JPH03238763A - 固体電解質型燃料電池 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は固体電解質型燃料電池に関するものである。

（従来の技術） 最近、燃料電池が発電装置として注目されている。これ
は、燃料が有する化学エネルギーを直接電気エネルギー
に変換できる装置で、カルノーサイクルの制約を受けな
いため、本質的に高いエネルギー変換効率を有し、燃料
の多様化が可能で（ナフサ、天然ガス、メタノール、石
炭改質ガス。

重油等）、低公害で、しがも発電効率が設備規模によっ
て影響されず、極めて有望な技術である。

特に、固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）は、１０００
’Ｃの高温で作動するため電極反応が極めて活発で、高
価な白金などの貴金属触媒を全く必要とせず、分極が小
さく、出力電圧も比較的高いため、エネルギー変換効率
が他の燃料電池にくらべ著しく高い。更に、構造材は全
て固体から構成されるため、安定且つ長寿命である。

第９図はこうした５ＯＦＧの一例を示す概略断面図であ
る。

第９図において、１は空気等の酸化ガスを導入するため
の酸化ガス供給管、４は有底多孔質支持管、５は空気電
極、６は固体電解質、７は燃料電極、８は酸化ガス供給
管工を保持するとともに酸化ガス室１８と排ガス室１９
との区分を行う上部プレート、１０は５ＯＦＣ素子４ｏ
を保持するとともに電池反応室２０と燃料室３０とを区
分する燃料流入孔１０ａを有する底部プレート、９は排
ガス室１９と電池反応室２０とを区分するガス流出孔９
ａを有するプレートである。

この状態で、矢印Ａのように、空気等の酸化ガスを酸化
ガス室１８より酸化ガス供給管１へと供給すると、酸化
ガス供給口１ａより排出された酸化ガスが有底部で矢印
Ｂのように反転し、筒内空間２９内を流れ、矢印りのよ
うに排ガス室１９内に流出する。一方、底部プレート１
０の燃料流入孔１０ａを通してＨ２やＣＨ４等の燃料ガ
スを５ＯＦＣ素子４０の外表面に沿って流すことにより
、固体電解質を通して酸素イオンの流れが生じ、燃料極
で燃料と反応し、その結果、空気極と燃料極との間に電
流が流れ、電池として使用することができる。この燃料
電池は１０００°Ｃ程度の高温下で使用されるため、シ
ール部なしで構成できる第９図に示す形態が好ましい態
様といえる。

（発明が解決しようとする課Ｂ） ＳＯＦＣの実用化においてはコストの低減と電力密度の
向上が必要である。このため５ＯＦＣ素子４ｏを長尺化
して一本当たりの発電出力を上げることが要請されてい
る。しかし、袋管状の５ＯＦＣ素子４ｏを長くすると、
５ＯＦＣ素子４０の長手方向にそって電極反応の不均一
にともなう温度勾配が太き（なり、熱歪応力を増大させ
るという問題があった。

即ち、酸化ガス供給口１ａの近辺では、まだ酸素含有量
が多いため、電気化学的反応である電極反応が活発であ
るので温度が上昇し、この温度上昇によって燃料電極面
での酸素イオンと燃料ガスとの電極反応がますます活発
となる。一方、他端では、酸化ガスがかなり濃度減少し
ているため、反応が不活発で温度が低く、この温度の低
さからますます反応が不活発となる。この傾向は、袋管
状の単電池が長くなるにつれて一層大きくなる。

また、固体電解質４の内側に燃料電極を設け、筒内空間
へと燃料ガスを供給して発電を行う型の５ＯＦＣにおい
ても同様の問題が発生する。しかも、この場合には、濃
度が減少した燃料ガス中にがなりＣＯ□および水蒸気等
が含まれており、これらが電極面に付着して反応を阻害
するため、ますます反応が不活発となり温度の不均一が
著しい。

