JPH08255618A

JPH08255618A - 固体電解質型燃料電池

Info

Publication number: JPH08255618A
Application number: JP7083491A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Nakajima; 弘之中島; Kimiyasu Tachibana; 公康立花; Masanobu Aizawa; 正信相沢; Masahiro Kuroishi; 正宏黒石
Original assignee: Toto Ltd; Kyushu Electric Power Co Inc
Current assignee: Toto Ltd; Kyushu Electric Power Co Inc
Priority date: 1995-03-16
Filing date: 1995-03-16
Publication date: 1996-10-01

Abstract

(57)【要約】【目的】円筒形セルの集積された発電室内へのガス供
給を均一化することにより発電性能を向上させた固体電
解質型燃料電池を提供する。【構成】本発明の固体電解質型燃料電池１は、円筒形
セル集合体３と、セル７の外周部の流路にガスを供給す
るガス（燃料）供給室２０と、を備えている。このガス
供給室２０に、セラミックハニカム２１やセラミック連
続多孔体２３からなるガス整流体が設置されていること
を特徴とする。ガス整流体は、ガスをガス供給室内に均
一に分散・整流して円筒形セル７におくる役割を果た
す。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、円筒形セル型の固体電
解質型燃料電池に関する。特には、円筒形セルの集積さ
れた発電室内へのガス供給を均一化することにより発電
性能を向上させた固体電解質型燃料電池に関する。さら
に、天然ガスを直接に燃料として用いることのできる固
体電解質型燃料電池に関する。

【０００２】

【従来の技術】図９は、従来知られている代表的な円筒
形セル型の固体電解質型燃料電池１’の構造を示す図で
ある。（Ａ）は側面断面図、（Ｂ）は平面断面図であ
る。この燃料電池１’の中枢部分である円筒形セル集合
体３は、ケーシング１３内の発電室２内に納められてお
り、細長い円筒状（寸法例、直径１３mm×発電有効長５
００mm）の多数の円筒形セル７から構成されている。円
筒形セル７は、上端開放・下端閉（有底筒状）のセラミ
ックチューブである。円筒形セル７の断面は多層円筒状
をしており、空気電極、固体電解質層、燃料電極等の各
層（図示されず）が積層されている。セル７は、そのボ
トム１９において、セラミック台４１上に置かれてい
る。セラミック台４１は、ケーシング１３の底板２５上
に置かれている。

【０００３】円筒形セル７の各層の肉厚は数μm 〜１．
５mmであり、それぞれ必要な機能（導電性、通気性、固
体電解質、電気化学触媒性等）を有する酸化物を主成分
とするセラミックス材で形成されている。この円筒形セ
ル７の内面に酸化剤（空気や酸素リッチガス等、以下空
気と言う）を流し、外面にH₂、CO、CH₄ などの燃料ガス
を流すと、このセル内でＯ^2-イオンが移動して電気化学
的反応が起こり、空気電極と燃料電極との間に電位差が
生じ発電が行われる。なお、円筒形セル７の内外関係は
逆であってもよい。

【０００４】円筒形セル７内には、空気を通すための細
長い空気導入管５が通っている。空気導入管５は、燃料
電池１’上部の空気分配器（図示されず）から下に出て
セル７内に入り、その下端はセル７の底近くにまで達し
ている。この空気導入管５の下端から、空気が円筒形セ
ル７の底に供給される。セル底に供給された空気は、上
述の発電反応に寄与しつつチューブ内を上方に向い、セ
ル７上端部からセル７外に出て排気燃焼室（図示され
ず）に至る。この排気燃焼室においては、後述する燃料
ガス排気と空気排気とが混合され、排気中の未反応の酸
素と燃料が燃焼（一般的な燃焼）する。

【０００５】円筒形セル７の外面には、燃料電池１’下
部の燃料供給室２０から上方に向けて、燃料ガスが供給
される。なお燃料ガスは燃料供給管２７から燃料供給室
２０内に入る。燃料ガスは、上述の発電反応に寄与しつ
つセル７外を上方に向い、未反応部分の燃料ガスと、セ
ル部での電気化学的燃焼反応生成物（CO₂ 、H₂O 等）
は、上述の排気燃焼室に入る。排気燃焼室で燃焼した後
の排ガスの顕熱は、燃料電池に供給される空気及び燃料
ガスの予熱に用いられたり、あるいは、通常の蒸気ボイ
ラー・タービンを用いる発電システムに送られて発電に
利用される。

