JP2013222565A - Sofc module - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、複数の積層型SOFC素子を電気的並列に接続して高い電力を得ことができるSOFCモジュールに関する。 The present invention relates to a SOFC module capable of obtaining high power by connecting a plurality of stacked SOFC elements in electrical parallel.
ガス器具の熱源近傍に熱発電素子を配して熱エネルギーを電力回収(エナジーハーベスト)し、得られた電力を使ってファンやセンサ、電子表示機器などガス器具に付随する電子機器を電池レスで駆動させたいという要望がある。その要望の実現を狙い、熱発電素子付きのガス器具の実用化が検討されている。たとえば特許文献1には、固体電解質層を介して燃料極と空気極を対向配置する平板型の固体酸化物形燃料電池(以下、SOFC(Solid Oxide Fuel Cell)という)セルをガスバーナ火炎に並行に配して電力回収する技術が提案されている。
A thermoelectric generator is placed near the heat source of the gas appliance to recover the heat energy (energy harvest). Using the obtained power, the electronic devices attached to the gas appliance such as fans, sensors, and electronic display devices can be used without batteries. There is a desire to drive. Aiming at the realization of this demand, the practical application of gas appliances with thermoelectric generators is being studied. For example, in
特許文献1によれば平板型SOFCセルの燃料極がガスバーナ火炎に当たり、空気極が火炎に当たらないように炎口周辺に平板型SOFCセルを立設する。こうすることにより、ガスバーナの火炎の燃焼熱によって燃料電池をその作動温度まで昇温させると共に、燃焼ガスを燃料極に供給することによって固体電解質の燃料極側と空気極側との間に酸素ポテンシャル勾配を生じさせ、その酸素ポテンシャル勾配に応じた電力を得ることが出来る。また、炎口周辺に複数個並べることや大面積化することが示唆されている。
According to
しかしながら平板型SOFCセルの出力はファンなど電子機器を駆動するために十分な出力を持っていない。平板型SOFCセルを高出力化するには固体電解質層の厚みをより薄く、かつ、より大面積化することが望ましい。そうすると平板型SOFCセルが、セラミックスで構成されていることから、割れやすくなる。このように相反する関係にあることから、従来の平板型SOFCセルでは、これをガスバーナ火炎等に配置して電子機器を駆動する仕組みは実用化されていないのが現状である。 However, the output of the flat SOFC cell does not have a sufficient output for driving electronic devices such as fans. In order to increase the output of the flat plate type SOFC cell, it is desirable to make the solid electrolyte layer thinner and to have a larger area. Then, since the flat plate type SOFC cell is made of ceramics, it is easily broken. Because of such contradictory relationships, in the conventional flat plate type SOFC cell, a mechanism for driving an electronic device by placing it in a gas burner flame or the like has not been put into practical use.
また、高出力化を狙えば平板型SOFCセルをインターコネクタやセパレータなどを介して複数スタックすることも考えられる。しかしながら、このようなスタック構成にすると、燃料及び空気の供給系統が複雑化・大型化してしまう。また、このようなスタック構成とした燃料電池をガス器具等に設置しようとすると、ガス器具本来の燃焼機能を阻害するだけでなく、ガス器具を高コスト化させることに成る。したがって、平板型SOFCセルを複数スタックする構成では、ガス器具本来の燃焼機能を損なわず熱エネルギーを電力回収して利用するという目的に適していない。 In order to increase the output, it is conceivable to stack a plurality of flat plate type SOFC cells via an interconnector or a separator. However, such a stack configuration complicates and enlarges the fuel and air supply system. In addition, if a fuel cell having such a stack configuration is to be installed in a gas appliance or the like, not only the original combustion function of the gas appliance is inhibited, but also the cost of the gas appliance is increased. Therefore, a configuration in which a plurality of flat plate SOFC cells are stacked is not suitable for the purpose of recovering and using thermal energy without impairing the original combustion function of the gas appliance.
一方で、インターコネクタやセパレータなどを使用せずに、対向する端面にアノード外部電極とカソード外部電極を有する6面体形状をなす積層構造のSOFC素子が開示されている(特許文献2)。しかしながら特許文献2には、積層構造のSOFC素子をコンロなどガスバーナ火炎にあてて発電する方法に関しては何も開示が無い。
On the other hand, a SOFC element having a hexahedral structure having an anode external electrode and a cathode external electrode on opposite end surfaces without using an interconnector or a separator is disclosed (Patent Document 2). However,
特許文献2によれば、SOFC素子を特許文献2に記載のような積層構造とすることにより、発電効率の低下を抑制しつつ、素子の小型化を図ることができるとされている。この特許文献2に記載の積層型SOFC素子を、コンロ等のガスバーナの火炎にあてて発電することを考えると、アノード外部電極をガスバーナ火炎中に、カソード外部電極をガスバーナ火炎の外側に配することにより、ガスバーナの火炎の燃焼熱によって積層型SOFC素子をその作動温度まで昇温させると共に、積層型SOFC素子のアノード外部電極とカソード外部電極との間に酸素ポテンシャル勾配を生じさせ、その酸素ポテンシャル勾配に応じた電力を得る配置が考えられる。更に、特許文献2に開示の積層型SOFC素子は、アノードとカソードがそれぞれ素子内部に多数積層された構造であることから、高電力密度で耐熱衝撃性にも優れ、燃料及び空気の供給装置が要らないため、積層型SOFC素子単体での使用により小型化が可能となり、ガス器具の燃焼機能を損なわず熱エネルギーを電力として回収することが出来る。これは、特許文献2に開示の積層型SOFC素子が小型であるために、積層型SOFC素子のアノード外部電極部のみを火炎に晒し、ガス器具の燃焼機能を阻害しないような配置構成が可能となるためである。
According to
しかしながら、特許文献2に記載の積層型SOFC素子を火炎で炙って発電する場合、電力密度は高いものの、素子寸法すなわち積層型SOFC素子の体積が小さく、素子一つでファンなど電子機器を駆動するのに十分な電力を得ることは難しい。一方で、積層型SOFC素子をガス器具等の火炎に適用しようとした場合、燃料ガスの取り込み効率の点から該積層型SOFC素子のアノード外部電極全体を火炎中の還元炎に晒すことが好ましく、よって積層型SOFC素子は単体で小型高出力である必要がある。積層型SOFC素子の積層数を大きく増やした場合や、長尺化した場合、アノード外部電極を火炎形状もしくはバーナ火炎口形状に合わせることが困難となる。さらには、使用時の素子内での温度分布の増大、熱応力の増大が予想されるため、大きな素子を作製することが出来ない。
However, when the stacked SOFC element described in
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、複数の積層型SOFC素子を用い、これらを電気的に並列に接続し、かつ火炎形状に適用できるような一体的構造とすることにより、ガス器具等に載置可能となり、かつファンなど電子機器を駆動するのに十分な電力の得られるSOFCモジュールを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above, and by using a plurality of stacked SOFC elements, connecting them in parallel electrically, and adopting an integral structure that can be applied to a flame shape, An object of the present invention is to provide an SOFC module that can be mounted on a gas appliance or the like and can obtain sufficient power for driving an electronic device such as a fan.
