JP2930326B2 - 固体電解質型燃料電池 - Google Patents
固体電解質型燃料電池Info
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- JP2930326B2 JP2930326B2 JP1198396A JP19839689A JP2930326B2 JP 2930326 B2 JP2930326 B2 JP 2930326B2 JP 1198396 A JP1198396 A JP 1198396A JP 19839689 A JP19839689 A JP 19839689A JP 2930326 B2 JP2930326 B2 JP 2930326B2
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- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
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- Fuel Cell (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は円筒横縞型の固体電解質燃料電池（SOFC）
（以下セルともいう）のモジュール化技術に関する。
（以下セルともいう）のモジュール化技術に関する。
本発明は高温水蒸気電解セルのモジュール構造にも適
用可能である。
用可能である。
［従来の技術］ 従来の装置を第８図〜第12図に示す。
第８図は従来の固体電解質セルのモジュール構造を示
す図、 第９図は従来の固体電解質セルのモジュール構造の他
の例を示す図、 第10図は従来の固体電解質セルの外観図、 第11図は従来の固体電解質セルの断面図、 第12図は従来の円筒型SOFCモジュールを示す図であ
る。
す図、 第９図は従来の固体電解質セルのモジュール構造の他
の例を示す図、 第10図は従来の固体電解質セルの外観図、 第11図は従来の固体電解質セルの断面図、 第12図は従来の円筒型SOFCモジュールを示す図であ
る。
第８図において、燃料供給室４、燃料排出室５及び空
気供給室17は各々シールされ、燃料は燃料供給室４側の
セル２の片方の端から入り、セル内を通り、もう一方の
端から燃料排出室５を経て外にぬける。
気供給室17は各々シールされ、燃料は燃料供給室４側の
セル２の片方の端から入り、セル内を通り、もう一方の
端から燃料排出室５を経て外にぬける。
空気はセルの外側を流れる。
従って、モジュール内において燃料と空気のシール部
１が２箇所になる。この場合、モジュールハウジング３
とセル２との間には熱膨張率の違いによる熱伸び差が生
じる。
１が２箇所になる。この場合、モジュールハウジング３
とセル２との間には熱膨張率の違いによる熱伸び差が生
じる。
その場合、２箇所のシール部１を強固に拘束してしま
うと、熱伸び差によりセルが破壊してしまうのでどちら
か片方のシール部にはフレキシビリティをもたせる必要
がある。
うと、熱伸び差によりセルが破壊してしまうのでどちら
か片方のシール部にはフレキシビリティをもたせる必要
がある。
しかし、フレキシビリティをもたせながら、なおかつ
シール性も確保するということは非常に困難である。
シール性も確保するということは非常に困難である。
第９図は従来のモジュール構造の他の例を示す。
第９図において201はモジュールハウジングである。
このハウジング201内は、隔壁202と、202により燃料
供給室203と、空気供給室204と、燃料室205とに区画さ
れている。
供給室203と、空気供給室204と、燃料室205とに区画さ
れている。
前記空気供給室204には空気供給口207が設けられ、前
記燃料室205にはガス排出口208が設けられている。
記燃料室205にはガス排出口208が設けられている。
前記燃料供給室203から空気供給室204および燃焼室20
5に亙って並列に結合された複数の円筒型固体電解質セ
ルチューブ209の（＋）極側は集電線210により集電さ
れ、（−）極側は集電線211により集電される構成にな
っている。
5に亙って並列に結合された複数の円筒型固体電解質セ
ルチューブ209の（＋）極側は集電線210により集電さ
れ、（−）極側は集電線211により集電される構成にな
っている。
円筒型固体電解質セルの断面図を示す第11図におい
て、多孔質基体管212の上に順次、燃料極213と、固体電
解質214と、空気極215を積層し、直列接続して端部に電
気を集電するインタコネクタ216、あるいはシール材と
してのシール膜217を設けた構造となっている。
て、多孔質基体管212の上に順次、燃料極213と、固体電
解質214と、空気極215を積層し、直列接続して端部に電
気を集電するインタコネクタ216、あるいはシール材と
してのシール膜217を設けた構造となっている。
ここで、前記基体管212の材質としては、Al2O7、CSZ
等のセラミックスにより作られたポーラスで一定強度の
あるものを用いる。
等のセラミックスにより作られたポーラスで一定強度の
あるものを用いる。
なお、CSZ（Ca Stabilized Zr）とは、カルシウム安
定ジルコニアの略称であり、Caを添加することにより、
安定化させたZr系セラミックスのことをいう。
定ジルコニアの略称であり、Caを添加することにより、
安定化させたZr系セラミックスのことをいう。
前記燃料極213の材質としては、Ni系サーメット、Co
系サーメット、又は純Ni、Coなどが用いられる。
系サーメット、又は純Ni、Coなどが用いられる。
固体電解質214の材質としては、YSZ、Ce系、またはBi