【０００６】次に、図９の燃料電池１’における円筒形
セル７の電気的接続関係について説明する。図９（Ｂ）
に示されているように、図の左右方向に４列に並んでい
る円筒形セル７は、互いに電気的に直列に接続されてい
る。すなわち、右側の円筒形セルのインターコネクター
１５が、その左側の円筒形セルの外面（外面電極、この
場合燃料電極）に、Niフェルト１７を介して接続されて
いる。通常の燃料電池にあっては、円筒形セル１本にお
ける発電電圧は約１ボルトなので、多数の円筒形セルを
直列に接続して所要の電圧を得る。円筒形セル集合体３
の最外列の外側には、集電板９、９′が、Ｎｉフェルト
１１、１１’を介して、円筒形セル７に接続されてい
る。この集電板９から、セル集合体１で発電された電力
を外部へ取り出す。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】図９のような従来の固
体電解質型燃料電池にあっては、発電室２０内における
各セル７への燃料供給が不均一となる問題があった。す
なわち、中央部のセル７に優先的に燃料が流れ、周辺部
（ケーシング１３寄り）のセル７に十分な燃料が供給さ
れないのである。そのため、周辺部のセルの発電性能が
十分に出ず、その結果燃料電池全体の出力も低くなって
いた。

【０００８】この問題を定量的に把握するため、次のよ
うな実験を行った。使用燃料電池：図９に示されている３×４列
のセルを有するもの。空気局材質： LaSrMnO₃ インターコネクタ材質： LaCaCrO₃ 電解質： Y₂O₃安定化ZrO₂（YSZ) 燃料供給材質： Ni＋YSZ

【０００９】ガス供給温度：１０００⁰ Ｃ酸化剤：空気、供給量１０リットル／分・セル燃料：加湿水素、供給量０．６リットル／分
・セル燃料利用率８０％電流密度： 0.3A/cm² なおここで燃料利用率とは、取り出す電流に必要な燃料
の量の理論値（ｆ₁ ）と実際に流した燃料の量（ｆ₂ ）
を用いて次式で定義した。燃料利用率＝（ｆ₁ ／ｆ₂ ）×１００（％）

【００１０】このような条件で燃料電池を運転しながら
以下を測定した。各セルの発電電圧：図９（Ｂ）に模式的に示されてい
るＶ₁ 〜Ｖ₄ 各セルの温度：同じくＴ₁ 〜Ｔ₄ なお、各値の添字１、４は周辺部のセルにおける値であ
ることを表し、添字２、３は中央部のセルにおける値で
あることを表す。

【００１１】図８は、上述の従来の燃料電池における各
セルの発電電圧及び温度測定データを表すグラフであ
る。左の電圧を示すグラフも、右のセル温度を示すグラ
フも、いずれも中高・両端下りのグラフになっている。
これは、周辺部のセルにおける電気化学的反応が、中央
部のセルにおけるそれよりも不活発であることを示して
いる。その原因が上述の燃料の不均一供給にあるのであ
る。

【００１２】本発明は、円筒形セルの集積された発電室
内へのガス供給を均一化することにより発電性能を向上
させた固体電解質型燃料電池を提供することを目的とす
る。さらに、天然ガスを直接に燃料として用いることの
できる固体電解質型燃料電池を提供することを目的とす
る。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明の固体電解質型燃料電池は、多層中空円筒状
に積層された空気電極、固体電解質層及び燃料電極と、
空気電極又は燃料電極のうちの内面側の電極（内面電
極）に電気的に接続されており円筒外面に表出するイン
ターコネクターと、からなる複数の円筒形セルが、セ
ル外面の電極（外面電極）と隣のセルのインターコネク
ターとが電気的に接続された状態で、また、円筒形
セルの中空部及び外周部が、各々、空気（酸化剤）又は
気体燃料（両者をガスという）の流路を形成するよう
に、隣り合って配列された円筒形セル集合体と、こ
の円筒形セル集合体のセル外周部の流路にガスを供給す
るガス供給室と、を備え；上記ガス供給室に、ハニカム
又は連続多孔体からなるガス整流体が設置されているこ
とを特徴とする。

【００１４】

【作用】ガス供給室からは、円筒形セル外周部に空気又
は燃料ガスが供給される。このとき、ガス供給室内のハ
ニカム又は連続多孔体からなるガス整流体は、ガスをガ
ス供給室内に均一に分散・整流して円筒形セルにおくる
役割を果たす。

【００１５】本発明の固体電解質型燃料電池にあって
は、固体電解質型燃料電池が円筒形セルの外面に燃料を
流すタイプ（外燃型）の固体電解質型燃料電池であっ
て、ハニカム又は連続多孔体に、燃料改質用の触媒が担
持されていることとしてよい。

