JP4537292B2 - 円筒形燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は円筒形状を有する燃料電池に係り、特に固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）に関する。

燃料電池は、電解質を挟んで一方の側にアノード（燃料極）を備え、他方の側にカソード（空気極）を備えている。アノード側には燃料ガスを供給し、カソード側には酸化剤ガスを供給して、電解質を介して燃料と酸化剤を電気化学的に反応させることにより発電する発電装置である。燃料電池の種類の一つである固体酸化物形燃料電池は、発電効率が高いばかりでなく、６００〜１０００℃の高温で運転されるため、電池内で燃料の改質反応ができる。また、燃料の多様化が図れると共に電池システム構造がシンプルになるため、他の燃料電池に比べ、コスト低減のポテンシャルを持つ。当然、排熱も高温となるために利用しやすく、熱・電気併用システムばかりでなく、ガスタービンなどの他のシステムとのハイブリッドシステムを形成し易いという特徴を持つ。

燃料電池は固体電解質の形状により、円筒形と平板形に大別される。円筒形は平板形に比べて熱応力に強く、高温で運転するＳＯＦＣにとって大きな利点である。

しかし、円筒形は平板形に比べて一般的に内部抵抗が高いという問題点がある。内部抵抗の高い原因は、円筒形燃料電池（以下、円筒形セルと称す）内での電流パスの長さに起因するものである。内部抵抗が高いために、発電効率や出力密度等の電池性能が低下するといった問題点があった。さらに、単セルと単セルの接続時にも制約を受け、体積エネルギー密度を高めることが困難であった。

このような背景技術に関して記載された先行技術として、非特許文献１がある。

平成１４年度ＮＥＤＯ成果報告書、東陶機器

円筒形セルでは、アノードからカソードへ向かう電流のパスが円周に沿って形成されるため、電流パスが長くなり、抵抗が増大する。

本発明の目的は、円筒形セルにおいて、電流パスを短くして抵抗を低減することにある。

本発明は、電解質を挟んでアノードとカソードを備えた円筒形セルにおいて、アノードの電池反応領域とカソードの電池反応領域の全領域に、それぞれアノード補助電極、カソード補助電極を配置するか、或いは、どちらか一方の電池反応領域の全領域に補助電極を配置したものである。

アノード補助電極又はカソード補助電極がアノード又はカソードの外表面全域に形成されることと、補助電極内の電流流路断面が飛躍的に増大したことにより、電流パスが短縮され、抵抗が低減する。

本発明は、円筒形セルに係るものであるが、ここで云う円筒形セルには、円筒だけでなく、楕円形状や扁平円筒形状のものが含まれる。本発明では、これら全てを称して円筒形セルと称する。

本発明において、アノード補助電極及びカソード補助電極は、燃料ガスあるいは酸化剤ガスが流通できるように通気性を確保しておくことが望ましい。具体的には貫通気孔を持った導電性多孔体により、補助電極を構成することが望ましい。

また、アノード補助電極及びカソード補助電極の材料には、アノード或いはカソードの材料に比べて、材料の抵抗率が小さいものを用いることが望ましい。

また、アノード補助電極と直列接続されるセルのアノード補助電極の間には、電気絶縁シートなどのように電気絶縁手段を設けることが望ましい。

アノード補助電極とカソード補助電極は、アノード周囲の燃料空間又はカソード周囲の酸化剤空間を埋めるように設けても良いし、あるいは、アノード補助電極とカソード補助電極の周囲に、それぞれ燃料空間あるいは酸化剤空間が存在するように設けても良い。

本発明の円筒形セルは、その複数個を直列または、並列に接続して使用することができる。また、単セルの複数個を、ちどり配列にして直列または、並列に接続して使用することもできる。

円筒形ＳＯＦＣにおいてアノード電池反応領域の一部の領域にアノード補助電極を設けた場合を図２により説明する。固体電解質１の外周にアノード２を、内周にカソード３を形成し、カソードの電流を取り出すためにインタコネクタ４を設ける。セルからの電流はそれぞれ、アノード補助電極５とカソード補助集電極６を経てアノード集電極７、カソード集電極８に集められる。セルの外周の燃料空間１１には炭化水素等の燃料が流れ、内周の酸化剤空間１２には空気等の酸化剤が流れる。

セル内の電流を模式化して図３に示す。アノード集電極７からカソード集電極８への電流パスを説明すると下記のようになる。アノード集電極７からの電流ｉはアノード補助電極５を通ってアノード２に流入する。アノード２からの電流は固体電解質１を通ってカソード３に到達する。しかし、アノード２内の電流は矢印９のように周方向にも流れ、電流が分散された状態で固体電解質１を通過することになる。従って、アノード２内の電流パスは長くなり、セルの内部抵抗が高くなる。

