JP3706959B2

JP3706959B2 - 導電性チューブを挿入した円筒形固体電解質型燃料電池セルの構造、このセルを複数本束ねたバンドルの構造並びにこのバンドルを用いた発電モジュールの構造

Info

Publication number: JP3706959B2
Application number: JP04757294A
Authority: JP
Inventors: 啓楠; 伸二竹内
Original assignee: Kansai Electric Power Co Inc
Current assignee: Kansai Electric Power Co Inc
Priority date: 1994-03-18
Filing date: 1994-03-18
Publication date: 2005-10-19
Anticipated expiration: 2020-10-19
Also published as: JPH07263001A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、固体電解質型燃料電池発電装置を構成するセル、バンドルおよび発電モジュールの構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術とその問題点】
(1)．セルの構造について（図１参照）
従来の円筒形の固体電解質型燃料電池セルは、一番内側に空気極、その外側にインターコネクタと電解質および電解質の外側に燃料極を積層した複雑な構造を有する。このセルは各要素の材料が全てセラミックス製で且つ約８５０℃〜１０５０℃の高温で作動するため、特に熱膨脹率の違う異種材料が重なり合うインターコネクタの付近やセルの底部に応力が集中し、クラックの発生などが起こり易い問題があった。
【０００３】
(2)．バンドルの構造について（図２参照）
従来は、図２に示すように、数本のセルを電気的に並列に接続した後それらを直列に接続してバンドルを構成していた。この方法では１本のセルに異常が発生すると、出力を大幅に低下させる必要があり、安定した出力で運転を継続することが困難であった。
【０００４】
(3)．発電モジュールの構造について（図３参照）
燃料電池は可燃性の高いガスを燃料とするので、発電モジュール内部に於て燃料極側、空気極側および外界とのガスシールを保つことが要求される。特に固体電解質型燃料電池は１０００℃の高温で運転するため、適当なガスシール方法およびセルに悪影響を及ぼさないシール材料を見つけ出す事が容易ではなかった。
(4)．発電部の構成について（図３及び図４参照）
従来の固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）は、脱硫処理済みの都市ガス（天然ガス）を改質器に供給して水素ガスに変換し、この水素ガスを用いて発電を行うシステムである。図４に示される従来の発電部の構造では、改質器に近いセルの底部では未改質のメタン等が高温の発電部の底部で改質される。改質は吸熱反応であるため、セルの底部の温度は低くなる。一方、セルの上部では、水素ガスの消費に伴い水素ガス濃度が低くなるため、水素ガスの水への変換効率が低くなり、やはり温度が低下する。従って、セルの中心部で最も温度及び発生する電気量が高く、その両端で低くなり、温度及び電気分布が不均一となる。この温度及び電気分布の不均一は、発電効率の低下及びセル内部応力の増大に直結するため、従来のＳＯＦＣでは、強力なブロアで大量の空気を起こり込み、冷却することで温度分布を均一になるようにしていた。
【０００５】
しかしながら、低容量のＳＯＦＣではセルの冷却に必要な空気の必要量も限られているため、ブロアによる冷却は比較的容易であるが、実用化の際には大量の電気を発生させるため、セル冷却用のブロアも極めて大容量となり、このブロアに消費される補機動力が大きいことから発電所の総合効率が低くなる恐れがあった。
【０００６】
