JPH04280073A - 固体電解質型燃料電池 - Google Patents
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Abstract
め要約のデータは記録されません。
Description
固体電解質型燃料電池に関するものある。
を有し、定常運転時において冷却体中に冷却媒体を還流
して電池からの発熱を除熱し、電池温度を一定に保って
いた。この冷却体を装備した固体電解質型燃料電池の一
般的な電池積層体構造を図4の分解斜視図に示す。1は
、固体電解質層11、燃料極12、空気極13、燃料極
用リブ状多孔質基材14、空気極用リブ状多孔質基材1
5、およびセパレータ16より成る単電池(単にセルと
もいう)であり、このようなセル1を多数個積層してセ
ルスタック(単電池積層体)2を構成している。さらに
前記セルスタック2には、数セル置きに冷却体3が介装
されている。この冷却体3は、冷却基板4と該冷却基板
4の層内に埋設して並置配管された金層製の冷却パイプ
5との組立体として成り、かつ各冷却パイプ5はヘッダ
パイプ6に一括接続した上で外部の図示されていない冷
却媒体供給ラインに接続されている。また、冷却基板4
に冷却パイプ5を埋設配管する方法としては、上下二つ
割構造の冷却基板4の合わせ面に形成した複数列のパイ
プ溝内に各冷却パイプ5を収容する方式、あるいは一枚
の冷却基板の面上に複数列のU字形パイプ溝を形成し、
かつこの溝内に各冷却パイプ5を収容,接続し、さらに
同じU字形パイプ溝を形成した冷却基板を上部からはさ
む方式で実施されている。
来の技術による固体電解質型燃料電池の冷却体は、電池
運転時の発熱を除去する機能を果たすのみで、この燃料
電池の反応熱を有効に利用することができないという問
題点があった。すなわち、本来、固体電解質型燃料電池
は、動作温度が800〜1000℃と高く、かつ動作時
の発熱温度も高いため、そこから取り出せるエネルギー
量が大きいにもかかわらず、その反応熱は単に冷却体を
経由して系外に放出されるのみで、有効に利用されては
いなかった。
されたものであり、その目的は、燃料電池運転時の燃料
電池の反応温度を良好な状態に保つと同時に、燃料電池
の運転に伴う反応熱を利用して電気出力を更に増加させ
、発熱効率を向上させる固体電解質型燃料電池を提供す
ることにある。
め、本発明の固体電解質型燃料電池においては、複数の
板状の単電池より形成される電池積層体およびこの電池
積層体を冷却する冷却体からなる固体電解質型燃料電池
において、前記電池積層体と冷却体との間に熱電発電素
子または温度差電池を組み込んで、これらの熱電発電素
子または温度差電池からも電気出力を取り出すことを特
徴としている。
除熱を行うとともに、熱電発電素子または温度差電池が
、この冷却体を低温浴とし、単電池積層体内の反応熱を
高温熱源として、単電池積層体内の温度(高温)と冷却
体(低温)との温度差にほぼ比例した熱起電力で熱電変
換することにより、電気出力を増加させる。
細に説明する。
である。図において、2は図4の従来例と同様に構成さ
れているセルスタック、3は同じく従来例と同様に冷却
基板4と冷却基板4の層内に埋設して並置配管された金
属製の冷却パイプ5とこの冷却パイプ5を一括接続した
ヘッダパイプ6とから構成されている冷却体、7は熱電
発電素子である。冷却体3は、セルスタック2内の数セ
ル置きに設けられるが、本実施例では冷却体3とセルス
タック2のセルの間に熱電発電素子7を設置する。
図である。図において、71はn形熱電半導体、72は
p形熱電半導体、73は金属電極を示している。通常、
熱電発電素子7としては、複数のn形熱電半導体素子7
1およびp形熱電半導体72が金属電極73により交互
に電気的に直列に接続されてユニット化されたサーモモ
ジュールが用いられる。ここで、一方の面の金属電極7
3側(高温側)を図1のセルスタック2側に接するよう
にし、他方の面の金属電極73側(低温側)を冷却体3
側に接するように配置すると、n形熱電半導体71は高
温側が正(+),低温側が負(−)になるように熱起電
力を発現し、p形熱電半導体72は高温側が負(−),
低温側が正(+)になるように熱起電力を発現して、端
子電圧VMで矢示のような方向に電流Iを流すことがで
きる。このn形およびp形の熱電半導体材料としては、
ビスマステルル系、鉛テルル系、鉄シリコーン系、シリ
コーンゲルマニウム系、ビスマスアンチモン系、ガリウ
ムリン系等のものが用いられるが、本発明ではこれらに
限定されず、温度差間に設置された時に起電力を発現し
出力が取り出せれるものであればよい。
および作用を述べる。熱電発電素子7は、燃料電池運転
時におけるセルスタック2内の反応熱を高温熱源とし、
冷却体3を低温浴としてセルスタック2内の温度と冷却
体3の温度差にほぼ比例した熱起電力を発現して、電気
