JPH09270263A - 平板型固体電解質燃料電池のスタック構造 - Google Patents
平板型固体電解質燃料電池のスタック構造Info
- Publication number
- JPH09270263A JPH09270263A JP8078993A JP7899396A JPH09270263A JP H09270263 A JPH09270263 A JP H09270263A JP 8078993 A JP8078993 A JP 8078993A JP 7899396 A JP7899396 A JP 7899396A JP H09270263 A JPH09270263 A JP H09270263A
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- cell
- heat
- flat plate
- stack structure
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- Pending
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- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 平板型ＳＯＦＣの面内温度むらを無くし、特
にスポット的に発生する高温部を降温して均温化を図
り、ＳＯＦＣの信頼性の向上を図る。 【解決手段】 平板型ＳＯＦＣの単位セルをセパレータ
を介して積層してなるセル・スタック構造において、セ
パレータ内にヒートパイプが埋込まれていることを特徴
とする。
にスポット的に発生する高温部を降温して均温化を図
り、ＳＯＦＣの信頼性の向上を図る。 【解決手段】 平板型ＳＯＦＣの単位セルをセパレータ
を介して積層してなるセル・スタック構造において、セ
パレータ内にヒートパイプが埋込まれていることを特徴
とする。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、固体電解質燃料
電池（以下ＳＯＦＣと略記する）のスタック構造に関
し、特に平板型ＳＯＦＣのセパレータの構造に関するも
のである。
電池（以下ＳＯＦＣと略記する）のスタック構造に関
し、特に平板型ＳＯＦＣのセパレータの構造に関するも
のである。
【０００２】
【従来の技術】平板型ＳＯＦＣのスタックは、板状の電
解質層、燃料電極、空気電極から成る単電池（単位セ
ル）を集電極とガス通路を兼ねたセパレータで挟んで積
層したものである。（図４参照）。
解質層、燃料電極、空気電極から成る単電池（単位セ
ル）を集電極とガス通路を兼ねたセパレータで挟んで積
層したものである。（図４参照）。
【０００３】上記の単電池（単位セル）は図５に示すよ
うに、酸素イオンの透過性を有する物質を電解質層３と
し、これを介して酸化剤極である空気電極４と燃料電極
２を配置して構成される。燃料電極２は、水素の還元性
雰囲気に強い材料を、一般的には多孔性ニッケルあるい
はニッケルと安定化ジルコニアのサーメットが使用され
ている。空気電極４は酸化性雰囲気で安定な材料を、一
般的にはランタンコバルトネート（ＬａＣｏＯ3 ）やラ
ンタンマンガネート（ＬａＭｎＯ3 ）を母体としたペロ
ブスカイト型酸化物が使用されている。実際の使用にあ
たってはＬａの一部をＣａあるいはＳｒで置換した固溶
体として電子導電性が高められている。
うに、酸素イオンの透過性を有する物質を電解質層３と
し、これを介して酸化剤極である空気電極４と燃料電極
２を配置して構成される。燃料電極２は、水素の還元性
雰囲気に強い材料を、一般的には多孔性ニッケルあるい
はニッケルと安定化ジルコニアのサーメットが使用され
ている。空気電極４は酸化性雰囲気で安定な材料を、一
般的にはランタンコバルトネート（ＬａＣｏＯ3 ）やラ
ンタンマンガネート（ＬａＭｎＯ3 ）を母体としたペロ
ブスカイト型酸化物が使用されている。実際の使用にあ
たってはＬａの一部をＣａあるいはＳｒで置換した固溶
体として電子導電性が高められている。
【０００４】一方、電解質層３には酸素イオンの透過性
に優れたイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）が使用
されている。この物質は、導電率（酸素イオンの透過
性）が常温では低いので、ＳＯＦＣの運転温度を１００
０℃程度に高め、導電率の高い条件で使用されている。
に優れたイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）が使用
されている。この物質は、導電率（酸素イオンの透過
性）が常温では低いので、ＳＯＦＣの運転温度を１００
０℃程度に高め、導電率の高い条件で使用されている。
【０００５】これらの３つの膜の物性については、電解
質層３はガスの透過を防ぐ酸素イオンのみを通すような
緻密な膜であることが要求され、２つの電極については
ガスが内部まで入りこみ易いように多孔質であることが
要求されている。ＳＯＦＣはこのような特性を持った３
種類の膜を組み合わせることによって構成されている。
質層３はガスの透過を防ぐ酸素イオンのみを通すような
緻密な膜であることが要求され、２つの電極については
ガスが内部まで入りこみ易いように多孔質であることが
要求されている。ＳＯＦＣはこのような特性を持った３
種類の膜を組み合わせることによって構成されている。
