JP4897273B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は固体電解質を有する燃料電池に係り、特に固体酸化物形燃料電池に関する。

燃料電池は、電解質を挟んでアノード（燃料極）及びカソード（空気極）を備え、アノード側には燃料ガスを、カソード側には酸化剤ガスを供給し、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、発電効率が高い上、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という特徴がある。このため、燃料の多様化が図れ、また、電池システム構造がシンプルにでき、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、高温で運転する固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ：Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）にとっては大きな利点である。

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。内部抵抗が高い原因の一つは円筒セル内での電流パスが長いことに起因する。また、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るという問題点がある。これらの問題点を解決するために、セル形状を扁平形にしたものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００５−１６６５２７号公報（要約）

しかしながら、セル形状を扁平形にしたセルであっても、セルの直並列接続のためにセルから電流を取り出すインターコネクタがセルの半面を覆ってしまい、発電面積が減少するため、単セル当たりの発電量を十分に増加することができないという問題がある。当然、体積エネルギー密度を高めることも十分ではない。

本発明の目的は、扁平形状のセルのように固体電解質で形成された閉空間の内側と外側に電極を備えたセルを具備する燃料電池において、セルの発電面積を増大して発電量を増大し、体積エネルギー密度を高めることにある。

本発明は、固体電解質で形成された閉空間の内部に内側電極を有し、前記固体電解質の外面に外側電極および前記固体電解質を貫通して前記内側電極と電気的に接続されたインターコネクタを有するセルを備えた燃料電池において、前記インターコネクタを前記セルの周方向及び軸方向の少なくとも一方に複数個に分割して配置し、前記外側電極は、前記セルの外面に一体として設けられていることを特徴とする。

また、本発明は、上記構成の燃料電池において、内側電極の電池反応領域と外側電極の電池反応領域の少なくとも一方に更に補助電極を設けたことにある。

また、本発明は、外側電極の電池反応領域に補助電極を備え、更に前記補助電極とインターコネクタとの間に電気絶縁手段を備えたことにある。

本発明の燃料電池は、セルのほぼ全周が電池反応に寄与するので、発電面積を増大でき、発電量が増大し、体積エネルギー密度を高めることができる。この際、アノード補助電極やカソード補助電極を設けることにより、さらに電池の抵抗を低減できる。

本発明は、セル形状が平板形状ではなく、円筒形状、扁平円筒形状、楕円形状、直方体形状あるいは立方体形状等のように、閉空間を形成している形状のセルを対象とする。アノード及びカソードは、固体電解質によって形成された閉空間の内部或いは外部のどちらに設けても良いが、以下の実施例では、内部にカソードを設け、外部にアノードを設けた場合について説明する。

図２は、インターコネクタを複数に分割しない従来タイプの扁平円筒形セルの横断面図を示している。固体電解質１の外面にアノード２を有し、固体電解質で囲まれた閉空間の内部にカソード３を有している。カソード３の電流を取り出すためにセル１０の外面のほぼ半分を占める部分にインターコネクタ４が設けられている。カソード３の内部には空気供給孔１１が設けられ、その孔に酸化剤（空気）を流す空気導入管５が設けられ、孔の部分が空気の流れる空気領域９となっている。燃料はセル１０の外側を流れ、セルの外側部分が燃料領域８となっている。空気供給孔１１の内面がカソード反応領域７であり、アノード外表面がアノード反応領域６である。この構造のセルは、セル外周のほぼ半分がインターコネクタ４で覆われているため、その部分がアノードの電池反応領域として使えず、発電面積が少なく、体積エネルギー密度を高めることができない。

図１に本発明の実施例である扁平円筒形両面発電セルの横断面図を示した。図２のセルと異なるのは、インターコネクタ４を二つに分割して配置し、セルの周方向の二箇所に設けたことである。なお、二つのインターコネクタ間にはアノード１５が設けられている。

