JP6767399B2 - 燃料電池 - Google Patents
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Description
また、本発明の他の目的は、上記目的に加え、従来と同等以上に電力供給の安定性が高く、信頼性とメンテナンス性とエネルギー効率が良好な燃料電池を提供することにある。
さらに、電極複合体の内側に強制的に空気が供給されるように、電極複合体の上端開口または下端開口に接続されたポンプを有するのが好ましい。
さらに、電極複合体の内側の空気温度を計測する温度計測手段と、正極と負極との間の開放電圧を計測する電圧計測手段と、電極複合体の一方の端に接続され、温度計測手段によって計測された空気温度および電圧計測手段によって計測された開放電圧の少なくとも一方に基づいて電極複合体の内側に供給される空気の流量を調整する流量調整手段と、を有するのが好ましい。
密閉容器は、さらに、外壁の開口方向の少なくとも一方の端に配置された端壁と、電極複合体の両端のそれぞれに接合される筒状の2つの電極支持体と、を備え、固体電解質体の材料は、セラミックスであり、密閉容器の材料は、ステンレスを含み、端壁の外周は、外壁の開口方向の一方の端に接合され、端壁の内周は、電極支持体の一方に接合され、端壁および電極支持体の少なくとも一方は、固体電解質体および外壁の熱膨張率の違いを吸収するための弾性変形部を有するのが好ましい。
密閉容器は、さらに、負極のリード線の短絡を防ぎかつ密閉容器の気密性を保つための接続部材を有するのが好ましい。
密閉容器は、さらに、外壁の開口方向の少なくとも一方の端に配置された端壁を備え、固体電解質体および密閉容器の材料は、セラミックスであり、端壁の外周は、外壁の開口方向の一方の端に接合され、端壁の内周は、電極複合体に接合されるのが好ましい。
密閉容器は、さらに、負極燃料物質体を入れ換えるためのカバープレートを備え、カバープレートは、外壁または端壁に着脱自在に固定されるのが好ましい。
固体電解質体の材料は、セラミックスであり、密閉容器の材料は、ステンレスであり、端壁および電極支持体の少なくとも一方は、固体電解質体および外壁の熱膨張率の違いを吸収するための弾性変形部を有するのが好ましい。
固体電解質体および密閉容器の材料は、セラミックスであるのが好ましい。
ヒータは、外壁と一体的に構成されるのが好ましい。
正極は、充電時に酸素イオンを酸素に酸化し、負極は、充電時に水蒸気を水素ガスに還元し、負極燃料物質体の酸化物は、水素ガスと可逆的に反応して水蒸気を生成し、自らは負極燃料物質体となるのが好ましい。
また、本発明によれば、上記効果に加え、従来と同等以上に電力供給の安定性を高く、信頼性とメンテナンス性とエネルギー効率を良好にすることができる。
まず、本発明の第1の実施形態の燃料電池について説明する。図1Aは、本発明の第1の実施形態の燃料電池を模式的に示す正面図であり、図1Bは、その一部の変形例である。
本発明の燃料電池10では、負極燃料物質体14は、鉄粒子もしくは鉄粉末と形態保持材料とからなるペレット状のものでも良い。形態保持材料は、難焼結性材料またはその混合物からなる。難焼結性材料は、酸化アルミニウム、二酸化ケイ素、酸化マグネシウム、酸化ジルコニウムを含む。負極燃料物質体14の表面の少なくとも一部は、形態保持材料で覆われ、負極燃料物質体14に対する形態保持材料の質量比は、0.1%以上5%以下である。ペレットの直径は、例えば、2〜10mmである。
固体電解質体12aと正極12bと負極12cが三層に積層された電極複合体12と、材料がステンレスの電極支持体26と、を接合する場合には、電極複合体12を開口方向と直角に切断しただけで両端に正極12bと負極12cが露出した状態だと、電極支持体26を介して正極12bと負極12cが短絡する。
セラミックスの接合方法は、大別すると、中間材法と直接的接合法と機械的接合法の3つがある。中間材法には、有機接着剤や無機接着剤を使用した接着、無機材料や金属材料を使用したろう付けがあり、圧着もある。直接的接合法には、拡散や焼結による固相接合、電子ビームやレーザによる溶接がある。機械的接合法には、焼ばめ、ボルト締め、クランプ締めなどがある。
本発明の燃料電池110は、燃料電池10と比較すると、断熱体18の代わりに断熱体118を有する点、密閉容器20の代わりに密閉容器120を有する点、ヒータ16および外壁22の代わりに外壁122を有する点以外は同一の構成を有するものであるので、同一の構成要素には、同一の参照符号を付し、その説明を省略する。また、断熱体118は、断熱体18に対応するものであり、その形状は小径化しているが、基本的な機能は同一であるので、その説明を省略する。