上記課題を解決するために本発明に係るSOFCモジュールは、複数の積層型SOFC素子と、対向する一対の導電性挟持板を備えるモジュールであり、前記複数の積層型SOFC素子のそれぞれは、6面体形状をなし、内部に複数のアノードと複数のカソードとを有し、対向する端面に前記複数のアノードに接続するアノード側外部電極と前記複数のカソードに接続するカソード側外部電極を有し、前記カソード側外部電極の面に隣り合う4面のいずれか1面に前記カソード側外部電極と電気的に接続するカソード側側面電極を有し、前記カソード側側面電極の面と対向する面に前記アノード側外部電極と電気的に接続するアノード側側面電極を有しており、前記複数の積層型SOFC素子が、少なくとも前記アノード側側面電極の面と前記カソード側側面電極の面とがそれぞれ同方向を向き、前記アノード側外部電極と前記カソード側外部電極とがそれぞれSOFCモジュールにおいて同一側となるように並べられ、前記一対の導電性挟持板間に側面電極が形成された面で挟持され、前記アノード側側面電極同士が前記導電性挟持板の一方と接続し、前記カソード側側面電極同士が前記導電性挟持板の他方と接続している構成とされている。このような構成にすることにより複数の積層型SOFC素子を用い、これらを電気的に並列に接続し、かつ火炎形状に適用できるような一体的構造とすることにより、ガス器具等に載置可能となり、かつファンなど電子機器を駆動するのに十分な電力の得られるSOFCモジュールを提供できる。 In order to solve the above problems, an SOFC module according to the present invention is a module including a plurality of stacked SOFC elements and a pair of conductive sandwiching plates facing each other. Each of the stacked SOFC elements is a hexahedron. It has a shape, has a plurality of anodes and a plurality of cathodes inside, and has an anode side external electrode connected to the plurality of anodes and a cathode side external electrode connected to the plurality of cathodes on opposite end faces, A cathode side surface electrode electrically connected to the cathode side external electrode is provided on any one of four surfaces adjacent to the surface of the cathode side external electrode, and the anode is disposed on a surface facing the surface of the cathode side side electrode. An anode-side side electrode electrically connected to the side external electrode, and the plurality of stacked SOFC elements are arranged at least on the front side of the anode-side side electrode. The cathode side surface electrode faces in the same direction, and the anode side external electrode and the cathode side external electrode are arranged on the same side in the SOFC module, and the side surface between the pair of conductive sandwich plates The anode side surface electrodes are connected to one of the conductive clamping plates, and the cathode side side electrodes are connected to the other of the conductive clamping plates. ing. With such a configuration, a plurality of stacked SOFC elements can be used, and these can be mounted on gas appliances etc. by connecting them electrically in parallel and adopting an integrated structure that can be applied to a flame shape. In addition, an SOFC module capable of obtaining sufficient power for driving an electronic device such as a fan can be provided.
さらに、本発明に係るSOFCモジュールは、前記アノード側外部電極の面と前記カソード側外部電極の面と前記カソード側側面電極の面と前記アノード側側面電極の面の全てがそれぞれ同方向を向くように並べられ、前記一対の導電性挟持板間に側面電極が形成された面で挟持され、前記アノード側側面電極同士が前記導電性挟持板の一方と接続し、前記カソード側側面電極同士が前記導電性挟持板の他方と接続している構成としても良い。このような構成とすることにより、本発明に係るSOFCモジュールを、例えばバーナプレートの端部に沿うように好適に配置できる。 Furthermore, in the SOFC module according to the present invention, the surface of the anode-side external electrode, the surface of the cathode-side external electrode, the surface of the cathode-side side electrode, and the surface of the anode-side side electrode are all directed in the same direction. Arranged between the pair of conductive sandwich plates, and sandwiched by the surface on which the side electrodes are formed, the anode side surface electrodes are connected to one of the conductive sandwich plates, and the cathode side side electrodes are It is good also as a structure connected with the other of the electroconductive clamping board. By setting it as such a structure, the SOFC module which concerns on this invention can be suitably arrange | positioned so that the edge part of a burner plate may be followed, for example.
