JP2018098080A - Solid oxide fuel cell stack - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池スタックに関する。特に、原料ガスを改質して得られた燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により発電する固体酸化物形燃料電池スタックに関する。 The present invention relates to a fuel cell stack. In particular, the present invention relates to a solid oxide fuel cell stack that generates power by a reaction between a fuel gas obtained by reforming a raw material gas and an oxidant gas.
固体酸化物形燃料電池装置(Solid Oxide Fuel Cell:以下「SOFC」とも言う)は、電解質として酸化物イオン導電性固体電解質を用い、その両側に電極を取り付けた燃料電池セルを複数モジュール容器内に配設し、その燃料電池セルの一方の電極(燃料極)に燃料ガスを供給し、他方の電極(空気極)に酸化剤ガス(空気、酸素等)を供給することで発電反応により発電する電力を取り出す装置であり、高分子電解質形燃料電池装置等の他の燃料電池装置に対して、例えば700〜1000℃程度の比較的高温で動作する。 A solid oxide fuel cell device (hereinafter also referred to as “SOFC”) uses an oxide ion conductive solid electrolyte as an electrolyte, and a fuel cell having electrodes attached to both sides thereof in a multi-module container. The fuel cell is arranged to supply a fuel gas to one electrode (fuel electrode) and supply an oxidant gas (air, oxygen, etc.) to the other electrode (air electrode) to generate power by a power generation reaction. It is a device for extracting electric power, and operates at a relatively high temperature of, for example, about 700 to 1000 ° C. with respect to other fuel cell devices such as a polymer electrolyte fuel cell device.
このような固体酸化物形燃料電池装置に用いる燃料電池セルとして、特許文献1に記載の円筒形セルや扁平円筒形セルなどの柱状の燃料電池セルが知られている。一般に単一の燃料電池セル(単セル)では得られる電力が少ないため、これらを複数並べて電気的に直列に接続することで必要な電力を得るように構成している。
As fuel cells used in such a solid oxide fuel cell device, columnar fuel cells such as a cylindrical cell and a flat cylindrical cell described in
ところが、これら円筒形セル等の柱状の燃料電池セルにおいては、電極が軸方向に延在するため、電極内の電子の移動距離が長距離に及び、燃料電池セルの発電効率の低下を招く問題があった。そこで特許文献1では、隣接する燃料電池セルへの電気的な直列接続として、一の燃料電池セルの空気電極(+極)と、これと隣接する燃料電池セルの燃料電極(−極)との接続を、燃料電池セルの上端及び下端でそれぞれ独立した集電部材を用いて行ういわゆる「両端集電」構造によって解決している。この構成により、燃料電池セルの発電部で発生した電流は、燃料電池セルの上端及び下端へと分配されて外部へ取り出されるため、電流経路を短くして電気抵抗を減少させている。
However, in these columnar fuel cells such as cylindrical cells, since the electrodes extend in the axial direction, the movement distance of the electrons in the electrodes is long and the power generation efficiency of the fuel cells is reduced. was there. Therefore, in
ところで、家庭用途の燃料電池装置の開発において、その普及の点で燃料電池装置の小型化及び低価格化が求められている。特にマンションなどの集合住宅への限られたスペースへの設置のためには、燃料電池装置の小型化は特に重要となる。このため、従来の柱状の燃料電池セルを軸方向に短縮すること(短尺化)は燃料電池装置の小型化に大きく寄与するとともに、価格の低減にも資するものである。 By the way, in development of a fuel cell device for household use, downsizing and cost reduction of the fuel cell device are demanded in view of its spread. In particular, miniaturization of the fuel cell device is particularly important for installation in a limited space in an apartment house such as a condominium. For this reason, shortening (shortening) the conventional columnar fuel cell in the axial direction greatly contributes to miniaturization of the fuel cell device and also contributes to a reduction in price.
しかし発明者は、上述した両端集電構造の燃料電池セルについて短尺化を進めると、発電性能に弊害が生じることを見出した。すなわち、燃料電池セルの短尺化は、燃料電池セルの軸方向の電流経路が短縮されるため、抵抗成分が減少して出力密度が向上する点で優位に働くものではあるが、一方で、燃料ガスを供給する燃料電池セル下端部の最大電流密度が上昇してしまうため、その結果として燃料電池セルの劣化速度が加速してしまうことがわかった。 However, the inventor has found that when the fuel cell having the current collecting structure described above is shortened, the power generation performance is adversely affected. That is, shortening the length of the fuel cell is advantageous in that the axial current path of the fuel cell is shortened and the resistance component is reduced and the output density is improved. It has been found that the maximum current density at the lower end of the fuel cell supplying the gas increases, and as a result, the deterioration rate of the fuel cell is accelerated.
