JP3686781B2 - 燃料電池 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池に関し、特に反応容器が仕切板により複数の室に仕切られた燃料電池に関する。
【0002】
【従来技術】
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、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、その内部には空気室仕切板61に固定された空気導入管59の一端部が挿入されている。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。
【0004】
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、例えば、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。
【0005】
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。
【0006】
ところで、固体電解質型燃料電池では、空気および燃料ガスの2種類のガスを用いて発電させるものであるため、ガスの漏出による悪影響を防止しなければならない。このため、上記したように、空気室A、燃焼室B、反応室C、燃料ガス室Dを構成するための空気室仕切板61、セル52の燃焼室仕切板63、燃料ガス室仕切板55が設けられ、それぞれの室を構成しており、これらの室に導入されるガスが制御されている。
【0007】
つまり、空気室仕切板61から空気が燃焼室B内に漏出しないように、また燃焼室仕切板63から燃料ガスが燃焼室B内に漏出しないように、さらに空気室仕切板61、燃焼室仕切板63、燃料ガス室仕切板55の外周面と反応容器51の内壁面との間や、各仕切板55、61、63自身より、ガスが漏出しないようにする必要がある。特に、空気室仕切板61、燃焼室仕切板63による気密性については十分留意する必要がある。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、固体電解質型燃料電池には、セラミックス、金属等、様々な材料が用いられており、一方で固体電解質型燃料電池は動作温度が約1000℃と高いために各部材間の熱膨張率が異なり、空気室仕切板61、燃焼室仕切板63、燃料ガス室仕切板55と、セル52や空気導入管59、反応容器51等と密接に接合するとセル52や空気導入管59等が破損する危険性があった。
【0009】
そこで、従来、空気室仕切板61、燃焼室仕切板63、燃料ガス室仕切板55として、熱膨張係数の観点からセル52や空気導入管59等が破損しないように、アルミナファイバーをバインダで固めた断熱ボードが用いられていた。しかしながら、断熱ボードはアルミナファイバーをバインダで固めただけであり、柔軟性を有していたため柔らかく、セル52の外周面と燃焼室仕切板63との間に隙間が生じ、その部分から燃料ガスが燃焼室B内に漏れ、セル52の近傍で燃焼が起こり、セル近傍が加熱されて破損する虞があった。また、燃料ガスの漏出により燃料効率が悪くなり、発電性能が悪化するという問題があった。
【0010】
一方、ガスの気密性を考慮して、空気室仕切板61、燃焼室仕切板63、燃料ガス室仕切板55に金属材料を用いると固体電解質型燃料電池の動作温度が約1000℃と高いことと、数万時間におよぶ連続稼働のために部材自身が変形あるいは蒸発してもたず、ガスが漏洩する危険性があった。
【0011】
また、空気室A、燃焼室B、反応室C、燃料ガス室Dといった各室を温度制御するためには他の室へ影響を及ぼし難い仕切板を用いる必要があるが、金属は熱伝導率が高いため、各室の保温性が低いという問題があった。即ち、例えば、燃焼室Bの熱が燃焼室仕切板63を介して反応室Cに伝達し易く、このため反応室Cが異常に高温となり、反応室C内の固体電解質型燃料電池セル52の上部と下部の温度が異なり、熱膨張により破損したり、セル52の内部抵抗が小さくなり、以上に電流が流れ、セル性能が劣化しやすいという問題があった。
【0012】
各室の保温性を向上させるために、熱伝導がよい金属ではなく、多孔質なセラミックスを用いる方法もあるが、ガスが部材自身から漏洩し、上記したように、燃料ガスが燃焼室B内に漏れ、セル52の近傍で燃焼が起こり、セル近傍が加熱されてセルが破損する虞があった。また、燃料ガスの漏出により燃料効率が悪くなり、発電性能が悪化するという問題があった。
【0013】
ガスの漏洩や保温性を向上し、しかも仕切板の強度を向上させるために、緻密質セラミックスを用いる方法もあるが、緻密質セラミックスでは、金属よりも熱伝導率は低いものの、多孔質なセラミックスよりも大きく、上記したように、例えば、燃焼室Bの熱を燃焼室仕切板63を介して反応室Cに伝達し易く、これにより、固体電解質型燃料電池セル52が破損したり、セル性能が劣化し易いという問題があった。
【0014】
本発明は、各室の保温性を維持し、ガスの漏出を防止できるとともに、長期間使用可能な燃料電池を提供することを目的とする。
【0015】
【課題を解決するための手段】
本発明の燃料電池は、反応容器内を仕切板により複数の室に仕切るとともに、反応容器内に複数の燃料電池セルを収容してなる燃料電池において、仕切板が、セラミックスからなる多孔質部材の表面を緻密質セラミックスにより被覆してなるものである。