さらに、本発明に係るSOFCモジュールは、前記複数の積層型SOFC素子が直線状に並べられ、前記一対の導電性挟持板が直線状である構成としても良い。このような構成とすることにより、本発明に係るSOFCモジュールを、例えば直線状の炎口を有するバーナプレートに好適に配置できる。 Furthermore, the SOFC module according to the present invention may be configured such that the plurality of stacked SOFC elements are arranged in a straight line, and the pair of conductive sandwich plates are in a straight line. By setting it as such a structure, the SOFC module which concerns on this invention can be suitably arrange | positioned, for example to the burner plate which has a linear flame mouth.
さらに、本発明に係るSOFCモジュールは、前記複数の積層型SOFC素子がL字状に並べられ、前記一対の導電性挟持板がL字状である構成としても良い。このような構成とすることにより、本発明に係るSOFCモジュールを、例えば矩形のバーナプレートに端部2辺に沿うように好適に配置できる。
Furthermore, the SOFC module according to the present invention may be configured such that the plurality of stacked SOFC elements are arranged in an L shape, and the pair of conductive sandwich plates are in an L shape. By setting it as such a structure, the SOFC module which concerns on this invention can be suitably arrange | positioned so that the
さらに、本発明に係るSOFCモジュールは、前記複数の積層型SOFC素子が円弧状に並べられ、前記一対の導電性挟持板が円弧状である構成としても良い。このような構成とすることにより、本発明に係るSOFCモジュールを、例えば円弧状の炎口を有するバーナプレートに好適に配置できる。 Furthermore, the SOFC module according to the present invention may be configured such that the plurality of stacked SOFC elements are arranged in an arc shape, and the pair of conductive sandwich plates are in an arc shape. By adopting such a configuration, the SOFC module according to the present invention can be suitably arranged on, for example, a burner plate having an arcuate flame opening.
また、本発明に係るSOFCモジュールは、前記一対の導電性挟持板が、貴金属素材、あるいは耐熱ステンレス鋼基材を貴金属でコートした素材からなることが好ましい。 In the SOFC module according to the present invention, it is preferable that the pair of conductive sandwich plates be made of a noble metal material or a material obtained by coating a heat-resistant stainless steel base material with a noble metal.
複数の積層型SOFC素子が、対向する一対の導電性挟持板で挟持されることにより複数のSOFC素子が物理的且つ電気的並列に接続されたモジュールを提供することが出来、ガス器具の燃焼機能を損なうことなくファンなど電子機器を駆動するに十分な電力を得ることが出来る。 A plurality of SOFC elements are sandwiched between a pair of conductive sandwich plates facing each other, thereby providing a module in which a plurality of SOFC elements are physically and electrically connected in parallel. It is possible to obtain sufficient power to drive an electronic device such as a fan without impairing the power.
また、前記一対の導電性挟持板が、貴金属素材、あるいはステンレス鋼基材を貴金属でコートした素材からなることにより、挟持板の酸化による導電性の経時劣化を抑制することが出来る。 In addition, since the pair of conductive sandwich plates are made of a noble metal material or a material obtained by coating a stainless steel base material with a noble metal, it is possible to suppress deterioration with time of conductivity due to oxidation of the sandwich plate.
以下、本発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、下記の発明を実施するための形態(以下実施形態という)により本発明が限定されるものではない。また、下記の実施形態における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。さらに、下記の実施形態における構成要素は適宜組み合わせることが可能である。 Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In addition, this invention is not limited by the form (henceforth embodiment) for implementing the following invention. In addition, constituent elements in the following embodiments include those that can be easily assumed by those skilled in the art, those that are substantially the same, and those in a so-called equivalent range. Furthermore, the constituent elements in the following embodiments can be appropriately combined.
本実施形態においては、燃料電池は積層型固体酸化物形燃料電池素子(以下、「積層型SOFC素子」という)を用いる。積層型SOFC素子は、発電効率が高いという特徴がある。積層型SOFC素子は、電流を十分に取り出すためには電極有効面積の増加及び固体電解質層の薄層化が必要とされている。本実施形態に係る積層型SOFC素子は、単位体積あたりの電極有効面積を従来の平板型及び円筒型のSOFCと比較して大きくすることにより、大きな電流を取り出そうとするものである。このため、本実施形態に係る積層型SOFC素子は、電極(アノード又はカソード)と固体電解質層とを交互に積層して一体とした積層構造とすることにより、単位体積あたりの電極有効面積を増加させて発電効率を向上させるとともに、小型化を図るものである。尚、本明細書で発電効率とは、消費された燃料ガス(発電に使われた燃料ガス+発電に使われなかった燃料ガス)に対する発電量のことを言う。 In the present embodiment, the fuel cell uses a stacked solid oxide fuel cell element (hereinafter referred to as “stacked SOFC element”). The stacked SOFC element is characterized by high power generation efficiency. A stacked SOFC element requires an increase in electrode effective area and a thin solid electrolyte layer in order to sufficiently extract current. The stacked SOFC element according to the present embodiment attempts to extract a large current by increasing the electrode effective area per unit volume as compared with the conventional flat plate type and cylindrical type SOFC. For this reason, the stacked SOFC element according to the present embodiment increases the effective electrode area per unit volume by forming an integrated stacked structure in which electrodes (anodes or cathodes) and solid electrolyte layers are alternately stacked. Thus, the power generation efficiency is improved and the size is reduced. In this specification, power generation efficiency refers to the amount of power generated with respect to consumed fuel gas (fuel gas used for power generation + fuel gas not used for power generation).