水素を含む燃料ガスは柱状の燃料電池セルの下端側から内部流路に供給されることが一般的であるが、供給された燃料ガス中の水素濃度は発電反応によって徐々に消費されるため、内部流路において上流側から下流側にかけて水素濃度は減少する。このため、発電反応は燃料電池セルの最下端においてより活発であり、発生電流量も多い。この状況下において、両端集電を行う場合、燃料ガスの供給量や取り出し電流量、あるいは燃料電池セル集電形態によっては、燃料電池セルの上流側(つまり、燃料電池の下端側)集電部において、電流集中が発生するおそれがあることを発明者は見出した。これは、起電力の高くなる領域と電流の取り出し領域とが一致することに問題がある。燃料電池セルの短尺化は電流経路の短縮化であるから、燃料電池セル下端部の電流集中をより高めてしまい、その結果、局所的な発電促進による燃料電池セルの劣化に起因した耐久性低下や、局部的な発熱で生じる熱応力による燃料電池セルの破損など、様々な課題を引き起こしてしまう。 The fuel gas containing hydrogen is generally supplied to the internal flow path from the lower end side of the columnar fuel cell, but the hydrogen concentration in the supplied fuel gas is gradually consumed by the power generation reaction, In the internal flow path, the hydrogen concentration decreases from the upstream side to the downstream side. For this reason, the power generation reaction is more active at the lowermost end of the fuel cell, and the amount of generated current is large. Under these circumstances, when collecting electricity at both ends, depending on the amount of fuel gas supplied or taken out, or depending on the form of current collection of the fuel cell, the current collector on the upstream side of the fuel cell (that is, the lower end side of the fuel cell) The inventors found that current concentration may occur. This has a problem that the region where the electromotive force is high coincides with the current extraction region. Since shortening the length of the fuel cell is a shortening of the current path, the current concentration at the lower end of the fuel cell is further increased, resulting in a decrease in durability due to deterioration of the fuel cell due to local power generation promotion. In addition, various problems such as damage of the fuel cell due to thermal stress generated by local heat generation are caused.
そこで発明者は、両端集電構造をとることで生じる上述した燃料電池セルの下端部における電流集中を抑制、回避するために、集電構造を燃料電池セルの上端部のみに集約した「片端集電(上端集電)」構造が最適であることを見出した。特許文献2には、隣り合う燃料電池セルのそれぞれの電極に接続する集電端子を導電性連結部材で接続して一体化した集電部材(コネクタ)を用いて、燃料電池セルの上端部どうしを直列接続した片端集電構造が開示されている。
In view of this, the inventor consolidates the current collecting structure only at the upper end portion of the fuel battery cell in order to suppress and avoid the current concentration at the lower end portion of the fuel battery cell, which is caused by taking the current collecting structure at both ends. We have found that the “electric (top current collector)” structure is optimal. In
一方で、従来の両端集電構造に代えて片端集電構造を採用することは電流集中の発生を回避するものの、両端集電構造に比べ電流経路が長くなるため、両端集電構造において短尺化を実施した際の優位性であった燃料電池セルの出力密度の向上が得られないと考えられる。 On the other hand, adopting a single-ended current collection structure instead of the conventional double-ended current collection structure avoids the occurrence of current concentration, but the current path becomes longer than the double-ended current collection structure, so the double-ended current collection structure is shortened. It is considered that the improvement of the output density of the fuel cell, which was the superiority when performing the above, cannot be obtained.
そこで本発明は、柱状の燃料電池セルを複数配列した固体酸化物形燃料電池スタックにおいて、燃料電池セルの集電構造を片端集電構造とするとともに短尺化して、高耐久性と低コストに加え、所定の出力密度を得ることのできる固体酸化物形燃料電池スタックを提供するものである。 Therefore, the present invention provides a solid oxide fuel cell stack in which a plurality of columnar fuel cells are arranged, and the current collecting structure of the fuel cells is made to be a one-end current collecting structure, and is shortened to add high durability and low cost. The present invention provides a solid oxide fuel cell stack capable of obtaining a predetermined power density.
