JP3610223B2

JP3610223B2 - Solid oxide fuel cell

Info

Publication number: JP3610223B2
Application number: JP01883398A
Authority: JP
Inventors: 高志重久
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1998-01-30
Filing date: 1998-01-30
Publication date: 2005-01-12
Anticipated expiration: 2018-01-30
Also published as: JPH11214026A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体電解質型燃料電池に関し、特に、燃焼室仕切板を用いて燃焼室と反応室を形成した固体電解質型燃料電池に関する。
【０００２】
【従来技術】
固体電解質型燃料電池は、従来、図６に示すように、反応容器５１内に、空気室仕切板６１、燃焼室仕切板６３、燃料ガス室仕切板５５を用いて空気室Ａ、燃焼室Ｂ、反応室Ｃ、燃料ガス室Ｄが形成されている。
【０００３】
反応容器５１内に収容された複数の有底筒状の固体電解質型燃料電池セル５２は、燃焼室仕切板６３に形成されたセル挿入孔に挿入固定されており、また、セル５２の内部には空気室仕切板６１に固定された空気導入管５９の一端が挿入されている。
【０００４】
燃焼室仕切板６３には、余剰の燃料ガスを燃焼室Ｂに導入するための燃料ガス噴出孔が形成されており、燃料ガス室仕切板５５には、燃料ガスを反応室Ｃ内に供給するための供給孔が形成されている。
【０００５】
また、反応容器５１には、例えば水素からなる燃料ガスを導入する燃料ガス導入口５３、空気を導入する空気導入口５７、燃焼室Ｂ内で燃焼したガスを排出するための排気口６７が形成されている。
【０００６】
セル５２は、図２に示すように、例えば、支持管としての空気極７１と、この空気極７１の表面に形成された固体電解質７２と、固体電解質７２の表面に形成された燃料極７３と、空気極７１と電気的に接続されるインターコネクタ７４とから構成されている。
【０００７】
そして、図７に示すように、一方のセル５２のインターコネクタ７４を、Ｎｉ金属繊維等の接続部材７５を介して他方のセル５２の燃料極７３に接続して、複数のセル５２が電気的に接続され、スタック７７が構成されており、このようなスタック７７が、図６に示したように、反応容器５１内に複数収容されて固体電解質型燃料電池が構成されている。反応容器５１内には、一つのセル５２のインターコネクタ７４に接続された電極７８と、他方のセル５２の燃料極７３に接続された電極（図示せず）が配置されており、これらの電極７８を介して電力が取り出される。
【０００８】
このような固体電解質型燃料電池は、空気室Ａからの空気を固体電解質型燃料電池セル５２内にそれぞれ供給し、かつ、燃料ガス室Ｄからの燃料ガスを複数の固体電解質型燃料電池セル５２間に供給し、反応室Ｃにて反応させ、余剰の空気と燃料ガスを燃焼室Ｂにて燃焼させ、燃焼したガスが排気口６７から外部に排出される。
【０００９】
ところで、固体電解質型燃料電池において、燃料ガスはセル５２間の隙間を通って流れていく。一方、燃料ガスの消費は、セル５２の燃料極７３の部分で行われる。このため、少ないガス量で高出力の電力を得るためにはセル５２外周面に均等に燃料ガスを供給する必要がある。隙間が大きいとその空間を燃料ガスが流れるために燃料ガスの利用率が悪く、同じ燃料利用率では発電性能が悪くなってしまう。また、発電により消費されたガスを速やかに排除し、新しい燃料ガスを供給する必要もある。このためには燃料極７３の表面付近を流れる燃料ガスの流速が大きいことが望まれる。これは、同じ流量の燃料ガスを供給した場合、セル５２間の隙間が大きいと燃料ガスの流速が小さく、消費されたガスを排除する能力も小さく、発電性能が悪くなってしまうからである。
【００１０】
このような問題点に関して、近年においては、燃料ガスが、セルの外面近くを通過するように、反応室におけるセル間に、導電性のじゃま板を配置した固体電解質型燃料電池が知られている（特開平８−１６２１４２号公報参照）。
【００１１】
このような固体電解質型燃料電池では、導電性のじゃま板を用いることにより、燃料ガス流が制御され、大半の燃料ガスがセル外面と接触し、発電性能を向上させることができる。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開平８−１６２１４２号公報に開示された固体電解質型燃料電池では、金属製のじゃま板を用いていたため、じゃま板を介して燃料電池の陰極と陽極が接続され（じゃま板が燃料極と当接して）電気的なショートの原因となる危険性があり、発電性能さらには耐久性が劣化するという問題があった。
