの長手方向両側に位置する第１の室１１８ａ及び第２の室１１８ｂは、各燃料電池セル１０２の内側の電極１０６と連通しており、第１の室１１８ａの一方の側Ａ１に、内側の電極１０６と作用させる内側ガスの流入ポート１２０ａが設けられ、第２の室１１８ｂの他方の側Ａ２に内側ガスの流出ポート１２０ｂが設けられている。第１の室１１８ａと第２の室１１８ｂとの間に位置する第３の室１１８ｃは、各燃料電池セル１０２の外側の電極１０８と連通しており、第３の室１１８ｃの他方の側Ａ２に、外側の電極１０８と作用させる外側ガスの流入ポート１２２ａが設けられ、第３の室１１８ｃの一方の側Ａ１に外側ガスの流出ポート１２２ｂが設けられている。

この燃料電池１００では、外側ガスが、第３の室１１８ｃの流入ポート１２２ａから流入し、第３の室１１８ｃの中を他方の側Ａ２から一方の側Ａ１に向かって流れ、第３の室１１８ｃの流出ポート１２２ｂから流出する。また、内側ガスが、第１の室１１８ａの流入ポート１２０ａから第１の室１１８ａに流入し、各燃料電池セル１０２の流路１１２を通って第２の部屋１１８ｂに流入し、第２の室１１８ｂの流出ポート１２０ｂから流出する。燃料電池１００を起動させるためには、燃料電池１００を昇温させる必要があるので、内側ガス及び外側ガスに、高温のガスが用いられる。

特開２００３−１２３９２７号公報（図１）

燃料電池１００は、５００〜１０００℃の温度範囲で効率的に作動するが、燃料電池１００の運転開始時、燃料電池は冷えた状態にある。運転開始後、燃料電池１００は、高温の内側ガス及び外側ガスによって温められる。従来技術の燃料電池１００は、外側ガスによって、最初、他方の側Ａ２の部分Ｒ１が先に暖められ、次第に、一方の側Ａ１の部分Ｒ２に向かって温められる。また、燃料電池１００は、内側ガスによって、最初、第１の室１１８ａが温められ、次第に、第２の室１１８ｂに向かって温められる。その結果、第２の室１１８ｂ一方の側Ａ１の部分Ｒ３が温められるのが遅くなり、燃料電池全体が効率的に作動する状態になるまでに時間がかかる場合があった。

そこで、本発明は、燃料電池全体を効率的に且つ急速に温めることができる燃料電池を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明による燃料電池は、複数の管状の燃料電池セルと、
複数の燃料電池セルを密封式に包囲するケーシングと、を有し、燃料電池セルの各々は、外側の電極層と、内側の電極層と、これらの電極層の間に配置された電解質層と、長手方向に延びる流路とを有し、複数の燃料電池セルは、その長手方向に対する横方向に一方の側から他方の側に互いに整列して配置され、ケーシングは、外側の電極層と作用させる外側ガスをケーシング内に流入させるための流入ポートを他方の側に有し、外側ガスを前記ケーシングから流出させるための流出ポートを一方の側に有し、複数の燃料電池セルの流路は、内側の電極層と作用させる内側ガスが一方の側の燃料電池セルから次第に他方の側の燃料電池セルまで流れるように連結されることを特徴としている。

このように構成された燃料電池では、外側の電極と作用させる外側ガスは、ケーシングの他方の側に設けられた流入ポートから流入し、密封されたケーシング内を通って、一方の側に設けられた流出ポートから流出する。それにより、外側ガスの熱は、他方の側から一方の側に向かって燃料電池に伝えられる。一方、内側の電極と作用させる内側ガスは、一方の側の燃料電池セルの流路を通って、次第に、他方の側の燃料電池セルまで流れていく。それにより、内側ガスの熱は、一方の側から他方の側に向かって燃料電池に伝えられる。外側ガスの熱が最後の方で伝わる燃料電池の部分は、内側ガスの熱が最初の方で伝わる燃料電池の部分であり、その逆に、内側ガスの熱が最後の方で伝わる燃料電池の部分は、外側ガスの熱が最初の方で伝わる燃料電池の部分であるので、燃料電池全体を効率的に温めることができる。

以上説明した通り、本発明による燃料電池によれば、燃料電池全体を効率的に且つ急速に温めることができる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。

最初、図１及び図２を参照して、本発明による燃料電池の第１の実施形態を説明する。図１は、第１の実施形態である燃料電池の正面図であり、図２は、図１の線２−２における断面図である。

