WO2003023886A1 - Pile a combustible a electrolyse monobloc - Google Patents

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fuel cell
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Masahiro Kuroishi
Hiroyuki Nagaiwa
Susumu Aikawa
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Toto Ltd.
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    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a cylindrical cell type solid oxide fuel cell.
  • the present invention relates to a cylindrical cell type solid electrolyte fuel cell in which a current extraction portion from a reaction chamber is improved, gas sealing and heat insulating properties are improved, and cost is reduced by reducing the number of components.
  • a cylindrical cell type solid oxide fuel cell is one type of solid oxide fuel cell disclosed in Japanese Patent Publication No. 11-97055.
  • the cylindrical cell type solid electrolyte fuel cell has a cylindrical cell composed of a porous support tube, an air electrode, a solid electrolyte, a fuel electrode, and an interconnector.
  • oxygen air
  • gaseous fuel H 2 , C ⁇ , etc.
  • O 2 -ions move in this cell, causing chemical combustion and the air
  • An electric potential is generated between the electrode and the fuel electrode to generate power.
  • the air electrode doubles as a support tube.
  • the air electrode L a (S r) Mn_ ⁇ 3, the thickness of 1. 4mm, slurry coat
  • Figure 4 is a longitudinal sectional view of a main part of a conventional solid electrolyte fuel cell, the fifth The figure shows a cross-sectional view of a conventional solid oxide fuel cell.
  • Cell 107 is a ceramic tube that is open at the top and closed at the bottom (tubular shape with bottom).
  • the cross section of the cell 107 has a multilayer cylindrical shape, and the air electrode 16 1, the solid electrolyte layer 163, Each layer such as fuel electrode 1 65 is laminated.
  • each layer of the cell 107 is several m to 2 mm, and each cell is mainly composed of an oxide having the required functions (conductivity, air permeability, solid electrolyte, electrochemical catalysis, etc.). It is made of a mixed material.
  • an oxidizing agent air, oxygen rich gas, etc., hereinafter referred to as air
  • a fuel gas such as H 2 , C ⁇ , or CH 4 flows through the outer surface, ⁇ 2 —
  • the ions move and an electrochemical reaction occurs, causing a potential difference between the air electrode 161 and the fuel electrode 165 to generate power.
  • an elongate air inlet tube 104 for passing air passes.
  • the air introduction pipe exits below the air distributor 13 1 at the top of the solid oxide fuel cell and enters the cell 107, and its lower end reaches near the bottom of the cell 107.
  • Air is supplied to the bottom of the cell 107 from the lower end of the air introduction pipe.
  • the air supplied to the bottom of the cell goes upward in the cell 107 while contributing to the power generation reaction described above, and exits the cell 107 from the upper end of the cell 107 to reach the exhaust combustion chamber 1337 .
  • fuel gas exhaust and air exhaust described later are mixed, and unreacted oxygen and fuel in the exhaust burn.
  • Fuel gas is supplied to the outer surface of the cell 107 upward from the fuel supply chamber 109 below the solid oxide fuel cell.
  • the fuel gas flows upward outside the cell 107 while contributing to the above-described power generation reaction, and the unreacted portion of the fuel gas and the electrochemical combustion reaction products (C ⁇ 2 , H 20, etc.) in the cell portion ) Enters the exhaust combustion chamber 13 7.
  • the sensible heat after combustion in the exhaust combustion chamber is used for residual heat of the air and fuel gas supplied to the fuel cell, or sent to a power generation system using a normal steam poirer / turbine for power generation. You.
  • the power generation voltage in one cylindrical cell is about 1 volt, so the required voltage is obtained by connecting many cylindrical cells in series. Therefore, considering the ease of assembly and maintenance, about three cells 107 are connected in parallel, and these parallel cells are connected in series via conductive members 108. A cell assembly 102 connected with the members 105 is formed. Fig. 4 shows the case where the number of series is 6, but sufficient power generation voltage is obtained by connecting the required number of series. Next, the electrical connection relationship between the cells 107 in the solid oxide fuel cell will be described. A large number of cell assemblies 102 are connected in series to obtain a required potential. In addition, at the end of the cell assembly connected in series, a large number of current collecting rods 14 are used to supply the power collected by the current collecting member 105 to the outside. It is taken out of 3.
  • the current collecting rod is exposed outside the reaction chamber, so it is necessary to seal the fuel rod at this part to prevent fuel gas from leaking from the reaction chamber or to prevent air from entering. Furthermore, since the power generation chamber needs to be kept at around 100 to perform the power generation reaction, a heat insulation structure to reduce heat leakage is also required.