さらに、一般に燃料電池は、燃料ガスと酸素供給用の空気との間のガスシールを保つことが重要であるが、ＳＯＦＣは１０００℃の高温で作動するため適当なシール材を見つけ出すことが容易ではない。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、セルにかかる応力を均一化し、長期間使用してもクラックなどの発生しない固体電解質型燃料電池のセル構造を提供することを目的とする。
【０００８】
また、本発明は、セルに異常が生じた場合でも、運転時の出力低下を最小限にすることのできる固体電解質型燃料電池のバンドル構造を提供するものである。
さらに、本発明は、ガスシールに起因する問題を容易に解決できる固体電解質型燃料電池発電のモジュール構造を提供するものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記従来技術の問題点に鑑み鋭意検討を重ねた結果、円筒形セルの中心部に導電性チューブを挿入し、内側の燃料極または空気極と該導電性チューブの間に導電性物質を介在させることにより、インターコネクタを不用とし、セルの上部から底部までの温度及び発生する電気量の均一化が図れることを見出した。
【００１０】
すなわち、本発明は以下の円筒形固体電解質型燃料電池のセル構造、バンドル構造および発電モジュール構造を提供するものである。
【００１１】
項１．外側から順に空気極、電解質、燃料極を有する円筒形セルの中心部に燃料供給用の導電性チューブを挿入し、燃料極と該導電性チューブの間に導電性物質を介在してなる固体電解質型燃料電池のセル構造であり、
該燃料極の材質がニッケルジルコニアサーメットであり、
該導電性チューブの材質がＳＵＳ３０４、インコネル、ニッケル、白金、パラジウム、銅、ニッケルジルコニアサーメット及びランタンクロマイトからなる群から選ばれる１種であり、
導電性物質の材質がＳＵＳ３０４、インコネル、ニッケル、白金、パラジウム、銅、ニッケルジルコニアサーメット及びランタンクロマイトからなる群から選ばれる１種であり、
該円筒形セルが両端が開放された構造をしており、且つ、該導電性チューブの根本側の該円筒形セルの一端がガスシールされた構造をしており、該導電性チューブが一端を閉じた構造を有する多孔質のチューブであり、該孔の大きさ及び／又は数を該導電性チューブの根本側ほど小さく及び／又は少なく、先端側ほど大きく／又は多くして形成したもの。
【００１２】
項２．項１に記載の固体電解質型燃料電池のセルを複数本束ね、各導電性チューブを燃料供給器に連結して並列接続し、隣接する各空気極をコネクタを介して連結して並列接続し、空気極をコネクタを介して導電性プレートに接続してなる固体電解質型燃料電池のバンドル構造。
【００１３】
項３．項２に記載のバンドルの燃料供給器、並びに導電性プレートに電気的接続を施して、該バンドルを複数個配置してなる固体電解質型燃料電池のモジュール構造であり、各電池の円筒形セルの開放端からのガス流経路がモジュールの外部に向いており、燃料と空気の燃焼熱で入り口空気を加熱することによりモジュール内部を昇温できる構造を有しているもの。
【００１７】
以下、本発明を詳細に説明する。
【００１８】
(1)．セルの構造について（図５参照）
本発明の特徴は、セルの中心部に導電性チューブを挿入した点にある。本発明のセルは、導電性チューブをセルに挿入することでインターコネクター及びインターコネクターコンタクト部が不要で、対称性のよい円筒形構造を有することである。このため応力が均一にかかることになり、本発明の円筒形セルは耐久性に優れている。
【００１９】
本発明の固体電解質型燃料電池のセルの大きさは、特に限定されないが、従来のセルと同様のものを用いることができる。該セルの内側の燃料極または空気極の内径は特に限定されるものではないが、通常１０〜３０ｍｍ程度である。上記導電性チューブの外径は、セルの内部に入る限り特に限定されないが、例えばセルの内径が１０ｍｍの時には４〜８ｍｍ程度である。
【００２０】