同様に、固体電解質１からカソード３内を流れる電流も矢印１０のように周方向に流れるため、カソード３内の電流パスは長くなり、セルの内部抵抗が高くなる。

図２、図３ではアノードが円筒の外側にあるセルの場合を示したが、アノードが円筒の内側にあり、カソードが円筒の外側にあるセルの場合にも同様の現象が起こる。

以下、本発明の実施例を、アノードがセル円筒の外側にある場合を例にとって説明する。

図１に本発明の実施例である円筒形セルの横断面図を示す。固体電解質１の外周にアノード２を形成し、内周にカソード３を形成し、カソードの電流を取り出すためにインタコネクタ４をセル外周の一箇所に設けた。固体電解質１には、袋管状のイットリウム安定化ジルコニア（ＹＳＺ）を用いた。アノード２はニッケルとＹＳＺからなる多孔質のサーメットで構成し、カソード３はランタンマンガナイトで構成した。なお、セルの外周の燃料空間１１を燃料が流れ、内周の酸化剤空間を酸化剤（空気）が流れる。

円筒形セル外面のアノード２の外周空間を覆うようにアノード補助電極５を設けた。アノード補助電極５としては導電性の良い材料で、かつ、多孔体で形成した。多孔体の孔は貫通気孔とし、アノードガスが大きな流動抵抗を受けることなく流れる構造とした。

同様に円筒形セル内面のカソード３の内周空間を覆うように、カソード補助電極１２を設けた。カソード補助電極１２としては導電性の良い材料で、且つ、多孔体で形成した。多孔体の孔は貫通気孔とし、カソードガスが大きな流動抵抗を受けることなく流れる構造とした。

また、カソード電流を取り出すため、インタコネクタ４にカソード補助集電極６を設け、カソード集電極８に接続した。なお、カソード補助集電極６はインタコネクタ４とカソード集電極８からなる空間を埋めるように設置した。さらにカソード補助集電極６とアノード補助電極５の間には電気絶縁シート１３を設けた。この電気絶縁シート１３は当該電池のカソードとアノードの電気的接触を防止している。

カソード補助集電極６とアノード補助電極５には、いずれもニッケル系金属材料を用い、カソード補助電極にはクロム系金属材料を用いた。また、電気絶縁シート１３にはアルミナ系セラミックス材料を用いた。

図９に本発明の実施例である円筒形セルの縦断面図を示す。燃料１８は電池容器１９の底部から供給され、セル外周の燃料空間１１を下方から上方へ流れる。一方、空気１７はセル内部に設けた空気導入管１６に注入され、空気導入管端部から噴出し、酸化剤空間１２を下方から上方へ向かって流れる。なお、図９ではセル形状を袋管で示したが、底部のない円筒でも良い。

ここで、電池反応を示しておく。先ず、炭化水素系燃料を改質して水素を含む改質ガスを生成する方法について、炭化水素系燃料としてメタンを例にとり説明する。改質触媒上で主に（１）式の反応により、メタンと水蒸気が反応（改質反応）して水素が生成する。改質触媒としては、ニッケル系やルテニウム系などが一般的に用いられている。

ＣＨ_４＋Ｈ_２Ｏ＝ＣＯ＋３Ｈ_２ …（１）
（１）式の反応により生成したＣＯは、下記の（２）式で表されるＨ_２Ｏとの反応（ＣＯ転化反応）により、さらに水素に変換され燃料となる。

ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ＝ＣＯ_２＋Ｈ_２ …（２）
炭化水素系燃料から水素を生成する反応は吸熱反応であり、この反応を継続するためには熱を供給する必要があり、一般には改質触媒を６００〜８００℃程度に維持する必要がある。

電池反応（発電反応）はアノード２で生起し、下記の（３）式および（４）式で表され、発熱反応である。

Ｈ_２＋１／２Ｏ_２＝Ｈ_２Ｏ …（３）
ＣＯ＋１／２Ｏ_２＝ＣＯ_２ …（４）
本発明のセルにおけるセル内の電流を模式化して図４に示す。アノード集電極７からカソード集電極８への電流パスを説明すると下記のようになる。アノード集電極７からの電流ｉはアノード補助電極５を矢印１４のように通ってアノード２に流入する。アノード２からの電流は固体電解質１を通ってカソード３に到達する。

ここで、アノード補助電極５内の電流パスは図３に示した電流パス、すなわち、アノード内を周方向に流れていた電流パスに比べ、（ａ）アノード補助電極５がアノード２を形成する全円周の外表面に電気的に接続されていること、（ｂ）アノード補助電極５内の電流流路断面が飛躍的に増大したことにより短縮される。アノード補助電極５には先に示したようにニッケル系金属を用いているため、アノード材料であるニッケルとＹＳＺからなるサーメットに比べ、材料の抵抗率が約一桁小さい。上記（ａ）、（ｂ）および抵抗率を考慮すると、本発明ではアノード部材の抵抗が図２に示す比較例の抵抗に比べ、１／２程度に低減できる。