  • the current collecting member 105 is divided in the cell axis direction in order to reduce thermal stress applied to the cell due to a difference in linear expansion coefficient from the cell. For this reason, the current collecting rods 14 1 are installed for the number of divisions of the current collecting member. For this reason, the above-mentioned gas seal structure and heat insulation structure are required for the number of divisions, and the increase in the number of parts increases costs and complicates maintenance. Disclosure of the invention
  • the present invention solves the above-mentioned problems, minimizes the number of current collecting rods 141 for taking out electric power from the power generation reaction chamber, reduces the number of gas seals and heat insulating structures, reduces costs, and facilitates maintenance. It is an object of the present invention to provide a cylindrical cell type solid oxide fuel cell which can be manufactured in a compact manner.
  • a current collecting member as a plurality of first current paths connected to each of the plurality of divided current collecting members is provided.
  • the solid oxide fuel cell has a structure in which the power rod is connected to a current collector as one second current path in the reaction chamber, and power is taken out of the reaction chamber by this integrated current collector. I will provide a.
  • the current is taken out at one point for each of the positive electrode and the negative electrode, so that the number of gas seal portions can be reduced as compared with the conventional case, making the production easier, and further improving reliability and maintainability. improves.
  • a second current path having a first current path connected to each of the plurality of divided current collecting members, consolidating the first current paths into one, and taking out the outside of the reaction chamber is provided. And a solid electrolyte fuel cell having substantially the same electric resistance in the first current path.
  • FIG. 1 is a sectional view schematically showing one embodiment of a fuel cell according to the present invention.
  • FIG. 2 is a perspective view showing the relationship between the first current path and the second current path.
  • FIG. 3 Diagram similar to Fig. 2 showing another embodiment
  • FIG. 4 is a diagram schematically showing one embodiment of a fuel cell having a conventional current collecting structure.
  • FIG. 5 is a diagram schematically showing an embodiment of a conventional fuel cell unit. BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
  • FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing one embodiment of the present invention
  • FIG. 2 shows a conventional case where the current collecting member and the current collecting rod of FIG. 4 are used in the embodiment of the present invention. This is extracted and shown.
  • the fuel cell 1 is configured by surrounding a cell assembly 2 with a partition wall 3.
  • one cell assembly 2 is accommodated in the partition wall 3, but a plurality of cell aggregates 2 may be accommodated.
  • the cell assembly 2 connects a plurality of cylindrical cells 4 in series and parallel directions via a conductive member 5 such as metal felt.
  • a conductive member 5 such as metal felt.
  • the structure of the cylindrical cell 4 is composed of a cylindrical support, an air electrode, a solid electrolyte layer, and a fuel electrode as in the conventional case.
  • the cell assembly 2 is configured by the cylindrical cells 4 is shown.
  • the cell assembly may be configured by flat cells.
  • a plate-like current collecting member 6 is divided (quadranted) in the axial direction of the cell, and the divided current collecting members 6a, 6b, 6c, and 6d are firstly divided.
  • the current collecting rods 7a, 7b, 7c, and 7d are respectively derived as current paths of these, and these current collecting rods 7a, 7b, 7c, and 7d are collected by the current collector 8 at once.
  • a structure is employed in which a current is taken out beyond the reaction chamber partition wall by a terminal 9 which is a second current path extending from the current collector 8.
  • the position where the current is extracted by the current collector 8 and the terminal 9 does not necessarily need to be at the lower part of the device, but may be at the upper part or the side surface.
  • the terminal 9 that penetrates the reaction vessel partition wall becomes one strong point for each of the positive electrode and the negative electrode, and a seal structure for preventing leakage of fuel gas or reducing the temperature in the reaction chamber.
  • the heat insulation structure that penetrates the heat insulating material etc. to keep it is one of the key points, making the equipment simpler than before.
  • the current collecting rods 7a, 7b connected to the divided current collecting members 6a, 6b, 6c, 6d If the materials and cross-sectional areas of 7c and 7d are the same, the length of the collector rod connected to the lower collector is shorter than that of the upper collector, and the electrical resistance is lower. In this case, the current of the entire cell assembly tends to flow to the lower part in the cell axis direction. As a result, the amount of power generation is lower than in the case where power is generated evenly in the entire cell, and the power generation reaction in the lower part of the cell becomes more active. Reduce the quality.
  • each current collecting rod 7a, 7b, 7c, 7d connected to the divided current collecting members 6a, 6b, 6c, 6d (
  • a plurality of current collector rods 7a, 7b, 7c, and 7d between the current collector 8 and the current collectors 6a, 6b, 6c, and 6d can be adjusted.
  • the electrical resistance can be made almost the same, which allows the cell axis
  • the bias of the current in the direction is eliminated, and power is generated evenly in the entire cell. For this reason, the amount of power generated by the entire cell can be increased, and durability and reliability can be improved.