【００１６】ハニカムや連続多孔体は、比表面積が広く
多孔質である等、触媒担体に適している。また、天然ガ
スを固体電解質型燃料電池の燃料に直接用いると、炭化
水素（メタン等）の熱分解のために、発電室内の非酸化
性雰囲気の部位に炭素の析出が生じ、絶縁不良等のトラ
ブルが起こる。そのため、従来は、天然ガスを発電室外
で水蒸気を加えて改質して、炭化水素を水素と一酸化炭
素に分解してから発電室に入れていた。

【００１７】上記態様の本発明の固体電解質型燃料電池
にあっては、燃料供給室（ガス供給室）内に設置された
ガス整流体を燃料が通過する際に、燃料の改質を行うよ
うにすることができる。したがって、燃料電池に直接天
然ガスを入れることができるようになり、発電システム
全体がコンパクトになる。

【００１８】

【実施例】図１は、本発明の一実施例に係る円筒形セル
型の固体電解質型燃料電池の発電室内を示す側面断面図
である。図９の従来の燃料電池と同様の部位は同じ符号
で示めされている。

【００１９】図１の燃料電池１の特徴は、発電室２下部
の燃料供給室２０内に、セラミックハニカム２１とセラ
ミック連続多孔体２３とが設置されていることである。
すなわち、燃料供給室２０内の下側には、ケーシング底
板２５上に、セラミック連続多孔体２３が置かれてい
る。セラミック連続多孔体２３は、その左右及び奥行寸
法が、燃料供給室（ガス供給室）２０の内側寸法より少
々小さい程度で、両者間のスキマは、微少である。

【００２０】セラミック連続多孔体２３の上面には、セ
ラミックハニカム２１が、厚さが一定の層をなすように
設置されている。ハニカム２１の穴の方向は上下方向と
なっている。ハニカム２１の左右、奥行寸法、及び、ハ
ニカム２１と燃料供給室２０の壁面とのスキマについて
は、上述のセラミック連続多孔体２３の場合と同様であ
る。なお、ハニカム２１と連続多孔体２３の上下関係は
逆であってもよい。

【００２１】図１の燃料電池を用いて、以下の条件で発
電実験を行った。発電実験Ａセル寸法、セル各部材質：前述の従来例と同じガス供給温度、酸化剤・燃料の種類・流量、電流密度：
前述の従来例と同じセラミック連続多孔体：アルミナ質、気孔率４１％、
厚さ１００ｍｍセラミックハニカム：コージエライト、穴寸法１．２
ｍｍ，厚さ３０ｍｍ燃料：加湿水素、供給量０．６リットル／分・セ
ル、利用率８０％

【００２２】図４は、図１に示されている本発明の一実
施例に係る固体電解質型燃料電池（ガス整流体有、触媒
無）を、加湿水素を燃料として運転した場合における各
セルの発電電圧及び温度を示すグラフである。発電電圧
及び温度の測定位置は図９（Ｂ）に示されている従来例
の場合と同じである。

【００２３】図４においては、電圧、温度とも、中央部
のセルと周辺部のセルでほとんど差はなく、燃料ガスが
各セルに均一に供給されていることが示されている。こ
れらの結果より、セル下部に連続空孔を有する多孔体、
ハニカムなどを用いることで燃料ガスをセルに均一に流
すことが可能となり、高性能な燃料電池を作成可能とな
ることが明らかになった。

【００２４】次に、図１の燃料電池に天然ガスを流して
発電実験を行った。実験条件は、以下の燃料関係を除い
て発電実験Ａの場合と同じである。発電実験Ｂ燃料：天然ガス（主成分メタン）、流量０．２リット
ル／分・セル、改質用水蒸気スチームカーボン比：３．０なお、ここでスチームカーボン比とは、天然ガス（主成
分メタン）の量に対して、添加した水蒸気の量の比のこ
とである。

【００２５】図５は、図１に示されている本発明の一実
施例に係る固体電解質型燃料電池（ガス整流体有、触媒
無）を、天然ガス（メタン）を燃料として運転した場合
における各セルの発電電圧及び温度を示すグラフであ
る。このグラフを見ると、発電電圧及び温度ともに、加
湿水素を用いた場合と較べて、全体的にやや低いことが
分る。しかし、ガス整流体を有する燃料電池において
は、天然ガスを用いる直接発電の発電性能は比較的高い
ことも判明した。しかしながら、発電後の観察から、特
にセラミック多孔体およびその周辺部に著しいカーボン
の析出が観察され、発電システムとしては耐久性に問題
があることがわかった。

【００２６】次に、燃料改質触媒をガス整流体に担持さ
せる本発明の態様の実施例を説明する。まず、セラミッ
クハニカムにＮｉ系の燃料改質触媒を担持させる場合を
説明する。