図１に示すように、燃料電池１は、５つの管状の燃料電池セル２ａ〜２ｅと、燃料電池セル２を密封式に包囲するケーシング４とを有している。燃料電池セル２の各々は、円筒形をなし、外側の電極層６と、内側の電極層７と、これらの電極層６，７の間に配置された電解質層８と、長手方向に延びる流路１２とを有している。外側の電極層６は、空気極層であり、例えば、Sr、Caの少なくとも一種をドープしたランタンマンガナイト、Sr、Co、Ni、Cuから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンフェライト、Sr、Fe、Ni、Cuから選ばれる少なくとも一種をドープしたサマリウムコバルト、銀、などで形成され、内側の電極層８は、燃料極層であり、例えば、Niと、Ca、Y、Scや希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニアとの混合体、Niと、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリアとの混合体、Niと、Sr、Mg、Co、Fe、Cuから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレートとの混合体、の少なくとも一種からで形成され、電解質層１０は、例えば、Y、Sc、各種希土類元素をドープしたジルコニア、希土類元素をドープしたセリア、Sr、Mgをドープしたランタンガレートなどで形成される。

５つの燃料電池セル２ａ〜２ｅは、その長手方向に対する横方向Ａに、一方の側Ａ１の第１の燃料電池セル２ａから他方の側Ａ２の第５の燃料電池セル２ｅまで１つの列をなして並んで配置されている。

ケーシング４は、外側の電極層８と作用させる外側ガス、例えば、空気をケーシング内に流入させるための流入ポート１４ａを他方の側Ａ２に有し、外側ガスをケーシング４から流出させるための流出ポート１４ｂを一方の側Ａ１に有している。

５つの燃料電池セル２ａ〜２ｅは、内側の電極層７と作用させる内側ガス、例えば、水素が一方の側の燃料電池セル２ａから他方の側の燃料電池セル２ｅまで順番に流れるように連結されている。詳細には、第１の燃料電池セル２ａの一方の端部１６ａが、内側ガスの流入ポート１８ａと接続され、第１の燃料電池セル２ａと第２の燃料電池セル２ｂの他方の端部１６ｂ同士、第２の燃料電池セル２ｃと第３の燃料電池セル２ｂの一方の端部１６ａ同士、第３の燃料電池セル２ｃと第４の燃料電池セル２ｄの他方の端部１６ｂ同士、及び、第４の燃料電池セル２ａと第５燃料電池セル２ｂの一方の端部同士がそれぞれ、連結通路２０ａを有する連結部材２０によって連結され、第５の燃料電池セル２ｅの他方の端部１６ｂが内側ガスの流出ポート１８ｂと接続され、それにより、一つながりの流路を構成している。

５つの燃料電池セル２ａ〜２ｅは、電気的に直列に接続されてもよいし、並列に接続されていてもよい。例えば、電気的に直列に接続される場合には、一方の燃料電池セルの内側電極６と他方の燃料電池セルの外側電極７とが電気的に接続され、電気的に並列に接続される場合には、一方の燃料電池セルと他方の燃料電池セルの内側電極同士及び外側電極同士が電気的に接続される。燃料電池セルの電気的な接続の仕方は、従来から用いられている任意の仕方を用いることができる。連結部材２０は、導電性の材質であることが好ましく、それにより、流路の連結のための部材と電気的な接続のための部材とを兼用させ、燃料電池の部品点数を少なくすることができる。

次に、本発明の第１の実施形態である燃料電池の動作を説明する。

外側ガスを、ケーシング４の他方の側Ａ２に設けられた流入ポート１４ａから流入させ、ケーシング４内を通して、一方の側Ａ１に設けられた流出ポート１４ｂから流出させる。それにより、外側ガスの熱は、矢印ＨＯで示すように、他方の側Ａ２から一方の側Ａ１に向かって伝わる。

また、内側ガスを、流入ポート１８ａに供給すると、内側ガスは、図２の矢印Ｆ１で示すように、一方の側Ａ１の燃料電池セル２ａから順番に他方の側Ａ２の燃料電池セル２ｅに流れ、排出ポート１８ｂから排出させられる。各燃料電池セル２ａ〜２ｅにおいて、内側ガスは、一方の端部１６ａから他方の端部１６ｂまで又はその逆に、燃料電池セルの長手方向全体にわたって流れる。それにより、内側ガスの熱は、矢印ＨＩで示すように、一方の側Ａ１から他方の側Ａ２に向かって伝わる。

横方向Ａに見て、外側ガスの熱が最後の方で伝わる燃料電池１の部分は、内側ガスの熱が最初の方で伝わる燃料電池１の部分であり、その逆に、内側ガスの熱が最後の方で伝わる燃料電池の部分は、外側ガスの熱が最初の方で伝わる燃料電池の部分である。それにより、燃料電池１全体を効率的に温めることができ、燃料電池１全体の昇温時間を従来技術の燃料電池よりも短縮することができる。