燃料電池セルの集電構造において、両端集電構造に対し片端集電構造を採用することで電流経路が増加するため、出力密度が低下してしまうことは上述したが、発明者は燃料電池セルにおける電極の長さ(以下「電極長」という。)の短縮化を進めていくと、セル電位が上昇する傾向にあることを見出した。特に燃料電池セルから引き出す電流の電流密度が0.3A/cm2という条件下で燃料電池セルの電極長を100mm以下とすると、燃料電池セルのセル電位が0.7Vよりも大きくなることを確認した。このため燃料電池セルの電極長を所定の短さに設計することによって、実用に耐え得る十分な出力密度を確保することができることが明らかとなった。 As described above, in the current collecting structure of the fuel cell, since the current path is increased by adopting the one-end current collecting structure with respect to the both-end current collecting structure, the output density is lowered. It has been found that the cell potential tends to increase as the electrode length (hereinafter referred to as “electrode length”) is shortened. In particular, if the electrode length of the fuel cell is 100 mm or less under the condition that the current density of the current drawn from the fuel cell is 0.3 A / cm 2 , the cell potential of the fuel cell is confirmed to be larger than 0.7V. did. For this reason, it has been clarified that by designing the electrode length of the fuel cell to a predetermined short, a sufficient output density that can withstand practical use can be secured.
そこで、本発明にかかる固体酸化物形燃料電池スタックの一態様は、固体酸化物形の電解質層を挟んだ燃料極層と空気極層とにより形成された発電部が軸方向に延在する柱状の燃料電池セルが複数配列され、柱状の燃料電池セルの一端から他端に向けて燃料ガスが燃料極層に、酸化剤ガスが空気極層に供給されることで発電する固体酸化物形燃料電池スタックであって、複数配列された燃料電池セルの燃料極層は、隣り合う燃料電池セルの空気極層と、他端側にのみ設置された集電連結部材を介して電気的に直列接続されており、燃料電池セルは、燃料電池セルの軸方向における発電部の長さが100mm以下であり、かつ、電流密度が0.3A/cm2の条件下で燃料電池セルのセル電位が0.7Vよりも大きいものである。 Therefore, one aspect of the solid oxide fuel cell stack according to the present invention is a columnar shape in which a power generation part formed by a fuel electrode layer and an air electrode layer sandwiching a solid oxide electrolyte layer extends in the axial direction. A solid oxide fuel that generates electricity by supplying a plurality of fuel cells of the columnar fuel cells from one end to the other end of the fuel cells and supplying an oxidant gas to the air electrode layer In the battery stack, the fuel electrode layers of the plurality of fuel cells arranged in series are electrically connected in series with the air electrode layer of the adjacent fuel cells through a current collector connecting member installed only on the other end side. In the fuel cell, the cell potential of the fuel cell is 0 under the condition that the length of the power generation unit in the axial direction of the fuel cell is 100 mm or less and the current density is 0.3 A / cm 2. It is larger than 7V.
ここで、本明細書において「燃料電池セルの軸方向における発電部の長さ」とは、燃料電池セルにおける発電部に相当する燃料極層及び空気極層の軸方向の長さであり、換言すると燃料電池セルの有効セル長である。 Here, in this specification, “the length of the power generation unit in the axial direction of the fuel cell” is the length in the axial direction of the fuel electrode layer and the air electrode layer corresponding to the power generation unit in the fuel cell. Then, it is the effective cell length of the fuel cell.
また、本明細書において「柱状の燃料電池セル」とは一方向(軸方向)に延在した立体形状を有する燃料電池セルであって、内部にガス流路が設けられた筒状形状を含むものである。例えば、円筒形、扁平円筒形等の円柱や楕円柱、角柱などの立体形状が含まれる。 Further, in this specification, the “columnar fuel cell” is a fuel cell having a three-dimensional shape extending in one direction (axial direction), and includes a cylindrical shape in which a gas flow path is provided. It is a waste. For example, a solid shape such as a cylindrical shape such as a cylindrical shape or a flat cylindrical shape, an elliptical shape, or a rectangular shape is included.
また、本明細書において「燃料電池スタック」とは、少なくとも複数の燃料電池セルが集電体やシール材等の接続手段によって物理的に固定された集合体であり、例えば、燃料ガスを一時貯蔵して各燃料電池セルに分散供給するための燃料ガスマニホールド上に複数の燃料電池セルが立設固定されたその全体を含む。 Further, in the present specification, the “fuel cell stack” is an assembly in which at least a plurality of fuel cells are physically fixed by connecting means such as a current collector or a sealing material. For example, fuel gas is temporarily stored. In addition, a plurality of fuel cells are installed and fixed on a fuel gas manifold for supplying the fuel cells in a distributed manner.