セルを構成する空気極、燃料極及び電解質の材質は特に限定されず、これらに従来使用されている材料がすべて使用でき、例えば、空気極としてはストロンチウム添加ランタンマンガナイト、電解質としてはイットリア安定化ジルコニア、燃料極としてはニッケル・ジルコニア・サーメットが使用できる。燃料極は、ニッケル・ジルコニア・サーメットのような、天然ガス等の燃料改質の触媒機能を有する材料を使用するのが好ましい。
【００２１】
導電性チューブの材質は、ＳＵＳ３０４、インコネル、ニッケル、白金、パラジウム、銅などの金属、ニッケルジルコニアサーメット、ランタンクロマイトなどのセラミックなどが用いられ、好ましい材質としてはニッケル、インコネル、ＳＵＳ３０４などの金属が挙げられる。導電性チューブは、燃料を改質する触媒性能を有するニッケル、パラジウム、銅、ニッケルジルコニアサーメットなどが特に好ましい。導電性チューブは中空であるのが好ましく、その厚みは０．５〜５ｍｍ程度である。導電性チューブは、燃料または空気を吹き出すために多孔質であるのが好ましい。導電性チューブは円筒形であることが好ましいが、角柱状や、断面が楕円の筒状であってもよい。
【００２２】
多孔質の導電性チューブは、特に限定されないが、一端を閉じた金属製チューブの表面に小さな孔を穿けたもの、一端を閉じたセラミックチューブ（ニッケルジルコニアサーメット製など）等を使用することができ、これらは従来技術で容易に製造できる。
【００２３】
天然ガスなどの燃料は、改質により水素に変換されるが、この反応は吸熱反応であるため、セル内に燃料を送り込むことで、発電時に加熱されるセルを改質により冷却することができる。なお、燃料改質用の水蒸気は、予め燃料の中に添加しておく。また、燃料の濃度及びセルの温度を均一にするために、導電性チューブに形成する孔に勾配を設けるのが好ましい。この勾配は、導電性チューブの根本側ほど小さく及び／又は少なく、先端側ほど大さく及び／又は多くして形成する。
【００２４】
導電性チューブとセルの内側の燃料極または空気極の間には、導電性物質を介在させ、セルの内側のいずれかの極で発生する電気を該導電性物質を介して導電性チューブに取り出す。このような導電性物質の材質としてはＳＵＳ３０４、インコネル、ニッケル、白金、パラジウム、銅、ニッケルジルコニアサーメット、ランタンクロマイトなどが挙げられ、内側を燃料極とする場合には、好ましくはニッケル、パラジウム、銅、白金、ニッケルジルコニアサーメットなどの改質触媒性の金属が例示される。なお、導電性チューブと接する導電性物質は改質触媒性の金属またはセラミックスで構成される。導電性物質はフェルト状、多孔質状などである。
【００２５】
導電性チューブとセルの内側の燃料極または空気極の間には燃料または空気が供給されることになるため、導電性物質は燃料または空気の供給を妨げない程度の空隙を有している。該導電性物質は、導電性チューブとセルの内側の燃料極または空気極と均一に接するように介在させるのが好ましい。
【００２６】
(2)．固体電解質型燃料電池のバンドル構造について（図６参照）
固体電解質型燃料電池のバンドルは、複数個のセルの導電性チューブを並列に接続したものである。１個のバンドルに含まれるセルの数としては、９〜１００個、好ましくは１６〜３６個である。
【００２７】
本発明のバンドル構造では、例えば図６に示すように、セルの内側の燃料極（または空気極）に連結された導電性チューブの端部を連結して陰極（または陽極）とし、一方、セルの外側の空気極（または燃料極）陽極（または陰極）とする。該バンドル構造では、複数のセルを並列に接続するため、従来のように数本のセルを並列に接続した後それらを直列に接続して構成されるバンドルのように、１本のセルに異常が発生した場合、出力を大幅に低下させる必要はなく、安定した発電量を確保できる。
【００２８】
(3)．発電モジュール構造について（図７参照）
燃料電池は可燃性の高いガスを燃料とするため、発電モジュール内部において燃料極側、空気極側及び外界との間でガスシールを保つことが要求される。特に固体電解質型燃料電池では、８５０〜１０５０℃程度の高温で運転するため、適当なガスシール方法及びセルに悪影響を及ぼさないシール剤を選択するのは容易ではなかった。本発明では、ガスシールを必要とする部位がセル底部だけと少数に限られ、また、ガス流経路が発電モジュールの外部に向いているので、シール材料に含まれる有害な物質がセルの表面に飛散する恐れがないため、燃料電池に有害なシリカを含むガラスシールなど従来のシール材料の使用が可能で、ガスシールに起因する問題を解決することが出来る。