本発明の燃料電池210は、燃料電池10と比較すると、ヒータ16の代わりにリード線216aとリード線216bとを備えたヒータ216および孔236aを備えたヒータ支持体236を有する点、断熱体18の代わりに断熱体218を有する点以外は同一の構成を有するものであるので、同一の構成要素には、同一の参照符号を付し、その説明を省略する。また、断熱体218は、断熱体18に対応するものであり、その形状は小径化しているが、基本的な機能は同一であるので、その説明を省略する。
本発明の燃料電池310は、燃料電池10と比較すると、電極複合体12の代わりに固体電解質体312aと正極312bと負極312cとから成りかつ正極リード線312pと負極リード線312nとを備えた電極複合体312を有する点、密閉容器20、外壁22、端壁24、電極支持体26、管継手28の代わりに密閉容器320、外壁322、端壁324、電極支持体326、管継手328を有する点以外は同一の構成を有するものであるので、同一の構成要素には、同一の参照符号を付し、その説明を省略する。
本発明の燃料電池410は、燃料電池10と比較すると、電極複合体12の代わりに固体電解質体412aと正極412bと負極412cとから成りかつ正極リード線412pと負極リード線412nとを備えた電極複合体412を有する点、密閉容器20、外壁22、端壁24の代わりに密閉容器420、外壁422、端壁424を有する点以外は同一の構成を有するものであるので、同一の構成要素には、同一の参照符号を付し、その説明を省略する。
本発明の燃料電池510は、燃料電池10と比較すると、電極複合体12の代わりに固体電解質体512aと正極512bと負極512cとから成る電極複合体512を有する点、密閉容器20、外壁22、端壁24、電極支持体26の代わりに密閉容器520、外壁522、端壁524、電極支持体526a、526b、キャップ538、排気管538aを有する点以外は同一の構成を有するものであるので、同一の構成要素には、同一の参照符号を付し、その説明を省略する。また、負極燃料物質体514、ヒータ516、断熱体518は、負極燃料物質体14、ヒータ16、断熱体18にそれぞれ対応するものであり、その形状は相違しているが、基本的な機能は同一であるので、その説明を省略する。なお、図7、図8は、燃料電池510からヒータ516、断熱体518が取り外された状態を示している。
本発明の燃料電池は、基本的に以上のように構成される。
12、312、412、512 電極複合体(SOFCチューブ)
12a、312a、412a 固体電解質体
12b、312b、412b 正極
12c、312c、412c 負極
12p、312p、412p 正極リード線
12n、312n、412n 負極リード線
14、514 負極燃料物質体
16、216、516 ヒータ
18、118、218、518 断熱体
20、120、320、420、520 密閉容器
22、122、322、422、522 外壁
24、324、424、524 端壁
26、326、526a、526b 電極支持体
28、328 管継手
30 カバープレート
32a、532a 給水部
32b、532b 排水部
32c リリーフ弁接続部
34 接続部材
42 温度計測手段
44 電圧計測手段
46 流量調整手段
48 水注入量制御手段
52 リリーフ弁
216a、216b リード線
236 ヒータ支持体
236a 孔
538 キャップ
538a 排気管
Claims (16)
- 酸素イオンを伝導する筒状の気密性の固体電解質体、前記固体電解質体の内側の面に形成され、放電時に空気中の酸素を酸素イオンに還元する正極、および前記固体電解質体の外側の面に形成され、放電時に水素ガスを水蒸気に酸化する負極から成る筒状の電極複合体と、
前記水蒸気と反応して前記水素ガスを生成し、自らは酸化物となる負極燃料物質体と、
前記電極複合体の外側に配置され、前記電極複合体の周囲を取り囲む外壁を備え、前記電極複合体と共に、前記負極燃料物質体を内部に密閉する密閉容器と、
前記密閉容器の外側および前記電極複合体の内側の少なくとも一方に配置され、前記固体電解質体および前記負極燃料物質体を所定の温度以上に加熱維持するためのヒータと、を有し、
前記負極燃料物質体は、鉄粒子もしくは鉄粉末と、酸化アルミニウム、二酸化ケイ素、酸化マグネシウム、酸化ジルコニウムを含む難焼結性材料、またはこれらの混合物からなる形態保持材料と、からなるペレット状のものであり、
前記負極燃料物質体の表面の少なくとも一部は、前記形態保持材料で覆われており、