次に、上述した例で用いる積層型SOFC素子1について、概略を説明する。
Next, an outline of the
図8は、本実施形態に係るSOFCモジュールに使用される積層型SOFC素子の内部構造を示す断面図である。図8に示すように、積層型SOFC素子1は、複数のアノード2と、複数のカソード3と、少なくともアノード2とカソード3との間に配置される固体電解質層4と、隣接する固体電解層同士の間に配置される仕切り部5a、5cとを含み、一体的に構成されて6面体状となる。ここで、積層型SOFC素子1は、対向する端面に複数のアノード2に接続するアノード側外部電極11と複数のカソード電極3に接続するカソード側外部電極12を有している。積層型SOFC素子1は、カソード側外部電極12に隣り合う4面のいずれか1面にカソード側外部電極12と電気的に接続するカソード側側面電極14と、カソード側側面電極14が形成された面と対向する面にアノード側外部電極11と電気的に接続するアノード側側面電極13とをさらに有する。このように、積層型SOFC素子1は、アノード側外部電極11とアノード側側面電極13とを接続することにより断面L字状の電極を備える。また、カソード側外部電極12とカソード側側面電極14とを接続することにより断面L字状の電極を備える。尚、アノード側側面電極13およびカソード側側面電極14は、それぞれ側面の一部に形成されていれば良い。このように複数のアノード2は、アノード側外部電極11を介してアノード側側面電極13と電気的に接続されており、複数のカソード3は、カソード側外部電極12を介してカソード側側面電極14と電気的に接続されている。
FIG. 8 is a cross-sectional view showing the internal structure of the stacked SOFC element used in the SOFC module according to this embodiment. As shown in FIG. 8, the
図9は、SOFCモジュールに使用される積層型SOFC素子の電極構成を示す斜視図である。本実施形態において積層型SOFC素子1は図9に示すように、6面体形状の積層型SOFC素子1の複数のアノード2および複数のカソード3の電極延出する方向Nの両側にアノード側外部電極11、及びカソード側外部電極12を、それとクロスする方向Mの両側にアノード側側面電極13、およびカソード側側面電極14を形成する。すなわち、積層型SOFC素子1は、カソード側外部電極12に隣り合う4面のいずれか1面にカソード側外部電極12と電気的に接続するカソード側側面電極14と、カソード側側面電極14と対向する面にアノード側外部電極11と電気的に接続するアノード側側面電極13とを有する。このように、積層型SOFC素子1は、アノード側外部電極11とアノード側側面電極13とを接続することにより断面L字状の電極を備える。また、カソード側外部電極12とカソード側側面電極14とを接続することにより断面L字状の電極を備える。これにより、後述するSOFCモジュールは、複数の素子のアノード側側面電極13とカソード側側面電極14とを後述する導電性挟持板によって接続でき、電気的並列に接続し、電力を外部負荷に出力することができる。なお、図9では、複数のアノード2および複数のカソード3の電極延出する方向Nとクロスする方向Mの両側にアノード側側面電極13、およびカソード側側面電極14を形成しているが、方向Mと方向Nとにクロスする方向の両側に形成してもよい。
FIG. 9 is a perspective view showing an electrode configuration of a stacked SOFC element used in the SOFC module. In the present embodiment, as shown in FIG. 9, the
本実施形態に係るSOFCモジュールに使用される積層型SOFC素子1においては、それぞれのアノード2及びカソード3は、白金(Pt)で構成された多孔質体である。また、アノード側外部電極11及びカソード側外部電極12は、アノード2及びカソード3と同じ材料、すなわち白金で構成された多孔質体である。積層型SOFC素子1は、アノード側外部電極11側から燃料F(例えば、水素)が供給され、また、カソード側外部電極12側から酸素A(本実施形態では空気)が供給されることにより作動する。このため、燃料Fをアノード側外部電極11に、酸素Aをアノード側外部電極11とは反対側に配置されるカソード側外部電極12に供給すればよい。アノード側外部電極11側から供給された燃料F及びカソード側外部電極12側から供給された酸素Aをアノード2及びカソード3の内部に行き渡らせるため、アノード側外部電極11及びアノード2、カソード側外部電極12及びカソード3は、多孔質体で構成される。このような構造により、燃料Fの供給系統と酸素Aの供給系統とを簡易に形成でき、燃料F及び酸素Aがアノード2及びカソード3の全体に行き渡って反応するので、より多くの電力が取り出される。なお、アノード2は燃料Fを、カソード3は酸素Aをそれぞれの内部に行き渡らせる機能を有していればよく、このような機能を有していれば、アノード2及びカソード3は多孔質でなくてもよい。例えば、アノード2又はカソード3が気体通路を持つ構造とすることができる。この場合、アノード2又はカソード3のいずれか一方には気体通路を持つ構造を用い、他方に多孔質材料を用いてもよい。また、アノード2及びカソード3を多孔質とした場合には、加熱時において、空隙が熱膨張を吸収し、アノード2、カソード3、固体電解質層4の間に働く応力を緩和する。ゆえに、アノード2及びカソード3を多孔質とした場合、アノード2と、カソード3と、固体電解質層4とのそれぞれの材料の線膨張係数がある程度ばらついていても、アノード2、カソード3、固体電解質層4の割れ等を抑制できる。尚、アノード側外部電極と接続されるアノード側側面電極、およびカソード側外部電極と接続されるカソード側側面電極は、それぞれ対応する外部電極と同じ材料で形成すれば良いが、これに限定されない。側面電極は多孔質としなくても良い。