【０００６】上記のようなＳＯＦＣの単位セル１を図４
に示すようにセパレータ５を介して積層してスタック構
造としている。セパレータ５は単位セル１を直列に接続
する導電体で、電解質層３の膨脹係数に近いこと、そし
て高温で酸化性雰囲気にある空気電極４と還元性雰囲気
にある燃料電極２を連結する必要上、酸化にも還元にも
強く、しかも電子導電性が良好でイオン伝導性のない材
料が要求される。一般的にＬａＣｒＯ3 系に電子電導
性、燃結性の改善のためＬａやＣｒの一部をアルカリ土
類金属（Ｓｒ，Ｍｇ，Ｃａなど）で置換した酸化物、あ
るいはＮｉ−Ａｌ合金やＮｉ−Ｃｒ合金等が使用されて
いる。
に示すようにセパレータ５を介して積層してスタック構
造としている。セパレータ５は単位セル１を直列に接続
する導電体で、電解質層３の膨脹係数に近いこと、そし
て高温で酸化性雰囲気にある空気電極４と還元性雰囲気
にある燃料電極２を連結する必要上、酸化にも還元にも
強く、しかも電子導電性が良好でイオン伝導性のない材
料が要求される。一般的にＬａＣｒＯ3 系に電子電導
性、燃結性の改善のためＬａやＣｒの一部をアルカリ土
類金属（Ｓｒ，Ｍｇ，Ｃａなど）で置換した酸化物、あ
るいはＮｉ−Ａｌ合金やＮｉ−Ｃｒ合金等が使用されて
いる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】上記従来の平板型ＳＯ
ＦＣでは、例えば燃結体の電極の気孔率の不均一や粒子
径の不均一等によって、酸化反応に部分的な違いが発生
し、平板型セルの面内温度にむらができ、その面内温度
分布が大きく、高温部ではセルが部分的に劣化、あるい
は破損する恐れがあり、低温部では発電効率が低下する
という問題があった。特にスポット的に発生する高温部
への対応は現時点では見出されていない。
ＦＣでは、例えば燃結体の電極の気孔率の不均一や粒子
径の不均一等によって、酸化反応に部分的な違いが発生
し、平板型セルの面内温度にむらができ、その面内温度
分布が大きく、高温部ではセルが部分的に劣化、あるい
は破損する恐れがあり、低温部では発電効率が低下する
という問題があった。特にスポット的に発生する高温部
への対応は現時点では見出されていない。
【０００８】この発明は上記の事情に鑑みなされたもの
で、平板型セルの面内温度分布むらをなくした平板型Ｓ
ＯＦＣのスタック構造を提供することを目的としてい
る。
で、平板型セルの面内温度分布むらをなくした平板型Ｓ
ＯＦＣのスタック構造を提供することを目的としてい
る。
【０００９】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
の手段としてこの発明の平板型ＳＯＦＣのスタック構造
は、セパレータ内部にヒートパイプが埋込まれているこ
とを特徴としている。
の手段としてこの発明の平板型ＳＯＦＣのスタック構造
は、セパレータ内部にヒートパイプが埋込まれているこ
とを特徴としている。
【００１０】また、前記セパレータ内に埋込まれたヒー
トパイプの凝縮部をセパレータ外に露出させてＳＯＦＣ
に供給する燃料ガスおよび空気の供給流通路に置いてい
ることを特徴としている。
トパイプの凝縮部をセパレータ外に露出させてＳＯＦＣ
に供給する燃料ガスおよび空気の供給流通路に置いてい
ることを特徴としている。
【００１１】また、前記ヒートパイプ作動流体がナトリ
ウムであることを特徴としている。
ウムであることを特徴としている。
【００１２】上記のように、平板型ＳＯＦＣのセパレー
タ内にヒートパイプが埋込まれているので、セルの面内
温度分布むらができても、ヒートパイプの高い均温特性
によってセル面内温度分布の均一化を図ることができる
とともに、ヒートパイプの凝縮部をセパレータ外の燃料
ガスおよび空気の供給路に露出させているので凝縮部か
らの放熱によって燃料ガスと空気を予熱することができ
る。
タ内にヒートパイプが埋込まれているので、セルの面内
温度分布むらができても、ヒートパイプの高い均温特性
によってセル面内温度分布の均一化を図ることができる
とともに、ヒートパイプの凝縮部をセパレータ外の燃料
ガスおよび空気の供給路に露出させているので凝縮部か
らの放熱によって燃料ガスと空気を予熱することができ
る。
【００１３】
【発明の実施の形態】以下、この発明の平板型固体電解
質燃料電池のスタック構造の一実施形態を図１〜図３に
基づいて説明する。
質燃料電池のスタック構造の一実施形態を図１〜図３に
基づいて説明する。
【００１４】図１は燃料電池のセル・スタック構造を説
明する図であって、（イ）はその部分側面図、（ロ）は
その平面図である。セル・スタック１１は、先に説明し
た燃料電極と電解質層と空気電極とから成る単位セル１
をセパレータ１３を介して積層されている。そうして、
積層されたセル群は円筒状のスタックケース１６内に収
められている。セル群とスタックケース１６との空間を
区分してガス通路として、セパレータ１３に設けられて
いるガス通路を通して燃料ガス１４は図の右から左への
矢印方向に供給して流され、空気１５は直交する矢印方
向に供給して流されている。
明する図であって、（イ）はその部分側面図、（ロ）は
その平面図である。セル・スタック１１は、先に説明し
た燃料電極と電解質層と空気電極とから成る単位セル１
をセパレータ１３を介して積層されている。そうして、
積層されたセル群は円筒状のスタックケース１６内に収
められている。セル群とスタックケース１６との空間を