また、本発明の態様において、発電部の長さは50mm以上であることが好ましい。 Moreover, in the aspect of this invention, it is preferable that the length of an electric power generation part is 50 mm or more.
柱状の燃料電池セルを複数配列した固体酸化物形燃料電池スタックにおいて、燃料電池セルの集電構造を片端集電構造とするとともに短尺化して、高耐久性と低コストに加え、所定の出力密度を得ることのできる固体酸化物形燃料電池スタックを提供することができる。 In a solid oxide fuel cell stack in which a plurality of columnar fuel cells are arranged, the current collecting structure of the fuel cells is made to be a one-sided current collecting structure, and the length is shortened, in addition to high durability and low cost, and a predetermined output density The solid oxide fuel cell stack can be provided.
以下では、本明細書に開示する発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。以下の説明から、当業者にとって、本発明の多くの改良や他の実施の形態が明らかである。従って、以下の説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び/又は機能の詳細を実質的に変更することができる。 Hereinafter, embodiments of the invention disclosed in this specification will be described in detail with reference to the drawings. From the following description, many modifications and other embodiments of the present invention are apparent to persons skilled in the art. Accordingly, the following description is to be construed as illustrative only and is provided for the purpose of teaching those skilled in the art the best mode of carrying out the invention. Details of the structure and / or function may be substantially changed without departing from the spirit of the invention.
図1(B)は柱状の燃料電池セルの集電構造として、従来の両端集電構造を示すものである。簡単のため、図1(B)においては複数の燃料電池セルのうち、2本の燃料電池セルの集電接続のみを示している。燃料電池セル100の下端側から内部流路内へ供給された燃料ガス(図中の破線矢印)は、燃料電池セルの側面下方から供給される酸化剤ガス(図示せず)との発電反応によって消費され、未反応の燃料ガスは燃料電池セル100の上端より燃料電池セル100の外部へ排出される。燃料ガスは燃料電池スタックの外部で改質された水素を含むもので、燃料電池セル100の内部流路において、上流側(すなわち下端側)ほど水素濃度が高く、下流側へ流動する程発電反応に消費され濃度は低下する。このため、燃料電池セル100の下端側ほど発電反応による起電力が高い。
FIG. 1B shows a conventional current collecting structure at both ends as a current collecting structure of a columnar fuel cell. For simplicity, FIG. 1B shows only the current collecting connection of two fuel cells among the plurality of fuel cells. The fuel gas (broken arrow in the figure) supplied from the lower end side of the
一方、燃料電池セル100から電流を取り出ために集電体102(集電連結部材)が燃料電池セル100の上端部及び下端部に設けられている。燃料電池セル100の上端部及び下端部は燃料極層が露出しており、このそれぞれの燃料極層が集電体102を介して電気的に隣り合う燃料電池セル100の空気極層に接続している。このように、上端部及び下端部の双方において電気的接続を行うことで、従来、軸方向に長い柱状の燃料電池セル100に起因した電流経路長の電気抵抗の高さにかかる課題を解消していた。
On the other hand, a current collector 102 (current collector connecting member) is provided at the upper end and the lower end of the
しかし上述のとおり、燃料電池セル100の短尺化を進めていくと、燃料電池セル100の下端部が起電力の高くなる領域と電流の取り出し領域とが一致する領域であるために、電流集中の発生が顕著になってしまい、その結果、燃料電池セル100の劣化が著しくなることが分かった。
However, as described above, when the length of the
そこで、燃料電池セル100を短尺化する上で、燃料電池セル100の集電構造を図1(A)に示すような片端集電構造とすると効果的であることに想到した。片端集電構造は、従来の両端集電構造に対して、燃料電池セル100の燃料極層と隣接する燃料電池セル100の空気極層とを電気的に接続する集電体102を、燃料電池セル100の上端部にのみ取り付ける構造である。そうすると、燃料電池セル100からの電流の取り出し部位が上端部に限られたことによって、起電力の高くなる領域と電流の取り出し領域とが分離されるため、燃料電池セル100の下端部における電流集中の発生を低減することが可能となる。
Therefore, in order to shorten the length of the