更に、カソード補助電極１２内の電流パスは図３に示した電流パス、すなわち、カソード内を周方向に流れていた電流パスに比べ、（ｃ）カソード補助電極１２がカソード３を形成する全円周の内表面に電気的に接続されていること、（ｄ）カソード補助電極１２内の電流流路断面が飛躍的に増大したことにより短縮されるため、抵抗が低減できる。

図５は図１のアノード補助電極５をアノード２の円周外面に円筒形状に被覆し、同様にカソード補助電極１２をカソード３の円周内面に円筒形状に被覆したものである。この実施例では、アノード補助電極の外周に燃料空間１１が形成されると共に、カソード補助電極の内周に酸化剤空間２０が形成される。この実施例によれば、燃料の流れる燃料空間１１の流動抵抗並びに酸化剤の流れる酸化剤空間２０の流動抵抗を軽減することができる。抵抗低減の効果については、図１の例に比べて幾分小さくなるが、比較例に比べて大きく改善できることに相違はない。

図６、図７、図８に本発明の変形例を示す。図６は図１の構造の円筒形セルを複数個、直列に接続したものである。図７は図１の構造のセルを複数個（図では３個）、並列に接続し、かつ、並列電池を３個直列に接続したものである。本発明の円筒形セルは、その複数個を、このように直列又は並列に接続することが容易であり、燃料電池の出力規模を自由に増大できる。

図８は図７の電池配列をちどり配列にして、狭い空間にできるだけ多くの電池が設置できるようにしたものである。本実施例によれば、体積エネルギー密度を増大できる。

以上、円筒形セルの外周がアノードとなる電池構造について説明したが、本発明は円筒形セルの外周がカソードとなる電池構造であっても同様の効果を得ることができる。また、アノードとカソードの両極に同時に本発明の手法を採用しても良いし、どちらか一方の極のみに採用しても良い。更にアノード補助電極並びにカソード補助電極がアノード、カソードを代用することもできる。

また、円筒形セルは底部が袋間形状であれ、開放された円筒であれ、本発明の効果は変わらない。また、セル形状は円筒に拘らず、楕円形状のセルや扁平円筒形のセルにも適用でき、同様の効果が得られる。一例として扁平円筒形の実施例を図１０に示す。構造的には図１に示した円筒形セルを偏平にしたものである。カソード３には空気を供給する空気孔が酸化剤空間１２として設けられている。インタコネクタ４は扁平円筒形のほぼ半面に渡って設けられている。

本発明の実施例を示した横断面図である。 比較例を示した断面図である。 比較例の電流パスを示した断面図である。 本発明の実施例の電流パスを示した断面図である。 本発明の他の実施例を示した断面図である。 本発明の変形例を示した断面図である。 本発明の他の変形例を示した断面図である。 本発明の別の変形例を示した断面図である。 本発明の実施例を示した縦断面図である。 本発明の他の実施例として扁平円筒形セルを示した断面図である。

符号の説明

１…固体電解質、２…アノード、３…カソード、４…インタコネクタ、５…アノード補助電極、６…カソード補助集電極、７…アノード集電極、８…カソード集電極、１１…燃料空間、１２…カソード補助電極、１３…電気絶縁シート、１６…空気導入管、１７…空気、１８…燃料、１９…電池容器、２０…酸化剤空間。

Claims (7)

1. 円筒形の電解質を挟んでアノードとカソードを備え且つ前記電解質の内周側に位置する前記アノード又は前記カソードから電流を取り出すためのインタコネクタを備えた円筒形セルを複数備え、複数の前記円筒形セルは、前記インタコネクタを介して電気的に直列に接続された燃料電池において、
   前記円筒形セルの電解質の外周側に位置する前記アノード又は前記カソードの電池反応領域の全領域に補助電極を配置し、
   前記インタコネクタを介して直列に接続された前記円筒形セルの隣接する前記補助電極間には、電気絶縁手段を設けたことを特徴とする燃料電池。
2. 請求項１において、前記補助電極が貫通気孔を持った導電性多孔体により構成されていることを特徴とする燃料電池。
3. 請求項１又は２に記載の燃料電池において、前記アノード又は前記カソードの前記電池反応領域を覆う前記補助電極を、ニッケルを含んだ多孔体により構成したことを特徴とする燃料電池。
4. 請求項１において、前記補助電極間の前記電気絶縁手段として電気絶縁シートを配置したことを特徴とする燃料電池。
5. 請求項１又は４において、前記電気絶縁手段の材料としてアルミナを含んだセラミックを用いたことを特徴とする燃料電池。
6. 請求項１において、前記インタコネクタを介して直列に接続された複数の前記円筒形セルの直列電池群を複数備え、前記直列電池群が前記補助電極を介して並列に接続したことを特徴とする燃料電池。
7. 請求項１又は６において、複数の前記円筒形セルは、ちどり配列で接続されていることを特徴とする燃料電池。

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