次に、図３及び図４を参照して、本発明による燃料電池の第２の実施形態及び第３の実施形態を説明する。第２の実施形態及び第３の実施形態である燃料電池は、燃料電池セルの本数とそれに応じた連結の順番が異なること以外、第１の実施形態の燃料電池と同様の構成を有している。従って、同様の構成要素には同じ参照符号を付してその説明を省略し、異なる部分についてだけ説明する。

図３は、本発明の第２の実施形態である燃料電池の平面断面図である。図３に示すように、燃料電池３０は、５×５列で配列された２５本の燃料電池セル２ａ〜２ｅを有している。これらの燃料電池セルは、内側ガスが矢印Ｆ２の順番で流れるように、第１の実施形態である燃料電池１の燃料電池セル２ａ〜２ｅと同様の仕方で連結されている。それにより、横方向Ａに見て、外側ガスの熱は、矢印ＨＯで示すように、他方の側Ａ２から一方の側Ａ１に伝わり、内側ガスの熱は、矢印ＨＩで示すように、一方の側Ａ１から他方の側Ａ２に伝わる。

図４は、本発明の第３の実施形態である燃料電池の平面断面図である。図３に示すように、燃料電池４０は、５×５列で配列された２５本の燃料電池セル２ａ〜２ｅを有している。これらの燃料電池セルは、内側ガスが矢印Ｆ３の順番で流れるように、第１の実施形態である燃料電池１の燃料電池セル２ａ〜２ｅと同様の仕方で連結されている。この実施形態では、燃料電池セル２ａ〜２ｅの流路は、５つの並列した流路を構成する。それにより、横方向Ａに見て、外側ガスの熱は、矢印ＨＯで示すように、他方の側Ａ２から一方の側Ａ１に伝わり、内側ガスの熱は、矢印ＨＩで示すように、一方の側Ａ１から他方の側Ａ２に伝わる。

第２の実施形態の燃料電池３０においても、第３の実施形態の燃料電池４０においても、横方向Ａに見て、外側ガスの熱が最後の方で伝わる燃料電池３０、４０の部分は、内側ガスの熱が最初の方で伝わる燃料電池３０、４０の部分であり、その逆に、内側ガスの熱が最後の方で伝わる燃料電池の部分は、外側ガスの熱が最初の方で伝わる燃料電池の部分である。それにより、燃料電池３０、４０全体を効率的に温めることができ、燃料電池３０、４０全体の昇温時間を従来技術の燃料電池よりも短縮することができる。

次に、図５を参照して、本発明による燃料電池の第４の実施形態を説明する。第４の実施形態である燃料電池は、燃料電池セルの本数とそれに応じた連結の順番が異なること以外、第１の実施形態の燃料電池と同様の構成を有している。従って、同様の構成要素には同じ参照符号を付してその説明を省略し、異なる部分についてだけ説明する。

図５は、本発明の第４の実施形態である燃料電池の平面断面図である。図５に示すように、燃料電池５０は、２５本の燃料電池セル２ａ〜２ｉを有している。２５本の燃料電池セル２ａ〜２ｉは、斜め横方向Ｂの一方の側Ｂ１の燃料電池セル２ａから他方の側Ｂ２の燃料電池セル２ｉまで複数の列をなして並んで配置されている。

ケーシング４は、外側の電極層８と作用させる外側ガスをケーシング４内に流入させるための流入ポート１４ａを横方向Ａの他方の側Ａ２に且つ斜め横方向Ｂの他方の側Ｂ２に有し、外側ガスをケーシング４から流出させるための流出ポート１４ｂを横方向Ａの一方の側Ａ１に且つ斜め横方向Ｂの一方の側Ｂ１に有している。

これらの燃料電池セルは、内側ガスが矢印Ｆ４の順番で流れるように、第１の実施形態である燃料電池１の燃料電池セル２ａ〜２ｅと同様の仕方で連結されている。それにより、外側ガスの熱は、矢印ＨＯで示すように、斜め横方向Ｂの他方の側Ｂ２から一方の側Ｂ１に伝わり、内側ガスの熱は、矢印ＨＩで示すように、斜め横方向Ｂの一方の側Ｂ１から他方の側Ｂ２に伝わる。