固体電解質１は、扁平円筒形の袋管になっており、材質としては例えばイットリウム安定化ジルコニア（ＹＳＺ）を用いることができる。他の構成部材は、例えばアノード２，１５にはニッケルとＹＳＺからなる多孔質のサーメット、カソード３にはランタンマンガネイト、インターコネクタ４にはランタンクロマイドを用いることが望ましい。

図１に示す構造の扁平円筒形両面発電セルを正面から見たときの斜視図および横断面図を図３に示す。インターコネクタ４は細長い板の形をしており、セル１０の縦軸方向に配置されている。矢印１２はカソード内部に設けられた空気供給孔１１における空気の流れ方向を示している。また、矢印１３は燃料の流れ方向を示している。

ここで、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って説明する。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。なお、改質触媒としては、一般にニッケル系やルテニウム系などの触媒が用いられている。

ＣＨ_４ ＋ Ｈ_２Ｏ ＝ ＣＯ ＋ ３Ｈ_２ ……（１）
化学式（１）により反応したＣＯは、同時に下記の（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℃程度の温度に維持する。

電池反応（発電反応）は、アノード２で生起し、下記の（３）（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電流の流れを模式化して図４に示す。電流のパスを矢印１４で示した。セルの電流はアノード２から固体電解質１を経て、カソード３へ流れ込む。さらにカソード３からインターコネクタ４へ流れ、外部に取り出される。二つのインターコネクタ４間に設けられたアノード１５からの電流も同様のパスを通ってインターコネクタ４へ流れ、外部に取り出される。なお、アノード２とアノード１５は図３から明らかなようにセルの上部と下部で電気的に接続されている。

本実施例の場合はインターコネクタ４を周方向に二つに分割して配置しているが、図６及び図１１に示したように三つ或いはそれ以上に分割して配置しても一向に差し支えない。

本実施例によれば、従来タイプの図２に比べ、インターコネクタのセル表面に占める面積が減少し、電池反応が行われるアノードの表面積が増大し、発電面積を約２倍に増大できる。

図６は図１の構造の変形例であり、空気供給孔１１を四つにし、かつ、孔の形を円形にしたものである。また、インターコネクタ４の数も三つにした。本変形例によれば、セル全体の形状を大きくでき、１セル当たりのアノード表面積を増大できる。

本発明の効果は空気供給孔の数や形状、インターコネクタの数や形状を変えても損なわれるものでない。また、扁平円筒形状の袋管を例にとって説明したが、底のない開放された扁平円筒形状でも、その効果を損なうものではない。また、セルの形状は扁平円筒形状に限るものではなく、楕円形状のセルや直方体や立方体形状のセルにも適用でき、同様の効果が得られる。

インターコネクタを配置する箇所は、セルの外表面であれば特に限定されないが、できれば内部抵抗を最小にできる場所が良い。具体的には、隣接する二つの空気供給孔の中間に当たる箇所、特に孔の中心部から等距離の箇所が好ましい。または、後述する図１１に示すように空気供給孔の中心部に対向する箇所が好ましい。

図１０に本発明の別の変形例を示した。この例は、セルを長方体形状にしたものである。構造的には図１に示した扁平円筒形セルを直方体にしたものである。なお、インターコネクタ４は隣接する二つの空気供給孔１１の中間部分に設けた。

図１１にも本発明の変形例を示した。この例は、図１０と同様に直方体形状のセルであるが、インターコネクタ４の取り出し位置を、空気供給孔１１の部分に設けたものである。この構造のセルは図１０の構造のセルに比べカソードの抵抗が減少する。

インターコネクタをセルの周方向と軸方向の両方に分割して配置した例を図５に示す。本実施例の場合には、アノード２とアノード１５の電気的接続点が図３に示したようにセルの上部と下部に限らず、インターコネクタ４のセル軸方向分割部分も電気接続点となるため、電流パスが短くなり抵抗低減に寄与する。さらに本実施例では軸方向に分割して配置されたインターコネクタ間に燃料ガスの流路が形成され、燃料の周方向のミキシングが進み、セル外周を流れる燃料濃度が一様化される効果がある。