In the
また、本実施形態で使用される積層型SOFC素子においては、アノード2とカソード3とを同じ材料(多孔質の白金)としたが、アノード2とカソード3とは異なる材料であってもよい。アノード2は、白金の他、高温還元雰囲気で電子伝導性を示すものが使用できる。このような材料としては、ニッケル(Ni)、SDCやYSZ等の固体電解質とニッケル(Ni)とのサーメット等がある。ここで、SDCとは、Ce0.85Sm0.15O2−δに示すような材料であり、YSZとは、Zr0.81Y0.19O2−δに示すような材料である。また、カソード3は、白金の他、高温酸化雰囲気で電子伝導性を示すものが使用できる。このような材料としては、例えば、CoFe2O4、MnFe2O4、NiFe2O4、BSCF等がある。ここで、BSCFとは、バリウム(Ba)、ストロンチウム(Sr)、コバルト(Co)、鉄(Fe)の酸化物である。なお、アノード2及びカソード3の材料は、上述したものに限定されるものではなく、SOFCのアノード、カソードとして適用可能な材料全般を使用することができる。
In the stacked SOFC element used in this embodiment, the
さらに、アノード側外部電極11は、複数のアノード2を電気的に接続していればよく、カソード側外部電極12は、複数のカソード3を電気的に接続していればよい。このため、アノード側外部電極11とアノード2とを異なる材料とし、カソード側外部電極12とカソード3とを異なる材料としてもよい。これによって、アノード2やアノード側外部電極11等に、より適切な材料を用いることができる。
Further, the anode-side
上述したように、本実施形態で使用される積層型SOFC素子1においては、仕切り部5a、5cは、積層方向に隣接する固体電解質層4同士の間に設けられて、固体電解質層4同士を接続する。このようにすることで、積層型SOFC素子1にアノード側外部電極11及びカソード側外部電極12が形成されると、それぞれのカソード3とアノード側外部電極11との間及びアノード2とカソード側外部電極12との間に仕切り部5a、5cが配置されることになる。ここで、アノード2とカソード3との間で電子や気体(燃料Fや酸素A)の漏れが発生すると、積層型SOFC素子1の単位体積あたりの発電効率が低下する。このため、アノード2とカソード3との間にある固体電解質層4及び仕切り部5a、5cは、電子を絶縁し、ガスタイト(気体を透過させないこと)であることが好ましい。固体電解質層4と仕切り部5a、5cとを同じ材料とすることにより、積層型SOFC素子1の製造が容易になるという利点がある。なお、固体電解質層4と仕切り部5a、5cとは異なる材料で構成してもよい。これによって、より電子の絶縁やガスタイトを確保しやすい材料を用いて、積層型SOFC素子1の性能低下をさらに効果的に抑制することも可能である。
As described above, in the
固体電解質層4の厚みは、できる限り薄い方が好ましく、1μm〜50μm程度とすることができる。また、アノード2の厚み及びカソード3の厚みは、燃料Fや酸素Aを通過させることから、あまり薄くすることができないため、20μm〜200μm程度とすることができる。さらに、仕切り部5a、5cは、アノード2の厚み及びカソード2の厚みと同等にすればよい。
The thickness of the solid electrolyte layer 4 is preferably as thin as possible, and can be about 1 μm to 50 μm. Moreover, since the thickness of the
次に、本実施形態に係る積層型SOFC素子を組み合わせたSOFCモジュール及びこのSOFCモジュールを用いた燃料電池発電システムについて説明する。 Next, an SOFC module in which stacked SOFC elements according to this embodiment are combined and a fuel cell power generation system using the SOFC module will be described.
<実施形態1>
図1は、本発明の実施形態1に係るSOFCモジュールの構造を示す斜視図である。図1に示すように、SOFCモジュール20は、図8、図9で説明したような複数の積層型SOFC素子1と、複数の積層型SOFC素子1を挟持するI字状(直線状)のアノード側挟持板21およびカソード側挟持板22を含んでいる。積層型SOFC素子1は、上述した構造とすることにより、I字状(直線状)に並べられた複数(図中では6個)の積層型SOFC素子1を電気的並列に接続し、固定することができ、小型化を図りつつ高い電力を得ることができるので、ガスバーナ等の炎を燃料源として発電を行うことに適している。複数の積層型SOFC素子1は、それぞれ無電極面すなわち側面電極が形成されていない面を向かい合わせにし、アノード側外部電極11形成面とカソード側外部電極12形成面とカソード側側面電面14形成面とアノード側側面電面13形成面の全てがそれぞれ同方向を向くように並べられている。
<
FIG. 1 is a perspective view showing the structure of the SOFC module according to
アノード側挟持板21およびカソード側挟持板22は、板状の導電性部材で構成されており、それぞれの積層型SOFC素子1のアノード側側面電極13およびカソード側側面電極14に重なるように配置される。本実施形態1では、アノード側挟持板21およびカソード側挟持板22により挟持された複数の積層型SOFC素子1は図示していないボルトおよびナットによって締め付け固定される。なお、ボルトおよびナットは、アノード側挟持板21およびカソード側挟持板22と電気的に絶縁される構成とする。例えば、絶縁性セラミックスよりなるボルトおよびナットを使用しても良い。このような構造により、SOFCモジュール20は、複数の積層型SOFC素子1を物理的かつ電気的並列に接続することが出来る。アノード側挟持板21およびカソード側挟持板22の端部にそれぞれリード線(不図示)を接続することにより、電力を外部負荷に出力することができる。