本発明の課題は、有底筒状の固体電解質型燃料電池にお
いて、電池長手方向の反応性、温度の不均一を少なくし
、熱歪応力の低減、発電効率の向上を達成できるような
固体電解質型燃料電池を提供することである。

（課題を解決するための手段） 本発明は、空気電極と固体電解質と燃料電極とを少なく
とも有する有底筒状の固体電解質型燃料電池素子と、こ
の固体電解質型燃料電池素子の筒内空間へと酸化ガス又
は燃料ガスを供給するガス供給部を有しかつ前記筒内空
間へと挿入されたガス供給管とを有する固体電解質型燃
料電池であって、前記ガス供給部が前記ガス供給管の少
なくとも側面に設けられていることを特徴とする固体電
解質型燃料電池に係るものである。

（実施例） 第１図は本発明の実施例に係る５ＯＦＣの縦断面図、第
２図は第１図のイーイ線断面図である。本実施例の５Ｏ
ＦＣについて、第９図の５ＯＦＣと同一機能部材には同
一符号を付す。

第１図の５ＯＦＣでは、酸化ガス供給管１の側面に、同
じ径の円形孔２が複数個、長手方向に向かって配置され
、また、酸化ガス供給管１の外周面と多孔質支持体４と
の間に平板状リブ３を例えば２列設けている。従って、
酸化ガス供給管１内へと供給された酸化ガスは、各円形
孔２から順次矢印Ｃのように吹き出し、発電に利用され
た後、先端の酸化ガス供給口１ａより排出された酸化ガ
スと混合され、矢印りのように排ガス室１９へと排出さ
れる。

空気電極５は、ドーピングされたか、又はドーピングさ
れていないＬａＭｎＯ３，ＣａＭｎＯ３，ＬａＮｉ０＋
。

ＬａＣｏＯ３，ＬａＣｒ０．等で製造でき、ストロンチ
ウムを添加したＬａＭｎ０．が好ましい。固体電解質６
は、般にはイツトリア安定化ジルコニア等で製造できる
。燃料電極７は、−ａにはニッケルージルコニアサーメ
ット又はコバルト−ジルコニアサーメットである。

本実施例の５ｏｐｃによれば、以下の効果を奏しうる。

（１）従来は、前述したように、筒内空間２９内におい
て、酸化ガス供給口から離れるにつれて酸化ガス濃度が
減少し、電気化学的反応が低下し、それに伴って温度も
低下していた。

これに対し、本実施例では、酸化ガス供給管１の側面に
長手方向に向かって順次円形孔２を複数個設けであるの
で、各円形孔２が酸化ガス供給部として機能し、各円形
孔２からそれぞれ新鮮な酸化ガスが供給される。したが
って、筒内空間２９の全体に亘って新鮮な酸化ガスが供
給され、既に濃度の減少した酸化ガスと混合されるので
、また混・合ガス流の乱流化も加わって、酸素濃度勾配
は小さくなり、電極反応の反応が均一化され、温度も均
一化される。これにより、全体として熱歪応力を低減で
き、かつ全体の発電効率を高めることができる。

（２）第９図に示す構造の５ＯＦＣでは、酸化ガス供給
管ｌと５ＯＦＣ素子４０とが別体であるので、筒内空間
２９内における酸化ガス供給管１の正確な位置決めが難
しかった。このため、筒内空間２９内において酸化ガス
供給管ｌの位置が変化するため、酸化ガス供給管ｌの外
周面と多孔質支持体４の内周面との間を上昇する酸化ガ
スの流れが変化し、各セル毎の性能のバラツキ等の問題
があった。

これに対し、本実施例では、酸化ガス供給管ｌと５ｏｐ
ｃ素子４０との間を平板状リブ３によって連結し、一体
構造としであるので、筒内空間２９内における酸化ガス
供給管１の位置決めが確実にでき、酸化ガス供給管ｌと
５ＯＦＣ素子４０との間の相対位置変化に起因する性能
のバラツキが皆無になる。しかも、平板状リブ３が酸化
ガス供給管１から放射状に伸びた形状なので、５ＯＦＣ
素子４０の機械的強度も、構造力学的にみて著しく増大
する。