系等が挙げられる。
系等が挙げられる。
空気極215の材質としては、ペロブスカイト系結晶構
造の酸化物導電材が挙げられる。
造の酸化物導電材が挙げられる。
インタコネクタ214の材料としては、NiAl、NiCr、あ
るいはLaCrO3等の材料が挙げられる。
るいはLaCrO3等の材料が挙げられる。
シール膜217の材料としては、Al2O3、CSZ、またはPSZ
等の材料が挙げられる。
等の材料が挙げられる。
端部の集電は集電キャップ218を通して集電線219によ
り行なわれる。
り行なわれる。
そして、第12図に示す従来の円筒型SOFCモジュールに
おいては、反応用電気は第12図に示す様にモジュールの
一方向から供給され、反対側から排出される構造が一般
的である。
おいては、反応用電気は第12図に示す様にモジュールの
一方向から供給され、反対側から排出される構造が一般
的である。
［発明が解決しようとする課題］ （１）従来の装置では、モジュールハウジングと各セル
との間のシール箇所が２箇所ある。そのため、片方は完
全に拘束することができても、もう一方を拘束してしま
うと、セルと構造材の熱膨張率の違いによりセルが破壊
する恐れがある。
との間のシール箇所が２箇所ある。そのため、片方は完
全に拘束することができても、もう一方を拘束してしま
うと、セルと構造材の熱膨張率の違いによりセルが破壊
する恐れがある。
（２）上下の管板にセルを通すための同心の穴、それも
なるべくセルとのクリアランスの小さい穴をあけるとい
う精度の高い加工が要求される。
なるべくセルとのクリアランスの小さい穴をあけるとい
う精度の高い加工が要求される。
また、昇降温中に上下管板の穴の位置関係がずれて、
セルを破壊する恐れがある。
セルを破壊する恐れがある。
（３）従来の発電装置においては、（＋）極側の集電極
及び集電キャップが高温雰囲気（1000℃程度）である燃
焼室に位置するため、高温腐食対策が必要であり、材料
の選定が大きなネックとなっている。
及び集電キャップが高温雰囲気（1000℃程度）である燃
焼室に位置するため、高温腐食対策が必要であり、材料
の選定が大きなネックとなっている。
発電のための燃料にはH2、Coを用いるが、汎用化を考
える場合にはCH4、C3H8等の一般燃料の使用が不可欠で
ある。
える場合にはCH4、C3H8等の一般燃料の使用が不可欠で
ある。
CH4、C3H8は、次の反応により、800℃以上の雰囲気で
H2Oとのリフォーミングで、CO、H2に分解する。
H2Oとのリフォーミングで、CO、H2に分解する。
CH4＋H2O→CO＋3H2 C3H8＋3H2O→3CO＋7H2 しかるにこの反応にはNi、Co等の触媒が必要である
が、従来のセルでは燃料極に用いられるNi、Coは100μ
ｍ程度と薄く、CH4、C3H8と十分接触ができない。
が、従来のセルでは燃料極に用いられるNi、Coは100μ
ｍ程度と薄く、CH4、C3H8と十分接触ができない。
そのため、十分なリフォーミング反応（内部改質）が
起らない。
起らない。
（４）従来の固体電解質燃料電池のモジュール構造にお
いては、反応用電気の流れが一方向であるため、モジュ
ール内に温度分布が変化し（入口付近の温度が低く、出
口付近の温度が高い）、これによるセルチューブの発電
性能のばらつきが大きくなる。そのため、運転が困難で
ある。
いては、反応用電気の流れが一方向であるため、モジュ
ール内に温度分布が変化し（入口付近の温度が低く、出
口付近の温度が高い）、これによるセルチューブの発電
性能のばらつきが大きくなる。そのため、運転が困難で
ある。
また、発電室出口での空気排ガスの温度が非常に高く
なり、排熱を利用するために設置される空気予熱器に高
温用の特殊材料を用いる必要があり、製作が困難とな
る。
なり、排熱を利用するために設置される空気予熱器に高
温用の特殊材料を用いる必要があり、製作が困難とな
る。
またセルチューブを支持している管板も、酸化雰囲気
の高温状態にさらされるので耐熱合金を用いたとして
も、かなり条件的には厳しいものとなる。
の高温状態にさらされるので耐熱合金を用いたとして
も、かなり条件的には厳しいものとなる。
本発明は上記問題点を解決す固体電解質燃料電池を提
供することを目的とする。
供することを目的とする。
［課題を解決するための手段］ （第１の手段） 本発明に係る固体電解質燃料電池は、 （Ａ）燃料供給室４と燃料排出室５と空気供給室17を具
備するモジュールハウジング３と、円筒型横縞型の固体
電解質燃料電池２からなり、 （Ｂ）一端を閉じ、他端に集電用金属キャップ６を設け
た前記円筒型横縞型の固体電解質燃料電池２は、 前記キャップ６を貫通して前記電池２に挿入した燃料
注入管12により燃料の供給をうけ、 前記電池２の外側に設けた空気供給室17から空気の供
給をうけ、 前記キャップ６と燃料注入管12の間隙からガスの排出
を行ない、 （Ｃ）前記モジュールハウジング３内の隔壁18は、燃料
供給室４と燃料排気室５の間のガスシールを行なうとと
もに、燃料注入管12の燃料供給口を有し、 （Ｄ）前記モジュールハウジング３内の管板16は、燃料
排気室５と空気供給室17の間のガスシールを行なうとと
もに、前記電池２のキャップ６が燃料排気室５の内部に
存在するように支持し、 前記電池２の集電極８は前記燃料排気室５の内部に設
けたことを特徴とする。
備するモジュールハウジング３と、円筒型横縞型の固体
電解質燃料電池２からなり、 （Ｂ）一端を閉じ、他端に集電用金属キャップ６を設け
た前記円筒型横縞型の固体電解質燃料電池２は、 前記キャップ６を貫通して前記電池２に挿入した燃料
注入管12により燃料の供給をうけ、 前記電池２の外側に設けた空気供給室17から空気の供