出力を増加させる。これにより発電効率を向上させるこ
とができる。また、これと同時に、セルスタック2内の
反応熱は、熱電発電素子7を介して、冷却体3により除
熱され、セルスタック2の温度制御が行われる。
発電素子7として、発電能力15mV/℃を有する鉄シ
リコーン系(FeSi2)熱電半導体を用いたサーモモ
ジュールを設置し、固体電解質型燃料電池を定常運転し
てセルスタック2の温度を1000℃、冷却体3の温度
を200℃とした時、ほぼ温度差800℃に比例した熱
起電力を発生し、熱電発電素子7は電圧12Vの発電能
力を有していた。なお、上記熱電発電素子7のサーモモ
ジュールを設置した場合でも、セルスタック2の温度制
御は正常に行なわれた。
電素子7に代えて、温度差電池を用いたものである。従
って、熱電変換を行う部材が異なる他は、図1の第1の
実施例と同様に構成される。即ち、図1のセルスタック
2内の数セル置きに設けられる冷却体3とセルスタック
2のセルの間に温度差電池が設置される。
である。図において、74は上部空間、75,76は多
孔質カーボン電極、77はAgCl溶融塩電解質、78
は下部空間、79は管路を示している。温度差電池7の
構成においては、2枚の多孔質カーボン電極75,76
間にAgCl溶融塩電解質77を、電極75,76の上
部および下部に空間74,78を有し、この上部,下部
空間74,78は、管路79でつながった構造となって
おり、塩素ガスCl2で満たされている。
置かれた時に熱起電力を生じ、低温側電極ではe−+1
/2Cl2→Cl−となり、Cl−がAgCl溶融塩電
解質77間を移動し、高温側電極75ではCl−→1/
2Cl2+e−となり、Cl2ガスを発生する。Cl2
ガスは拡散により上部空間74から管路79を通して下
部空間78へ移動することによって、再び反応し、定常
的に出力を取り出すことができる。
電力が小さいことから、n形(高温側が負、低温側が正
)およびp形(高温側が正、低温側が負)の単セル電池
を図2と同様に電気的に直列に接続してユニット化した
サーモモジュールを用いてもよい。温度差電池例として
は、正極/電解質/負極が、固体電解質型のAg/α−
AgI/Ag系、I2,C/α−AgI/C,I2系、
O2+N2/ζ−(Bi2O3)1−X(Y2O3)X
/Pt,O2+N2(X=0,0.3)系、溶融塩電解
質型αAg/AgX(χ),AgY(1−χ)/Ag(
X,Y=I,Br,Cl,NO3,χ=1〜0)系、C
l2,C/MCl/C,Cl2(M=K,Na,Li)
系、Ag/AgNO3(χ),MNO3(1−χ)/A
g(χ=1〜0.2,M=K,Rb,Cs)系、Ni/
NiCl2/KCl(0.46),ZnCl2(0.5
4)/CuCl/Cu系、O2+CO2,Pt/M2C
O3/Pt,O2+CO2(M=Li,Na,K)系、
水溶液系のPt/Fe(CN)64−,Fe(CN)6
3−,K2SO4/Pt系、Pt/Fe2+,Fe3+
,HCl/Pt系等のもの使用ができるが、本発明では
これらに限定されず、温度差間に設置された時に起電力
を発現して出力が取り出せれるものであればよい。
、温度差電池7が、第1の実施例の熱電発電素子7と同
様に動作し機能を果すことから、燃料電池に発生する熱
エネルギーを電気に変換して発電効率を向上させると同
時に、セルスタック内の反応熱を除熱することができる
。
を活物質とし、電解質に塩化銀溶融塩を用いた発電能力
15mV/℃を有する温度差電池7を図1に示すように
設置し、固体電解質燃料電池を定常運転して、セルスタ
ック2の温度を1000℃、冷却体の温度を500℃と
した時、温度差電池7は、ほぼ温度差500℃に比例し
た熱起電力を発生し、電圧7.5Vの発電能力を有して
いた。なお、上記温度差電池7を設置した場合でも、セ
ルスタック2の温度制御は正常であった。
固体電解質型燃料電池は、電池積層体と冷却体との間に
熱電発電素子または温度差電池を組み込むことにより、
燃料電池の反応温度を良好な状態に保つと同時に、この
時得られる高温の熱エネルギーを有効に利用して発電を
行う機能を付加することが可能であり、燃料の電気出力
への変換効率を向上させることができる。この変換能力
の向上は、発熱の大きい大容量機に適用すると一層効果
的である。
記第1の実施例の熱電発電素子の構成例を示す斜視図
成例を示す斜視図
却パイプ、6…ヘッダパイプ、7…熱電発電素子または
温度差電池。
Claims (1)
- 【請求項1】 複数の板状の単電池より形成される電
池積層体およびこの電池積層体を冷却する冷却体からな
る固体電解質型燃料電池において、前記電池積層体と冷
却体との間に熱電発電素子または温度差電池を組み込ん
で、これらの熱電発電素子または温度差電池からも電気
出力を取り出すことを特徴とする固体電解質型燃料電池
。
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