なお、平板状リブ３を三列以上設け、各リブのなす角度
を１８０°より小さくすると、５ＯＦＣ素子の機械的強
度、特に圧環強度を一層増大させるには一層好都合であ
る。

第３図の５ｏｐｃにおいては、酸化ガス供給管１の側面
に酸化ガス供給部として複数の円形孔を設ける代わりに
、細長い矩形のスリット１２を設け、このスリット１２
から新鮮な酸化ガスを流出させる。

スリット１２は、平板状リブ３によって画成される各区
分毎に設ける。

第４図においては、酸化ガス供給管ｌの側面にやはり複
数の円形孔２２を酸化ガス供給部として設けると共に、
５ｏｐｃ素子４０の開口部に近い方から有底部の方へと
向かって円形孔２２の径を徐々に大きくしている。従っ
て、５ｏｐｃ素子４０の開口部に近い方の円形孔２２か
ら酸化ガスが多く流出して有底部に近い方へと充分に酸
化ガスが供給されないという事態が生ずることはなく。

円形孔２２の径を調節することによって筒内空間２９内
の酸化ガス濃度を調節できる。

第５図の５ＯＦＣにおいては、第３図の５ＯＦＣと同様
に酸化ガス供給管１の側面に酸化ガス供給部としてスリ
ット３２を設け、５ＯＦＣ素子４０の開口部に近い側で
はスリット３２の幅を小さくし、５ＯＦＣ素子４０の有
底部側へと向かうにつれてスリット３２の幅を徐々に大
きくしている。こうしたスリット３２を採用することに
よっても、第４図の例と同様の効果を奏しうる。

第６図の５ＯＦＣにおいては、平板状リブ３八を筒内空
間２９外へと延長し、酸化ガス供給管ｌの基部にまで亘
って設けである。こうした形状の列状リブは放熱フィン
の役目を果たすため、この部分で酸化ガス供給管１中を
送られる酸化ガスを予熱する際、酸化ガス供給管１中を
流れる酸化ガスと管外の燃焼排ガスとの間の熱交換効率
を向上させることができる。従って、筒内空間２９内へ
と供給される酸化ガスの温度を更に高く出来るので、装
置全体の熱変換効率が一層向上する。

第７図はいわゆるマルチセルタイプの５ＯＦＣに本発明
を適用した例を示す部分断面図である。

多孔質支持体４の表面に、所定間隔を置いて空気電極１
５が複数箇所に設けられ、各空気電極１５上に固体電解
質１６、燃料電極１７が順次膜けられ、各燃料電極１７
と隣接する空気電極１５とがインターコネクター２８に
よって電気的に順次接続されている。

上述の例は種々変更できる。

第１図、第４図５第６図、第７図において、円形孔２の
向きを酸化ガス供給管１の壁面の法線と一致させると、
円形孔２から酸化ガスが第１図において水平に流出する
。また、円形孔２の向きを酸化ガス供給管１の壁面の法
線に対して所定角度傾けることができ、壁面の法線に対
して供給管１の長手方向（第１図において上下方向）に
傾けると酸化ガスが上方又は下方へと向けて流出し、壁
面の法線に対して供給管１の径方向（第１図において左
右方向）に傾けると酸化ガスが左方又は右方へと片寄っ
て流出する。

即ち、例えば第８図に示すように、酸化ガス供給管Ｉの
側面に設けた酸化ガス供給口４２を傾斜させ、矢印Ｃに
示すように酸化ガスを有底部の方向へと傾けて流出させ
ると、この酸化ガス流が、矢印Ｂのように有底部の方か
ら流れてきた酸化ガス流と衝突し、この酸化ガス流を撹
乱して乱流化し易くなるので、この攪拌効果によって一
層酸素濃度勾配を小さくできる。