給をうけ、 前記キャップ６と燃料注入管12の間隙からガスの排出
を行ない、 （Ｃ）前記モジュールハウジング３内の隔壁18は、燃料
供給室４と燃料排気室５の間のガスシールを行なうとと
もに、燃料注入管12の燃料供給口を有し、 （Ｄ）前記モジュールハウジング３内の管板16は、燃料
排気室５と空気供給室17の間のガスシールを行なうとと
もに、前記電池２のキャップ６が燃料排気室５の内部に
存在するように支持し、 前記電池２の集電極８は前記燃料排気室５の内部に設
けたことを特徴とする。
すなわち、セルの片端に集電キャップを取りつけ他端
を完全な閉構造とし、セルにおける燃料の供給・排出を
一方の端部のみで行うことによりシール箇所を一箇所と
も、シール部においてセルを支持することにより確実な
ガスシールを行う。
を完全な閉構造とし、セルにおける燃料の供給・排出を
一方の端部のみで行うことによりシール箇所を一箇所と
も、シール部においてセルを支持することにより確実な
ガスシールを行う。
集電についても、一方の端部のリード部をセル内まで
もってくることにより、還元雰囲気での集電を可能とす
る。
もってくることにより、還元雰囲気での集電を可能とす
る。
（第２の手段） 本発明に係る固体電解質燃料電池は、前記第１の手段
の固体電解質燃料電池において、前記電池２の多孔質基
体管212内の燃料注入管222の外周に、Niフェルト220を
組込むことを特徴とする。
の固体電解質燃料電池において、前記電池２の多孔質基
体管212内の燃料注入管222の外周に、Niフェルト220を
組込むことを特徴とする。
すなわち、セルの内部にNiフェルト220を挿入し、セ
ル端部にインタコネクタリード216をまわりこみした電
極と接触させ、セル内部にSUS等の燃料注入管222を挿入
する事を特徴としたセルを用い、集電を全て還元雰囲気
で行なうことによりNiフェルトを内部改質用触媒と集電
極の両用に用いる事を可能とする。
ル端部にインタコネクタリード216をまわりこみした電
極と接触させ、セル内部にSUS等の燃料注入管222を挿入
する事を特徴としたセルを用い、集電を全て還元雰囲気
で行なうことによりNiフェルトを内部改質用触媒と集電
極の両用に用いる事を可能とする。
（第３の手段） 本発明に係る固体電解質燃料電池は、 （Ａ）燃料供給室301と燃料排出室302と発電室303と反
応用空気導入路322と空気予熱室308と空気排出管307と
を具備するモジュールハウジングと、 円筒型横縞型の固体電解質燃料電池からなるセルチュ
ーブ304と、 輻射変換体306からなり、 （Ｂ）前記モジュールハウジングは断熱材305により構
成され、 前記燃料供給室301は、前記モジュールハウジングの
上部に設けられ、 前記燃料排出室302は、燃料供給室301と発電室303の
間に設けられ、 前記空気予熱室308は、発電室303の下方に設けられ、 前記反応用空気導入路322は、空気予熱室308の下方に
設けられ、 前記発電室303内に開口部を有する空気排出管307は、
前記反応用空気の導入路322内に設けられ、 （Ｃ）一端を閉じ、他端に集電用金属キャップを設けた
前記セルチューブの円筒型横縞型の固体電解質燃料電池
は、 前記キャップを貫通して前記電池に挿入した燃料供給
管309により燃料の供給をうけ、 前記電池の下方に設けた反応用空気導入路322から空
気の供給をうけ、 前記セルチューブで発電に供されなかった燃料は、前
記キャップと燃料供給管の間隙から燃料排出室へ集めら
れて、モジュール外へ排出され、 （Ｄ）前記モジュールハウジング内の隔壁は、前記燃料
供給室301と燃料排出室302の間のガスシールを行なうと
ともに、燃料供給管309の燃料供給口を有し、 （Ｅ）前記モジュールハウジング内の管板は、前記燃料
排出室302と発電室303の間のガスシールを行なうととも
に、前記電池のキャップが燃料排出室302の内部に存在
するように支持し、 （Ｆ）前記輻射変換体306は、反応用空気を導入するモ
ジュール内の発電室303の底部と空気予熱室308の間に設
置され、 （Ｇ）前記セルチューブ304の外側に設けた反応用空気
導入路322から入った反応用空気は、モジュール下部か
ら空気予熱室308をとおり予熱され、前記輻射変換体306
で所定の温度まで消温された後、発電室303へ導かれ、 前記発電室で反応した排空気は、前記空気導入路322
内に設けた空気排出管307の上部から同管内を流れ、空
気予熱室308で反応用空気と熱交換した後、モジュール
外へ排出され、 （Ｈ）前記燃料排出室302の内部に設けられた集電極31
4、315は、複数のセルチューブ304の電気を集合して発
電することを特徴とする。
応用空気導入路322と空気予熱室308と空気排出管307と
を具備するモジュールハウジングと、 円筒型横縞型の固体電解質燃料電池からなるセルチュ
ーブ304と、 輻射変換体306からなり、 （Ｂ）前記モジュールハウジングは断熱材305により構
成され、 前記燃料供給室301は、前記モジュールハウジングの
上部に設けられ、 前記燃料排出室302は、燃料供給室301と発電室303の
間に設けられ、 前記空気予熱室308は、発電室303の下方に設けられ、 前記反応用空気導入路322は、空気予熱室308の下方に
設けられ、 前記発電室303内に開口部を有する空気排出管307は、
前記反応用空気の導入路322内に設けられ、 （Ｃ）一端を閉じ、他端に集電用金属キャップを設けた
前記セルチューブの円筒型横縞型の固体電解質燃料電池
は、 前記キャップを貫通して前記電池に挿入した燃料供給
管309により燃料の供給をうけ、 前記電池の下方に設けた反応用空気導入路322から空
気の供給をうけ、 前記セルチューブで発電に供されなかった燃料は、前
