JPS6244959A - 燃料電池 - Google Patents
燃料電池Info
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- JPS6244959A JPS6244959A JP60184961A JP18496185A JPS6244959A JP S6244959 A JPS6244959 A JP S6244959A JP 60184961 A JP60184961 A JP 60184961A JP 18496185 A JP18496185 A JP 18496185A JP S6244959 A JPS6244959 A JP S6244959A
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- Japan
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- cathode
- current density
- flow
- fuel cell
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- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
- H01M8/241—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with solid or matrix-supported electrolytes
- H01M8/2425—High-temperature cells with solid electrolytes
- H01M8/243—Grouping of unit cells of tubular or cylindrical configuration
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
- H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
- H01M8/1231—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte with both reactants being gaseous or vaporised
-
- 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
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- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
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- Sustainable Energy (AREA)
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- Electrochemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
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Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
〔産業上の利用分野〕
本発明は燃料電池に関し、特に円筒式固体電解質型燃料
電池に係わる。
電池に係わる。
周知の如く、高温固体電解質型燃料電池は電解質のイオ
ン伝導度かアルカリ型、燐酸型及び溶融炭酸塩型に比較
して非常に低く、性能確保のためには薄膜化が避けられ
ず、現状１０〜５００μｍ位である。また、電極材料と
しては、電解質１作動ガス等の条件からＮ１ベースのも
のが選ばれているがやはり電気抵抗は大きく薄膜化が望
まれている。
ン伝導度かアルカリ型、燐酸型及び溶融炭酸塩型に比較
して非常に低く、性能確保のためには薄膜化が避けられ
ず、現状１０〜５００μｍ位である。また、電極材料と
しては、電解質１作動ガス等の条件からＮ１ベースのも
のが選ばれているがやはり電気抵抗は大きく薄膜化が望
まれている。
以上の理由により、まだ開発途上とは言え、第３図〜第
５図（従来例１）に示す様に円筒の多孔質支持管１に陰
極２．電解質３．陽極４をそれぞれせいぜい約３００μ
ｍ以下の薄膜を重ね合わせた構造が主流となっている。
５図（従来例１）に示す様に円筒の多孔質支持管１に陰
極２．電解質３．陽極４をそれぞれせいぜい約３００μ
ｍ以下の薄膜を重ね合わせた構造が主流となっている。
なお、図において、５ａ、５ｂは中間接続子、６は接続
片を示す。但し、第４図は第３図の丸印部分Ａを拡大し
たものである。また、他の従来のもの（従来例２）は、
第６図及び第７図に示す如く陰極２と陽極４とが逆にな
っているが、基本的には同じ構造となっている。なお、
