JPH10247510A - 燃料電池の集電方法及び円筒形セルタイプ固体電解質型燃料電池 - Google Patents

燃料電池の集電方法及び円筒形セルタイプ固体電解質型燃料電池

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JPH10247510A
JPH10247510A JP9060098A JP6009897A JPH10247510A JP H10247510 A JPH10247510 A JP H10247510A JP 9060098 A JP9060098 A JP 9060098A JP 6009897 A JP6009897 A JP 6009897A JP H10247510 A JPH10247510 A JP H10247510A
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JP
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cylindrical
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fuel
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Application number
JP9060098A
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English (en)
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Takaharu Nakayama
貴晴 中山
Hiroaki Tajiri
浩昭 田尻
Masahiro Kuroishi
正宏 黒石
Masanobu Aizawa
正信 相沢
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toto Ltd
Kyushu Electric Power Co Inc
Original Assignee
Toto Ltd
Kyushu Electric Power Co Inc
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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
    • Y02E60/50Fuel cells

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 セルの電流密度を平準化でき、ヒートスポッ
トに起因するクラック等を防止してセルの耐久性及び信
頼性を向上する。 【解決手段】 本発明の円筒形セルタイプ固体電解質型
燃料電池1は、発電セル7と、このセルを挟んで対向す
る集電板10と、この集電板から電気を取り出す集電棒
41を備える。ここで、集電棒41はセル7の軸方向に
複数分散されて配置されており、各集電位置における集
電棒の電流を均一化するため、各集電棒の断面積が、セ
ルの燃料及び酸化剤上流側から下流側に向かって漸増し
ている。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池の集電方
法及び円筒形セルタイプの固体電解質型燃料電池(以下
T−SOFCともいう)に関する。特には、セルの電流
密度を平準化でき耐久性及び信頼性に優れた燃料電池を
提供できる燃料電池の集電方法等に関する。
【0002】
【従来の技術】T−SOFCは、特公平1−59705
等に開示されている固体電解質型燃料電池の一タイプで
ある。T−SOFCは、多孔質支持管−空気電極−固体
電解質−燃料電極−インターコネクターで構成される円
筒形セルを有する。空気電極側に酸素(空気)を流し、
燃料電極側にガス燃料(H2 、CO等)を流してやる
と、このセル内でO2-イオンが移動して化学的燃焼が起
り、空気電極と燃料電極の間に電位が生じ発電が行われ
る。なお、空気電極が支持管を兼用する形式のものもあ
る。T−SOFCの実証試験は、1993年段階で25
kw級のもの(セル有効長50cm、セル数1152本) ま
でが進行中である。
【0003】現状の代表的なT−SOFCの構成材料、
厚さ及び製造方法は以下のとおりである(Proc. of the
3rd Int. Symp. on SOFC, 1993 )。 支持管:ZrO2 (CaO)、厚さ1.2mm、押し出し 空気電極:La(Sr)MnO3 、厚さ1.4mm、スラ
リーコート 固体電解質:ZrO2 (Y23 )、厚さ40μm 、E
VD インターコネクター:LaCr(Mg)O3 、厚さ40
μm 、EVD 燃料電極:Ni−ZrO2 (Y23 )、厚さ100μ
m 、スラリーコート−EVD
【0004】図3は、従来知られている代表的なT−S
OFCの全体構造を示す図である。図4は、図3の燃料
電池のセルの構造を示す断面図である。(A)は全体の
縦断面図であり、(B)は(A)のB−B断面を示す横
断面図である。この固体電解質型燃料電池101の中枢
部分である円筒セル集合体102は、細長い円筒状(寸
法例、径15mm×長さ500mm)の多数のセル107か
ら構成されている。円筒セル107は、上端開放、下端
閉のセラミックチューブである。円筒セル107の断面
は多層円筒状をしており(図4(B)参照)、空気極1
61、固体電解質層163、燃料極165及びインター
コネクター167の各層が積層されている。
【0005】円筒セルの各層は、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材料で形成されている。円
筒セル107内には、空気を通すための細長い空気導入
管104が通っている。空気導入管104は、燃料電池
101上部の空気分配器131から下に出て、円筒セル
107チューブの底近くにまで達している。この空気導
入管104によって、空気分配器131内の空気が、円
筒セル107チューブ内に供給される。チューブ内
(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、セル上端121から排気燃
焼室137に出る。この排気燃焼室137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、円筒セ
ル107で未反応のまま排気された酸素と燃料成分が燃
焼(一般的な燃焼)する。
【0006】円筒セル107の外面には、燃料電池10
1下部の燃料ヘッダー109から上方に向けて燃料ガス
が供給され、上述の発電に供される。燃料ガスの未反応
部分と、セル部での電気化学的燃焼生成物(CO2 、H
2 O等)とは、円筒セル107上端外面のスキマを通っ
て排気燃焼室137に入る。この排気燃焼室137で
は、上述のように未反応燃料が燃焼する。燃焼排ガス
は、排気口135から排出される。この排ガスの顕熱
は、燃料電池に供給される空気及び燃料ガスの余熱に用
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。
【0007】図3に示されている6列の円筒セル107
は、互いに電気的に接続されている。すなわち、右側の
円筒セルのインターコネクター167が、その左側の円
筒セルの外面(外面電極、この場合燃料極)に、Niフ
ェルト108を介して接続されているので、結局、図3