記キャップと燃料供給管の間隙から燃料排出室へ集めら
れて、モジュール外へ排出され、 （Ｄ）前記モジュールハウジング内の隔壁は、前記燃料
供給室301と燃料排出室302の間のガスシールを行なうと
ともに、燃料供給管309の燃料供給口を有し、 （Ｅ）前記モジュールハウジング内の管板は、前記燃料
排出室302と発電室303の間のガスシールを行なうととも
に、前記電池のキャップが燃料排出室302の内部に存在
するように支持し、 （Ｆ）前記輻射変換体306は、反応用空気を導入するモ
ジュール内の発電室303の底部と空気予熱室308の間に設
置され、 （Ｇ）前記セルチューブ304の外側に設けた反応用空気
導入路322から入った反応用空気は、モジュール下部か
ら空気予熱室308をとおり予熱され、前記輻射変換体306
で所定の温度まで消温された後、発電室303へ導かれ、 前記発電室で反応した排空気は、前記空気導入路322
内に設けた空気排出管307の上部から同管内を流れ、空
気予熱室308で反応用空気と熱交換した後、モジュール
外へ排出され、 （Ｈ）前記燃料排出室302の内部に設けられた集電極31
4、315は、複数のセルチューブ304の電気を集合して発
電することを特徴とする。
すなわち、反応用空気をモジュール内へ導入する際
に、モジュール底部に輻射変換体306を設置し、輻射熱
によりモジュール外へ放散していた熱を抑制することに
より、反応用空気のモジュール入口温度を所定の温度と
すると共に、空気予熱器での過熱温度を発電室内温度よ
り低くすることを可能とする。
に、モジュール底部に輻射変換体306を設置し、輻射熱
によりモジュール外へ放散していた熱を抑制することに
より、反応用空気のモジュール入口温度を所定の温度と
すると共に、空気予熱器での過熱温度を発電室内温度よ
り低くすることを可能とする。
そして、排空気を発電室内に設けた空気排出管を用い
てモジュール底部から導出することにより、モジュール
下部で反応用空気との熱交換を行い、排熱回収を図る。
てモジュール底部から導出することにより、モジュール
下部で反応用空気との熱交換を行い、排熱回収を図る。
（第４の手段） 本発明に係る固体電解質燃料電池は、前記第３の手段
において、 輻射変換体として、第１輻射変換体と第２輻射変換体
を具備し、 前記第１輻射変換体は、反応用空気を導入するモジュ
ール内の発電室303の底部と空気予熱室308の間に設置さ
れ、 前記第２輻射変換体は、前記発電室の上部に設けた空
気排出管の開口部の外側に設置されることを特徴とす
る。
において、 輻射変換体として、第１輻射変換体と第２輻射変換体
を具備し、 前記第１輻射変換体は、反応用空気を導入するモジュ
ール内の発電室303の底部と空気予熱室308の間に設置さ
れ、 前記第２輻射変換体は、前記発電室の上部に設けた空
気排出管の開口部の外側に設置されることを特徴とす
る。
すなわち、モジュール発電室403の底部及び上部に輻
射変換体（セラミックスの発泡体）409、408を設置し、
発電室底部より反応用空気を供給する。
射変換体（セラミックスの発泡体）409、408を設置し、
発電室底部より反応用空気を供給する。
これにより、発電室内の燃焼熱の放熱を底部及び上部
の輻射変換体により内部へ戻し、発電室内の温度分布を
均一に保つ。
の輻射変換体により内部へ戻し、発電室内の温度分布を
均一に保つ。
そして、上部輻射変換体より排出される空気排ガスは
発電室内の空気排出管を用いてモジュール底部から排出
することにより、モジュール下部で反応用空気と熱交換
を行い、排熱回収を図る。
発電室内の空気排出管を用いてモジュール底部から排出
することにより、モジュール下部で反応用空気と熱交換
を行い、排熱回収を図る。
［作用］ （１）本発明のモジュール構造の採用により、シール部
が１箇所となり、かつシール部がセルの支持部となるの
で、より確実なシールができる。
が１箇所となり、かつシール部がセルの支持部となるの
で、より確実なシールができる。
また、上下の管板にセルを通す同心の穴をあけるとい
う困難な作業もなくなり、1000℃における管板のひずみ
によるセルの破壊の恐れもなくなる。
う困難な作業もなくなり、1000℃における管板のひずみ
によるセルの破壊の恐れもなくなる。
（２）円筒型固体電解質セルの内部にNiフェルトを挿入
しSUS等の燃料注入管を挿入することにより、還元雰囲
気での高温集電を可能とし、かつ内部改質を容易とする
とともに発電装置の構造がシンプルになる。
しSUS等の燃料注入管を挿入することにより、還元雰囲
気での高温集電を可能とし、かつ内部改質を容易とする
とともに発電装置の構造がシンプルになる。
（３）モジュール底部に設置した輻射変換体は発電室内
（900〜950℃）からの輻射により損失していた熱エネル
ギーを回収し、モジュールの熱効率を向上すると共に、
輻射変換体の前後での温度差を大きくとれる。そのた
め、モジュール入口部の空気温度を発電室内部の温度と
同一とした場合、空気予熱器での予熱温度を下げる事が
可能になる。
（900〜950℃）からの輻射により損失していた熱エネル
ギーを回収し、モジュールの熱効率を向上すると共に、
輻射変換体の前後での温度差を大きくとれる。そのた
め、モジュール入口部の空気温度を発電室内部の温度と
同一とした場合、空気予熱器での予熱温度を下げる事が
可能になる。
（４）発電室内部に設置した空気排出管は、モジュール
下部で空気予熱を行うと同時に周囲を供給空気が流れる
ため、保温材が不要となる。
下部で空気予熱を行うと同時に周囲を供給空気が流れる
ため、保温材が不要となる。
これより設備がコクンパクトになり、かつ熱効率が向
上する。
上する。
（５）発電室底部及び上部に設置した輻射変換体は、輻