第４の実施形態の燃料電池５０において、斜め横方向Ｂに見て、外側ガスの熱が最後の方で伝わる燃料電池５０の部分は、内側ガスの熱が最初の方で伝わる燃料電池５０の部分であり、その逆に、内側ガスの熱が最後の方で伝わる燃料電池５０の部分は、外側ガスの熱が最初の方で伝わる燃料電池５０の部分である。それにより、燃料電池５０全体を効率的に温めることができ、燃料電池５０全体の昇温時間を従来技術の燃料電池よりも短縮することができる。

次に、図６を参照して、本発明による燃料電池の第５の実施形態を説明する。第５の実施形態である燃料電池は、従来技術の燃料電池に仕切りを追加したこと以外、従来技術の燃料電池と同様の構成を有している。従って、同様の構成要素には同じ参照符号を付してその説明を省略する。

図６に示すように、燃料電池６０は、内側ガスが矢印Ｆ５の順番で流れるように、第１の室１１８ａ及び第２の室１１８ｂ内に仕切り６２を有している。それにより、外側ガスの熱は、矢印ＨＯで示すように、横方向Ａの他方の側Ａ２から一方の側Ａ１に伝わり、内側ガスの熱は、矢印ＨＩで示すように、横方向Ａの一方の側Ａ１から他方の側Ａ２に伝わる。

第５の実施形態の燃料電池６０において、横方向Ａに見て、外側ガスの熱が最後の方で伝わる燃料電池６０の部分は、内側ガスの熱が最初の方で伝わる燃料電池６０の部分であり、その逆に、内側ガスの熱が最後の方で伝わる燃料電池６０の部分は、外側ガスの熱が最初の方で伝わる燃料電池６０の部分である。それにより、燃料電池６０全体を効率的に温めることができ、燃料電池６０全体の昇温時間を従来技術の燃料電池よりも短縮することができる。

以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は、以上の実施の形態に限定されることなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。

燃料電池セルの個数及び配列は、外側ガスの熱が最後の方で伝わる燃料電池の部分は、内側ガスの熱が最初の方で伝わる燃料電池の部分であり、その逆に、内側ガスの熱が最後の方で伝わる燃料電池の部分は、外側ガスの熱が最初の方で伝わる燃料電池の部分であれば、任意である。

また、第２の実施形態及び第３の実施形態において、外側ガスの流入ポート１４ａ及び流出ポート１４ｂをケーシング４の一方の側Ａ１及び他方の側Ａ２の中央付近に設けたが、外側ガスの熱が最後の方で伝わる燃料電池の部分は、内側ガスの熱が最初の方で伝わる燃料電池の部分であり、その逆に、内側ガスの熱が最後の方で伝わる燃料電池の部分は、外側ガスの熱が最初の方で伝わる燃料電池の部分であれば、その位置は、端のほうであってもよい。

上記実施形態において、外側の電極層６を燃料極層として、内側の電極層８を空気極層としてもよい。また、上記実施形態では、燃料電池セル２を断面が円の円筒形としたが、管状であればその他の形態であってもよい。具体的には、断面が扁平状、あるいは楕円状のフラットチューブ形、断面が多角形の角筒形などの形態であってもよい。

本発明の第１の実施形態である燃料電池の正面図である。図１の線２−２における断面図である。本発明の第２の実施形態である燃料電池の平面断面図である。本発明の第３の実施形態である燃料電池の平面断面図である。本発明の第４の実施形態である燃料電池の平面断面図である。本発明の第５の実施形態である燃料電池の正面図である。従来技術の燃料電池の正面図である。

符号の説明

１、３０、４０，５０，６０燃料電池
２ａ〜２ｉ燃料電池セル
４ケーシング
６外側の電極層
７内側の電極層
８電解質層
１２流路
１４ａ流入ポート
１４ｂ流出ポート
Ａ１一方の側
Ａ２他方の側
Ｂ１一方の側
Ｂ２他方の側

Claims

複数の管状の燃料電池セルと、
前記複数の燃料電池セルを密封式に包囲するケーシングと、を有し、
前記燃料電池セルの各々は、外側の電極層と、内側の電極層と、これらの電極層の間に配置された電解質層と、長手方向に延びる流路とを有し、
前記複数の燃料電池セルは、その長手方向に対する横方向に前記ケーシング内の一方の側から他方の側に互いに整列して配置され、
前記ケーシングは、前記外側の電極層と作用させる外側ガスを前記ケーシング内に流入させるための流入ポートを前記他方の側に有し、前記外側ガスを前記ケーシングから流出させるための流出ポートを前記一方の側に有し、
前記複数の燃料電池セルの流路は、前記内側の電極層と作用させる内側ガスが前記一方の側の燃料電池セルから次第に前記他方の側の燃料電池セルまで流れるように連結されることを特徴とする燃料電池。