JPH0362460A

JPH0362460A - 固体電解質型燃料電池

Info

Publication number: JPH0362460A
Application number: JP1198396A
Authority: JP
Inventors: Katsumi Nagata; 勝巳永田; Osao Kudome; 長生久留; Satoshi Uchida; 聡内田; Tatsuo Kahata; 達雄加幡; Koji Ikeda; 浩二池田; Hiroshi Kikuchi; 洋菊地
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1989-07-31
Filing date: 1989-07-31
Publication date: 1991-03-18
Anticipated expiration: 2014-08-03
Also published as: JP2930326B2

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】［産業上の利用分野コ本発明は円筒横縞型の固体燃料質燃料電池（ＳＯＦＣ）
（以下セルという）のモジュール化技術に関する。

本発明は高温水蒸気電解セルのモジュール構造にも適用
可能である。

［従来の技術］従来の装置を第８図〜第１２図に示す。

第８図は従来のモジュール構造を示す。第８図において
、燃料供給室４、燃料排出室５及び空気供給室コ、７は
各々シールされ、燃料は燃料供給室４ｈうセル２の片方
の端から入りセル内を通り、もう一方の端から燃料排出
室５を経て外にぬける。

空気はセルの外側を流れる。従って、モジュール内にお
いて燃料と空気のシール部１が２箇所になる。

この場合、モジュール・ハウジング３とセル２との間に
は熱膨張率の違いによる熱伸び差が生じる。その場合、
２箇所のシール部１を強固に拘束してしまうと、熱伸び
差によりセルが破壊して１゜まうのでどちらか片方のシ
ール部にはフレキシビリティをもたせる必要がある。し
かし、フレキシビリティをもたせながらなおかつシール
性も確保するということは非常に困難である。

第９図は従来装置の他の例を示す。第９図にお空気供給
室２０４及燃料室２０５とに区画されている。前記空気
供給室２０４には空気供給口２０７が、前記燃料室２０
５にはガス排出口２０８が夫々設けられている。前記燃
料供給室２０Ｂから空気供給室２０４、燃焼室２０５に
亙って並列に結合された複数の円筒型固体電解質セルチ
ューブが■極側を集電極２１０によりかつｅ極側を集電
極２１１により集電された構成になっている。

さて円筒型固体電解質セルの外観図及断面図を第１０図
及び第１１図にそれぞれ示す。第一図において多孔質基
体管２１２の上に順次燃料極２１３、固体電解質２】−
４、空気極２１５を積層し、直列接続及端部に電池を集
電するインクコネクタ２１６あるいはシール材としての
シール膜２１７を設けた構造となっている。ここで、前
記基体管２１２の材質としてはＡｌ２Ｏ，１，Ｃ３Ｚ等
のセラミックスにより作られたポーラスで一定強度のあ
るものを用いる。前記燃料極２１３の材質としてはＮｉ
系サすメットＣＯ系サーメット又は純Ｎｉ、Ｃ，などが
用いられる。固体電解質２１４の材質としてはＹＳＺ、
Ｃｅ系、Ｂｉ系等が挙げられる。空気極２１５の材質と
してはペロブスカイト系結晶構造の酸化物導電材が挙げ
られる。インタコネクタ２１４の材料と１．てはＮｉＡ
１．ＮｉＣｒあるいはＬａＣｒＯ３等の材料が挙げられ
る。シール膜２１７の材料としてはＡ１□ｏ、、、ｃｓ
ｚ、ｐｓｚ等の材料が挙げられる。端部の集電は集電キ
ャップ２１８を通（、て集電線２１９により行なわれる
。

そして、従来の円筒型５ＯＦＣモジユールにおいては、
反応用電池は第１２図に示す様にモジュールの一方向か
ら供給され、反対側から排出される構造が一般的である
。

［発明が解決しようとする課題］（１）従来の装置ではモジュール・ハウジングと各セル
との間のシール箇所が２箇所あるので片方は完全に拘束
することができても、もう一方を拘束してしまうとセル
と構造材の熱膨張率の違いによりセルが破壊する恐れが
ある。

（２）上下の管仮にセルを通すための同心の穴、それも
なるべくセルとのクリアランスの小さい穴をあけるとい
う精度の高い加工が要求される。また、昇降温中に上下
管板の穴の位置関係がずれて、セルを破壊する恐れがあ
る。