【００２７】以下条件にて、セラミックハニカムにスラ
リーコート法にてＮｉ系の触媒を担持させた。スラリー
の作成条件は下記のとおり。Ｎｉ粉あるいはＮｉＯ粉末：１０〜５０ｗｔ％溶剤（エチルアルコール）：１００ｗｔ％溶剤（トルエン）：３０ｗｔ％バインダ（エチルセルロース）：４．０ｗｔ％

【００２８】上記条件にて作成したスラリーをハニカム
担体にコーティングして、８００〜１４００⁰ Ｃの範囲
で焼成する。コート法は、一般にディッピング（浸漬）
法が用いられる。焼成温度の範囲は、用いる原料粉の粒
径に依り、調節されるが、一般には１１００〜１３００
⁰ Ｃが望ましい。なお、ここで用いるハニカムの材質
は、特に指定されるものではないが、アルミナ、コージ
ェライトが一般的である。

【００２９】発電実験Ｃ上述のようにしてＮｉ系の触媒を担持させたセラミック
ハニカムを有する燃料電池を用いて、天然ガスを燃料と
して発電実験を行った。その他の発電実験の諸元は、発
電実験Ｂの場合と同じである。

【００３０】図６は、本発明の一実施例に係るＮｉ系触
媒を担持させたセラミックハニカムを有する固体電解質
型燃料電池を、天然ガス（メタン）を燃料として運転し
た場合における各セルの発電電圧及び温度を示すグラフ
である。このグラフを見ると、発電実験Ｂの値と比較し
て、発電電圧及び温度ともに上昇しており、発電実験Ａ
（加湿水素燃料）の値に相当する高い値となっている。
また、各セルにおける値も均一である。

【００３１】さらに、発電実験後の発電室内を観察した
際には、セル及びその周辺部にカーボン折出の兆候は見
られなかった。このことから、燃料供給室内にＮｉ系の
触媒を担持させたセラミックハニカムを設置することに
より、天然ガスを直接燃料として用いることのできる固
体電解質型燃料電池を得ることができることが明らかに
なった。

【００３２】次に、Ｒｕを含む燃料改質触媒を担持させ
る場合を説明する。図２は、本発明の一実施例に係る、
Ｒｕを含むセラミック触媒ボールを有する固体電解質型
燃料電池の燃料供給室周辺を示す側面断面図である。

【００３３】図２の燃料電池においては、図１の燃料電
池のセラミック連続多孔体２３のある位置に、セラミッ
ク触媒ボール３１が設置されている。触媒ボール３１
は、Ｒｕを１〜３％含有したアルミナ粉末を、例えばミ
キサーなどを用いて造粒し、１〜５ｍｍの大きさ（直
径）とした後に、焼成したものである。触媒ボール３１
は、セラミック多孔体（あるいは細い目のハニカム）製
の箱３３に入れられている。触媒ボール３１の層の上に
は、セラミックハニカム２１が置かれている。このセラ
ミックハニカム２１の替わりにセラミック連続多孔体を
置いてもよい。

【００３４】発電実験Ｄ上述のようにしてＲｕを含む触媒を担持させた触媒ボー
ルを有する燃料電池を用いて、天然ガスを燃料として発
電実験を行った。その他の発電実験の諸元は、発電実験
Ｂ、Ｃの場合と同じである。

【００３５】図７は、本発明の一実施例に係る、Ｒｕを
含む触媒を担持させた触媒ボールを有する固体電解質型
燃料電池を、天然ガス（メタン）を燃料として運転した
場合における各セルの発電電圧及び温度を示すグラフで
ある。このグラフを見ると、Ｎｉ系触媒の発電実験Ｃよ
りも発電性能がやや高く、全体的に発電性能が良好なこ
とが分る。また、発電実験Ｃの場合と同様に発電室内に
カーボン折出の兆候は見られなかった。

【００３６】次に、本発明の他の実施例に係る固体電解
質型燃料電池を説明する。図３は、ガス整流体としてセ
ラミックハニカムのみを有する本発明の一実施例の固体
電解質型燃料電池の燃料供給室周辺部を示す側面断面図
である。

【００３７】図３の燃料電池の燃料供給室２０は、上方
に向かって広がるような台形となっている。つまり、燃
料供給室２０の壁はテーパーのついたテーパーボトム３
５となっている。そして、燃料供給室２０の最上部に、
厚板状のセラミックハニカム２１が設置されている。こ
うなっている理由は、燃料供給口２７から燃料供給室２
０に入った燃料ガスが、図の左右方向に均一に広がるよ
うにするためである。