の6本の円筒セルは、直列に接続されていることとな
る。通常の固体電解質型燃料電池にあっては、円筒セル
1本における発電電圧は約1ボルトなので、多数の円筒
セルを直列に接続して所要の電圧を得る。円筒セル集合
体102の最外列の外側には、集電板105a、105
bが、円筒セル107に接して(Niフェルト108を
介して)設けられている。この集電板105と、それに
接続されている集電棒141から、セル集合体102で
発電された電力を外部へ取り出す。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】上述の従来のT−SO
FCでは、燃料及び酸化剤の上流側であるセルの下部で
発電反応が活発となり、セル全体では電流密度の分布
(偏り)が生じていた。そして、この電流密度分布のた
めに、高電流密度となる部分においてヒートスポット
(他より高温となる部分)が生じてクラック等が発生
し、セルの耐久性が低下していた。
【0009】本発明は、セルの電流密度を平準化でき、
ヒートスポットに起因するクラック等を防止してセルの
耐久性及び信頼性を向上できる燃料電池の集電方法及び
円筒形セルタイプ固体電解質型燃料電池を提供すること
を目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明の燃料電池の集電方法は、 燃料及び酸化剤
の流れる方向に延びる長軸発電セルを備えた燃料電池に
おける集電方法であって; 該発電セルの長軸方向の複
数の位置に集電手段を分散させ、 各集電手段の電流を
均一化させるために各集電手段に調整を加えたことを特
徴とする。
【0011】また、本発明の円筒形セルタイプ固体電解
質型燃料電池は、 多層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、 空気電極または燃料電
極のうち内面側の電極と電気的に接続され、円筒外面に
表出するインターコネクターと、 を有する複数の円筒
形セルの集合体を、 隣り合う円筒形セルの外面の電極
とインターコネクターとが接するように配列したセル集
合体と、 このセル集合体の1つの側の最外列に位置す
るセルの外面電極に接する第1集電板と、 この第1集
電板と円筒形セル集合体を挟んで対向する、円筒形セル
集合体の他の側の最外列に位置するセルのインターコネ
クターに接する第2集電板と、 上記集電板から電気を
取り出す集電棒と、 を備える円筒形セルタイプ固体電
解質型燃料電池であって; 上記集電棒はセルの軸方向
に複数分散されて配置されており、 各集電位置におけ
る電流を均一化するための調整が各集電棒に施されてい
ることを特徴とする。
【0012】
【発明の実施の形態及び実施例】図1は、本発明の1実
施例に係る実験用の単一セル燃料電池の構造を示す側面
図である。この円筒形セルタイプ固体電解質型燃料電池
1においては、有効長900mmの1本のセル7を立て、
この両側にNiフェルト8を介して集電板10(Ni
製)ではさんでいる。なお、セル7の左側がインターコ
ネクター67の存在する側である。集電板10の外側
に、等間隔に上下に並べた11本の集電棒41(Ni
製)を両側から当てている。セル7の電流は、Niフェ
ルト8、集電板10を通り、集電棒41に集められる。
【0013】本実施例においては、集電棒の径を各々上
側から6、5.5、5、5、4.5、4.5、4、4、
4、4、4mmとした。すなわち、上側(下流側)のほう
を径大(断面積大)とした、一方、比較例として、全て
の集電棒の径を6mmとした場合も実験した。
【0014】次に、テストセルによる発電性能試験結果
について説明する。以下条件によりテストセルを製作し
た。 (1)セル仕様 形式:空気極自己支持型、セル外径16mm 空気極:材質La0.9 Sr0.1 MnO3 、厚さ1.
5mm、導電率60S/cm、気孔率35%、押し出し→焼成 固体電解質:材質8mol%Y23 安定化ZrO2
厚さ20μm 、スラリーコート→焼成 インターコネクター:材質La0.8 Ca0.2 CrO
3 、厚さ40μm 、導電率30S/cm、スラリーコート→
焼成 燃料極:材質YSZ・Niサーメット、厚さ60μ
m 、導電率1,400S/cm、気孔率40%、スラリーコ
ート→焼成
【0015】(2)作製方法 空気極(支持体):上記LSM粉に、有機バインダ
ー、グリセリン、水を加えて混練した。次にこのコンパ
ウンドを押し出し成形した。押し出し成形後に、グリー
ン状態で真円度を調整した。その後、乾燥・脱脂し、続
いて1,350〜1,500℃×10hr焼成した。
【0016】 インターコネクター成膜:上記空気極
上にスラリーコート、焼成によりインターコネクターを
成膜した。インターコネクターの幅は5mmとした。 固体電解質層成膜:上記YSZを、スラリーコー
ト、焼成により、上記下地層上に成膜した。 燃料極成膜:上記Ni/YSZサーメットを、スラ
リーコート、焼成により、上記固体電解質層上に成膜し
た。なお、NiOの還元処理は(H2 +11%H2
O):N2 =3:97雰囲気下、1,000℃×3hrで
行った。
【0017】このセルを以下の条件で運転した。 (3)発電条件 燃料:(H2 +11%H2 O):N2 =1:2 酸化剤:Air セル温度:1,000℃ 燃料利用率:85%
【0018】図2は、本実験の結果を示すグラフであ
る。すなわち、本発明の1実施例に係るセルと比較例に
係るセルの発電実験における、各集電棒(ロッド)を流
れる電流値を表すグラフである。比較例である均一径ロ
ッド(白丸印)では、最下部の集電棒の電流値が約12
Aであったのに対して最上部の集電棒の電流値は約9A
であった。その比は1:3/4であり、燃料ガス及び酸
化剤を導入している下側の集電棒を流れる電流が多かっ
た。
【0019】一方、本実施例の集電棒径を上下で変えた
もの(異径ロッド)では電流値は11〜10.5Aと均
一な値を示し、セル表面での電流密度も均一となってい
ると考えられる。
【0020】
【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
により、セルの電流密度を平準化でき、ヒートスポット
に起因するクラック等を防止してセルの耐久性及び信頼
性を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の1実施例に係る実験用の単一セル燃料
電池の構造を示す側面図である。
【図2】本発明の1実施例に係るセルと比較例に係るセ
ルの発電実験における、各集電棒(ロッド)を流れる電
流値を表すグラフである。
【図3】代表的なT−SOFCの全体構造を示す図であ
る。
【図4】図3のT−SOFCのセルの詳細構造を示す断
面図である。(A)は全体の縦断面図であり、(B)は
(A)のB−B断面を示す横断面図である。
【符号の説明】
1 固体電解質型燃料電池 8 Niフェルト 10 集電板 41 集電棒 67 インターコネクター
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 田尻 浩昭 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 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 (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