【００１３】
また、金属製のじゃま板では熱膨張率が基本的に燃料電池を構成するセラミック部材よりも大きく、装置内で温度差が生じるとセルとじゃま板との間に隙間が生じ、隙間の存在により十分な性能が得られない危険性がある。さらに、燃料電池の起動、停止といった熱サイクルによって、セルとじゃま板との間に隙間がますます大きくなることが考えられ、熱膨張差が大きいとセル破壊といった危険性もある。
【００１４】
さらに、じゃま板は金属製であり、筒状ではない（空洞ではない）ため、熱の伝導がよく、燃料ガスへの放熱が著しく、セルの動作温度中、燃料ガスの流量に応じて温度が変化しやすく、安定に作動するまで長時間を要するという問題があった。
【００１５】
さらにまた、装置立ち上げ時ではじゃま板が放熱板の役割をするため、保温性にかけ、発電状態までの早急な立ち上げが困難であるという問題があった。
【００１６】
本発明は、燃料ガス流を制御してセル外面との接触を促進し、発電性能を向上させることができるとともに、有底筒状のセラミックチューブを用いることにより、絶縁性を確保し、迅速に装置を立ち上げることができる固体電解質型燃料電池を提供することを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明の固体電解質型燃料電池は、反応容器内に燃焼室仕切板を用いて燃焼室と反応室を形成し、複数の有底筒状の固体電解質型燃料電池セルを前記燃焼室仕切板に形成された複数のセル挿入孔にそれぞれ挿入し固定してなり、空気を前記固体電解質型燃料電池セル内にそれぞれ供給し、かつ、燃料ガスを前記反応室内の前記固体電解質型燃料電池セル間に供給して反応させ、余剰の燃料ガスを前記燃焼室仕切板に形成された燃料ガス噴出孔から前記燃焼室内に噴出させ、前記燃焼室内の空気と反応させて燃焼させる固体電解質型燃料電池であって、前記反応室内における前記固体電解質型燃料電池セル間に、Ａｌ _２Ｏ _３またはＺｒＯ _２を主成分とする絶縁体からなる有底円筒状のセラミックチューブを、その開口部が前記燃焼室仕切板側になるように配置したものである。
【００１９】
また、固体電解質型燃料電池セルの外径をＲ、配列された固体電解質型燃料電池セルの間隔をＸとした時、セラミックチューブの外径ｒが、
（（√２−１）Ｒ＋√２Ｘ）／２＜ｒ＜（√２−１）Ｒ＋√２Ｘ
を満足することが望ましい。また、セラミックチューブの開気孔率が５％以下であり、かつ肉厚ｙが外径ｒの１／３以下であることが望ましい。
【００２０】
【作用】
本発明の固体電解質型燃料電池では、反応室内における固体電解質型燃料電池セル間に、有底筒状のセラミックチューブを、その開口部が燃焼室仕切板側になるように配置したので、セル近傍まで均等に燃料ガスが供給される。このため、燃料ガスが均等に行き渡り、これにより燃料利用率を改善でき、発電性能を向上できる。
【００２１】
また、セラミックチューブを挿入することにより燃料ガスが流れる空間が小さくなるため、燃料ガスの流れる速度が速くなる。このため、発電により酸化された燃料ガスを素早く排除でき、新しい燃料ガスを供給でき、発電性能が向上する。つまり、言い換えると同じ発電性能を得る場合でも少ない燃料ガスですむ。
【００２２】
また、Ａｌ_２Ｏ_３またはＺｒＯ_２を主成分とするセラミックチューブを用いることにより、燃料ガス中でも安定であり、しかも絶縁体であるために電気的な絶縁も確保でき、燃料電池セルがショートする心配がない。即ち、例えば、反応容器内に収容されているセルは、陽極であるインターコネクタと陰極である燃料極の間隔が非常に狭い。このために、燃料電池セル間を接続している接合部材が、何らかの原因（たとえば発電前のセル挿入時、装置立ち上げ時、長期運転中など）でずれてしまうと電気的にショートする危険性があるが、本発明では、セラミックチューブ間に接合部材が配置されることになるためずれることがなく、耐久性を向上することができる。
【００２３】
さらに、セラミックチューブが、燃料電池セルの構成部材と同様に、アルミナまたはジルコニアを主成分とするため、燃料電池セルやその他の構成部材との熱膨張差が小さく、熱膨張差によるセルの破壊、接合部材のずれといった悪影響がない。また、これらは燃料ガス中の還元雰囲気でも材料的に安定である。
【００２４】
また、チューブ形状のセラミックを用いているため、中身の詰まったセラミックと比較して、上下方向の温度差に対しても破壊するといった心配がなく、燃料電池装置内の動作温度までの立ち上げの際の温度差、余剰ガスの燃焼によって生じる上下方向の温度差に対しても強い。
【００２５】