（３）従来の発電装置においては、中油側の集電極及集
電キャップが高温（１０００℃程度）雰囲気である燃焼
室に位置するため高温腐食対策が必要であり材料の選定
が大きなネックとなっている。発電のための燃料にはＨ
２，ｃｏを用いるが、汎用化を考える場合はＣＨ４，Ｃ
３Ｈ８等の一般燃料の使用が不可欠である。ＣＨ４，Ｃ
３Ｈ８は次の反応により８００℃以上の雰囲気でＨ２０
とのリフォーミング反応でＣｏ、Ｈ２に分解する。

ＣＨ４＋Ｈ２０→ＣＯ＋３Ｈ２Ｃ３Ｈ８＋３Ｈ２０→３ＣＯ＋７Ｈ２しかるにこの反応にはＮｉ、Ｃ（、等の触媒が必要であ
るが、従来のセルでは燃料極に用いられるＮｉ、Ｃｏは
１００μｍ程度と薄（ＣＨ４゜Ｃ３Ｈ，と十分接触がで
きない。すなわち十分なリフォーミング反応（内部改質
）が起らない。

（４）従来装置のモジュール構造においては反応用電池
の流れが一方向であるため、モジュール内に温度分布が
変化しく人口付近の温度が低く、出口付近の温度が高い
）、これによるセルチューブの発電性能のばらつきが大
きくなり、運転が困難である。また、発電室出口での空
気排ガスの温度が非常に高くなり、排熱を利用するため
に設置される空気予熱器に高温用の特殊材料を用いる必
要がでてきて、製作が困難となる。またセルチューブを
支持している管板も酸化雰囲気の高温状態にさらされる
ので耐熱合金を用いたとしても、かする。

［課題を解決するための手段］本発明に係る固体電解質燃料電池は（１）燃料供給室　４　と燃料排出室　５　と空気供給
室　１７　を具備するモジュール・ハウジング　３　と
円筒型横縞型の固体電解質燃料電池２　からなる燃料電
池において、前記円筒型横縞型の固体電解質燃料電池　２　は、電池
　２　の一端を閉じ、他端に集電用金属キャップ　６　
を設け、キャップ　６　を貫通して電池　２　に挿入し
た燃料注入管　１２　により燃料の供給を行ない、キャ
ップ　６　と燃料注入管１２　の間隙からガスの排出を
行ない、電池２　の外側に設けた空気供給室　１７　に
より空気の供給を行ない、前記モジュール・ハウジング　３　内の隔壁１８　は、
燃料供給室　４　と燃料排気室５　の間のガス・シール
を行なうとともに、燃料注入管　１２　の燃料供給口を
有し、前記モジュール・ハウジング　３　内の管板１６
　は、燃料排気室　５　と空気供給室の内部に存在する
ように支持し、電池　２　の集電極　８　は燃料排気室　５　の内部に
設けたことを特徴とする。

すなわちセルの片端に集電キャップを取りつけ他端を完
全な閉構造とし、セルにおける燃料の供給・排出を一方
の端部のみで行うことによりシル箇所を一箇所とも、シ
ール部においてセルを支持することにより確実なガス・
シールを行う。集電についても一方の端部のリード部を
セル内までもってくることにより還元雰囲気での集電を
可能とする。（２）前記（１）の固体電解質燃料電池に
おいて電池　２　の多孔質基体管　２１２　内の燃料注
入管　２２２　の外周にＮｉフェルトを組込むことを特
徴とする。

すなわちセルの内部にＮｉフェルト２２０を挿入しセル
端部にインクコネクタリード２１６をまわりこみした電
極と接触させセル内部にＳＵＳ等の燃料注入管２２２を
挿入する事を特徴としたセルを用い集電を全て還元雰囲
気で行なうことによりＮｉフェルトを内部改質用触媒と
集電極の両用に用いる事を可能とする。

（３）前記（１）の固体燃料質燃料電池において、複数
のセルチューブ　３０４　　を集合して発電する燃料電
池の、反応用空気を導入するモジュール内の発電室　３
０３　の底部に輻射変換体３０６　　を設けるとともに
、発電室　３０３内に開口部を有する空気排出管　３０
７　　を反応用空気の導入路　３２２　内に設けたこと
を特徴とする。