本実施例ではインターコネクタ４のセル軸方向における分割数を四個にしているが、それ以上でも、それ以下であっても一向に差し支えない。

図７は図１のセル構造において、アノードの燃料領域８にアノード補助電極１６を敷設し、カソードの空気領域９にカソード補助電極１７を敷設したものである。

本実施例によれば、アノードおよびカソードの電流パスがいずれも増大し、セルの内部抵抗を低減でき、これにより、電池出力は従来の扁平円筒形セルの約２倍が得られる。なお、補助電極はアノード補助電極１６とカソード補助電極１７のどちらか一方だけに設けても良い。

アノード補助電極の材料としては、ニッケルを含む多孔体が好ましい。これは、アノード補助電極はアノードと電気的に接触している必要があり、アノード材料にはニッケルとＹＳＺからなる多孔質のサーメットが用いられることが多いことから、アノード補助電極にニッケルを含む材料を使用することで、両者の電気的な接合が容易になるからである。また、ニッケルは、電気抵抗が小さく、改質触媒としても働くので、この点からもアノード補助電極の材料として好ましい。

カソード補助電極の材料には、クロムと鉄の合金のようにクロムを含む多孔体を用いることが好ましい。カソード補助電極は空気等の酸化剤に晒され、酸化されやすい環境下にある。クロムを含む材料を用いると、クロムと酸素が反応して表面に耐食性の優れたクロム酸化皮膜が形成され、カソード補助電極の耐食性を高めることができる。

図８は図１の構造のセルを直列に複数個（図では三個）接続したものである。各セルは電流取り出しのためのアノード集電極１８とカソード集電極１９にアノード補助集電極２０を介して電気的に接続されている。このように複数個のセルを直列又は並列に接続することにより、燃料電池の出力規模を自由に増大できる。

図９は図７の構造のセルを直列に複数個（図では三個）接続したものである。一方のセルのインターコネクタと隣接するセルのアノード補助電極１６は電気絶縁シート２１を挟んで直列に接続される。また、同一のセルにおいて、インターコネクタとアノード補助電極の間に電気絶縁部材２３が設けられる。アノード集電極１８はアノード補助電極１６に接続され、カソード集電極１９はカソード補助集電極２２を経てインターコネクタ４に接続される。

このように直列又は並列に接続することにより、燃料電池の出力規模を自由に増大でき、従来タイプの電池に比べ体積エネルギー密度を増大できる。なお、電気絶縁シート２１および電気絶縁部材２３には、アルミナ又はアルミナを含むセラミックのメッシュ又はクロスを用いることが望ましい。アルミナを含むセラミックとしては、例えばアルミナとシリカよりなるセラミックが、固体酸化物形燃料電池の運転温度で安定であるので好ましい。

本発明の実施例を示した横断面図である。 従来のセル構造を示した横断面図である。 図１のセルを正面から見た図である。 図１のセルの電流パスを示した断面図である。 本発明の変形例を示した概要図である。 本発明の別の実施例を示した断面図である。 本発明の他の例を示した断面図である。 セルを直列に複数個接続した例を示した断面図である。 セルを直列に複数個接続した別の例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。 インターコネクタの配置を変えたセルの断面図である。

符号の説明

１…固体電解質、２…アノード、３…カソード、４…インターコネクタ、５…空気導入管、６…アノード反応領域、７…カソード反応領域、８…燃料領域、９…空気領域、１０…セル、１１…空気供給孔、１５…アノード、１６…アノード補助電極、１７…カソード補助電極、１８…アノード集電極、１９…カソード集電極、２０…アノード補助集電極、２１…電気絶縁シート、２２…カソード補助集電極、２３…電気絶縁部材。

Claims (17)