The anode
なお、アノード側挟持板21およびカソード側挟持板22は導電性があり、複数の積層型SOFC素子を挟持できればよく、板質は必ずしも板状緻密体(硬質)である必要はなく、これに限らず、弾性を備え、あるいは、通気性を備える金属箔や金属繊維、金属メッシュ等でも構わない。
Note that the anode
図1に示す例では、アノード側挟持板21およびカソード側挟持板22の幅を、積層型SOFC素子1の複数のアノード2および複数のカソード3の電極延出する方向より短くなるようにしている。このような構成にすることにより、カソード側挟持板22によるアノード側外部電極11とカソード側側面電極14との間、または、アノード側挟持板21によるカソード側外部電極12とアノード側側面電極13との間のショートを防ぐことが出来る。
In the example shown in FIG. 1, the widths of the anode-
複数の積層型SOFC素子1をアノード側挟持板21およびカソード側挟持板22で挟む場合において、複数の積層型SOFC素子1とそれを挟むアノード側挟持板21またはカソード側挟持板22との間に導電性の金属繊維や金属メッシュ、導電性のバネ等の緩衝材(不図示)を挟んでも良い。それにより、これらの緩衝材が各積層型SOFC素子1のアノード側側面電極13およびカソード側側面電極14が対向する方向の寸法公差を吸収し、複数の積層型SOFC素子1を弾性的に挟持でき、物理的かつ電気的接続の不具合を解消することができる。
When a plurality of
複数の積層型SOFC素子1をアノード側挟持板21およびカソード側挟持板22で挟む場合において、少なくともどちらか一方の導電性挟持板にざぐり(不図示)を設け、積層型SOFC素子1をざぐりに挿入しても良い。それにより積層型SOFC素子1の平面方向の動きが制限され、物理的衝撃や熱衝撃による積層型SOFC素子1のズレや脱落を防ぐことができる。
When sandwiching a plurality of
複数の積層型SOFC素子1をアノード側挟持板21およびカソード側挟持板22で挟む場合において、アノード側挟持板21およびカソード側挟持板22の外側に補強板としてセラミック板などの硬質な板(不図示)を重ねても良い。あるいは、アノード側挟持板21およびカソード側挟持板22の端部に立ち上がり部(不図示)を設け断面L字状としても良い。そうすることでアノード側挟持板21およびカソード側挟持板22の複数の積層型SOFC素子1の配列方向のたわみを抑制し、積層型SOFC素子1のズレや脱落を防ぐことができる。
When a plurality of
複数の積層型SOFC素子1を挟んだアノード側挟持板21およびカソード側挟持板22を図示していないボルトおよびナットで締め付け固定する場合において、締め付け箇所をアノード側挟持板21およびカソード側挟持板22の両端だけでなく、その中間の複数ヶ所に増やしても良い。そうすることでアノード側挟持板21およびカソード側挟持板22のたわみを抑制し、積層型SOFC素子1の脱落を防ぐことができる。なお、ボルトおよびナットは、アノード側挟持板21およびカソード側挟持板22と電気的に絶縁されている必要がある。
When the anode-
複数の積層型SOFC素子1をアノード側挟持板21およびカソード側挟持板22の間に挟む場合において、各積層型SOFC素子1は間隔を置かずに設置したり、あるいは間に間隔規制板(不図示)のような構造物を挟んで設置して、積層型SOFC素子1同士の間に隙間を無くしても良い。そうすることで、火炎の回り込みによりアノード側外部電極とカソード側外部電極間の酸素ポテンシャル勾配が低下して出力が低下することを抑制できる。
When sandwiching a plurality of
複数の積層型SOFC素子1をアノード側挟持板21およびカソード側挟持板22で挟む場合において、積層型SOFC素子1のアノード側外部電極11とカソード側側面電極14との間およびカソード側外部電極12とアノード側側面電極13との間をカバーする範囲に絶縁板(不図示)を挟んでも良い。そうすることで挟持板を通じてアノード側外部電極11とカソード側側面電極14との間、およびカソード側外部電極12とアノード側側面電極13との間がショートして出力電圧が低下することを抑制できる。
When a plurality of
ガスバーナ等の炎を燃料源として発電を行う場合、導電性挟持板は高温酸化され易い環境に晒され、導通不良を起こし易い。そのため導電性挟持板の素材を貴金属素材、あるいは耐熱ステンレス鋼基材を貴金属コートした素材とすることで導電性挟持板の酸化を抑制し、導通不良の発生を防ぐことが出来る。 When power generation is performed using a flame such as a gas burner as a fuel source, the conductive sandwich plate is exposed to an environment where high temperature oxidation is likely to occur, and a conduction failure is likely to occur. Therefore, the conductive sandwich plate is made of a noble metal material, or a heat-resistant stainless steel base material coated with a noble metal, so that the oxidation of the conductive sandwich plate can be suppressed and the occurrence of poor conduction can be prevented.