【００２９】
従来の方法では発電モジュールを最初に起動する時は、電気ヒーターなどの補助予熱器でモジュール内部を昇温する必要があったが、本発明ではモジュール内に空気と燃料を送り込み、その燃焼熱で入り口空気を加熱することにより発電モジュール内部を昇温するため、補助予熱器なしで起動することが出来る。また、従来の方法では、発電モジュールを最初に起動するときは、燃料を改質するために必要な水蒸気と熱を得るために高価な水素ガスを使っていたが、本発明では、初めから天然ガスなどの炭化水素を主体とした安価な燃料で起動することが出来る。
【００３０】
従来の燃料電池では、発電モジュールを停止させる時、モジュール内の可燃性ガス特に燃料極側に残った燃料ガスを追い出すため、窒素を主体とした高価な不活性ガスを送り込む必要がある。本発明では従来の発電モジュールに比べて燃料極側の体積が小さいため、高価な不活性ガスの使用量を低減出来る。
【００３１】
【発明の効果】
本発明のセルは、インターコネクタを廃した単純な三層積層構造であるため応力集中部を少なくすることが出来、円筒形としては最強のセル構造となると共にセルの製造工程を簡略化し、製造コストを抑えることが出来る。
【００３２】
また、電気抵抗の大きいインターコネクタを使用しないため、セル性能の向上を図れる。燃料供給用の導電性チューブには燃料ガスを吹き出す多数の孔が穿いているが、この孔の直径を変えたり配置を適性に行い、先の方ほど孔を大きく・多くすることによって、従来のセルでは困難であった燃料極表面へ燃料が均等に行きわたるようにすることが出来、セル内の温度や電流密度のアンバランスを解消することが出来る。
【００３３】
また、燃料極、導電体チューブ、導電性物質、燃料供給用のチューブなどに触媒作用の大きいニッケルなどの金属を使用することによって炭化水素を主体とした燃料を水素分の多い燃料に改質することが出来、従来は困難であった完全内部改質方式が達成出来る。更に、フェルト状導電体や燃料供給用チューブに熱伝導性の高い金属を使用することによって、燃料改質による吸熱反応と相俟ってラジエーター効果でセルを冷却することが出来、従来の空冷方式に比べて空気ブロワーなどの補機動力を低減し、発電システムの総合効率を向上させると共に騒音を減らすことが出来る。また、従来の空冷方式では大量の空気が必要で必然的に空気利用率が低くなり、空気極側と燃料極側との圧力差が大きくなってセルクラックやガスリークの恐れが生じていたが、本方式によって空気量を低減出来、空気利用率の向上を図れると共に空気極側圧力低減によって圧力差によるセルクラックやガスリークの恐れを小さく出来る。
【００３４】
(2)．バンドルの構造について（図６参照）
本発明ではセルを並列に接続してバンドルを構成するため、異常セルへの燃料供給を停止することにより大きな出力低下を招かず運転を継続することが出来る。
【００３５】
(3)．発電モジュールの構造について（図７参照）
本発明では、ガスシールを必要とする部位がセル底部だけと少数に限られ、また、ガス流経路から見てシール材料に含まれる物質がセルの表面に飛散する恐れがないため、ガスシールを容易に行える。
【００３６】
本発明ではモジュール内に空気と燃料を送り込み、その燃焼熱で入り口空気を加熱することにより発電モジュール内部を昇温するため、補助予熱器無しで自分で起動することが出来る。また、本発明では、起動時にも水素ガスは不要で、初めから天然ガスなどの炭化水素を主体とした安価な燃料で起動出来る。
【００３７】
本発明では従来の発電モジュールに比べて燃料極側の体積が小さいため、発電モジュールを停止させる時、高価な不活性ガスの使用量を低減出来る。
【００３８】
【実施例】
以下、本発明を実施例を用いてより詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されない。