区分してガス通路として、セパレータ１３に設けられて
いるガス通路を通して燃料ガス１４は図の右から左への
矢印方向に供給して流され、空気１５は直交する矢印方
向に供給して流されている。
【００１５】セパレータ１３の各々にはヒートパイプ１
２が埋込まれていて、図１及び図２に示すように、ヒー
トパイプ１２の凝縮部１７は燃料ガス１４の供給路又は
空気１５の供給路に露出させてある。
２が埋込まれていて、図１及び図２に示すように、ヒー
トパイプ１２の凝縮部１７は燃料ガス１４の供給路又は
空気１５の供給路に露出させてある。
【００１６】このヒートパイプ１２は、作動流体がナト
リウムでパイプの材質がＮｉ−Ｃｒ系合金が好適であ
る。
リウムでパイプの材質がＮｉ−Ｃｒ系合金が好適であ
る。
【００１７】上記のセル・スタックにおいて、単位セル
１の空気電極に触れた空気から酸素イオンが固体電解質
層を経由して燃料電極側に流れ、この酸素イオンが燃料
ガスの水素ガスと接触して酸化反応を起す。
１の空気電極に触れた空気から酸素イオンが固体電解質
層を経由して燃料電極側に流れ、この酸素イオンが燃料
ガスの水素ガスと接触して酸化反応を起す。
【００１８】Ｈ2 ＋Ｏ2- → Ｈ2 Ｏ＋２ｃ＋反応熱 その結果、空気電極と燃料電極との間で電流が流れると
ともに、反応熱によって燃料電池単位セル１が加熱され
る。なお、発生した電流はセパレータ１３を通して各単
位セル１を直列にして容易に取り出すことができる。
ともに、反応熱によって燃料電池単位セル１が加熱され
る。なお、発生した電流はセパレータ１３を通して各単
位セル１を直列にして容易に取り出すことができる。
【００１９】このとき、空気電極の気孔率の違い等が原
因となって酸化反応にむらが生じると、単位セル１内に
温度むらが生じ、温度の低い部分の発電効率が低下する
がヒートパイプ１２が設けられているため、高温部分の
ヒートパイプ１２内で作動流体が蒸発し、その蒸気が蒸
気圧差により凝縮部１７に向って移動し熱の輸送が行わ
れ、単位セル１内の均温化が図られ温度むらが解消し、
低温部分の発電効率が高められる。また凝縮部１７で凝
縮潜熱を放熱することにより燃料ガス１４および空気１
５を予熱することによって全体の発電効率が高められ
る。
因となって酸化反応にむらが生じると、単位セル１内に
温度むらが生じ、温度の低い部分の発電効率が低下する
がヒートパイプ１２が設けられているため、高温部分の
ヒートパイプ１２内で作動流体が蒸発し、その蒸気が蒸
気圧差により凝縮部１７に向って移動し熱の輸送が行わ
れ、単位セル１内の均温化が図られ温度むらが解消し、
低温部分の発電効率が高められる。また凝縮部１７で凝
縮潜熱を放熱することにより燃料ガス１４および空気１
５を予熱することによって全体の発電効率が高められ
る。
【００２０】図３に示すように、セパレータ１３内に埋
め込んだプレートタイプのヒートパイプ１２の場合に
は、高温部分の作動流体が蒸発し、その蒸気が周囲より
低温の部分に接触し、凝縮することによってその低温部
分に熱を運んで均温化を図る。
め込んだプレートタイプのヒートパイプ１２の場合に
は、高温部分の作動流体が蒸発し、その蒸気が周囲より
低温の部分に接触し、凝縮することによってその低温部
分に熱を運んで均温化を図る。
【００２１】
【発明の効果】以上説明したようにこの発明の平板型固
体電解質燃料電池のスタック構造は、セパレータ内にヒ
ートパイプが埋込まれているので、セル面内温度分布の
均一化を図ることができ、セルを構成しているセラミッ
クの脆弱性と強度のばらつきの改善が図られ信頼性の向
上を図ることができる。
体電解質燃料電池のスタック構造は、セパレータ内にヒ
ートパイプが埋込まれているので、セル面内温度分布の
均一化を図ることができ、セルを構成しているセラミッ
クの脆弱性と強度のばらつきの改善が図られ信頼性の向
上を図ることができる。
【００２２】また、セパレータ内に埋込まれたヒートパ
イプの凝縮部をセル・スタックのガス供給流通路に露出
させることによって、各ガスの予熱を行うことができ、
発電効率を高めることができる。
イプの凝縮部をセル・スタックのガス供給流通路に露出
させることによって、各ガスの予熱を行うことができ、
発電効率を高めることができる。
【図１】この発明の一実施形態を説明する図であって、
（イ）は部分側面図、（ロ）は平面図である。
（イ）は部分側面図、（ロ）は平面図である。
【図２】この発明におけるセパレータにヒートパイプを
埋込んだ状態を示す説明図である。
埋込んだ状態を示す説明図である。
【図３】この発明におけるセパレータにプレートタイプ
のヒートパイプを埋込んだ状態を示す説明図である。
のヒートパイプを埋込んだ状態を示す説明図である。
【図４】従来の燃料電池セル・スタックを示す斜視図で
ある。
ある。
【図５】従来の燃料電池単位セルを示す斜視図である。
１ 燃料電池単位セル ５，１３ セパレータ １１ 燃料電池セル・スタック １２ ヒートパイプ １４ 燃料ガス １５ 空気 １６ スタックケース
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 岩澤 力 東京都江東区木場１−５−１ 株式会社フ ジクラ内
Claims (3)
- 【請求項１】 固体電解質層を挟んで燃料電極と空気電
極とが形成された平板型固体電解質燃料電池の単位セル
をセパレータを介して積層してなるスタック構造におい
て、前記セパレータ内にヒートパイプが埋込まれている