第＼ｋにおいて、７は（固体）電解質、８は燃料極ギャ
ップ、９は中間接続子、１０は空気極ギャップ（０，１
ｃｍ）を示す。また、第ｊ図において、Ｌｌは０．１ｒ
ｉ、１２は０．５ｃｔａである。
片を示す。但し、第４図は第３図の丸印部分Ａを拡大し
たものである。また、他の従来のもの（従来例２）は、
第６図及び第７図に示す如く陰極２と陽極４とが逆にな
っているが、基本的には同じ構造となっている。なお、
第＼ｋにおいて、７は（固体）電解質、８は燃料極ギャ
ップ、９は中間接続子、１０は空気極ギャップ（０，１
ｃｍ）を示す。また、第ｊ図において、Ｌｌは０．１ｒ
ｉ、１２は０．５ｃｔａである。
そして、これらの電圧は単セルで０．６〜１．０Ｖａｌ
ｔであるが高圧にするための素子として中間接続子５ａ
、５ｂ（又は９）及び場合によっては、接続片６を設け
て直列に接続し高圧化を達成している。
ｔであるが高圧にするための素子として中間接続子５ａ
、５ｂ（又は９）及び場合によっては、接続片６を設け
て直列に接続し高圧化を達成している。
以下、従来技術の問題点について詳述する。
燃料電池の性能は作動電圧でほぼ決まるが、それの電流
密度との関係を第８図に示す。この図で電流密度を増や
して行くと損失分が増大し性能の低下していく様子がわ
かるが、損失分は、エントロピー変化損失、陽極活性化
エネルギー損失、陰極活性化エネルギー損失、電気抵抗
損失、及びイオン移動抵抗損失など種々な成分に分類さ
れ、かつそのうちどれが大きなウェイトをしめるかは、
燃料電池の種類及び使用範囲により異なっている。
密度との関係を第８図に示す。この図で電流密度を増や
して行くと損失分が増大し性能の低下していく様子がわ
かるが、損失分は、エントロピー変化損失、陽極活性化
エネルギー損失、陰極活性化エネルギー損失、電気抵抗
損失、及びイオン移動抵抗損失など種々な成分に分類さ
れ、かつそのうちどれが大きなウェイトをしめるかは、
燃料電池の種類及び使用範囲により異なっている。
ところで、＾温固体電解質型燃料電池では、エントロピ
ー変化損失、電気抵抗損失及びイオン移動抵抗損失が大
きいが、エントロピー変化損失は作動潤度に大きく依存
しており、これの改善は望むべくもなく又逆に燃料電池
からの排ガス温度が高くボトミングサイクルでの効率向
上につながるので、欠点とは必ずしも見做されていない
。即ち、欠点は後者２点であり、電気（電子）及びイオ
ン（０−）移動に伴う抵抗損失の大きいことである。
ー変化損失、電気抵抗損失及びイオン移動抵抗損失が大
きいが、エントロピー変化損失は作動潤度に大きく依存
しており、これの改善は望むべくもなく又逆に燃料電池
からの排ガス温度が高くボトミングサイクルでの効率向
上につながるので、欠点とは必ずしも見做されていない
。即ち、欠点は後者２点であり、電気（電子）及びイオ
ン（０−）移動に伴う抵抗損失の大きいことである。
ここで、この抵抗損失が大きいことの原因としては、次
の２点が挙げられる。第１は、材料そのものの抵抗が大
きい事。第２は、その積層構造から電流密度が均一でな
く全体として抵抗損失が大きくなる事。しかるに、実用
化が近いといわれている燐酸型及び溶融炭酸塩型では、
かかる電流密度の不均一さはガス流れにより発生するが
、それを制御する事により均一化可能である。
の２点が挙げられる。第１は、材料そのものの抵抗が大
きい事。第２は、その積層構造から電流密度が均一でな
く全体として抵抗損失が大きくなる事。しかるに、実用
化が近いといわれている燐酸型及び溶融炭酸塩型では、
かかる電流密度の不均一さはガス流れにより発生するが
、それを制御する事により均一化可能である。
これに対し、円筒形状を持つが故に積層構造の概念が異
なる高温固体電解質型では、ガス流れをいかにうまく制
御しても第９図（従来例１）、第１０図（従来例２）に
示す如く電流密度分布の不均一さが生じる。これが、従
来技術の最大の問題点である。以下、第９図及び第１０
図について詳述する。これらの図は、あくまでも定性的
なもので、必ずしも正確でない。第９図では中間接続子
の中心を０度又は３６０度としては表わした。なお、同
図で（イ）は陽極（燃料極）の電流密度を、（ロ）は陰
極（空気極）の電流密度を示す。又、第１０図では軸方
向長さを１として表わした。第１０図で、０が陽極（燃
料極）、１が陰極（空気極）の方向を示す。又、パラメ
ーターは、軸方向長さとし、現寸法より短い程（スタッ
ク当りのセル数を増大させる程）平準化されることを示
している。
なる高温固体電解質型では、ガス流れをいかにうまく制
御しても第９図（従来例１）、第１０図（従来例２）に
示す如く電流密度分布の不均一さが生じる。これが、従
来技術の最大の問題点である。以下、第９図及び第１０
図について詳述する。これらの図は、あくまでも定性的
なもので、必ずしも正確でない。第９図では中間接続子
の中心を０度又は３６０度としては表わした。なお、同
図で（イ）は陽極（燃料極）の電流密度を、（ロ）は陰
極（空気極）の電流密度を示す。又、第１０図では軸方