射により発電室内の燃焼熱が広範囲に及ぶのを防ぐこと
ができる。そのため、発電室内の温度を均一に保持でき
る。
射により発電室内の燃焼熱が広範囲に及ぶのを防ぐこと
ができる。そのため、発電室内の温度を均一に保持でき
る。
また発電室底部輻射変換体において急激に温度差がつ
くので、空気予熱器での予熱温度を下げることができ
る。
くので、空気予熱器での予熱温度を下げることができ
る。
また同様に、発電室出口の空気排ガス温度も下がるの
で、空気予熱器に低級材料を使用でき、設計・製作が容
易になる。
で、空気予熱器に低級材料を使用でき、設計・製作が容
易になる。
（６）空気の供給と排出については、モジュール下部に
おいて二重管の外側を低温の反応用空気、内側を高温の
空気排ガスが通るので、空気予熱を行うと同時に空気排
ガスラインの保温が不用になり、極めてコンパクトな構
造にできる。
おいて二重管の外側を低温の反応用空気、内側を高温の
空気排ガスが通るので、空気予熱を行うと同時に空気排
ガスラインの保温が不用になり、極めてコンパクトな構
造にできる。
［実施例］ 本発明の実施例を第１図〜第７図に示す。
（第１実施例） 第１図は本発明の第１実施例を示す図、 第２図は第１実施例の集電部構造の詳細図を示す図で
ある。
ある。
燃料は燃料入口から燃料供給室４に入り、燃料注入管
12を通り、セル２内へ導かれる。そこで発電に用いられ
た後、排ガスは燃料排出室５を通り排ガス出口から排出
される。
12を通り、セル２内へ導かれる。そこで発電に用いられ
た後、排ガスは燃料排出室５を通り排ガス出口から排出
される。
燃料と空気とのシールは、セル２に固定したテーパ型
シールリング９と管板16とのテーパ面のすり合せにより
行う。
シールリング９と管板16とのテーパ面のすり合せにより
行う。
セル２の片閉部については、シールキャップ７を接着
する。
する。
ここでシールリング９とセル２の接着、及びシールキ
ャップ７とセル２の接着には高温用接着剤を用いる。
ャップ７とセル２の接着には高温用接着剤を用いる。
第２図に集電部構造の詳細を示す。
セル２の（−）極側リード部14は、燃料排出室５中の
還元雰囲気において、Niフェルト10と接触する。
還元雰囲気において、Niフェルト10と接触する。
なおNiフェルト10は、セラミックスリング11によりリ
ード部14と密着する。
ード部14と密着する。
セル２の（＋）極側のリード部15は、セル２の内側ま
でまわりこみ、セル内部に巻かれたNiフエルト13により
セルの上端部まで延長される。
でまわりこみ、セル内部に巻かれたNiフエルト13により
セルの上端部まで延長される。
そこで集電用金属キャップ６とセル２との熱伸び差に
より、焼きばめ状態で、Niフエルト10と密着する。
より、焼きばめ状態で、Niフエルト10と密着する。
なおリード部14、15の酸化雰囲気の部分については、
Al2O3保護膜を溶射することにより酸化を防止する。
Al2O3保護膜を溶射することにより酸化を防止する。
（第２実施例） 本発明の第２実施例を第３図〜第４図に示す。
第３図は、本発明の第２実施例を示す図、 第４図は、第２実施例のモジュール構造を示す図であ
る。
る。
第３図において、多孔質基体管212にNiフエルト220を
挿入後、燃料注入管222を挿入する。基体管212の片端は
シールキャップ221により閉じ、空気の逆流及燃料のリ
ークを防止する。
挿入後、燃料注入管222を挿入する。基体管212の片端は
シールキャップ221により閉じ、空気の逆流及燃料のリ
ークを防止する。
セルの（＋）極側は、空気極215に接続したインタコ
ネクタリード216を通じ、Niフエルト220と、燃料注入管
222を通り、集電線223で集電される。
ネクタリード216を通じ、Niフエルト220と、燃料注入管
222を通り、集電線223で集電される。
セルの（−）極側は、燃料極213に接続したインタコ
ネクタリード216を通じ、集電線224で集電される。
ネクタリード216を通じ、集電線224で集電される。
燃料は、燃料注入管222により供給され、下部よりNi
フエルト220と接触し内部改質を行いながら発電に寄与
する。
フエルト220と接触し内部改質を行いながら発電に寄与
する。
第４図に本発明によるセルを組み込んだモジュール構
造を示す。
造を示す。
燃料（CH4等）234は、モジュール上部の燃料供給室22
5に導入された後、燃料供給管222を介してセルチューブ
209へ供給される。
5に導入された後、燃料供給管222を介してセルチューブ
209へ供給される。
セルチューブ209で発電に供されなかった燃料は、燃
料排出室226へ集められ、モジュール外へ排出される。
料排出室226へ集められ、モジュール外へ排出される。
一方、反応用空気232は、モジュール下部より空気予
熱室231を通り予熱され、さらに輻射変換体229で所定の
温度まで昇温された後、発電室227へ導かれる。
熱室231を通り予熱され、さらに輻射変換体229で所定の
温度まで昇温された後、発電室227へ導かれる。
発電室227で反応した排空気233は、空気排出管230の
上部から同管内を流れ、空気予熱室231で反応用空気232
と熱交換した後、モジュール外へ排出される。
上部から同管内を流れ、空気予熱室231で反応用空気232
と熱交換した後、モジュール外へ排出される。
セルにより発電された電気の（−）極側は還元雰囲気
の燃料排出室226から集電線224を通り、また、セルの
（＋）極側は燃料注入管222を通じ集電線223を通り還元
雰囲気の燃料供給室225から集電される。
の燃料排出室226から集電線224を通り、また、セルの
（＋）極側は燃料注入管222を通じ集電線223を通り還元