また、装置立ち上げの際には、従来のように、燃料ガスのじゃま板が金属であると燃料ガスに熱を奪われ易く、立ち上がりが遅いが、本発明では、セラミックチューブであり、中空であることから熱伝導性が悪く、動作中の保温性にも優れ、燃料ガスに熱を奪われにくく、電力が上下方向で均等に得られる。つまり、チューブ状にすることにより、熱が伝わりにくい断熱層を有する形状となり、燃料ガスへの熱の放出が抑制される。このことにより、燃料ガスへの熱の放出が小さくなり、温度分布も小さくできる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
本発明の固体電解質型燃料電池は、セル間に有底筒状のセラミックチューブを配置する以外は実質的に従来と同様の構造を有している。本発明の固体電解質型燃料電池を図１で説明する。尚、従来の技術で述べた構造と同様の構造の場合には、従来技術と同一符号を付した。
【００２７】
即ち、固体電解質型燃料電池は、図１に示すように、反応容器５１内に、有底筒状の固体電解質型燃料電池セル５２を配置して構成されており、この反応容器５１には、例えば水素からなる燃料ガスを導入する燃料ガス導入口５３、燃料ガスを分散するための燃料ガス室仕切板５５、空気を導入する空気導入口５７、およびセル５２内に空気を導入する空気導入管５９、この空気導入管５９を固定する空気室仕切板６１、セル５２を固定する燃焼室仕切板６３とから構成されている。
【００２８】
燃料ガス室仕切板５５には、燃料ガスをセル５２間に分散するための分散孔（図示せず）が形成されている。空気室仕切板６１とセル５２を固定する燃焼室仕切板６３との間は、空気と水素が燃焼する燃焼室Ｂとされ、燃焼室仕切板６３にはセル５２間を通過した燃料ガスを燃焼室Ｂ内に導入する燃料ガス噴出孔（図示せず）が形成され、燃焼室Ｂ内で燃焼したガスは反応容器５１に設けられた排気口６７を介して外部に排出される。
【００２９】
セル５２は燃焼室仕切板６３に形成されたセル挿入孔（図示せず）に挿入され、この燃焼室仕切板６３には、余剰の燃焼ガスを燃焼室Ｂに導入するための導入孔が形成されている。空気導入管５９は、空気室仕切板６１に形成された空気導入管挿入孔に挿入されている。燃焼室仕切板６３のセル挿入孔は、セル５２の外径よりも０．５〜３ｍｍ大きい方が良い。
【００３０】
セル５２は、図２に示すように、例えば、支持管としてのＬａＭｎＯ_３系空気極７１と、この空気極７１の表面に形成されたＹ_２Ｏ_３安定化ＺｒＯ_２からなる固体電解質７２と、固体電解質７２の表面に形成されたＮｉ−ジルコニア系の燃料極７３と、空気極７１と電気的に接続されるＬａＣｒＯ_３系よりなるインターコネクタ７４とから構成されている。
【００３１】
そして、図３に示すように、一方のセル５２のインターコネクタ７４を、Ｎｉ金属繊維等の接続部材７５を介して、他方のセル５２の燃料極７３に接続して、複数のセル５２が電気的に接続され、スタック７７が構成されており、このようなスタック７７が、図１に示したように、反応容器５１内に複数収容されて固体電解質型燃料電池が構成されている。反応容器５１内には、一つのセル５２のインターコネクタ７４に接続された電極７８と、他方のセル５２の燃料極７３に接続された電極（図示せず）が配置されており、これらの電極７８を介して電力が取り出される。
【００３２】
そして、本発明の固体電解質型燃料電池では、図１および図３、図４に示すように、反応室Ｃ内におけるセル５２間に、有底筒状のセラミックチューブ８１が、その開口部８３が燃焼室仕切板６３側になるように配置されている。
【００３３】
このセラミックチューブ８１の外径ｒは、図５に示すように、セル５２の外径をＲ、配列されたセル５２の間隔をＸ（セル５２間に挟まれた接合部材７５の厚み）とした時、〔（√２−１）Ｒ＋√２Ｘ〕／２＜ｒ＜（√２−１）Ｒ＋√２Ｘを満足することが望ましい。
【００３４】
これは、セラミックチューブ８１の外径ｒが、（√２−１）Ｒ＋√２Ｘと同一またはそれ以上であると、セル５２間に挿入できないか、ぴったりと挿入することになり、運転時の熱応力によって燃料電池セルが破壊する危険性があるからである。
【００３５】
一方、外径ｒが〔（√２−１）Ｒ＋√２Ｘ〕／２よりも小さいと燃料ガスのセル近傍への流通を促進できなくなり、発電性能向上の効果が小さいからである。
【００３６】
セラミックチューブ８１の外径ｒは、（（√２−１）Ｒ＋√２Ｘ）２／３＜ｒ＜（√２−１）Ｒ＋√２Ｘを満足することが特に望ましい。
【００３７】
また、セラミックチューブ８１は少なくとも一端を封止してあり、開気孔率が５％以下の緻密質であることが望ましい。一端を封止してなく緻密質でないと燃料ガスがこのセラミックチューブを抜けてしまう。特に望ましい範囲は開気孔率３％以下である。
【００３８】
また、セラミックチューブ８１はＡｌ_２Ｏ_３またはＺｒＯ_２を主成分とすることが望ましい。このようなＡｌ_２Ｏ_３またはＺｒＯ_２を主成分とするセラミックスは、水素等の燃料ガス中でも安定であり、また絶縁体であるために電気的な絶縁も維持でき、セル５２間でショートすることがない。また、固体電解質型燃料電池の構成部材や燃料電池セルとの熱膨張差が小さく、熱膨張差によるセルの破壊、接合部材のずれといった悪影響がない。