向長さを１として表わした。第１０図で、０が陽極（燃
料極）、１が陰極（空気極）の方向を示す。又、パラメ
ーターは、軸方向長さとし、現寸法より短い程（スタッ
ク当りのセル数を増大させる程）平準化されることを示
している。
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、電流密度を
平準化して従来より性能を向上し得る燃料電池を提供す
ることを目的とする。
平準化して従来より性能を向上し得る燃料電池を提供す
ることを目的とする。
本発明は、電流密度を平準化させるため、電流（電子）
の流れる方向に流れる量に対応させて流路断面積を変化
させ、これにより前記問題点（電子及びイオン移動に伴
う抵抗損失が過大であること）を解決しようとするもの
である。
の流れる方向に流れる量に対応させて流路断面積を変化
させ、これにより前記問題点（電子及びイオン移動に伴
う抵抗損失が過大であること）を解決しようとするもの
である。
性能低下量はΔＶ（＝ＩＸＲ）であるが、それは電解質
断面をｎ個の微小断面に分割すると、次式（１）で表わ
される。
断面をｎ個の微小断面に分割すると、次式（１）で表わ
される。
ΔＶ＝ Ｉ Ｉ Ｘ （ＲＡｌ＋ＲＥｌ＋ＲＯ１）＝
１２ Ｘ （ＲＡ２＋ＲＥｌｌ＋ＲＯ２）＝−＝Ｉｎ
Ｘ（ＲＡｎ＋ＲＥｎ＋Ｒｃｎ） ・・・（１）又、
電流値Ｉは次式（２）で表わされる。
１２ Ｘ （ＲＡ２＋ＲＥｌｌ＋ＲＯ２）＝−＝Ｉｎ
Ｘ（ＲＡｎ＋ＲＥｎ＋Ｒｃｎ） ・・・（１）又、
電流値Ｉは次式（２）で表わされる。
■−１ｆ ｒ ＋ ・・・
（２）ここで、ＲＡＩは１番目の電子が移動するのに伴
う抵抗であり、これは材料固有の抵抗値ρＡ〔Ω／ ｃ
ｍ ）と距離δＡ１との積で表わされる。
（２）ここで、ＲＡＩは１番目の電子が移動するのに伴
う抵抗であり、これは材料固有の抵抗値ρＡ〔Ω／ ｃ
ｍ ）と距離δＡ１との積で表わされる。
ＲＡｌ＝ρＡ＋δＡ１
同様に、 ＲＥ＋＝ρＥ十δＥＩ
Ｒｏ＋−ρ１＋δＣ１
で表わされる。従って、最良の断面とは、ΔＶを最小に
させる断面形状であり、σΔＶ／ａ＜断面形状）＝Ｏと
なる点を探すことにより求められる。
させる断面形状であり、σΔＶ／ａ＜断面形状）＝Ｏと
なる点を探すことにより求められる。
簡単には、電流の量に応じて変化させればａΔＶσ（断
面形状）が零に近付くことは明らかである。
面形状）が零に近付くことは明らかである。
以下、本発明の実施例を第１図（実施例１）及び第２図
（実施例２）を参照して説明する。
（実施例２）を参照して説明する。
実施例１
本実施例は、従来例１（継縞模式型、スプリット型）に
対して提案したものである。
対して提案したものである。
図中の２１は、多孔質支持管である。この多孔質支持管
の外周には、中間子接続子側を厚くした陰極（空気極）
２２が設けられている。この陰極２２の外周には、電解
質２３を介して接続片２４と接する側を厚くした陽極（
燃料極）２５が設けられている。ここで、前記多孔質支
持管２１と陽極２５はすべて同心円になっている。
の外周には、中間子接続子側を厚くした陰極（空気極）
２２が設けられている。この陰極２２の外周には、電解
質２３を介して接続片２４と接する側を厚くした陽極（
燃料極）２５が設けられている。ここで、前記多孔質支
持管２１と陽極２５はすべて同心円になっている。
ところで、上記構造を形成するには、多孔質支持管２５
及び陽極２５をすべて同心円とした後、まず陰極２２の
外周（電解質２３の内周）の中心を上に偏心させる。次
に、電解質２３の厚みを均一にするため、電解質２３の
外周（陽極２５の内周）も同様に偏心させる。次いで、
陽極２５であるが、先に述べた通り外周は偏心させずに
薄膜を形成させる。従って、厚みは電子量に対応する事
となる。
及び陽極２５をすべて同心円とした後、まず陰極２２の
外周（電解質２３の内周）の中心を上に偏心させる。次
に、電解質２３の厚みを均一にするため、電解質２３の
外周（陽極２５の内周）も同様に偏心させる。次いで、
陽極２５であるが、先に述べた通り外周は偏心させずに
薄膜を形成させる。従って、厚みは電子量に対応する事
となる。
しかして、実施例１によれば、陰極２２は中間接続子側
を厚くかつ陽極２５は接続片２４と接する側を厚くした
構造となっているため、電流の流れる方向に流れる量に
対応して流路断面積が変化する。従って、従来と比べ電
流密度が平準化し電池の性能（作動電圧）を著しく向上
でる。また、これに伴い、ボトミングサイクルと組合せ
た燃料電池発電プントの向率も飛躍的に向上する。
を厚くかつ陽極２５は接続片２４と接する側を厚くした
構造となっているため、電流の流れる方向に流れる量に
対応して流路断面積が変化する。従って、従来と比べ電
流密度が平準化し電池の性能（作動電圧）を著しく向上
でる。また、これに伴い、ボトミングサイクルと組合せ
た燃料電池発電プントの向率も飛躍的に向上する。
なお、実施例１では、陰極、陽極等の断面が円の場合に
ついて述べたが、これに限らない。たとえば、一方の半
周を真円、他方の半周を惰円としたもの、又は一方の半