すなわち反応用空気をモジュール内へ導入する際に、モ
ジュール底部に輻射変換体３０６を設置し、輻射熱によ
りモジュール外へ放散していた熱を抑制することにより
、反応用空気のモジュール入口温度を所定の温度とする
と共に、空気予熱器での過熱温度を発電室内温度より低
くすることを可能とする。そｌ？排空気を発電室内に設けた空気排出管を用い、モジュー
ル底部から導出することにより、モジュール下部で反応
用空気との熱交換を行い、排熱回収を図る。

（４）前記（１）の固体燃料質燃料電池において、複数
のセルチューブ　４０７　を集合して発電する燃料電池
の、反応用空気を導入するモジュール内の発電室　４０
３　の底部と上部に輻射変換体　４０９，４０８　　を
設けるとともに、発電室　４０３　内に開口部を有する
空気排出管４０６　を反応用空気の導入路内に設けたこ
とを特徴とする。

すなわちモジュール発電室４０３の底部及び上部に輻射
変換体（セラミックスの発泡体）４０９．４０８　　を
設置し、発電室底部より反応用空気を供給する。これに
より、発電室内の燃焼熱の放熱を底部及び上部の輻射変
換体により内部へ戻し、発電室内の温度分布を均一に保
つ。

そして上部輻射変換体より排出される空気排ガスは発電
室内の空気排出管を用い、モジュール底部から排出する
ことによりモジュール下部で反応用空気と熱交換を行い
、排熱回収を図る。

［作用］（］）本発明のモジュール構造の採用により、シール部
が１箇所となり、かつシール部がセルの支持部となるの
でより確実なシールができる。また、上下の管仮にセル
を通す同心の穴をあけるという困難な作業もなくなり、
１０００℃における管板のひずみによるセルの破壊の恐
れもなくなる。

（２）円筒型固体電解質セルの内部にＮｉフェルトを挿
入しＳＵＳ等の燃料注入管を挿入することにより還元雰
囲気での高温集電を可能としかつ内部改質を容易とする
とともに発電装置の構造がシンプルになる。

（３）モジュール底部に設置した輻射変換体は発電室内
（９００〜９５０℃）から輻射により損失していた熱エ
ネルギーを回収し、モジュールの熱効率の向上すると共
に、輻射変換体の前後での温度差を大きくとれる為、モ
ジュール人口部の空気温度を発電室内部の温度と同一と
した場合、空気予熱器での予熱温度を下げる事が可能に
なる。

（４）発電室内部に設置した空気排出管は、モジュール
下部で空気予熱を行うと同時に、周囲を供給空気が流れ
るため保温材が不要となる。これより設備がコクンバク
トになり、かつ熱効率が向上する。

（５）発電室底部及び上部に設置した輻射変換体は、輻
射により発電室内の燃焼熱が広範囲に及ぶのを防ぐため
、発電室内の温度を均一に保持できる。また発電室底部
輻射変換体において急激に温度差がつくので空気予熱器
での予熱温度を下げることかでき、また同様に発電室出
口の空気排ガス温度も下がるので空気予熱器に低級材料
を使用でき、設計・製作が容易になる。

（６）空気の供給と排出については、モジュール下部に
おいて二重管の外側を低温の反応用空気。

内側を高温の空気排ガスが通るので空気予熱を行うと同
時に空気排ガスラインの保温が不用になり極めてコンパ
クトな構造にできる。

［実施例］本発明の実施例を第１図〜第７図に示す。

第１図は本発明の第１実施例を示す。燃料は燃料入口か
ら燃料供給室４に入り、燃料注入管１２を通り、セル２
内へ導かれる。そこで発電に用いられた後、排ガスは燃
料排出室５を通り排ガス出口８から排出される。

燃料と空気とのシールはセル２に固定しテーバ型シール
リング９と管板１６とのテーバ面のすり合せにより行う
。片間部については、セル２にシールキャップ７を接着
する。ここでシールリングつとセル２及びシールキャッ
プ７とセル２の接着には高温用接着剤を用いる。

第２図に集電部構造の詳細図を示す。セルのｅ側す−ド
部１４は燃料排出室５中の還元雰囲気においてＮｉフェ
ルト１０と接触する。なおＮｉフェルト１０はセラミッ
クスリング１１によりリド部１４と密着する。Φ側のリ
ード部１５はセル２の・内側までまわりこみセル内部に
巻かれたＮｉフェルト１３によりセル上端部まで延長さ
れる。