上記各側では空気電極５．１５の外側に燃料電極７．１
７を設けたが、この電極配置を逆にしてもよい。この場
合には、筒内空間２９へと燃料ガスを供給し、外部に酸
化ガスを供給する。

第１図では燃料電池素子４０を垂直に支持したが、この
発電装置全体を水平にしてもよく、また所定角度傾けて
もよい。

上述の例では、多孔質の有底管を用いてこの上に単位電
池を形成したが、空気電極自体を剛性体とし、電池要素
で自立できる構造としてもよい。

また、第３図〜第６図において、酸化ガス供給管１の左
側末端にフランジ部を設ければ、第１図に示すように燃
料電池として使用するとき、上部プレート８にこのフラ
ンジ部を係合させることにより、装置への固定を簡単に
達成することができる。

また、上述した例では、酸化ガス供給管と多孔質支持体
４との間の筒内空間２９のみを平板状リブ３で画成した
が、この平板状リプをそのまま酸化ガス供給管の中心ま
で延長して酸化ガス供給管内をも平板状リブで画成した
部屋に分けることもできる。

こうすることによって、燃料電池のインターコネクター
のように気相反応によって多孔質支持体表面上に部分的
に薄膜を形成する際に、形成する部分に対応する部屋（
区画）のみに反応ガスを流せば部分的な形成が可能とな
り、従来行っていたマスキングを省略することができる
。

更に、上述の例では、酸化ガス供給管１の側面の円形孔
２，２２、スリット１２．３２を酸化ガス供給部とした
が、他の構成の酸化ガス供給部を採用してもよい。例え
ば、多数の小孔を乱雑に設けてもよく、この場合、有底
部に近づくにつれて小孔の密度を増せば第４図、第５図
の例と同様の効果を奏しうる。

（発明の効果） 本発明に係る固体電解質型燃料電池によれば、筒内空間
へと酸化ガス又は燃料ガスを供給するガス供給部がガス
供給管の少なくとも側面に設けられているので、この側
面ガス供給部から新鮮な酸化ガス又は燃料ガスが供給さ
れ、既に濃度の減少減損したガスと混合されるため、筒
内空間における酸素濃度勾配は小さくなり、電極反応の
反応性、温度が均一化される。これにより、全体として
熱応力を低減でき、かつ全体の発電効率を高めることが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例に係る５ＯＦＣを示す断面図、 第２図は第１図のイーイ線断面図、 第３図、第４図、第５図、第６図、第７図、第８図はそ
れぞれ他の実施例に係る５ＯＦＣを示す断面図、 第９図は従来の５ＯＦＣを示す断面図である。 ｌ・・・酸化ガス供給管　　　１ａ川酸酸化ガス供給２
．２２・・・円形孔　　　　　１２．３２・・・スリッ
ト３・・・平板状リプ　　　　　４・・・多孔質支持体
５、ＩＳ・・・空気電極　　　　６．１６・・・固体電
解質７．１７・・・燃料電極　　　　２９・・・筒内空
間４０、５０・・・５ＯＦＣ素子 ４２・・・傾斜した酸化ガス供給口 Ａ、Ｂ、Ｃ，Ｄ用酸化ガスの流れ 同

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、空気電極と固体電解質と燃料電極とを少なくとも有
   する有底筒状の固体電解質型燃料電池素子と、この固体
   電解質型燃料電池素子の筒内空間へと酸化ガス又は燃料
   ガスを供給するガス供給部を有しかつ前記筒内空間へと
   挿入されたガス供給管とを有する固体電解質型燃料電池
   であって、前記ガス供給部が前記ガス供給管の少なくと
   も側面に設けられていることを特徴とする固体電解質型
   燃料電池。