1. 固体電解質で形成された閉空間の内部に内側電極を有し、前記固体電解質の外面に外側電極および前記固体電解質を貫通して前記内側電極と電気的に接続されたインターコネクタを有するセルを備えた燃料電池において、前記インターコネクタを前記セルの周方向及び軸方向の少なくとも一方に複数個に分割して配置し、前記外側電極は、前記セルの外面に一体として設けられていることを特徴とする燃料電池。
2. 請求項１において、前記セルの形状が扁平円筒形状、直方体形状、楕円形状あるいは立方体形状のいずれかであることを特徴とする燃料電池。
3. 請求項１において、前記内側電極のセル軸方向にガス通路となる複数個の孔を有し、孔と孔との中間部分に当たるセル外面に前記インターコネクタが配置されていることを特徴とする燃料電池。
4. 請求項１において、前記内側電極のセル軸方向にガス通路となる複数個の孔を有し、セル外面の前記孔の部分に前記インターコネクタが配置されていることを特徴とする燃料電池。
5. 請求項１において、前記内側電極がカソードであり、前記外側電極がアノードであることを特徴とする燃料電池。
6. 固体電解質で形成された閉空間の内部に内側電極を有し、前記固体電解質の外面に外側電極および前記固体電解質を貫通して前記内側電極と電気的に接続されたインターコネクタを有するセルを備えた燃料電池において、前記インターコネクタを前記セルの周方向及び軸方向の少なくとも一方に複数個に分割して配置し、前記外側電極は、前記セルの外面に一体として設けられ、前記内側電極の電池反応領域と前記外側電極の電池反応領域の少なくとも一方には、多孔体で構成され前記内側電極又は前記外側電極に電気的に接触した補助電極を設けたことを特徴とする燃料電池。
7. 請求項６において、前記内側電極と前記外側電極のうちの一方がアノードであり、ニッケルと安定化ジルコニウムからなる多孔質のサーメットで構成され、前記アノードの電池反応領域にニッケルを含む多孔体よりなるアノード補助電極が設けられていることを特徴とする燃料電池。
8. 請求項６において、前記内側電極と前記外側電極のうちの一方がカソードであり、前記カソードの電池反応領域にクロムを含む多孔体よりなるカソード補助電極が設けられていることを特徴とする燃料電池。
9. 請求項１記載のセルを直列及び／又は並列に複数個接続したことを特徴とする燃料電池。
10. 請求項１記載のセルを直列に複数個接続し、前記複数個のセルは、アノード集電極とカソード集電極との間に配置され、補助集電極を介して前記アノード集電極及び前記カソード集電極に電気的に接続されていることを特徴とする燃料電池。
11. 固体電解質で形成された閉空間の内部に内側電極を有し、前記固体電解質の外面に外側電極および前記固体電解質を貫通して前記内側電極と電気的に接続されたインターコネクタを有するセルを備えた燃料電池において、前記インターコネクタを前記セルの周方向及び軸方向の少なくとも一方に複数個に分割して配置し、前記外側電極は、前記セルの外面に一体として設けられ、前記外側電極の電池反応領域に多孔体で構成され前記外側電極に電気的に接触した補助電極を設け、前記インターコネクタと前記補助電極の間に電気絶縁手段を設けたことを特徴とする燃料電池。
12. 請求項１１記載のセルを直列及び／又は並列に複数個接続し、一方のセルの前記インターコネクタと隣接するセルの前記補助電極との間に電気絶縁手段を設けたことを特徴とする燃料電池。
13. 請求項１１において、前記電気絶縁手段における電気絶縁材料としてアルミナを含むセラミック材料を用いたことを特徴とする燃料電池。
14. 請求項１２において、一方のセルのインターコネクタと隣接するセルの補助電極との間に設けられた前記電気絶縁手段の電気絶縁材料としてアルミナを含むセラミック材料を用いたことを特徴とする燃料電池。
15. 請求項１１において、前記内側電極の電池反応領域には、多孔体で構成され前記内側電極に電気的に接触した補助電極が設けられていることを特徴とする燃料電池。
16. 請求項１１において、前記内側電極がカソードであり、前記外側電極がアノードであることを特徴とする燃料電池。
17. 請求項１６において、前記内側電極のセル軸方向にガス通路となる複数の孔が設けられていることを特徴とする燃料電池。

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