ところが、片端集電構造を用いた燃料電池セル100の電流経路は、両端集電構造を用いた場合に比べて長くなるため、両端集電構造を用いて短尺化を行う際に優位であった、燃料電池セル100の出力密度の向上が得られなくなると考えられる。
However, since the current path of the
しかし、燃料電池セル100における電極の長さ(以下「電極長」という。)の短縮化を進めていくと、セル電位が上昇する傾向にあることを見出した。特に燃料電池セルから引き出す電流の電流密度が0.3A/cm2という条件下で燃料電池セルの電極長を100mm以下とすると、燃料電池セルのセル電位が0.7Vよりも大きくなることを確認した。
However, it has been found that the cell potential tends to increase as the electrode length (hereinafter referred to as “electrode length”) in the
ここで、まず燃料電池セルのセル電位の算出方法について説明する。セル電位Vは、(1)開回路電圧E0から(2)抵抗過電圧ηohm、(3)活性化過電圧ηact、(4)拡散過電圧Ediff及び(5)ネルンストロスηnernstを引くことで求めることができる(数1)。
(1)開回路電圧E0は、空気極側の酸素分圧PO2,ca及び燃料極側の酸素分圧PO2,anをそれぞれ計算して、数2に代入することで求めることができる。ここで、Rは気体定数(8.31J/Kmol)、Tは温度(973Kとした。)、Fはファラデー定数(96485C/mol)である。
(2)抵抗過電圧ηohmは、燃料電池セル100の電流経路を構成する、燃料極層、燃料極導電層、電解質層、空気極導電層、空気極層等の積層膜それぞれの断面積Si、導電距離li及び導電率σiを計算し、数3に代入して各層の面積抵抗Riを計算し、得られた面積抵抗Riに電流密度Jをそれぞれかけて足し合わせる(数4)ことで求めることができる。ここで電流密度Jは0.3A/cm2として計算した。
(3)活性化過電圧ηactは、燃料極側の活性化過電圧と、空気極側の活性化過電圧とをバトラーボルマー式(数5)に各パラメータを代入することで求めることができる。ここでαは輸送係数(0.5)、nは電子数(2)、i0effは交換電流密度、Rは気体定数(8.31J/Kmol)、Fはファラデー定数(96485C/mol)である。
(4)拡散過電圧Ediffは、気相の酸素分圧PO2,gasと三相界面の酸素分圧PO2,TPBとをそれぞれ計算して、数6により算出することができる。ここで、Rは気体定数(8.31J/Kmol)、Tは温度(973Kとした。)、Fはファラデー定数(96485C/mol)である。
(5)ネルンストロスηnernstは、燃料電池セルの一端側の燃料ガスの組成から計算される起電力EINと、セルの他端側の燃料ガスの組成から計算される起電力EOUTの平均として求めることができる(数7)。
以上の算出方法に従って導出した、片端集電構造を前提とした柱状の燃料電池セルのセル電位、及び燃料電池セルで生じる電流集中を示す最大電流密度について、燃料電池セルの電極長(有効セル長)について試算した結果を図2に示す。なお当該試算は、燃料電池セルの全体での電流密度を、燃料電池セルの実運転時の電流引き出しの際の電流密度に近い0.3A/cm2として行った。 The electrode length (effective cell length) of the fuel cell with respect to the cell potential of the columnar fuel cell derived on the assumption of the one-end current collecting structure and the maximum current density indicating the current concentration generated in the fuel cell derived from the above calculation method. FIG. 2 shows the result of trial calculation. In this trial calculation, the current density of the entire fuel cell was set to 0.3 A / cm 2 that was close to the current density at the time of drawing current during actual operation of the fuel cell.
図2は、横軸に電極長(有効セル長)を示し、縦軸にセル電位及び最大電流密度を示す。横軸において左方向に進むに従い、燃料電池セルは短尺化される。電極長が200mmと比較的長い場合には、最大電流密度が0.83A/cm2と極めて高くなった。しかし電極長を短くしていくと、一旦最大電流密度は大きく減少し、その後徐々に増加傾向が見られた。これに対し、セル電位は、電極長が200mmのとき0.49Vと低い値を示したが、燃料電池セルの短尺化に伴い、徐々に増加傾向を示すことがわかった。 In FIG. 2, the horizontal axis indicates the electrode length (effective cell length), and the vertical axis indicates the cell potential and the maximum current density. The fuel cell is shortened as it proceeds to the left in the horizontal axis. When the electrode length was relatively long at 200 mm, the maximum current density was as extremely high as 0.83 A / cm 2 . However, as the electrode length was shortened, the maximum current density once decreased greatly and then gradually increased. On the other hand, the cell potential showed a low value of 0.49 V when the electrode length was 200 mm, but it was found that the cell potential gradually increased as the fuel cell length became shorter.