【００３９】
さらに、セラミックチューブ８１の肉厚ｙは、セラミックチューブ８１の外径ｒの１／３以下であることが望ましい。これよりも肉厚ｙが大きくなると、セラミックチューブ８１の熱容量が大きくなり、セル５２の温度を均熱に保てなくなり、発電性能が低下するからである。
【００４０】
【実施例】
図１に示すような固体電解質型燃料電池を作製した。先ず、反応容器５１内に、Ａｌ_２Ｏ_３を主成分とするセラミックス板からなる燃料ガス室仕切板５５を収容した。図３に示したようなセル５２を９本連結するとともに、セル５２間に、開気孔率１％で、表１に示すような材質、寸法のセラミックチューブ８１を挿入したスタック７７を４組作製し、これらのスタック７７を燃料ガス室仕切板５５上に載置した。
【００４１】
この後、Ａｌ_２Ｏ_３を主成分とする燃焼室仕切板６３を反応容器５１内に収容し、セル５２の上端を燃焼室仕切板６３のセル挿入孔から突出させた。
【００４２】
次に、反応容器５１内にＡｌ_２Ｏ_３を主成分とする空気室仕切板６１を収容し、空気室仕切板６１の空気導入管挿入孔を挿通する空気導入管５９の下端をセル５２内に挿入した。
【００４３】
そして、空気および水素ガスを燃料ガスとして反応容器５１内に供給し、１０００℃にて発電を行い、２００時間後の出力を測定した。尚、燃料利用率（消費された燃料ガス／投入した燃料ガス×１００）は８０％で固定して実験を行った。その結果を表１に示す。
【００４４】
【表１】

【００４５】
本発明の固体電解質型燃料電池では１．００ｋＷ以上の出力が得られ、いずれもセラミックチューブ８１を挿入しなかった比較例Ｎｏ．１よりも大きい出力であることが判る。また、セラミックチューブ８１の外径ｒが小さい実施例Ｎｏ．５、肉厚ｙが大きい実施例Ｎｏ．８では、他の実施例よりも出力は低下するものの、比較例Ｎｏ．１よりも高いことが判る。
【００４６】
【発明の効果】
本発明の固体電解質型燃料電池は、燃料電池セル近傍まで均等に燃料ガスが供給され、燃料ガスが均等に行き渡り、これにより燃料の利用率を改善でき、同じ燃料利用率の基では燃料電池の発電性能が向上する。また、セラミックチューブを挿入することにより燃料ガスが流れる空間が小さくなるため、燃料ガスの流れる速度が速くなり、発電により酸化された燃料ガスを素早く排除でき、新しい燃料ガスを供給できる。さらに、セル間の絶縁性を確保でき、迅速に装置を立ち上げることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の固体電解質型燃料電池を示す説明図である。
【図２】図１の固体電解質型燃料電池セルを示す断面図である。
【図３】スタックを示す平面図である。
【図４】固体電解質型燃料電池セル間にセラミックチューブを挿入した状態を示す側面図である。
【図５】セルとセラミックチューブとの関係を示す説明図である。
【図６】従来の固体電解質型燃料電池を示す説明図である。
【図７】図６のスタックを示す平面図である。
【符号の説明】
５１・・・反応容器
５２・・・固体電解質型燃料電池セル
５５・・・燃料ガス室仕切板
６１・・・空気室仕切板
６３・・・燃焼室仕切板
８１・・・セラミックチューブ
８３・・・開口部
Ａ・・・空気室
Ｂ・・・燃焼室
Ｃ・・・反応室
Ｄ・・・燃料ガス室
Ｒ・・・固体電解質型燃料電池セルの外径
Ｘ・・・セル間の距離
ｒ・・・セラミックチューブの外径
ｙ・・・セラミックチューブの肉厚[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a solid oxide fuel cell, and more particularly to a solid oxide fuel cell in which a combustion chamber and a reaction chamber are formed using a combustion chamber partition plate.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, as shown in FIG. 6, the solid oxide fuel cell includes an air chamber A and a combustion chamber B in a reaction vessel 51 using an air chamber partition plate 61, a combustion chamber partition plate 63, and a fuel gas chamber partition plate 55. A reaction chamber C and a fuel gas chamber D are formed.