【００３８】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
の固体電解質型燃料電池は以下の効果を発揮する。ガス供給室（燃料供給室）にハニカム又は連続多孔
体からなるガス整流体が設置されているので、発電室内
の各円筒形セルに、均等にガスを供給することができ
る。そのため、発電室周辺部の円筒形セルの発電性能を
向上させることができ、燃料電池全体の発電性能（出
力）を向上させることができる。

【００３９】ガス整流体に燃料改質触媒を担持させ
た場合には、燃料電池に直接天然ガスと改質用水蒸気を
送り込んで発電することができる。そのため、コンパク
トで高出力の固体電解質型燃料電池システムを提供でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る円筒形セル型の固体電
解質型燃料電池の発電室部を示す側面断面図である。

【図２】本発明の一実施例に係る、Ｒｕを含むセラミッ
ク触媒ボールを有する固体電解質型燃料電池の燃料供給
室周辺を示す側面断面図である。

【図３】本発明の一実施例に係る、ガス整流体としてセ
ラミックハニカムのみを有する固体電解質型燃料電池の
燃料供給室周辺部を示す側面断面図である。

【図４】図１に示されている本発明の一実施例に係る固
体電解質型燃料電池（ガス整流体有、触媒無）を加湿水
素燃料で運転した場合における各セルの発電電圧及び温
度を示すグラフである。

【図５】図１に示されている本発明の一実施例に係る固
体電解質型燃料電池（ガス整流体有、触媒無）を、天然
ガス（メタン）を燃料として運転した場合における各セ
ルの発電電圧及び温度を示すグラフである。

【図６】本発明の一実施例に係る、Ｎｉ系触媒を担持さ
せたセラミックハニカムを有する固体電解質型燃料電池
を、天然ガス（メタン）を燃料として運転した場合にお
ける各セルの発電電圧及び温度を示すグラフである。

【図７】本発明の一実施例に係る、Ｒｕを含む触媒を担
持させた触媒ボールを有する固体電解質型燃料電池を、
天然ガス（メタン）を燃料として運転した場合における
各セルの発電電圧及び温度を示すグラフである。

【図８】従来の燃料電池における各セルの発電圧及び温
度測定データを表すグラフである。

【図９】従来知られている代表的な円筒セル型の固体電
解質型燃料電池の構造を示す図である。

【符号の簡単な説明】

１燃料電池２発電室３円筒形セル集合体５空気導入菅７円筒形セル９集電板１１Ｎｉフェルト１３ケーシン
グ１５インターコネクタ１７Ｎｉフェ
ルト１９セルボトム２０燃料供給
室２１セラミックハニカム２３セラミッ
ク連続多孔体２５ケージング底板２７燃料供給
管３１セラミック触媒ボール３３多孔体製
箱３５テーパーボトム４１セラミッ
ク台

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者立花公康福岡市南区塩原２丁目１番47号九州電力株式会社総合研究所内 (72)発明者相沢正信福岡県北九州市小倉北区中島２丁目１番１号東陶機器株式会社内 (72)発明者黒石正宏福岡県北九州市小倉北区中島２丁目１番１号東陶機器株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】多層中空円筒状に積層された空気電極、
固体電解質層及び燃料電極と、空気電極又は燃料電極
のうちの内面側の電極（内面電極）に電気的に接続され
ており円筒外面に表出するインターコネクターと、か
らなる複数の円筒形セルが、セル外面の電極（外面
電極）と隣のセルのインターコネクターとが電気的に接
続された状態で、また、円筒形セルの中空部及び外
周部が、各々、空気（酸化剤）又は気体燃料（両者をガ
スという）の流路を形成するように、隣り合って配
列された円筒形セル集合体と、この円筒形セル集合体のセル外周部の流路にガスを供給
するガス供給室と、を備え；上記ガス供給室に、ハニカム又は連続多孔体か
らなるガス整流体が設置されていることを特徴とする固
体電解質型燃料電池。
【請求項２】上記固体電解質型燃料電池が円筒形セル
の外面に燃料を流すタイプ（外燃型）の固体電解質型燃
料電池であって、上記ハニカム又は連続多孔体に、燃料改質用の触媒が担
持されている請求項１記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項３】上記ガス整流体がセラミックハニカムで
あり、該セラミックハニカムの表面にＮｉを含む燃料改
質触媒が担持されている請求項１記載の固体電解質型燃
料電池。
【請求項４】上記ガス整流体がセラミック粒体であ
り、該セラミック粒体にＲｕを含む燃料改質触媒が担持
されている請求項１記載の固体電解質型燃料電池。