ここで、図2に示すように、セル電位の短尺化に伴う増加傾向は線形的であるが、電極長が100mmとなったところでその増加傾向が加速する傾向が見られた。同様の傾向は最大電流密度にも見られたが、セル電位の増加傾向に比べて最大電流密度の変位は小さい。この燃料電池セルの電極長が100mmのときのセル電位は0.71Aであり、燃料電池セルスタックを構成する上で、燃料電池セルの性能として確保したい0.7Aを超えた数値であった。 Here, as shown in FIG. 2, the increasing tendency with the shortening of the cell potential is linear, but when the electrode length becomes 100 mm, the increasing tendency tends to accelerate. A similar tendency was also observed in the maximum current density, but the displacement of the maximum current density was small compared to the increasing tendency of the cell potential. When the electrode length of this fuel cell is 100 mm, the cell potential is 0.71 A, which is a numerical value exceeding 0.7 A that is desired to be secured as the performance of the fuel cell in configuring the fuel cell stack.
このため、燃料電池セルの電極長を100mm以下とすることで、セル電位が0.7A以上の範囲で増加傾向を示すセル電位を得ることができる。また、電流集中による耐久性の問題を解決には最大電流密度が低いほど好ましいが、前提である片端集電構造の採用によって電極長が100mm以下の領域であっても最大電流密度は著しく増加することはなく、燃料電池セルの耐久性に大きく影響を与える0.6A/cm2を下回るため問題とならない。一方で、最大電流密度は燃料電池セルの短尺化により増加傾向ではあるため、好ましくは燃料電池セルの電極長は短くても50mmまでとすると良い。 For this reason, by setting the electrode length of the fuel battery cell to 100 mm or less, it is possible to obtain a cell potential that shows an increasing tendency when the cell potential is 0.7 A or more. Moreover, the lower the maximum current density is preferable for solving the problem of durability due to current concentration, but the maximum current density is remarkably increased even if the electrode length is 100 mm or less by adopting the premise of the one-end current collecting structure. This is not a problem because it is less than 0.6 A / cm 2 which greatly affects the durability of the fuel cell. On the other hand, since the maximum current density tends to increase due to the shortening of the fuel cell, the electrode length of the fuel cell is preferably set to 50 mm at the shortest.
以上のことから、片端集電構造を採用した燃料電池セルの電極長を所定の短さに設計することによって、電流集中を回避しつつ、実用に耐え得る十分な出力密度を確保することができることが明らかとなった。 From the above, by designing the electrode length of the fuel cell that adopts the one-end current collecting structure to be a predetermined short, it is possible to ensure sufficient output density that can withstand practical use while avoiding current concentration Became clear.
次に、図面を参照して、本発明にかかる燃料電池スタックの実施例について説明する。 Next, an embodiment of a fuel cell stack according to the present invention will be described with reference to the drawings.
図3〜図4を用いて、本発明の実施例における燃料電池スタック1について説明する。
A
図3は本発明の実施例における燃料電池スタック1を示す斜視図である。図3に示すように、燃料電池スタック1は、ガス流路が内部に設けられた複数の柱状の燃料電池セル2と、マニホールド3から構成される。燃料電池セル2は、一端側(図3においては下端側)を一つのマニホールド3にすべて立設して支持固定されている。燃料電池セル2は絶縁性支持部材14(ブッシュともいう)を介してもマニホールド3に立設され、ガラスリング15により気密固定される。
FIG. 3 is a perspective view showing the
ここで、複数の燃料電池セル2は、電気的に直列になるようにそれぞれが集電体4によって接続されている。電気的に直列に接続された一端と他端の燃料電池セル2には外部に電力を取り出すための電力取り出し線(図3の太線)が設けられている。
Here, each of the plurality of
上述の様に燃料電池セル2の一端(下端)から燃料ガスが供給され、燃料ガス(燃料ガスに含まれる水素)は発電反応に消費されながら、燃料ガス流路12を通過して他端(上端)から排出される。図5の点線矢印に示すように、燃料ガスは一端では高濃度の燃料ガス(燃料ガス中の水素濃度)の状態から、燃料ガス流路12を進むにつれて発電反応に消費されていくため、他端では低濃度の燃料ガスが排出される。
As described above, the fuel gas is supplied from one end (lower end) of the
図4は本発明における実施例の燃料電池スタック1を示す側面図である。燃料電池珠マニホールド3の内部に燃料ガスが供給されると、マニホールド3内で分散され、複数の燃料電池セル2の内部を一端側から他端側に向かって流れ、その後複数の燃料電池セル2の他端側から燃料電池スタック1の外部に排出される。
FIG. 4 is a side view showing the
ここで燃料電池スタック1を構成する燃料電池セル2として、軸方向の電極長を100mm以下のものを用いる。特に、電極長は50mm以上100mm以下とすると良い。このように、円筒形の燃料電池セル2を複数配列した固体酸化物形燃料電池スタック1において、燃料電池セル2の集電構造を片端集電構造とするとともに短尺化することにより、高耐久性と低コストに加え、所定の出力密度を得ることができる。
Here, as the
次に、本発明の実施例で用いる燃料電池セルについて図5及び図6を参照して説明する。 Next, fuel cells used in the embodiments of the present invention will be described with reference to FIGS.