図1に示すようなSOFCモジュール20を固定したバーナプレートの燃焼サイクル試験を行った。その結果(導通不良発生数)を表1に示す。各実施例並びに比較例に示す導電性挟持板の素材を使用してSOFCモジュール20を各々10個ずつ用意した。SOFCモジュール20を固定したバーナプレートを着火し、10分間経過したところで初期電力を測定した。さらに、バーナプレートを消火し、20分間自然冷却後に再び点火して10分間発電することを1サイクルとして1000サイクル後の電力を測定した。初期電力と1000サイクル後の電力との変化率が10%未満のものを「○」(導通不良なし)、変化率が10%以上のものを「×」(導通不良あり)とした。カソード側挟持板22が高温酸化した比較例1のFe、比較例2の耐熱ステンレス鋼基材で導通不良が発生していたのに対し、実施例1のAu、実施例2のAg、実施例3のPt、実施例4のPtコートした耐熱ステンレス鋼基材では導通不良の発生を抑制できていた。
A combustion cycle test was performed on a burner plate to which the
図2は、SOFCモジュール20を利用する燃料電池発電システム80の接続例を示す図である。図2に示すように、例えば、SOFCモジュール20は、5個の積層型SOFC素子1を並列接続して1つのユニットとしモジュール化する。燃料電池発電システム80は、それらSOFCモジュール20を3つ直列に接続したものである。積層型SOFC素子1の接続やSOFCモジュール20の組み合わせにより燃料電池発電システム80の出力および端子電圧を任意に変更することができる。燃料電池発電システム80は、このようなSOFCモジュール20から充電装置50を介して二次電池51に電力を蓄える。
FIG. 2 is a diagram illustrating a connection example of the fuel cell
<実施形態2>
図3は、本発明の実施形態2に係るSOFCモジュール構造を示す斜視図である。図1の変形例である。アノード側挟持板21およびカソード側挟持板22は必ずしもI字状(直線状)である必要はない。図3に示すように、L字状のアノード側挟持板21およびカソード側挟持板22で挟持する。このようにすることによりL字状に並べられた複数(図中では7個)の積層型SOFC素子1を電気的並列に接続し、固定することができる。また、L字状のアノード側挟持板21およびカソード側挟持板22を2組のSOFCモジュール20を組合せてロ字状に配置しても良い。このようにすることにより例えばバーナプレートの開口領域を取り囲むように配置するのに有用である。
<
FIG. 3 is a perspective view showing a SOFC module structure according to
<実施形態3>
図4は、本発明の実施形態3に係るSOFCモジュール構造を示す斜視図である。図1の変形例である。アノード側挟持板21およびカソード側挟持板22は必ずしもI字状(直線状)である必要はない。図4に示すように、リング状あるいはリングを分割した形状となる円弧状のアノード側挟持板21およびカソード側挟持板22で挟持する。このようにすることにより円弧状に並べられた複数(図中では7個)の積層型SOFC素子1を電気的並列に接続し、固定することができるので、例えばガスコンロなど円弧状に火炎を噴射するガス器具などへSOFCモジュールを配置するのに有用である。
<
FIG. 4 is a perspective view showing the SOFC module structure according to
次に、本発明の実施形態1に係るSOFCモジュール20の使用例を説明する。バーナプレートへ取り付けしたSOFCモジュールについて図5から図7を用いて説明する。図5は、SOFCモジュール付きバーナプレートを表した斜視図である。本実施形態1のSOFCモジュール20は、例えば図5に示すように複数の炎口31が格子状に並ぶバーナプレート30の周縁部に設置される。SOFCモジュール20は、複数の積層型SOFC素子1のアノード側外部電極(不図示)がバーナプレート30の炎口31から噴出される火炎に当たる程度の位置に固定する。こうすることにより簡便な作業により複数の積層型SOFC素子1を一括してバーナプレート30上に設置することができ、並列接続した複数の積層型SOFC素子1のアノード側外部電極をバーナプレート30の炎口31から噴出される火炎(不図示)に一括して晒すことができる。アノード側挟持板21およびカソード側挟持板22の端部にそれぞれリード線25を接続することにより、電力を外部負荷に出力することができる。
Next, a usage example of the
図6は、図5の使用例をバーナプレート30とSOFCモジュール20との配置関係を示す部分投影図である。図7は、図5の使用例につき、バーナプレート30とSOFCモジュール20との配置関係を示す部分断面図である。図6および図7に示すようにバーナプレート30は、混合気供給面36から燃焼面37に貫通する複数の炎孔32が形成された開口領域33を持ち、開口領域33の外側にある周縁領域34にSOFCモジュール20が配置される。SOFCモジュール20は、複数の積層型SOFC素子1をアノード側挟持板21およびカソード側挟持板22により挟持するとともに、各アノード側外部電極11が開口領域33の少なくとも一部に重なるように、かつ、カソード側外部電極12が開口領域33の外側に向くように配置する。このようにすることにより、SOFCモジュール20は、バーナプレート30の炎孔32から放出される火炎の燃焼熱及びプレートから伝わる輻射熱により作動温度まで昇温させると共に、燃焼ガスをアノード側外部電極11に供給することが出来る。これによってアノード側外部電極11とカソード側外部電極12の間には酸素ポテンシャル勾配が生じ、その酸素ポテンシャル勾配に応じた電力を得ることが出来る。複数の積層型SOFC素子1で得られた電力は、アノード側外部電極11−アノード側側面電極13−アノード側挟持板21の経路およびカソード側外部電極12−カソード側側面電極14−カソード側挟持板22の経路を通じて充電装置や2次電池などの外部負荷に供給することが出来る。
FIG. 6 is a partial projection view showing an arrangement relationship between the
本発明に係るSOFCモジュールおよびそれを搭載した発電装置(燃料電池発電システム)は、ファン付き赤外線ストーブ、小型給湯器、ビルトインコンロなどの火炎燃焼部を有するガス器具に使用することができる。こうすることによりガス器具に付随するファンやセンサ、電子表示機器など電子機器を電池レスで駆動させたいという要望を実現することが出来る。 The SOFC module according to the present invention and a power generation apparatus (fuel cell power generation system) on which the SOFC module is mounted can be used for a gas appliance having a flame combustion section such as an infrared heater with a fan, a small water heater, or a built-in stove. By doing so, it is possible to realize a desire to drive electronic devices such as fans, sensors, and electronic display devices attached to gas appliances without using batteries.