前記負極燃料物質体に対する前記形態保持材料の質量比は、0.1%以上5%以下である燃料電池。 - 前記電極複合体の内側に供給された空気は、前記ヒータによって加熱されて上昇し、前記電極複合体の上端開口から排出されることによって、前記電極複合体の下端開口から自然に空気が流入するように、前記電極複合体は、前記下端開口から前記上端開口まで空気が連続的に上昇する内側流路を有する請求項1に記載の燃料電池。
- さらに、前記電極複合体の内側に強制的に空気が供給されるように、前記電極複合体の上端開口または下端開口に接続されたポンプを有する請求項1に記載の燃料電池。
- さらに、前記電極複合体の内側の空気温度を計測する温度計測手段と、前記正極と前記負極との間の開放電圧を計測する電圧計測手段と、前記電極複合体の一方の端に接続され、前記温度計測手段によって計測された空気温度および前記電圧計測手段によって計測された開放電圧の少なくとも一方に基づいて前記電極複合体の内側に供給される空気の流量を調整する流量調整手段と、を有する請求項1〜3のいずれか1項に記載の燃料電池。
- さらに、前記電圧計測手段によって計測された開放電圧に基づいて前記密閉容器への水の注入量を制御する水注入量制御手段を有する請求項4に記載の燃料電池。
- 前記密閉容器は、さらに、前記外壁の開口方向の少なくとも一方の端に配置された端壁と、前記電極複合体の両端のそれぞれに接合される筒状の2つの電極支持体と、を備え、
前記固体電解質体の材料は、セラミックスであり、前記密閉容器の材料は、ステンレスを含み、
前記端壁の外周は、前記外壁の開口方向の一方の端に接合され、前記端壁の内周は、前記電極支持体の一方に接合され、
前記端壁および前記電極支持体の少なくとも一方は、前記固体電解質体および前記外壁の熱膨張率の違いを吸収するための弾性変形部を有する請求項1〜5のいずれか1項に記載の燃料電池。 - 前記密閉容器は、さらに、前記負極のリード線の短絡を防ぎかつ前記密閉容器の気密性を保つための接続部材を有する請求項6に記載の燃料電池。
- 前記密閉容器は、さらに、前記外壁の開口方向の少なくとも一方の端に配置された端壁と、前記電極複合体の両端のそれぞれに接合される筒状の2つの電極支持体と、を備え、
前記固体電解質体および前記密閉容器の材料は、セラミックスであり、
前記端壁の外周は、前記外壁の開口方向の一方の端に接合され、前記端壁の内周は、前記電極支持体の一方に接合される請求項1〜5のいずれか1項に記載の燃料電池。 - 前記密閉容器は、さらに、前記外壁の開口方向の少なくとも一方の端に配置された端壁を備え、
前記固体電解質体および前記密閉容器の材料は、セラミックスであり、
前記端壁の外周は、前記外壁の開口方向の一方の端に接合され、前記端壁の内周は、前記電極複合体に接合される請求項1〜5のいずれか1項に記載の燃料電池。 - 前記密閉容器は、さらに、前記負極燃料物質体を入れ換えるためのカバープレートを備え、
前記カバープレートは、前記外壁または前記端壁に着脱自在に固定される請求項6〜9のいずれか1項に記載の燃料電池。 - 前記密閉容器は、さらに、前記外壁の開口方向の少なくとも一方の端に配置された端壁と、前記電極複合体の両端のそれぞれに接合される筒状の2つの電極支持体と、前記負極燃料物質体を入れ換えるためのキャップと、を備え、
前記端壁の外周は、前記キャップに当接し、前記外壁の開口方向の一方の端に対して前記キャップを着脱自在に螺合することによって、前記キャップを介して前記外壁の開口方向の一方の端に接合され、前記端壁の内周は、前記電極支持体の一方の端面に当接する請求項1〜5のいずれか1項に記載の燃料電池。 - 前記固体電解質体の材料は、セラミックスであり、前記密閉容器の材料は、ステンレスであり、
前記端壁および前記電極支持体の少なくとも一方は、前記固体電解質体および前記外壁の熱膨張率の違いを吸収するための弾性変形部を有する請求項11に記載の燃料電池。 - 前記固体電解質体および前記密閉容器の材料は、セラミックスである請求項11に記載の燃料電池。
- 前記ヒータは、前記外壁と一体的に構成される請求項1〜13のいずれか1項に記載の燃料電池。
- さらに、前記ヒータを前記電極複合体の内側に支持するヒータ支持体を備え、
前記ヒータ支持体は、前記電極複合体の内側に空気を供給するための孔を備える請求項1〜13のいずれか1項に記載の燃料電池。 - 前記正極は、充電時に酸素イオンを酸素に酸化し、
前記負極は、充電時に前記水蒸気を前記水素ガスに還元し、
前記負極燃料物質体の酸化物は、前記水素ガスと可逆的に反応して前記水蒸気を生成し、自らは負極燃料物質体となる請求項1〜15のいずれか1項に記載の燃料電池。
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