[0003]
A plurality of bottomed cylindrical solid oxide fuel cells 52 accommodated in the reaction vessel 51 are inserted and fixed in cell insertion holes formed in the combustion chamber partition plate 63, and are also disposed inside the cells 52. One end of an air introduction pipe 59 fixed to the air chamber partition plate 61 is inserted.
[0004]
The combustion chamber partition plate 63 is formed with fuel gas injection holes for introducing surplus fuel gas into the combustion chamber B. The fuel gas chamber partition plate 55 supplies fuel gas into the reaction chamber C. Supply holes are formed.
[0005]
Further, the reaction vessel 51 is formed with a fuel gas inlet 53 for introducing a fuel gas made of, for example, hydrogen, an air inlet 57 for introducing air, and an exhaust port 67 for discharging the gas burned in the combustion chamber B. Has been.
[0006]
As shown in FIG. 2, the cell 52 includes, for example, an air electrode 71 as a support tube, a solid electrolyte 72 formed on the surface of the air electrode 71, and a fuel electrode 73 formed on the surface of the solid electrolyte 72. The interconnector 74 is electrically connected to the air electrode 71.
[0007]
Then, as shown in FIG. 7, the interconnector 74 of one cell 52 is connected to the fuel electrode 73 of the other cell 52 via a connection member 75 such as Ni metal fiber, so that the plurality of cells 52 are electrically connected. And a stack 77 is formed. As shown in FIG. 6, a plurality of such stacks 77 are accommodated in the reaction vessel 51 to form a solid oxide fuel cell. In the reaction vessel 51, an electrode 78 connected to the interconnector 74 of one cell 52 and an electrode (not shown) connected to the fuel electrode 73 of the other cell 52 are arranged. Electric power is taken out via 78.
[0008]
Such a solid oxide fuel cell supplies air from the air chamber A into the solid electrolyte fuel cell 52 and supplies the fuel gas from the fuel gas chamber D to a plurality of solid electrolyte fuel cells 52. Then, the air is supplied to the reaction chamber C, the excess air and the fuel gas are combusted in the combustion chamber B, and the burned gas is discharged to the outside through the exhaust port 67.
[0009]
By the way, in the solid oxide fuel cell, the fuel gas flows through the gaps between the cells 52. On the other hand, the fuel gas is consumed at the portion of the fuel electrode 73 of the cell 52. For this reason, in order to obtain high output power with a small amount of gas, it is necessary to supply fuel gas evenly to the outer peripheral surface of the cell 52. If the gap is large, the fuel gas flows through the space, so the utilization rate of the fuel gas is poor, and the power generation performance is degraded at the same fuel utilization rate. In addition, it is necessary to quickly remove gas consumed by power generation and supply new fuel gas. For this purpose, it is desirable that the flow velocity of the fuel gas flowing near the surface of the fuel electrode 73 is large. This is because when the fuel gas having the same flow rate is supplied, if the gap between the cells 52 is large, the flow rate of the fuel gas is small, the ability to exclude the consumed gas is small, and the power generation performance is deteriorated.
[0010]
Regarding such problems, in recent years, solid oxide fuel cells in which conductive baffles are arranged between cells in a reaction chamber so that fuel gas passes near the outer surface of the cells are known. (See JP-A-8-162142).
[0011]
In such a solid oxide fuel cell, by using a conductive baffle plate, the flow of the fuel gas is controlled, and most of the fuel gas comes into contact with the outer surface of the cell, so that the power generation performance can be improved.
[0012]
[Problems to be solved by the invention]
However, since the solid oxide fuel cell disclosed in JP-A-8-162142 uses a metal baffle plate, the cathode and anode of the fuel cell are connected via the baffle plate (the baffle plate is the fuel electrode). There is a risk of causing an electrical short circuit in contact with the power generation, and there is a problem that power generation performance and durability are deteriorated.
[0013]
In addition, the metal baffle plate has a coefficient of thermal expansion that is basically larger than that of the ceramic members that make up the fuel cell, and if a temperature difference occurs in the device, a gap is created between the cell and the baffle plate, There is a risk that sufficient performance cannot be obtained. Further, it is conceivable that the gap between the cell and the baffle becomes larger due to the thermal cycle such as starting and stopping of the fuel cell, and there is a risk of cell destruction if the thermal expansion difference is large.
[0014]
Furthermore, since the baffle plate is made of metal and is not cylindrical (not hollow), heat conduction is good, heat dissipation to the fuel gas is remarkable, and the temperature depends on the flow rate of the fuel gas during the operating temperature of the cell. There was a problem that it was easy to change and it took a long time to operate stably.