図5は、本発明の実施例における燃料電池スタック1を構成する燃料電池セル2を示す図である。図6は、燃料電池セル2端部の拡大断面図である。
FIG. 5 is a diagram showing the
図5に示すように、燃料電池セル2は、セル本体6と、このセル本体6の両端部にそれぞれ接続された接続電極部であるキャップ5(金属キャップともいう)とを備えている。
As shown in FIG. 5, the
図6に示すように、支持体として導電支持体を有する場合のセル本体6は、上下方向に延びる管状構造体であり、内部にガス通路である燃料ガス流路12(内部流路ともいう)を形成する導電性を有する円筒形の燃料極導電層7と、燃料極導電層7の外周に設けられた燃料極層8と、燃料極層8の外周側に設けられた円筒形の固体電解質層である電解質層9と、電解質層9の外周に設けられた円筒形の空気極(酸化剤ガス極)層10と、空気極層10の外周に導電性を有する空気極導電層11を備えている。この燃料極導電層7は、セル本体6を構成する支持体として機能すると共に、内部に燃料ガスが流れるガス通路を構成する多孔質体である。
As shown in FIG. 6, the
燃料極導電層7は、例えば、Niと、CaやY、Sc等の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ドとの混合体、の少なくとも一種から形成される。本実施例では、燃料極導電層7は、Ni/YSZからなる。
なお、支持体として多孔質の絶縁性支持体を用いることもでき、この場合においては、絶縁性支持体の外側に、燃料極導電層が形成される。
The fuel electrode
A porous insulating support can be used as the support. In this case, the fuel electrode conductive layer is formed outside the insulating support.
また、燃料極導電層7の外周には燃料極層8が形成されている。燃料極層は触媒層であり、本実施例ではNi/GDCからなる。
A fuel electrode layer 8 is formed on the outer periphery of the fuel electrode
電解質層9は、燃料極層8の外周面に沿って全周にわたって形成されており、下端は燃料極導電層7の下端よりも上方で終端し、上端は燃料極導電層7の上端よりも下方で終端している。電解質層9は、例えば、Y、Sc等の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、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、Sr、Mg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、の少なくとも一種から形成される。
The
空気極層10は、電解質層9の外周面に沿って全周にわたって形成されており、下端は電解質層9の下端よりも上方で終端し、上端は電解質層9の上端よりも下方で終端している。空気極層10は、例えば、Sr、Caから選ばれた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から選ばれた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から選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンコバルタイト、銀、などの少なくとも一種から形成される。
The
また、空気極層10の外周には空気極導電層11が形成されている。空気極導電層11は少なくともAgを含有するものであり、空気極10に導電性能を付帯させている。
An air electrode
次に、キャップ5について説明するが、セル本体6の上端側と下端側に取り付けられたキャップ5は、同一構造であるため、ここでは、セル本体5の下端側に取り付けられたキャップ5について具体的に説明する。
Next, the
キャップ5(金属キャップ)は、セル本体6の上下端部をそれぞれ包囲するように設けられ、セル本体6の燃料極導電層7と電気的に接続され、燃料極導電層7を外部に引き出す接続電極として機能する。図6に示すように、セル本体6の下端に設けられたキャップ5は、円筒状の第1円筒部5aと、第1円筒部5aの上端から外方に向かって延びる円環状の円環部5bと、円環部5bの外周から上方に向かって延びる第2円筒部5cとを有する。キャップ5の第1円筒部5aの中心部には、燃料極導電層7の燃料ガス流路12と連通する燃料ガス流路13が形成されている。燃料ガス流路12は、キャップ5の中心からセル本体6の軸線方向に延びるように設けられた細長い管路である。
Caps 5 (metal caps) are provided so as to surround the upper and lower ends of the
キャップ5は、フェライト系ステンレス又はオーステナイト系ステンレスからなる本体の内周面及び外周面にクロム酸化物(本実施例では、Cr2O3)がコーティングされ、さらに、外周面には、MnCo2O4がコーティングされている。加えて、コーティングされたMnCo2O4層の外周面にはAg集電膜が設けられている。なお、本実施例では、Ag集電膜は、キャップ5の外周面全体にわたって設けられているが、一部のみに設けてもよい。
In the
キャップ5の第2円筒部5cの内側と、セル本体6の燃料極導電層7(燃料極層8)の端部外周面との間の空間には銀ペースト14が配置されている。燃料電池セル2の組み立て後に焼成することにより、銀ペースト14が焼結され、燃料極導電層7とキャップ5が、電気的、機械的に結合される。また、キャップ5の第2円筒部5cの内周面と、電解質層9の下端部外周面との間には、ガラス材料からなるガラスシール15が設けられている。このガラスシール15により、キャップ5と燃料極導電層7との間の空間は、燃料電池セル2の外部の空間に対して気密密封されている。