【0016】
ここで、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、酸素含有ガス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、前記固体電解質型燃料電池セル内に供給され前記燃焼室内に排出された酸素含有ガスと反応させて燃焼させることが望ましい。
【0017】
また、多孔質部材がAl2 O3 、MgOおよびZrO2 のうち少なくとも一種を主成分とし、緻密質セラミックスがAl2 O3 、MgO、ZrO2 および希土類元素酸化物のうち少なくとも一種を主成分とすることが望ましい。
【0018】
【作用】
本発明の燃料電池では、多孔質部材の表面を緻密質セラミックスにより被覆した仕切板により、反応容器内を複数の室に仕切ったので、表面の緻密質セラミックスの存在により、反応容器内を、例えば、空気室、燃焼室、反応室および燃料ガス室の各室に確実に仕切ることができ、不要なガスの漏出を防止することができ、異常燃焼によるセル等の破損を防止することができる。
【0019】
また、仕切板の母材は、多孔質セラミックスや、繊維状セラミックスを加圧成形して所定形状に保持したもの等の多孔質部材であるため、金属や緻密質セラミックスよりも断熱性を有しており、例えば、燃焼室における熱の反応室内のセルへの伝達を抑制でき、反応室上下の温度差によるセルの破壊を防止できるとともに、仕切板を介する他の部材への熱伝達が小さくなり、燃焼室内の保温効果もよく熱の有効利用ができる。
【0020】
また、多孔質部材としてAl2 O3 、MgOおよびZrO2 のうち少なくとも一種を主成分とし、緻密質セラミックスとしてAl2 O3 、MgO、ZrO2 および希土類元素酸化物のうち少なくとも一種を主成分とするものを使用することにより、耐熱性を有し、保温性も良く、1000℃での連続運転に使用でき、発電特性を長期間維持できる。
【0021】
【発明の実施の形態】
本発明の燃料電池を図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、従来の技術と同一符号を付した。
【0022】
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を収容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。燃料ガス室仕切板55には、図2(a)に示すように燃料ガスをセル52間に分散するための分散孔64が形成されている。
【0023】
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、図2(b)に示すように、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65が形成され、燃焼室B内で燃焼したガスは反応容器51設けられた排気口67を介して外部に排出される。セル52は燃焼室仕切板63に形成されたセル挿入孔68に挿入されている。空気導入管59は、図2(c)に示すように空気室仕切板61に形成された空気導入管挿入孔69に挿入されている。
【0024】
セル52は、図3に示すように、例えば、支持管としてのLaMnO3 系空気極71と、この空気極71の表面に形成されたY2 O3 安定化Zr2 O3 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LaCrO3 系よりなるインターコネクタ74とから構成されている。
【0025】
そして、図4に示すように、一方のセル52のインターコネクタ74を、他方のセル52の燃料極73に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を介して電力が取リ出される。
【0026】
そして、本発明の燃料電池では、図5に示すように、空気室仕切板61、燃焼室仕切板63、燃料ガス室仕切板55が、多孔質部材81の表面を緻密質セラミックス83により被覆して構成されている。尚、図5には、燃料ガス室仕切板55を例に記載した。ここで、(a)は燃料ガスの分散孔64の表面まで緻密質セラミックス83で被覆した例を示す断面図、(b)は分散孔64の表面は多孔質部材81が露出している例を示す断面図である。
【0027】
多孔質部材81としては、多孔質セラミックスや、繊維状セラミックスを加圧成形して所定形状に保持したもの等があり、多孔質部材81は、Al2 O3 、MgOおよびZrO2 のうち少なくとも一種を主成分とし、緻密質セラミックス83は、Al2 O3 、MgO、ZrO2 および希土類元素酸化物のうち少なくとも一種を主成分とすることが望ましい。これらのAl2 O3 、MgO、ZrO2 および希土類元素酸化物のうち少なくとも一種を主成分とするものは、高温下での耐熱性がよく、形状を維持でき、また成分が蒸発し難いため、燃料電池の性能劣化を維持でき、燃料電池自体の構造上の耐久性を向上することができるという特徴がある。
【0028】
尚、Al2 O3 、MgO、ZrO2 を主成分とする多孔質部材81としては、上記セラミック粉末に多量のバインダーを加えて加圧成形し、焼成して多孔質化したAl2 O3 磁器、MgO磁器およびZrO2 磁器等があり、これらの耐熱性を評価する耐火度が2000℃以上であるため耐熱性が良好であり、また、熱の保温性を表す熱伝導度が4kcal/mh℃以下であるため熱を保温することができる。
