JP4424765B2 - 円筒型セルタイプ固体電解質型燃料電池 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、円筒型セルタイプの固体電解質型燃料電池(以下T−SOFCともいう)に関する。特に余剰燃料燃焼部の温度を平準化でき、耐久性及び信頼性に優れたT−SOFCに関する。
【0002】
【従来の技術】
T−SOFCは、特公平1−59705号等に開示されている固体電解質型燃料電池の一タイプである。T−SOFCは、多孔質支持管−空気極−固体電解質層−燃料極−インターコネクタで構成される円筒型セルを有する。空気極側に酸化剤ガス(酸素や空気)を流し、燃料極側にガス燃料(H2 、CO等)を流してやると、このセル内でO2-イオンが移動して化学的燃焼が起こり、空気極と燃料極の間に電位が生じ発電が行われる。なお、空気極が支持管を兼用する形式のものもある。T−SOFCの実証試験は、1993年段階で25kw級のもの(セル有効長50cm、セル数1152本) までが進行中である。
【0003】
現状の代表的なT−SOFCの構成材料、厚さ及び製造方法は以下のとおりである(Proc. of the 3rd Int. Symp. on SOFC, 1993 )。
支持管:ZrO2 (CaO)、厚さ1.2mm、押し出し
空気極:La(Sr)MnO3 、厚さ1.4mm、スラリーコート
固体電解質:ZrO2 (Y2 O3 )、厚さ40μm 、EVD
インターコネクタ:LaCr(Mg)O3 、厚さ40μm 、EVD
燃料極:Ni−ZrO2 (Y2 O3 )、厚さ100μm 、スラリーコート−
EVD
【0004】
図4は、従来知られている代表的なT−SOFCの全体構造を示す図である。
図5は、図4の燃料電池のセルの構造を示す断面図である。(A)は全体の縦断面図であり、(B)は(A)のB−B断面を示す横断面図である。
この固体電解質型燃料電池1の中枢部分である円筒型セル集合体2は、細長い円筒状(寸法例、径15mm×長さ500mm)の多数のセル7から構成されている。円筒型セル7は、上端開放、下端閉のセラミックチューブである。円筒型セル7の断面は多層円筒状をしており(図5(B)参照)、空気極61、固体電解質層63、燃料極65及びインターコネクタ67の各層が積層されている。
円筒型セルの各層は、それぞれ必要な機能(導電性、通気性、固体電解質、電気化学触媒性等)を有する酸化物を主成分とする材料で構成されている。
【0005】
円筒型セル7内には、空気を通すための細長い空気導入管4が通っている。空気導入管4は、燃料電池1上部の空気分配器31から配管33を通って下に出て、円筒型セル7チューブの底近くにまで達している。この空気導入管4によって、空気分配器31内の空気が、円筒型セル7チューブ内に供給される。チューブ内(底)に供給された空気は、上述の発電反応に寄与しつつチューブ内を上方に向かい、セル上端21から排気燃焼室37に出る。この排気燃焼室37において燃料ガス排気と空気排気とが混合され、円筒型セル7で未反応のまま排気された酸素と燃料成分が燃焼(一般的な燃焼)する。
【0006】
円筒型セル7の外面には、燃料電池1の下部の燃料ヘッダー9から上方に向けて燃料ガスが供給され、上述の発電に供される。燃料ガスの未反応部分と、セル部での電気化学的燃焼生成物(CO2 、H2 O等)は、円筒型セル7上端外面のスキマ22を通って排気燃焼室37に入る。この排気燃焼室37では、上述のように未反応燃料が燃焼し、燃焼排ガスは、排気口35から排出される。この排ガスの顕熱は、燃料電池に供給される空気及び燃料ガスの予熱に用いられたり、あるいは、通常の蒸気ボイラー・タービンを用いる発電システムに送られて発電に利用される。
【0007】