[0015]
Furthermore, since the baffle plate plays the role of a heat sink when the apparatus is started up, there is a problem that it is difficult to start up quickly until the power generation state, in terms of heat retention.
[0016]
The present invention can control the fuel gas flow to promote contact with the outer surface of the cell, improve power generation performance, and ensure insulation by using a bottomed cylindrical ceramic tube. An object of the present invention is to provide a solid oxide fuel cell capable of starting up the apparatus.
[0017]
[Means for Solving the Problems]
In the solid oxide fuel cell of the present invention, a combustion chamber and a reaction chamber are formed in a reaction vessel using a combustion chamber partition plate, and a plurality of bottomed cylindrical solid oxide fuel cell cells are used as the combustion chamber partition plate. Each of the plurality of formed cell insertion holes is inserted and fixed, air is supplied into the solid oxide fuel cell, and fuel gas is supplied between the solid electrolyte fuel cells in the reaction chamber. A solid oxide fuel cell that is supplied and reacted to cause surplus fuel gas to be ejected from the fuel gas ejection holes formed in the combustion chamber partition plate into the combustion chamber and to react with air in the combustion chamber and burn. Te, wherein between the solid oxide fuel cell in the reaction chamber, Al ₂ O ₃ or a bottomed cylindrical ceramic tube made of an insulating material and ZrO ₂ as a main component, the opening is the combustion chamber partition plate In which are arranged to run in.
[0019]
Further, when the outer diameter of the solid oxide fuel cell is R and the interval between the arranged solid oxide fuel cells is X, the outer diameter r of the ceramic tube is
((√2-1) R + √2X) / 2 <r <(√2-1) R + √2X
It is desirable to satisfy Further, it is desirable that the open porosity of the ceramic tube is 5% or less and the wall thickness y is 1/3 or less of the outer diameter r.
[0020]
[Action]
In the solid oxide fuel cell of the present invention, the bottomed cylindrical ceramic tube is disposed between the solid oxide fuel cells in the reaction chamber so that the opening is on the combustion chamber partition plate side, so that the vicinity of the cell Fuel gas is supplied evenly. For this reason, fuel gas spreads uniformly, and thereby, a fuel utilization rate can be improved and power generation performance can be improved.
[0021]
Moreover, since the space through which the fuel gas flows is reduced by inserting the ceramic tube, the speed at which the fuel gas flows is increased. For this reason, the fuel gas oxidized by power generation can be quickly removed, new fuel gas can be supplied, and the power generation performance is improved. In other words, even if the same power generation performance is obtained, less fuel gas is required.
[0022]
In addition, by using a ceramic tube mainly composed of Al ₂ O ₃ or ZrO ₂ , it is stable even in fuel gas, and since it is an insulator, electrical insulation can be secured and the fuel cell may be short-circuited. There is no. That is, for example, in the cell accommodated in the reaction vessel, the distance between the interconnector as the anode and the fuel electrode as the cathode is very narrow. For this reason, there is a risk of electrical short-circuit if the joining member connecting the fuel cells is displaced for some reason (for example, when inserting a cell before power generation, when starting up the apparatus, during long-term operation, etc.) However, in this invention, since a joining member will be arrange | positioned between ceramic tubes, it will not shift | deviate and durability can be improved.
[0023]
Furthermore, since the ceramic tube is mainly composed of alumina or zirconia, as with the constituent members of the fuel battery cell, the difference in thermal expansion between the fuel battery cell and other constituent members is small, and the destruction of the cell due to the difference in thermal expansion. There is no adverse effect such as displacement of the joining member. In addition, these materials are stable in a reducing atmosphere in the fuel gas.
[0024]
In addition, since tube-shaped ceramics are used, there is no risk of destruction even with respect to the temperature difference in the vertical direction compared to ceramics with full contents, and it is possible to start up to the operating temperature in the fuel cell device. It is also strong against the temperature difference in the vertical direction and the temperature difference in the vertical direction caused by the combustion of surplus gas.
[0025]
In addition, when the apparatus is started up, if the baffle plate of the fuel gas is a metal as in the prior art, heat is easily taken away by the fuel gas and the start-up is slow, but in the present invention, it is a ceramic tube and is hollow. For this reason, the thermal conductivity is poor, the heat retention during operation is excellent, the heat is not easily taken away by the fuel gas, and the electric power can be obtained evenly in the vertical direction. That is, by making it into a tube shape, it becomes a shape having a heat insulating layer that is difficult to transmit heat, and the release of heat to the fuel gas is suppressed. As a result, the release of heat to the fuel gas is reduced, and the temperature distribution can be reduced.