雰囲気の燃料供給室225から集電される。
（第３実施例） 本発明の第３実施例を第６図に示す。
第６図において、燃料310は、モジュール上部の燃料
供給室301に導入された後、燃料供給管309を介してセル
チューブ304へ供給される。
供給室301に導入された後、燃料供給管309を介してセル
チューブ304へ供給される。
セルチューブ304で発電に供されなかった燃料は、燃
料排出室302へ集められ、モジュール外へ排出される。
料排出室302へ集められ、モジュール外へ排出される。
一方、反応用空気312は空気導入路322から入り、モジ
ュール下部から空気予熱室308を通り予熱され、さらに
輻射変換体306で所定の温度まで昇温された後、発電室3
03へ導かれる。
ュール下部から空気予熱室308を通り予熱され、さらに
輻射変換体306で所定の温度まで昇温された後、発電室3
03へ導かれる。
発電室で反応した排空気は、空気導入路322内に設け
た空気排出管307の上部から同管内を流れ空気予熱室308
で反応用空気と熱交換した後、モジュール外へ排出され
る。
た空気排出管307の上部から同管内を流れ空気予熱室308
で反応用空気と熱交換した後、モジュール外へ排出され
る。
反応用空気の予熱方式としては、フイン付管、充填層
等の従来から用いられている電熱促進方法が用いられ
る。
等の従来から用いられている電熱促進方法が用いられ
る。
（第４実施例） 本発明の第４実施例を第７図に示す。
第７図において、燃料411は燃料供給室401から燃料注
入管410を通ってセルチューブ407内へ供給され、発電に
用いられた後、残りの燃料排ガス412は燃料排出室402か
ら排出される。
入管410を通ってセルチューブ407内へ供給され、発電に
用いられた後、残りの燃料排ガス412は燃料排出室402か
ら排出される。
反応用空気413は空気予熱部405において空気排ガス41
4の排熱により予熱され（起動時にはさらに起動用空気
予熱室404において予熱される）、底部輻射変換体409に
おいて所定の温度まで昇温され、発電室403内で発電に
用いられた後、上部輻射変換体408においてある程度ま
で温度が下がった状態で空気排出管406に入り、排出さ
れる。
4の排熱により予熱され（起動時にはさらに起動用空気
予熱室404において予熱される）、底部輻射変換体409に
おいて所定の温度まで昇温され、発電室403内で発電に
用いられた後、上部輻射変換体408においてある程度ま
で温度が下がった状態で空気排出管406に入り、排出さ
れる。
［発明の効果］ 本発明は前述のように構成されているので、以下に記
載するような効果を奏する。
載するような効果を奏する。
（１）シールリングのテーパ部において、セルを支持す
ると共にシールするので確実なシールができる。
ると共にシールするので確実なシールができる。
（２）完全な還元雰囲気におけるシールができる。
セル内部に巻いたNiフエルトは繊維状なので、燃料と
空気の反応を妨げることはない。
空気の反応を妨げることはない。
（３）シール・集電部がセルの上端部に集中しているの
で、セルの装着等のメンテナンス性が著しく向上する。
で、セルの装着等のメンテナンス性が著しく向上する。
（４）本発明により、従来は高温酸化雰囲気でしか集電
できなかったのに比べ、還元雰囲気での集電が可能とな
り、金属での集電が可能になった。
できなかったのに比べ、還元雰囲気での集電が可能とな
り、金属での集電が可能になった。
また内部改質の計測結果は第５図に示すように、従来
のセルに比べ低い水蒸気添加率で燃料（CH4）を完全にC
OおよびH2に分解でき、全体の熱効率が相対値で10％近
く向上する事が可能になった。
のセルに比べ低い水蒸気添加率で燃料（CH4）を完全にC
OおよびH2に分解でき、全体の熱効率が相対値で10％近
く向上する事が可能になった。
（５）モジュール底部に設置する輻射変換体の作用によ
り、発電室内の温度のばらつきを最小限とすると同時
に、モジュール入口部の空気予熱温度を下げることが可
能となる。
り、発電室内の温度のばらつきを最小限とすると同時
に、モジュール入口部の空気予熱温度を下げることが可
能となる。
また、従来技術では輻射により失われていた熱エネル
ギを回収することにより、モジュールの熱効率の向上を
図ることができる。
ギを回収することにより、モジュールの熱効率の向上を
図ることができる。
（６）発電室内に設置する空気排出管の作用により、排
空気の熱回収を行うとともに、排空気及び反応用空気の
モジュール出入口温度を下げることが可能となり、空気
予熱器の材質のグレードを下げることができる。
空気の熱回収を行うとともに、排空気及び反応用空気の
モジュール出入口温度を下げることが可能となり、空気
予熱器の材質のグレードを下げることができる。
（７）輻射変換体の作用により、発電室内の温度分布を
均一に保つことができ、セルチューブ間の発電性能のば
らつきを最小に抑えることが可能となる。
均一に保つことができ、セルチューブ間の発電性能のば
らつきを最小に抑えることが可能となる。
（８）管板部の温度がある程度下がるので、熱応力が低
減する。
減する。
そのため、強度及びクリープ強度も上昇し、管板の耐
久性・信頼性を向上することが出来る。
久性・信頼性を向上することが出来る。
第１図は、本発明の第１実施例を示す図、 第２図は、第１実施例の集電部構造の詳細図、 第３図は、本発明の第２実施例を示す図、 第４図は、第２実施例のモジュール構造を示す。 第５図は、燃料中の水蒸気モル率とセル出口のCH4濃度
の比較図、 第６図は、本発明の第３実施例を示す図、 第７図は、本発明の第４実施例を示す図、 第８図は、従来の固体電解質セルのモジュール構造を示