図4に示されている6列の円筒型セル7は、互いに電気的に接続されている。すなわち、右側の円筒型セルのインターコネクタ67が、その左側の円筒型セルの外面(外面電極、この場合燃料極)に、Niフェルト8を介して接続されているので、結局、図4の6本の円筒型セルは、直列に接続されていることになる。通常の固体電解質型燃料電池にあっては、円筒型セル1本における発電電圧は約1ボルトなので、多数の円筒型セルを直列に接続して所要の電圧を得る。円筒型セル集合体2の最外列の外側には、集電板5a、5bが、円筒型セル7に接して(Niフェルト8を介して)設けられている。この集電板5と、それに接続されている集電棒41から、セル集合体2で発電された電力を外部へ取り出す。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、T−SOFCの組立体において、未反応の燃料ガスは、円筒型セル7上端外面と隔壁39やセル間のスキマ22を通って排気燃焼室37に入り、この排気燃焼室37で燃料ガス排気と空気排気とが混合され燃焼する。
ここで、円筒型セル7上端外面相互間や隔壁39のスキマ22がすべてのセルの外面で同じ間隔にはなっていないため、局部的に燃料排ガスが多く流れ、ヒートスポットを生じていた。このため、セルへの熱衝撃が大きくなり、セルの上端部を破損することもあった。
【0009】
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたもので、燃料ガス排出の流量を平準化でき、ヒートスポットに起因するクラック等を防止してセルの耐久性及び信頼性を向上できるT−SOFCを提供することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明のベースとなる燃料電池は、 多層円筒状に積層された空気極、固体電解質層、燃料極、及び、インターコネクタを有する複数の円筒型セルの集合体と、 燃料ガス及び酸化剤ガスをそれぞれ円筒型セルの内周部又は外周部に供給する手段と、 セルでの未反応燃料ガスと酸化剤ガスを燃焼させる排気燃焼室と、を備え、 さらに前記セル集合体と前記排気燃焼室の間に設けられるガス流の分布を均一にする手段を具備することを特徴とする。
排気燃焼室に流入するガス流の分布を均一にする手段により、排気燃焼室における局部的に活発な燃焼が起こらなくなり、ヒートスポットを解消することができる。そのため、セルの熱衝撃を緩和でき、破損を防止できる。
【0011】
【発明の実施の形態】
図1は、本発明の1実施例に係るT−SOFCの排気パイプ周辺の構造を示す断面図である。
図2は、図1のT−SOFCの模式的横断面図である。
図3は、図1のT−SOFCの排気パイプと集電板の取り付け関係を示す側面図である。
なお、図1〜3において、図4、5の従来例のSOFCと同様の部分は同一の符号で示されている。
図1の燃料電池の特徴は、燃料ガス排気を通す排気パイプ11を有する中間集電板15が設けられていることである。なお、セル集合体の一番外側の集電板5にも排気パイプ11が設けられている。
【0012】
排気パイプ11は、隣り合うセル7の間、及び、一番端のセルと隔壁39の間のスキマ22に、セル7と平行にそれぞれ配置されている。パイプ11の上端はセル上端21よりもやや高くなっている。排気パイプ11とセル7や隔壁39の間には、セラミックファイバー13が充填されている。
排気パイプ11は、図3に示すように集電板15の上端部の切り欠き15aに嵌め込まれている。排気パイプ11は集電板15に対して溶接固定されている。切り欠き15aは、パイプ11の下端面よりも少し下に延びている。
なお、この例では、排気パイプは外径4mm×内径2mmのインコネル(登録商標)製のパイプである。なおセル7の外径は22mm、セル間のピッチは32mmである。
【0013】
セル7の外面を上に流れる燃料ガス及び酸化ガスは、セル7の上端部まで上がった後、パイプ11の中を通って排気燃焼室37内に入る。パイプ11の周囲はセラミックファイバー13が充填されているのでガスの流れ抵抗が高く、殆どのガスはパイプ11内を選択的に流れる。パイプ11の上端から排気燃焼室37内に入ったガスは、セル上端から排気燃焼室37に入った気体中の残存酸素と反応して燃焼する(炎38)。排気パイプ11の先端はセル7よりもやや上に出ているので、炎38によりセル先端部21が局部的に過熱されにくいようになっている。また、パイプ11の径及びピッチは各部で同一であり、またセル間はセラミックファイバーが充填されているので、排気燃焼室各部でほぼ均一な排ガス燃焼状態となる。
【0014】