【0029】
また、Al2 O3 、MgO、ZrO2 を主成分とする緻密質セラミックス83としては、ディッピングやスパッタ等により形成されたAl2 O3 膜、MgO膜、ZrO2 膜がある。
【0030】
希土類元素酸化物を主成分とする緻密質セラミックス83としては、Y2 O3 膜、Yb2 O3 膜等があり、燃料電池セルと接触する部分での化学的反応をなくすことができる。
【0031】
多孔質部材81と緻密質セラミックス83は同一材料からなることが、熱膨張係数を一致させる点から望ましい。また、多孔質部材81の表面に緻密質セラミックス83を被覆する方法としては、多孔質部材81を緻密質セラミックス83を含有するスラリー中にディッピングする方法、スパッタ等の薄膜法により形成する方法等、公知の製法を用いることができる。さらに、図5に示した仕切板については、消費されたガス(H2 Oを含む)を早く排出するという点から(a)が望ましい。
【0032】
尚、反応容器51を構成する内壁についても、多孔質部材81の表面に緻密質セラミックス83を被覆して形成することが、上記理由から望ましい。
【0033】
このような固体電解質型燃料電池の発電は、空気を空気導入口57から空気導入管59を介してセル52内に空気を導入するとともに、燃料ガス導入口53から水素を導入し、燃料ガス室仕切板55の分散孔64で分散してセル52の外部に導入することにより行われ、余剰の空気と燃料ガスは燃焼室B内で燃焼させられ、排気口67から外部に排出される。図6に固体電解質型燃料電池セルー本のガスの流れを示す。水素ガス(燃料ガス)はセル52下方から導入され、発電によリ酸化されながら上方へと進む。
【0034】
一方、空気(酸化ガス)は空気導入管59を介してセル52上方よリセル52内部下方へ導入される。そしてセル52内部下方より上部へと流れる。セル52上部より排出された空気は発電で消費されなかった水素ガスと反応し、燃焼室B内で燃焼する。
【0035】
以上のように構成された固体電解質型燃料電池では、空気室仕切板61、燃焼室仕切板63、燃料ガス室仕切板55が、多孔質部材81の表面を緻密質セラミックス83により被覆して構成されているため、反応容器51内の空気室A、燃焼室B、反応室C、燃料ガス室Dを確実に仕切ることができ、不要なガスの漏出、例えば、燃焼室仕切板63からの燃料ガスの燃焼室B内への漏出や燃焼室仕切板63自体からの空気の反応室C内への漏出を防止することができる。
【0036】
また、多孔質セラミックスや、繊維状セラミックスを加圧成形して所定形状に保持したもの等からなる多孔質部材81は、金属や緻密質セラミックス83よりも断熱性を有しており、例えば、燃焼室Bにおける熱の反応室C内のセル52への伝達を抑制でき、反応室Cの上下の温度差によるセル52の破壊を防止できるとともに、仕切板を介する他の部材への熱伝達が小さくなり、燃焼室の保温効果もよく熱の有効利用ができる。
【0037】
【発明の効果】
本発明の燃料電池では、反応容器内を仕切板により複数の各室に確実に仕切ることができ、不要なガスの漏出を防止でき、異常燃焼によるセル等の破損を防止することができる。また、仕切板の多孔質部材が断熱構造を有しているため、例えば、燃焼室における熱の反応室内のセルへの伝達を抑制でき、温度差によるセルの破壊を防止できるとともに、外部への熱の漏洩も少ないために、装置内の保温効果も良く、熱の有効利用ができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】固体電解質型燃料電池の模式図である。
【図2】仕切板を示す図で、(a)は燃料ガス室仕切板の平面図、(b)は燃焼室仕切板の平面図、(c)は空気室仕切板の平面図である。
【図3】固体電解質型燃料電池セルの断面図である。
【図4】スタックを示す平面図である。
【図5】仕切板を示す断面図である。
【図6】固体電解質型燃料電池セルのガスの流れを説明するための説明図である。
【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・・・多孔質部材
83・・・緻密質セラミックス
A・・・空気室
B・・・燃焼室
C・・・反応室
D・・・燃料ガス室
Claims (3)
- 反応容器内を仕切板により複数の室に仕切るとともに、前記反応容器内に複数の燃料電池セルを収容してなる燃料電池において、前記仕切板が、セラミックスからなる多孔質部材の表面を緻密質セラミックスで被覆してなることを特徴とする燃料電池。
- 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、酸素含有ガス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、前記固体電解質型燃料電池セル内に供給され前記燃焼室内に排出された酸素含有ガスと反応させて燃焼させることを特徴とする請求項1記載の燃料電池。
- 多孔質部材がAl2O3、MgOおよびZrO2のうち少なくとも一種を主成分とし、緻密質セラミックスがAl2O3、MgO、ZrO2および希土類元素酸化物のうち少なくとも一種を主成分とすることを特徴とする請求項1または2記載の燃料電池。
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