周を放物線、他方の半周を惰円としたもの、あるいは一
方の半周を真円、他方の半周を放物線としたもの等が挙
げられる。即ち、断面を同心円の集合体としてとらえず
にフレキシブルに見て性能がもつとも良くなるように円
筒の切断面積を変えることにある。
ついて述べたが、これに限らない。たとえば、一方の半
周を真円、他方の半周を惰円としたもの、又は一方の半
周を放物線、他方の半周を惰円としたもの、あるいは一
方の半周を真円、他方の半周を放物線としたもの等が挙
げられる。即ち、断面を同心円の集合体としてとらえず
にフレキシブルに見て性能がもつとも良くなるように円
筒の切断面積を変えることにある。
また、実施例↑では、多孔質支持管と電解質の夫々の厚
みを一定としたが、これに限らず適宜厚みを変えてもよ
い。
みを一定としたが、これに限らず適宜厚みを変えてもよ
い。
実施例２
本実施例は、従来例２（輪切型、横縞模様型）に対して
提案したものである。なお、第１図と同部材は同符号を
付して説明を省略する。即ち、本実施例は、第２図に示
す如く電解質２３及び中間接続子２６は従来通り同一厚
みとし、陰極２２及び陽極２５の厚みを軸方向に変化さ
せた構造となっている。ここで、前記陰極２２及び陽極
２５は、例えば夫々五角形である。
提案したものである。なお、第１図と同部材は同符号を
付して説明を省略する。即ち、本実施例は、第２図に示
す如く電解質２３及び中間接続子２６は従来通り同一厚
みとし、陰極２２及び陽極２５の厚みを軸方向に変化さ
せた構造となっている。ここで、前記陰極２２及び陽極
２５は、例えば夫々五角形である。
なお、実施例２では、陰極及び陽極の形状を五角形とし
たが、これに限らず、例えば三角形１円の一部、双曲線
の一部、放物線の一部、惰円の一部及びそれらの組合せ
等にしてもよい。
たが、これに限らず、例えば三角形１円の一部、双曲線
の一部、放物線の一部、惰円の一部及びそれらの組合せ
等にしてもよい。
また、実施例２では、電解質と中間接続子の厚みを一定
としたが、これに限らず、適宜変化させてもよい。
としたが、これに限らず、適宜変化させてもよい。
以上詳述した如く本発明によれば、従来と比べ電流密度
が平準化し性能の著しく向上できる燃料電池を提供でき
る。
が平準化し性能の著しく向上できる燃料電池を提供でき
る。
第１図は本発明の実施例１に係る燃料電池の説４図は第
３図の部分拡大図、第５図は同燃料電池の斜視図、第６
図は従来の他の燃料電池の斜視図、第７図は第６図の軸
方向に沿う断面図、第８図は電＾流密度との関係を示す
特性図、第９図は角度と電流密度との関係を示す特性図
、第１０図は無次元長さと電流密度との関係を示す特性
図である。 ２１・・・多孔質支持管、２２・・・陰極、２３・・・
電解質、２４・・・接続片、２５・・・陽極、２６・・
・中間接続子。 出願人復代理人 弁理士 鈴江武彦 細板 − Ｒ■σ 艦 ’−ｊ ｔ”Ｊ 啜遼訃尾 第１０図
３図の部分拡大図、第５図は同燃料電池の斜視図、第６
図は従来の他の燃料電池の斜視図、第７図は第６図の軸
方向に沿う断面図、第８図は電＾流密度との関係を示す
特性図、第９図は角度と電流密度との関係を示す特性図
、第１０図は無次元長さと電流密度との関係を示す特性
図である。 ２１・・・多孔質支持管、２２・・・陰極、２３・・・
電解質、２４・・・接続片、２５・・・陽極、２６・・
・中間接続子。 出願人復代理人 弁理士 鈴江武彦 細板 − Ｒ■σ 艦 ’−ｊ ｔ”Ｊ 啜遼訃尾 第１０図
Claims (1)
- 多孔質支持管の外周に陽極及び陰極を設けた円環式の燃
料電池において、電流が流れる方向に前記陽極及び陰極
の流路断面積を電流の量に応じて変化させたことを特徴
とする燃料電池。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP60184961A JPH081811B2 (ja) | 1985-08-22 | 1985-08-22 | 電極素子構造 |
| US06/899,110 US4699852A (en) | 1985-08-22 | 1986-08-22 | Fuel battery |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP60184961A JPH081811B2 (ja) | 1985-08-22 | 1985-08-22 | 電極素子構造 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS6244959A true JPS6244959A (ja) | 1987-02-26 |
| JPH081811B2 JPH081811B2 (ja) | 1996-01-10 |
Family
ID=16162375