[0026]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The solid oxide fuel cell of the present invention has substantially the same structure as that of the prior art except that a bottomed cylindrical ceramic tube is disposed between cells. The solid oxide fuel cell of the present invention will be described with reference to FIG. In addition, in the case of the structure similar to the structure described in the prior art, the same reference numerals as in the prior art are given.
[0027]
That is, as shown in FIG. 1, the solid oxide fuel cell is configured by disposing a bottomed cylindrical solid electrolyte fuel cell 52 in a reaction vessel 51. In the reaction vessel 51, For example, a fuel gas inlet 53 for introducing a fuel gas made of hydrogen, a fuel gas chamber partition plate 55 for dispersing the fuel gas, an air inlet 57 for introducing air, and an air inlet pipe for introducing air into the cell 52 59, an air chamber partition plate 61 for fixing the air introduction pipe 59, and a combustion chamber partition plate 63 for fixing the cell 52.
[0028]
The fuel gas chamber partition plate 55 has a dispersion hole (not shown) for dispersing the fuel gas between the cells 52. The space between the air chamber partition plate 61 and the combustion chamber partition plate 63 that fixes the cell 52 is a combustion chamber B in which air and hydrogen are combusted. The combustion chamber partition plate 63 burns fuel gas that has passed between the cells 52. A fuel gas injection hole (not shown) to be introduced into the chamber B is formed, and the gas burned in the combustion chamber B is discharged to the outside through an exhaust port 67 provided in the reaction vessel 51.
[0029]
The cell 52 is inserted into a cell insertion hole (not shown) formed in the combustion chamber partition plate 63, and an introduction hole for introducing excess combustion gas into the combustion chamber B is formed in the combustion chamber partition plate 63. Has been. The air introduction pipe 59 is inserted into an air introduction pipe insertion hole formed in the air chamber partition plate 61. The cell insertion hole of the combustion chamber partition plate 63 is preferably 0.5 to 3 mm larger than the outer diameter of the cell 52.
[0030]
As shown in FIG. 2, the cell 52 includes, for example, a LaMnO ₃ -based air electrode 71 as a support tube, and a solid electrolyte 72 made of Y ₂ O ₃ stabilized ZrO ₂ formed on the surface of the air electrode 71, A Ni-zirconia-based fuel electrode 73 formed on the surface of the solid electrolyte 72 and a LaCrO ₃ -based interconnector 74 electrically connected to the air electrode 71 are configured.
[0031]
Then, as shown in FIG. 3, the interconnector 74 of one cell 52 is connected to the fuel electrode 73 of the other cell 52 via a connecting member 75 such as a Ni metal fiber so that the plurality of cells 52 are electrically connected. As shown in FIG. 1, a plurality of such stacks 77 are accommodated in the reaction vessel 51 to form a solid oxide fuel cell. In the reaction vessel 51, an electrode 78 connected to the interconnector 74 of one cell 52 and an electrode (not shown) connected to the fuel electrode 73 of the other cell 52 are arranged. Electric power is taken out via 78.
[0032]
In the solid oxide fuel cell of the present invention, as shown in FIGS. 1, 3, and 4, a bottomed cylindrical ceramic tube 81 is provided between the cells 52 in the reaction chamber C, and the opening 83 is provided. It arrange | positions so that it may become the combustion chamber partition plate 63 side.
[0033]
As shown in FIG. 5, the outer diameter r of the ceramic tube 81 is R as the outer diameter of the cells 52 and X (the thickness of the joining member 75 sandwiched between the cells 52) as the interval between the arranged cells 52. It is desirable that [(√2−1) R + √2X] / 2 <r <(√2−1) R + √2X is satisfied.
[0034]
This is because if the outer diameter r of the ceramic tube 81 is equal to or larger than (√2−1) R + √2X, the ceramic tube 81 cannot be inserted between the cells 52 or is inserted exactly, and the heat during operation This is because there is a risk that the fuel cell is destroyed by stress.
[0035]
On the other hand, if the outer diameter r is smaller than [(√2−1) R + √2X] / 2, it becomes impossible to promote the flow of fuel gas to the vicinity of the cell, and the effect of improving the power generation performance is small.
[0036]
It is particularly preferable that the outer diameter r of the ceramic tube 81 satisfies ((√2−1) R + √2X) 2/3 <r <(√2−1) R + √2X.
[0037]
Further, it is desirable that the ceramic tube 81 is sealed at least at one end and is dense with an open porosity of 5% or less. If one end is not sealed and it is not dense, fuel gas will escape from the ceramic tube. A particularly desirable range is an open porosity of 3% or less.
[0038]
The ceramic tube 81 is preferably composed mainly of Al ₂ O ₃ or ZrO ₂ . Such a ceramic mainly composed of Al ₂ O ₃ or ZrO ₂ is stable even in a fuel gas such as hydrogen, and since it is an insulator, it can maintain electrical insulation and short-circuit between cells 52. There is no. In addition, the difference in thermal expansion between the constituent member of the solid oxide fuel cell and the fuel cell is small, and there is no adverse effect such as cell breakage due to the difference in thermal expansion and displacement of the joining member.