す図。 第９図は、従来の固体電解質セルのモジュール構造の他
の例を示す図。 第10図は、従来の固体電解質セルの外観図。 第11図は、従来の固体電解質セルの断面図。 第12図は、従来の円筒型SOFCのモジュール構造を示す
図。 （符号の説明） １……シール部、 ２、305……円筒横縞型の固体電解質燃料電池（セ
ル）、 ３、201……モジュールハウジング、 ４、203、225、301……燃料供給室、 ５、226、302、……燃料排出室、 ６、218……集電用金属キャップ、 ７、221……シールキャップ、 ８、314、315……集電極、 ９……テーパ型シールリング、 10……Niフェルト、 11……セラミックスリング、 12……燃料注入管、 13……Niフェルト、 14、15……セルリード部、 16……管板、 17……空気供給室、 202……隔壁 205……燃焼室、 206……燃料供給口、 207……空気供給口、 209、304、407……セルチューブ、 210、211、219、223、224……集電線、 212……多孔質基体管、 213……燃料極 214……固体電解質、 215……空気極、 216……インターコネクタリード、 217……シール膜 220……Niフェルト、 222、309……燃料供給管（燃料注入管）、 227、303、403……発電室、 228、305……断熱材、 229、306……輻射変換体、 230、307、406……空気排出管、 231、308……空気予熱室、 232、312……反応用空気、 233、313……排空気、 234、310……燃料、 235、311……燃料排ガス、 322……反応用空気導入路、 408……上部輻射変換体、 409……下部輻射変換体。
の比較図、 第６図は、本発明の第３実施例を示す図、 第７図は、本発明の第４実施例を示す図、 第８図は、従来の固体電解質セルのモジュール構造を示
す図。 第９図は、従来の固体電解質セルのモジュール構造の他
の例を示す図。 第10図は、従来の固体電解質セルの外観図。 第11図は、従来の固体電解質セルの断面図。 第12図は、従来の円筒型SOFCのモジュール構造を示す
図。 （符号の説明） １……シール部、 ２、305……円筒横縞型の固体電解質燃料電池（セ
ル）、 ３、201……モジュールハウジング、 ４、203、225、301……燃料供給室、 ５、226、302、……燃料排出室、 ６、218……集電用金属キャップ、 ７、221……シールキャップ、 ８、314、315……集電極、 ９……テーパ型シールリング、 10……Niフェルト、 11……セラミックスリング、 12……燃料注入管、 13……Niフェルト、 14、15……セルリード部、 16……管板、 17……空気供給室、 202……隔壁 205……燃焼室、 206……燃料供給口、 207……空気供給口、 209、304、407……セルチューブ、 210、211、219、223、224……集電線、 212……多孔質基体管、 213……燃料極 214……固体電解質、 215……空気極、 216……インターコネクタリード、 217……シール膜 220……Niフェルト、 222、309……燃料供給管（燃料注入管）、 227、303、403……発電室、 228、305……断熱材、 229、306……輻射変換体、 230、307、406……空気排出管、 231、308……空気予熱室、 232、312……反応用空気、 233、313……排空気、 234、310……燃料、 235、311……燃料排ガス、 322……反応用空気導入路、 408……上部輻射変換体、 409……下部輻射変換体。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 加幡 達雄 長崎県長崎市飽の浦町１番１号 三菱重 工業株式会社長崎造船所内 (72)発明者 池田 浩二 長崎県長崎市飽の浦町１番１号 三菱重 工業株式会社長崎造船所内 (72)発明者 菊地 洋 長崎県長崎市飽の浦町１番１号 三菱重 工業株式会社長崎研究所内 (56)参考文献 特開 昭53−133737（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−119168（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−119169（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−320778（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−34258（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) H01M 8/00 - 8/24
Claims (4)
- 【請求項１】（Ａ）燃料供給室と燃料排出室と空気供給
室を具備するモジュールハウジングと、円筒型横縞型の
固体電解質燃料電池からなり、 （Ｂ）一端を閉じ、他端に集電用金属キャップを設けた
前記円筒型横縞型の固体電解質燃料電池は、 前記キャップを貫通して電池に挿入した燃料注入管によ
り燃料の供給をうけ、 前記電池の外側に設けた空気供給室から空気の供給をう
け、 前記キャップと燃料注入管の間隙からガスの排出を行な
い、 （Ｃ）前記モジュールハウジング内の隔壁は、前記燃料
供給室と燃料排気室の間のガスシールを行なうととも
に、前記燃料注入管の燃料供給口を有し、 （Ｄ）前記モジュールハウジング内の管板は、前記燃料
排気室と空気供給室の間のガスシールを行なうととも
に、前記電池のキャップが前記燃料排気室の内部に存在
するように支持し、 前記電池の集電極は、前記燃料排気室の内部に設けたこ