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 燃料及び酸化剤の流れる方向に延びる長
    軸発電セルを備えた燃料電池における集電方法であっ
    て;該発電セルの長軸方向の複数の位置に集電手段を分
    散させ、 各集電手段の電流を均一化させるために各集電手段に調
    整を加えたことを特徴とする燃料電池の集電方法。
  2. 【請求項2】 上記各集電手段の電流通路断面積を調整
    したことを特徴とする請求項1記載の燃料電池の集電方
    法。
  3. 【請求項3】 上記各集電手段に接続する負荷容量を調
    整したことを特徴とする請求項1記載の燃料電池の集電
    方法。
  4. 【請求項4】 多層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、 空気電極または燃料電極の
    うち内面側の電極と電気的に接続され、円筒外面に表出
    するインターコネクターと、 を有する複数の円筒形セ
    ルの集合体を、 隣り合う円筒形セルの外面の電極とイ
    ンターコネクターとが接するように配列したセル集合体
    と、 このセル集合体の1つの側の最外列に位置するセルの外
    面電極に接する第1集電板と、 この第1集電板と円筒形セル集合体を挟んで対向する、
    円筒形セル集合体の他の側の最外列に位置するセルのイ
    ンターコネクターに接する第2集電板と、 上記集電板から電気を取り出す集電棒と、 を備える円筒形セルタイプ固体電解質型燃料電池であっ
    て;上記集電棒はセルの軸方向に複数分散されて配置さ
    れており、 各集電位置における電流を均一化するための調整が各集
    電棒に施されていることを特徴とする円筒形セルタイプ
    固体電解質型燃料電池。
  5. 【請求項5】 上記各集電棒の断面積が、セルの燃料及
    び酸化剤上流側から下流側に向かって漸増している請求
    項4記載の円筒形セルタイプ固体電解質型燃料電池。
JP9060098A 1997-02-28 1997-02-28 燃料電池の集電方法及び円筒形セルタイプ固体電解質型燃料電池 Pending JPH10247510A (ja)

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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2003023886A1 (fr) * 2001-09-06 2003-03-20 Toto Ltd. Pile a combustible a electrolyse monobloc
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