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP60184961A Expired - Lifetime JPH081811B2 (ja) | 1985-08-22 | 1985-08-22 | 電極素子構造 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US4699852A (ja) |
| JP (1) | JPH081811B2 (ja) |
Families Citing this family (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2790666B2 (ja) * | 1989-07-28 | 1998-08-27 | 日本碍子株式会社 | 燃料電池発電装置 |
| US5273839A (en) * | 1989-07-28 | 1993-12-28 | Ngk Insulators, Ltd. | Fuel cell generator |
| DE69015939T2 (de) * | 1989-09-18 | 1995-07-06 | Ngk Insulators Ltd | Brennstoffzellengenerator. |
| US5045169A (en) * | 1990-02-05 | 1991-09-03 | Westinghouse Electric Corp. | Solid oxide electrolyte electrochemical oxygen generator |
| US5258240A (en) * | 1991-10-11 | 1993-11-02 | Westinghouse Electric Corp. | Solid oxide fuel cell generator |
| US5273838A (en) * | 1992-10-07 | 1993-12-28 | Westinghouse Electric Corp. | Double interconnection fuel cell array |
| US6361893B1 (en) * | 1999-11-26 | 2002-03-26 | The United States Of America As Represented By The Department Of Energy | Planar fuel cell utilizing nail current collectors for increased active surface area |
| US6423436B1 (en) * | 2000-03-30 | 2002-07-23 | The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy | Tubular electrochemical devices with lateral fuel aperatures for increasing active surface area |
| CA2427501A1 (en) * | 2000-10-30 | 2002-05-10 | Michael A. Cobb & Company | Solid oxide fuel cell stack |
| GB0201800D0 (en) * | 2002-01-26 | 2002-03-13 | Rolls Royce Plc | A fuel cell module |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US737285A (en) * | 1902-05-19 | 1903-08-25 | Charles B Schoenmehl | Battery element. |
| US3460991A (en) * | 1967-08-16 | 1969-08-12 | Gen Electric | Fuel cell with tubular electrodes and solid electrolyte |
| US4547437A (en) * | 1984-10-05 | 1985-10-15 | Westinghouse Electric Corp. | Protective interlayer for high temperature solid electrolyte electrochemical cells |
-
1985
- 1985-08-22 JP JP60184961A patent/JPH081811B2/ja not_active Expired - Lifetime
-
1986
- 1986-08-22 US US06/899,110 patent/US4699852A/en not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US4699852A (en) | 1987-10-13 |
| JPH081811B2 (ja) | 1996-01-10 |
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