そこで集電用金属キャップ６とセル２との熱伸び差によ
り焼きばめ状態でＮｉフェルト１０と密着する。なおリ
ード部１４．１５の酸化雰囲気の部分についてはＡ１□
Ｏ１保護膜を溶射することにより酸化を防止する。

本発明の第２実施例を第３図〜第４図に示す。

第３図において多孔質基体管２１２にＮｉフェルト２２
０を挿入後燃料注入管２２２を挿入する基体管２１２の
片端はシールキャップ２２１により閉じ空気の逆流及燃
料のリークを防止する。

■側は空気極２１５に接続したインクコネクタリード２
１６を通じＮｉフェルト２２０、燃料注入管２２２を通
り集電線２２４で集電される。

ｅ側は燃料極２１３に接続したインクコネクタリード２
１６を通じ集電線２２３で集電される。燃料は燃料注入
管２２２により供給され下部よりＮｉフェルト２２０と
接触し内部改質を行いながら発電に寄与する。

第４図に本発明によるセルを組み込んだモジュール構造
を示す。燃料（ＣＨ４等）２３４はモジュール上部の燃
料供給室２２５に導入された後燃料供給管２２２を介し
てセルチューブ２０９へ供給される。セルチューブで発
電に供されなかった燃料は燃料排出室２２６へ集められ
、モジュール外へ排出される。

一方反応用空気はモジュール下部より空気予熱室２３１
を通り予熱され、さらに輻射変換体２２っで所定の温度
まで昇温された後、発電室２２７へ導かれる。発電室で
反応した排空気は空気排出管２３０の上部から同管内を
流れ空気予熱室２３１で反応用空気と熱交換した後モジ
ュール外へ排出される。セルにより発電された電池はｅ
側は還元雰囲気の燃料排出室２２６から集電線２２４を
通り、また、■側は燃料注入管２２２を通じ集電線２２
３を通り還元雰囲気の燃料供給室２２５から集電される
。

本発明の第３実施例を第６図に示す。

第６図において、燃料はモジュール上部の燃料供給室３
０１に導入された後、燃料供給管３０９を介してセルチ
ューブ３０４へ供給される。セルチューブで発電に供さ
れなかった燃料は燃料排出室３０２へ集められ、モジュ
ール外へ排出される。

一方、反応用空気３１２は空気導入路３２２から入りモ
ジュール下部から空気予熱室３０８を通り予熱され、さ
らに輻射変換体３０６で所定の温度まで昇温された後発
電室３０３へ導かれる。

発電室で反応した排空気は空気導入路３２２内に設けた
空気排出管３０７の上部から同管内を流れ空気予熱室３
０８で反応用空気と熱交換した後モジュール外へ排出さ
れる。

反応用空気の予熱方式としてはフィン付管、充填層等の
従来から用いられている電熱促進方法が用いられる。

本発明の第４実施例を第７図に示す。第７図において燃
料４１１は燃料供給室４０１から燃料注入管４１０を通
ってセルチューブ４０７内へ供給され、発電に用いられ
た後、残りの燃料排ガス４１２は燃料排出室４０２から
排出される。反応用空気４１３は空気予熱部４０５にお
いて空気排ガス４１４の排熱により予熱され、（起動時
にはさらに起動用空気予熱室４０４において予熱される
）底部輻射変換体４０９において所定の温度まで昇温さ
れ、発電室４０３内で発電に用いられた後、上部輻射変
換体４０８においである程度まで温度が下がった状態で
空気排出管４０６に入り、排出される。

［発明の効果］本発明は前述のように構成されているのて、以下に記載
するような効果を奏する。

（１）シール・リングのテーバ部においてセルを支持す
ると共にシールするので確実なシールができる。

（２）完全な還元雰囲気におけるシールができる。

セル内部に巻いたＮｉフェルトは繊維状なので燃料と空
気の反応を妨げることはない。

（３）シール・集電部がセル上端部に集中しているので
セルの装着等メンテナンス性が著しく向上する。

（４）本発明により従来高温酸化雰囲気でしか集電でき
なかったのに比べ還元雰囲気での集電が可能となり金属
での集電が可能になった。また内部改質の計測結果は第
５図に示すように、従来のセルに比べ低い水蒸気添加率
でＣＨ４を完全にＣＯＯＲ１４分解でき全体の熱効率が
相対値で１０％近く向上する事が可能になった。