[0039]
Furthermore, the thickness y of the ceramic tube 81 is preferably 1/3 or less of the outer diameter r of the ceramic tube 81. This is because if the wall thickness y is larger than this, the heat capacity of the ceramic tube 81 is increased, the temperature of the cell 52 cannot be kept constant, and the power generation performance is lowered.
[0040]
【Example】
A solid oxide fuel cell as shown in FIG. 1 was produced. First, a fuel gas chamber partition plate 55 made of a ceramic plate mainly composed of Al ₂ O ₃ was accommodated in the reaction vessel 51. Three cells 52 as shown in FIG. 3 are connected, and four sets of stacks 77 are formed between the cells 52 with an open porosity of 1% and ceramic tubes 81 having the materials and dimensions as shown in Table 1. These stacks 77 were placed on the fuel gas chamber partition plate 55.
[0041]
Thereafter, the combustion chamber partition plate 63 containing Al ₂ O ₃ as a main component was accommodated in the reaction vessel 51, and the upper end of the cell 52 was protruded from the cell insertion hole of the combustion chamber partition plate 63.
[0042]
Next, the air chamber partition plate 61 mainly composed of Al ₂ O ₃ is accommodated in the reaction vessel 51, and the lower end of the air introduction tube 59 that passes through the air introduction tube insertion hole of the air chamber partition plate 61 is placed in the cell 52. Inserted into.
[0043]
Then, air and hydrogen gas were supplied into the reaction vessel 51 as fuel gas, power was generated at 1000 ° C., and the output after 200 hours was measured. The experiment was conducted with the fuel utilization rate (consumed fuel gas / injected fuel gas × 100) fixed at 80%. The results are shown in Table 1.
[0044]
[Table 1]

[0045]
In the solid oxide fuel cell of the present invention, an output of 1.00 kW or more was obtained, and in each of the comparative examples No. It can be seen that the output is greater than 1. In addition, Example No. 2 in which the outer diameter r of the ceramic tube 81 is small. 5, Example No. with a large wall thickness y. In Example 8, although the output is lower than in the other examples, Comparative Example No. It can be seen that it is higher than 1.
[0046]
【The invention's effect】
In the solid oxide fuel cell of the present invention, the fuel gas is supplied evenly to the vicinity of the fuel cell, and the fuel gas is evenly distributed, thereby improving the fuel utilization rate. Power generation performance is improved. Moreover, since the space through which the fuel gas flows is reduced by inserting the ceramic tube, the flow rate of the fuel gas is increased, the fuel gas oxidized by power generation can be quickly removed, and new fuel gas can be supplied. Furthermore, insulation between cells can be ensured, and the apparatus can be quickly started up.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory view showing a solid oxide fuel cell of the present invention.
2 is a cross-sectional view showing the solid oxide fuel cell of FIG. 1. FIG.
FIG. 3 is a plan view showing a stack.
FIG. 4 is a side view showing a state in which a ceramic tube is inserted between solid oxide fuel cells.
FIG. 5 is an explanatory diagram showing a relationship between a cell and a ceramic tube.
FIG. 6 is an explanatory view showing a conventional solid oxide fuel cell.
7 is a plan view showing the stack of FIG. 6. FIG.
[Explanation of symbols]
51 ... Reaction vessel 52 ... Solid oxide fuel cell 55 ... Fuel gas chamber partition plate 61 ... Air chamber partition plate 63 ... Combustion chamber partition plate 81 ... Ceramic tube 83 ... Opening A ... Air chamber B ... Combustion chamber C ... Reaction chamber D ... Fuel gas chamber R ... Outer diameter X of solid oxide fuel cell ... Distance r between cells ... Outer diameter of ceramic tube y ... Thickness of ceramic tube

Claims

A combustion chamber partition plate is used in the reaction vessel to form a combustion chamber and a reaction chamber, and a plurality of bottomed cylindrical solid oxide fuel cells are respectively inserted into the plurality of cell insertion holes formed in the combustion chamber partition plate. Excess fuel gas inserted and fixed, supplying air into the solid oxide fuel cells, and supplying fuel gas between the solid oxide fuel cells in the reaction chamber for reaction. Is a solid oxide fuel cell that is injected into the combustion chamber from a fuel gas injection hole formed in the combustion chamber partition plate and reacted with air in the combustion chamber to burn, wherein the solid electrolyte type in the reaction chamber Between the fuel cells, a bottomed cylindrical ceramic tube made of an insulator mainly composed of Al ₂ O ₃ or ZrO ₂ is disposed so that the opening is on the combustion chamber partition plate side. The Solid oxide fuel cell according to symptoms.