本実施例の中間集電板15は、Ni合金等の板金製であり、薄い板状の平板部は、その一面(図2の上面)がNiフェルト8を介して、上段列の発電セル7の外面電極(燃料極)65と接している。平板部のほかの一面(図2の下面)は、下段列の発電セル7のインターコネクタ67とNiフェルト8を介して接している。そのため、該外面電極65と該インターコネクタ67とは電気的に接続されており、上下の列の発電セル1は直列に接続されていることになる。
【0015】
一方、横の列の各発電セル7は、中間集電板15によって、並列に接続されていることとなる。このように構成することの利点としては、横列の発電セルを並列に接続するためのNiフェルトが不要となるため、このNiフェルトと接触することにより発電反応が不良となるような電池部分がなくなって、SOFCの発電性能(発電量)が向上することである。
【0016】
表1、2、3はセル上端外面にセラミックスを充填しただけの場合と、排気パイプを設けた場合のセル近傍の燃焼室内の温度を示す。この実験に用いた円筒型セル集合体は、円筒型セルを3並列×3直列に配置したものを用いた。
【0017】
【表1】
【0018】
【表2】
【0019】
【表3】
【0020】
表1に示すように、排気パイプを設けなかったときには、中央部の2−Bセルと右上の3−Aセルとで82.9℃の温度差があった。しかし、排気パイプを設けると、表2のように、温度差は34.1℃と大幅に低下した。
【0021】
これから明らかなように、燃焼室の発熱量も平面内で均等になりヒートスポットを生じない。このためセルへの熱衝撃が少なくなり、セルにクラックが入る可能性が低くなる。また、排気パイプの開口部をセル上端よりさらに上部にすることにより、排気ガスの燃焼がセルから離れて起こるため、さらにセルへの熱衝撃を小さくすることができる。
【0022】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、排ガスがセルから燃焼室に均一に流れるの流路を設けることにより、燃焼室内でのヒートスポットを解消することができ、セルへの熱衝撃を緩和することができる。その結果、余剰燃料燃焼部の温度を平準化でき、耐久性及び信頼性に優れたT−SOFCを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の1実施例に係るT−SOFCの排気パイプ周辺の構造を示す断面図である。
【図2】図1のT−SOFCの模式的横断面図である。
【図3】図1のT−SOFCの排気パイプと集電板の取り付け関係を示す側面図である。
【図4】従来知られている代表的なT−SOFCの全体構造を示す図である。
【図5】図4の燃料電池のセルの構造を示す断面図である。(A)は全体の縦断面図であり、(B)は(A)のB−B断面を示す横断面図である。
【符号の説明】
1 固体電解質型燃料電池 2 セル集合体
4 空気導入管 5 集電板
7 円筒型セル 8 Niフェルト
9 燃料ヘッダー 11 パイプ
13 セラミックファイバー 15 中間集電板
21 セル上端 22 スキマ
31 空気分配器 33 配管
35 排気口 37 排気燃焼室
38 炎 39 隔壁
41 集電棒 61 空気極
63 固体電解質層 65 燃料極
67 インターコネクタ
Claims (2)
- 多層円筒状に積層された空気極、固体電解質層、燃料極、及び、インターコネクタを有する複数の円筒型セルの集合体と、
燃料ガス及び酸化剤ガスをそれぞれ円筒型セルの内周部又は外周部に供給する手段と、
セルでの未反応燃料ガスと酸化剤ガスを燃焼させる排気燃焼室と、
を備え、
さらに、前記セル集合体と前記排気燃焼室の間に設けられるガス流の分布を均一にする手段を具備し、
上記ガス流の分布を均一にする手段が、4本の円筒型セルを集合させたときに形成される中央のスキマに配置されたパイプと、セルとパイプとの間を塞ぐ充填物と、からなり、
前記充填物がセラミックスファイバーであることを特徴とする燃料電池。 - 上記セル集合体に、複数の並列セル間で電気的導通を取る集電板が設けられており、
上記パイプが該集電板に取り付けられていることを特徴とする請求項1記載の燃料電池。
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