（５）モジュール底部に設置する輻射変換体の作用によ
り発電室内の温度のばらつきを最小限とすると同時に、
モジュール人口部の空気予熱温度を下げることが可能と
なる。また従来輻射により失われていた熱エネルギを回
収することによりモジュールの熱効率の向上を図ること
ができる。

（６）発電室内に設置する空気排出管の作用により排空
気の熱回収を行うとともに排空気及び反応用空気のモジ
ュール出入口温度を下げることが可能となり、空気予熱
器の材質のグレードを下げることができる。

（７）輻射変換体の作用により、発電室内の温度分布を
均一に保つことができ、セルチューブ間の発電性能のば
らつきを最小に抑えることが可能となる。

（８）管板部の温度がある程度下がるので、熱応力が低
減する。強度及びクリープ強度も上昇し、管板の耐久性
・信頼性が向上する。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の第１実施例を示す図、第２図は、第
１実施例の集電部構造の詳細図、第３図〜第４図は、本
発明の第２実施例を示す図、第５図は燃料中の水蒸気モ
ル率とセル出口のＣＨ４濃度の比較図、第６図は、本発
明の第３実施例を示す図、第７図は本発明の第４実施例
を示す図、第８図〜第１２図は、従来のセルを示す図で
ある。１・・・シール部、２・・・セル、３・・・モジュール
ハウジング、４・・・燃料供給室、５・・・燃料排出室
、６・・・集電用金属キャップ、７・・・シール・キャ
ップ、８・・・集電極、９・・・テーバ型シールリング
、１０・・・Ｎｉフェルト、１１・・・セラミックス・
リング、１２・・・燃料注入管、１３・・・Ｎｉフェル
ト、１４゜１５・・・セルリード部、１６・・・管板、
１７・・・空気供給室、２１２・・・多孔質基体管、２
２０・・・Ｎｉフェルト、２２２・・・燃料注入管、３
０３，４０３・・・発電室、３０４，４０７・・・セル
チューブ、３０６・・・輻射変換体、３０７，４０６・
・・空気排出管、３２２・・・反応用空気導入路、４０
８・・・上部輻射変換体、４０９・・・下部輻射変換体
。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）燃料供給室（４）と燃料排出室（５）と空気供給
室（１７）を具備するモジュール・ハウジング（３）と
円筒型横縞型の固体電解質燃料電池（２）からなる燃料
電池において、前記円筒型横縞型の固体電解質燃料電池（２）は、電池
（２）の一端を閉じ、他端に集電用金属キャップ（６）
を設け、キャップ（６）を貫通して電池（２）に挿入し
た燃料注入管（１２）により燃料の供給を行ない、キャ
ップ（６）と燃料注入管（１２）の間隙からガスの排出
を行ない、電池（２）の外側に設けた空気供給室（１７
）により空気の供給を行ない、前記モジュール・ハウジング（３）内の隔壁（１８）は
、燃料供給室（４）と燃料排気室（５）の間のガス・シ
ールを行なうとともに、燃料注入管（１２）の燃料供給
口を有し、前記モジュール・ハウジング（３）内の管板
（１６）は、燃料排気室（５）と空気供給室（１７）の
間のガス・シールを行なうとともに、各電池（２）のキ
ャップ（６）が燃料排気室（５）の内部に存在するよう
に支持し、電池（２）の集電極（８）は燃料排気室（５）の内部に
設けたことを特徴とする固体電解質燃料電池。
（２）電池（２）の多孔質基体管（２１２）内の燃料注
入管（２２２）の外周にＮｉフェルトを組込むことを特
徴とする請求項（１）記載の固体電解質燃料電池。
（３）複数のセルチューブ（３０４）を集合して発電す
る燃料電池において、反応用空気を導入するモジュール
内の発電室（３０３）の底部に輻射変換体（３０６）を
設けるとともに、発電室（３０３）内に開口部を有する
空気排出管（３０７）を反応用空気の導入路（３２２）
内に設けたことを特徴とする請求項（１）記載の固体燃
料質燃料電池。
（４）複数のセルチューブ（４０７）を集合して発電す
る燃料電池において、反応用空気を導入するモジュール
内の発電室（４０３）の底部と上部に輻射変換体（４０
９、４０８）を設けるとともに、発電室（４０３）内に
開口部を有する空気排出管（４０６）を反応用空気の導
入路内に設けたことを特徴とする請求項（１）記載の固
体燃料質燃料電池。