A
次に、図3〜図6を参照して、燃料電池スタック1の電気接続について説明する。
Next, electrical connection of the
集電体4は、隣接する燃料電池セル2が電気的に直列となるように接続されている。燃料電池セル2の上端に設けられたキャップ5は燃料極導電層7と電気的に結合されており、集電体4は隣接する2つの燃料電池セル2のうち一方の燃料電池セル2の上端に設けられたキャップ5に銀ペーストを用いて電気的に接続されている。さらに、集電体4は、2つの隣接する燃料電池セル2のうち他方の燃料電池セル2の空気極導電層11に銀ペーストを用いて電気的に接続されている。
The
このように、隣接する一方の燃料電池セル2の燃料極導電層7と、他方の燃料電池セル2の空気極導電層11との接続を複数の燃料電池セルに行い、複数の燃料電池セル2に対して順番に直列接続することで、複数の燃料電池セル2がすべて直列接続された燃料電池スタック1が得られる。
In this way, the fuel electrode
また、燃料電池スタックから排出されるオフガスを燃焼する燃焼領域に改質器や蒸発器を配置することで、従来の燃料電池モジュールと同等の配置構成を適用することができる。このため、1kw程度の出力性能をもつ小型の燃料電池装置にも対応でき、高効率且つ高耐久な燃料電池システムを提供することができる。 Further, by disposing a reformer and an evaporator in a combustion region where off gas discharged from the fuel cell stack is combusted, an arrangement configuration equivalent to that of a conventional fuel cell module can be applied. For this reason, it can respond to a small fuel cell device having an output performance of about 1 kw, and can provide a highly efficient and highly durable fuel cell system.
100 燃料電池セル
102 集電体(集電連結部材)
1 燃料電池スタック
2 燃料電池セル
3 マニホールド
4 集電体(集電連結部材)
5 キャップ(金属キャップ)
5a 第1円筒部
5b 円環部
5c 第2円筒部
6 セル本体
7 燃料極層
8 燃料極導電層
9 電解質層
10 空気極層
11 空気極導電層
12 燃料ガス流路
13 燃料ガス流路
14 絶縁性支持部材
15 ガラスリング
100
DESCRIPTION OF
5 Cap (metal cap)
5a 1st
Claims (2)
前記複数配列された前記燃料電池セルの燃料極層は、隣り合う前記燃料電池セルの空気極層と、他端側にのみ設置された集電連結部材を介して電気的に直列接続されており、
前記燃料電池セルは、前記燃料電池セルの軸方向における前記発電部の長さが100mm以下であり、かつ、電流密度が0.3A/cm2の条件下で前記燃料電池セルのセル電位が0.7Vよりも大きいことを特徴とする固体酸化物形燃料電池スタック。 A plurality of columnar fuel cells each having an axially extending power generation part formed by a fuel electrode layer and an air electrode layer sandwiching a solid oxide electrolyte layer are arranged, and from one end of the columnar fuel cell A solid oxide fuel cell stack that generates power by supplying fuel gas to the fuel electrode layer and oxidant gas to the air electrode layer toward the other end,
The fuel electrode layers of the plurality of the fuel cells arranged in series are electrically connected in series with the air electrode layers of the adjacent fuel cells via a current collecting connection member installed only on the other end side. ,
In the fuel cell, the cell potential of the fuel cell is 0 under the condition that the length of the power generation unit in the axial direction of the fuel cell is 100 mm or less and the current density is 0.3 A / cm 2. A solid oxide fuel cell stack characterized by being greater than .7V.
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