1 積層型SOFC素子
2 アノード
3 カソード
4 固体電解質層
5 仕切り部
6 余白部
11 アノード側外部電極
12 カソード側外部電極
13 アノード側側面電極
14 カソード側側面電極
20 SOFCモジュール
21 アノード側挟持板
22 カソード側挟持板
23 締め付けボルト
24 ナット
25 リード線
30 バーナプレート
31 炎口
32 炎孔
33 開口領域
34 周縁領域
35 火炎
36 混合気供給面
37 燃焼面
50 充電装置
51 2次電池
80 燃料電池発電システム
A 酸素(空気)
F 燃料
N 電極延出方向
M クロス方向
DESCRIPTION OF
F Fuel N Electrode extension direction M Cross direction
Claims (6)
前記複数の積層型SOFC素子のそれぞれは、6面体形状をなし、内部に複数のアノードと複数のカソードとを有し、対向する端面に前記複数のアノードに接続するアノード側外部電極と前記複数のカソードに接続するカソード側外部電極を有し、前記カソード側外部電極の面に隣り合う4面のいずれか1面に前記カソード側外部電極と電気的に接続するカソード側側面電極を有し、前記カソード側側面電極の面と対向する面に前記アノード側外部電極と電気的に接続するアノード側側面電極を有しており、
前記複数の積層型SOFC素子が、少なくとも前記アノード側側面電極の面と前記カソード側側面電極の面とがそれぞれ同方向を向き、前記アノード側外部電極と前記カソード側外部電極とがそれぞれSOFCモジュールにおいて同一側となるように並べられ、前記一対の導電性挟持板間に側面電極が形成された面で挟持され、前記アノード側側面電極同士が前記導電性挟持板の一方と接続し、前記カソード側側面電極同士が前記導電性挟持板の他方と接続していることを特徴とするSOFCモジュール。 In an SOFC module comprising a plurality of stacked SOFC elements and a pair of opposing conductive sandwich plates,
Each of the plurality of stacked SOFC elements has a hexahedron shape, includes a plurality of anodes and a plurality of cathodes therein, and has an anode-side external electrode connected to the plurality of anodes on opposite end surfaces, and the plurality of the plurality of stacked SOFC elements. A cathode-side external electrode connected to the cathode; a cathode-side side electrode electrically connected to the cathode-side external electrode on any one of the four surfaces adjacent to the surface of the cathode-side external electrode; Having an anode side electrode electrically connected to the anode side external electrode on the surface facing the surface of the cathode side electrode;
In the plurality of stacked SOFC elements, at least the surface of the anode side electrode and the surface of the cathode side electrode face the same direction, and the anode side external electrode and the cathode side external electrode are respectively in the SOFC module. Arranged to be on the same side, sandwiched between the pair of conductive sandwiching plates on the surface where the side electrode is formed, the anode side side electrodes are connected to one of the conductive sandwiching plates, and the cathode side The SOFC module, wherein side electrodes are connected to the other of the conductive sandwich plates.
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Citations (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2005063692A (en) * | 2003-08-13 | 2005-03-10 | Shinko Electric Ind Co Ltd | Solid electrolyte fuel cell |
JP2006004691A (en) * | 2004-06-16 | 2006-01-05 | Dainippon Printing Co Ltd | Solid oxide fuel cell |
JP2007042354A (en) * | 2005-08-02 | 2007-02-15 | Paloma Ind Ltd | Power generation method of fuel cell, gas burner used for the same, and gas fitting equipped with gas burner |
JP2010536119A (en) * | 2007-08-03 | 2010-11-25 | ロールス−ロイス・フューエル・セル・システムズ・リミテッド | FUEL CELL AND METHOD FOR MANUFACTURING FUEL CELL |
JP2011034688A (en) * | 2009-07-29 | 2011-02-17 | Tdk Corp | Solid oxide fuel cell and method of manufacturing the same |
JP3174602U (en) * | 2012-01-17 | 2012-03-29 | Tdk株式会社 | Lead wire connection structure of stacked solid oxide fuel cell |
JP3174603U (en) * | 2012-01-17 | 2012-03-29 | Tdk株式会社 | Lead wire connection structure of stacked solid oxide fuel cell |
JP3174601U (en) * | 2012-01-17 | 2012-03-29 | Tdk株式会社 | Lead wire connection structure of stacked solid oxide fuel cell |
-
2012
- 2012-04-16 JP JP2012092574A patent/JP2013222565A/en active Pending
Patent Citations (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2005063692A (en) * | 2003-08-13 | 2005-03-10 | Shinko Electric Ind Co Ltd | Solid electrolyte fuel cell |
JP2006004691A (en) * | 2004-06-16 | 2006-01-05 | Dainippon Printing Co Ltd | Solid oxide fuel cell |
JP2007042354A (en) * | 2005-08-02 | 2007-02-15 | Paloma Ind Ltd | Power generation method of fuel cell, gas burner used for the same, and gas fitting equipped with gas burner |
JP2010536119A (en) * | 2007-08-03 | 2010-11-25 | ロールス−ロイス・フューエル・セル・システムズ・リミテッド | FUEL CELL AND METHOD FOR MANUFACTURING FUEL CELL |
JP2011034688A (en) * | 2009-07-29 | 2011-02-17 | Tdk Corp | Solid oxide fuel cell and method of manufacturing the same |
JP3174602U (en) * | 2012-01-17 | 2012-03-29 | Tdk株式会社 | Lead wire connection structure of stacked solid oxide fuel cell |
JP3174603U (en) * | 2012-01-17 | 2012-03-29 | Tdk株式会社 | Lead wire connection structure of stacked solid oxide fuel cell |
JP3174601U (en) * | 2012-01-17 | 2012-03-29 | Tdk株式会社 | Lead wire connection structure of stacked solid oxide fuel cell |
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