ことを特徴とする平板型固体電解質燃料電池のスタック
構造。 - 【請求項２】 請求項１記載のスタック構造において、
セパレータ内に埋込まれたヒートパイプの凝縮部が燃料
ガスまたは空気の供給流通路に露出していることを特徴
とする平板型固体電解質燃料電池のスタック構造。 - 【請求項３】 ヒートパイプの作動流体がナトリウムで
あることを特徴とする請求項１および請求項２記載の平
板型固体電解質燃料電池のスタック構造。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8078993A JPH09270263A (ja) | 1996-04-01 | 1996-04-01 | 平板型固体電解質燃料電池のスタック構造 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8078993A JPH09270263A (ja) | 1996-04-01 | 1996-04-01 | 平板型固体電解質燃料電池のスタック構造 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09270263A true JPH09270263A (ja) | 1997-10-14 |
Family
ID=13677429
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP8078993A Pending JPH09270263A (ja) | 1996-04-01 | 1996-04-01 | 平板型固体電解質燃料電池のスタック構造 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH09270263A (ja) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2001065626A2 (en) * | 2000-02-29 | 2001-09-07 | Illinois Institute Of Technology | Thermal management of battery systems |
| US6942944B2 (en) | 2000-02-29 | 2005-09-13 | Illinois Institute Of Technology | Battery system thermal management |
| EP1672725A1 (en) * | 2004-12-15 | 2006-06-21 | General Electric Company | Near-isothermal high-temperature fuel cell |
| JP2008147026A (ja) * | 2006-12-11 | 2008-06-26 | Hitachi Ltd | 固体酸化物形燃料電池 |
| US8273474B2 (en) | 2000-02-29 | 2012-09-25 | Illinois Institute Of Technology | Battery system thermal management |
-
1996
- 1996-04-01 JP JP8078993A patent/JPH09270263A/ja active Pending
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2001065626A2 (en) * | 2000-02-29 | 2001-09-07 | Illinois Institute Of Technology | Thermal management of battery systems |
| WO2001065626A3 (en) * | 2000-02-29 | 2002-07-25 | Illinois Technology Inst | Thermal management of battery systems |
| US6468689B1 (en) | 2000-02-29 | 2002-10-22 | Illinois Institute Of Technology | Thermal management of battery systems |
| US6942944B2 (en) | 2000-02-29 | 2005-09-13 | Illinois Institute Of Technology | Battery system thermal management |
| US8273474B2 (en) | 2000-02-29 | 2012-09-25 | Illinois Institute Of Technology | Battery system thermal management |
| EP1672725A1 (en) * | 2004-12-15 | 2006-06-21 | General Electric Company | Near-isothermal high-temperature fuel cell |
| JP2008147026A (ja) * | 2006-12-11 | 2008-06-26 | Hitachi Ltd | 固体酸化物形燃料電池 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20040106 |