【００３９】
実施例１
固体電解質型燃料電池のセルを用いた円筒形固体電解質型燃料電池の製造
図５に示すように、ニッケル・ジルコニア・サーメット製の燃料極（１）、ストロンチウム添加ランタンマンガナイト製の空気極（２）及びイットリア安定化ジルコニア製の電解質（３）に対応する円筒物を公知の方法により製造し、これらを外側から空気極（２）、電解質（３）および燃料極（１）の順に密着固定し、さらに燃料極（１）の内部に多孔質のニッケルからなる導電性チューブ（４）を挿入し、さらに導電性チューブ（４）と燃料極（１）の両方に接触させる状態でフェルト状のニッケル製の導電性物質（５）を配置してセル（６）を構成した。このセルを図６に示すように４列×４列に並べ、各導電性チューブ（４）を燃料供給器（７）に連結してこれらを並列に接続した。また、各セルの外側の空気極（２）をコネクタ（８）を介して導電性プレート（９）に接続し、バンドル（１０）を構成した。さらに、図７に示すように、各バンドル（１０）の燃料供給器（７）と導電性プレート（９）を各々接続してモジュール（１１）を形成した。
【００４０】
図７に示すように、モジュール（１１）を起動する際には、燃料供給口（１２）及び水蒸気供給口（１３）から燃料供給器（７）を経由して導電性チューブ（４）に天然ガス及び水蒸気を送り込み、セル内で該天然ガスを燃焼させることで、セルの温度を高めることができる。
【００４１】
なお、運転の停止時には、燃料供給口（１２）から燃料（天然ガス）の代わりにパージガスを供給する。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の固体電解質型燃料電池のセルの構造を示す。
【図２】従来の固体電解質型燃料電池のバンドルの構造を示す。
【図３】従来の固体電解質型燃料電池の発電部の構造を示す図である。
【図４】従来の固体電解質型燃料電池の発電装置全体を示す模式図である。
【図５】本発明の固体電解質型燃料電池のセルの構造を示す。
【図６】本発明の固体電解質型燃料電池のバンドルの構造を示す。
【図７】本発明の固体電解質型燃料電池発電のモジュール構造を示す。

Claims

外側から順に空気極（２）、電解質（３）、燃料極（１）を有する円筒形セル（６）の中心部に燃料供給用の導電性チューブ（４）を挿入し、燃料極（１）と該導電性チューブ（４）の間に導電性物質（５）を介在してなる固体電解質型燃料電池のセル構造であり、
該燃料極（１）の材質がニッケルジルコニアサーメットであり、
該導電性チューブ（４）の材質がＳＵＳ３０４、インコネル（登録商標）、ニッケル、白金、パラジウム、銅、ニッケルジルコニアサーメット及びランタンクロマイトからなる群から選ばれる１種であり、
導電性物質（５）の材質がＳＵＳ３０４、インコネル（登録商標）、ニッケル、白金、パラジウム、銅、ニッケルジルコニアサーメット及びランタンクロマイトからなる群から選ばれる１種であり、
該円筒形セル（６）が両端が開放された構造をしており、且つ、該導電性チューブ（４）の根本側の該円筒形セル（６）の一端がガスシールされた構造をしており、該導電性チューブ（４）が一端を閉じた構造を有する多孔質のチューブであり、該孔の大きさ及び／又は数を該導電性チューブ（４）の根本側ほど小さく及び／又は少なく、先端側ほど大きく／又は多くして形成したもの。
請求項１に記載の固体電解質型燃料電池のセル（６）を複数本束ね、各導電性チューブ（４）を燃料供給器（７）に連結して並列接続し、隣接する各空気極（２）をコネクタ（８）を介して連結して並列接続し、空気極（２）をコネクタ（８）を介して導電性プレート（９）に接続してなる固体電解質型燃料電池のバンドル構造。
請求項２に記載のバンドルの燃料供給器（７）、並びに導電性プレート（９）に電気的接続を施して、該バンドルを複数個配置してなる固体電解質型燃料電池のモジュール構造であり、各電池の円筒形セルの開放端からのガス流経路がモジュールの外部に向いており、燃料と空気の燃焼熱で入り口空気を加熱することによりモジュール内部を昇温できる構造を有しているもの。