JPH0758618B2 - 固体電解質型燃料電池 - Google Patents

固体電解質型燃料電池

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JPH0758618B2
JPH0758618B2 JP2032383A JP3238390A JPH0758618B2 JP H0758618 B2 JPH0758618 B2 JP H0758618B2 JP 2032383 A JP2032383 A JP 2032383A JP 3238390 A JP3238390 A JP 3238390A JP H0758618 B2 JPH0758618 B2 JP H0758618B2
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英延 三澤
聡 山田
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
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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、しかも発電効率が設
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℃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SOFC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1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SOFC素子40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9a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Dのように排
ガス室19内に流出する。一方、底部プレート10の燃料流
入孔10aを通してH2やCH4等の燃料ガスをSOFC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℃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題) 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SOFC素子40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SOFC素子40を長くすると、SOFC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
大きくなり、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SOFC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かなりCO2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SOFCの縦断面図、第2図
は第1図のイ−イ線断面図である。本実施例のSOFCにつ
いて、第9図のSOFCと同一機能部材には同一符号を付
す。
第1図のSOFC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D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,LaNiO3,LaCoO3,LaCrO3等で製
造でき、ストロンチウムを添加したLaMnO3が好ましい。
固体電解質6は、一般にはイットリア安定化ジルコニア
等で製造できる。燃料電極7は、一般にはニッケル‐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SOFC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を複数個設けてあるの
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SOFCでは、酸化ガス供給管1
とSOFC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1の位置
が変化するため、酸化ガス供給管1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1とSOFC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
してあるので、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1とSOFC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、SOFC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、SOFC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SOFC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1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、SO
FC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、SOFC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SOFCにおいては、第3図のSOFC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、SOFC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、SOFC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SOFCにおいては、平板状リブ3Aを筒内空間29外
へと延長し、酸化ガス供給管1の基部にまで亘って設け
てある。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SOFC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15
が複数箇所に設けられ、各空気電極15上に固体電解質1
6、燃料電極17が順次設けられ、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,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1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、この酸化ガス流を攪乱
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。
上記各例では空気電極5,15の外側に燃料電極7,17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、電池素子
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、この平板状リブ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SOFCを示す断面図、 第2図は第1図のイ‐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SOFCを示す断面図、 第9図は従来のSOFCを示す断面図である。 1……酸化ガス供給管、1a……酸化ガス供給口 2,22……円形孔、12,32……スリット 3……平板状リブ、4……多孔質支持体 5,15……空気電極、6,16……固体電解質 7,17……燃料電極、29……筒内空間 40,50……SOFC素子 42……傾斜した酸化ガス供給口 A,B,C,D……酸化ガスの流れ

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項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。
JP2032383A 1990-02-15 1990-02-15 固体電解質型燃料電池 Expired - Lifetime JPH0758618B2 (ja)

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CA002036258A CA2036258C (en) 1990-02-15 1991-02-13 Solid oxide fuel cells
EP91301208A EP0442740B1 (en) 1990-02-15 1991-02-14 Solid oxide fuel cells
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