とを特徴とする固体電解質燃料電池。 - 【請求項２】前記電池の多孔質基体管内の燃料注入管の
外周にNiフェルトを組込むことを特徴とする請求項１に
記載の固体電解質燃料電池。 - 【請求項３】（Ａ）燃料供給室と燃料排出室と発電室と
反応用空気導入路と空気予熱室と空気排出管とを具備す
るモジュールハウジングと、 円筒型横縞型の固体電解質燃料電池からなるセルチュー
ブと、 輻射変換体からなり、 （Ｂ）前記モジュールハウジングは断熱材により構成さ
れ、 前記燃料供給室は、前記モジュールハウジングの上部に
設けられ、 前記燃料排出室は、前記燃料供給室と発電室の間に設け
られ、 前記空気予熱室は、前記発電室の下方に設けられ、 前記反応用空気導入路は、前記空気予熱室の下方に設け
られ、 前記発電室内に開口部を有する空気排出管は、前記反応
用空気の導入路内に設けられ、 （Ｃ）一端を閉じ、他端に集電用金属キャップを設けた
前記セルチューブの円筒型横縞型の固体電解質燃料電池
は、 前記キャップを貫通して前記電池に挿入した燃料供給管
により燃料の供給をうけ、 前記電池の下方に設けた反応用空気導入路から空気の供
給をうけ、 前記セルチューブで発電に供されなかった燃料は、前記
キャップと燃料供給管の間隙から燃料排出室へ集められ
て、モジュール外へ排出され、 （Ｄ）前記モジュールハウジング内の隔壁は、前記燃料
供給室と燃料排出室の間のガスシールを行なうととも
に、前記燃料供給管の燃料供給口を有し、 （Ｅ）前記モジュールハウジング内の管板は、前記燃料
排出室と発電室の間のガスシールを行なうとともに、前
記電池のキャップが燃料排出室の内部に存在するように
支持し、 （Ｆ）前記輻射変換体は、反応用空気を導入するモジュ
ール内の前記発電室の底部と空気予熱室の間に設置さ
れ、 （Ｇ）前記セルチューブの外側に設けた反応用空気導入
路から入った反応用空気は、モジュール下部から前記空
気予熱室をとおり予熱され、前記輻射変換体で所定の温
度まで消温された後、前記発電室へ導かれ、 前記発電室で反応した排空気は、前記空気導入路内に設
けた空気排出管の上部から同管内を流れ、前記空気予熱
室で反応用空気と熱交換した後、モジュール外へ排出さ
れ、 （Ｈ）前記燃料排出室の内部に設けられた集電極は、複
数のセルチューブの電気を集合して発電することを特徴
とする固体電解質燃料電池。 - 【請求項４】輻射変換体として、第１輻射変換体と第２
輻射変換体を具備し、 前記第１輻射変換体は、反応用空気を導入するモジュー
ル内の前記発電室の底部と空気予熱室の間に設置され、 前記第２輻射変換体は、前記発電室の上部に設けた空気
排出管の開口部の外側に設置されることを特徴とする請
求項３に記載の固体電解質燃料電池。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1198396A JP2930326B2 (ja) | 1989-07-31 | 1989-07-31 | 固体電解質型燃料電池 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1198396A JP2930326B2 (ja) | 1989-07-31 | 1989-07-31 | 固体電解質型燃料電池 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0362460A JPH0362460A (ja) | 1991-03-18 |
| JP2930326B2 true JP2930326B2 (ja) | 1999-08-03 |
Family
ID=16390434
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1198396A Expired - Fee Related JP2930326B2 (ja) | 1989-07-31 | 1989-07-31 | 固体電解質型燃料電池 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2930326B2 (ja) |
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| EP2819229A1 (en) * | 2013-06-27 | 2014-12-31 | Toto Ltd. | Solid oxide fuel cell system |
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| CA2422667C (en) | 2000-09-08 | 2007-01-30 | Nippon Steel Corporation | Ceramic-metal composite body, composite structure for transporting oxide ion, and composite body having sealing property |
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-
1989
- 1989-07-31 JP JP1198396A patent/JP2930326B2/ja not_active Expired - Fee Related
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|---|---|
| JPH0362460A (ja) | 1991-03-18 |
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