  • the length of the current collecting rods 7a, 7b, 7c, and 7d may be the same, or the current collecting rods 7a, 7b, 7c, 7 By forming d with materials having different conductivity, the electric resistances of the current collecting rods 7a, 7b, 7c, and 7d can be made the same.

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Description

明 細 書
固体電解質型燃料電池 技術分野
本発明は、 円筒型セルタイプの固体電解質型燃料電池に関する。 特に反応室か らの電流取り出し部を改良し、 ガスシール性および断熱性を向上させ、 さらに部 品点数の減少によりコストダウンも計った円筒型セルタイプの固体電解質型燃料 電池に関する。 背景技術
円筒型セルタイプ固体電解質型燃料電池は、 特公平 1一 5 970 5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。 円筒型セルタイプ固体電解質 型燃料電池は、 多孔質支持管一空気極一固体電解質 -燃料極 -インターコネクタ で構成される円筒型セルを有する。 空気極側に酸素 （空気） を流し、 燃料極側に ガス燃料 （H2, C〇等） を流してやると、 このセル内で O2—イオンが移動して化 学的燃焼が起こり、 空気極と燃料極の間に電位が生じ発電が行われる。 なお、 空 気極が支持管を兼用する形式のものもある。
現状の代表的円筒型セルタイプ固体電解質型燃料電池の構成材料、 厚さおよび 製造方法は以下の通りである （Proc. of the 3rd Int. Symp. on SOFC, 1993) 。 支持管： Z r〇2 (C a〇） 、 厚さ 1. 2mm、 押し出し
空気極： L a (S r ) Mn〇3、 厚さ 1. 4mm、 スラリーコート
固体電解質： Z r 02 (Y203 ) 、 厚さ 40 zm、 E VD
インターコネクタ ： L a (S r ) Mn03、 厚さ 40 ΠΊ、 EVD
燃料極： N i— Z r〇2 (Y2〇3) 、 厚さ 1 00 xm、 スラリーコート一 EVD 第 4図は従来の固体電解質型燃料電池の主要部の縦断面図を示し、 第 5図は従 来の固体電解質型燃料電池セルの断面図を示す。
セル 1 07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。 セル 1 07の断面は多層円筒状をしており、空気極 1 6 1、固体電解質層 1 63、 燃料極 1 6 5等の各層が積層されている。
セル 1 0 7の各層の肉厚は数^ m〜 2 mm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。 このセル 1 0 7の内面に酸化剤 （空気や酸素リ ツチガス等、 以下空気という） を流し、 外面に H2、 C〇、 C H4などの燃料ガス を流すと、 このセル内で〇2—イオンが移動して電気化学的反応が起こり、 空気極 1 6 1と燃料極 1 6 5との間に電位差が生じ発電が行われる。
セル 1 0 7内には、 空気を通すための細長い空気導入管 1 0 4が通っている。 空気導入管は、 固体電解質型燃料電池上部の空気分配器 1 3 1から下に出てセル 1 0 7内に入り、 その下端はセル 1 0 7の底近くにまで達している。 この空気導 入管の下端から、 空気がセル 1 0 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セル 1 0 7内を上方に向かい、 セル 1 0 7上端 部からセル 1 0 7外に出て排気燃焼室 1 3 7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 燃焼する。
セル 1 0 7の外面には、 固体電解質型燃料電池下部の燃料供給室 1 0 9から上 方に向けて、 燃料ガスが供給される。 燃料ガスは、 上述の発電反応に寄与しつつ セル 1 0 7外を上方に向かい、 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 （C〇2、 H2 0等） は、 排気燃焼室 1 3 7に入る。 排気燃焼室で 燃焼した後の顕熱は、 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、 通常の蒸気ポイラ一 ·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。
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ポルトなので、 多数の円筒セルを直列に接続して所要の電圧を得る。 その為、 組立性、 メンテナンス性などを考慮し 3本程度のセル 1 0 7を並列接続し、 さら にこれらの並列セルを導電部材 1 0 8を介して直列接続し、 両端に一対の集電部 材 1 0 5を接続したセル集合体 1 0 2を形成している。 第 4図では直列数 6の場 合を示しているが、必要な数だけ直列接続することで十分な発電電圧を得ている。 次に、 固体電解質型燃料電池におけるセル 1 0 7の電気的接続関係について説 明する。 セル集合体 1 0 2は必要な電位を得るために多数直列に接続される。 さ らに、 多数直列接続されたセル集合体の端部では、 集電部材 1 0 5により集めら れた電力を外部へ供給するために集電ロッド 1 4 1により発電反応室から隔壁 1 0 3の外側へ取り出される。
従来、 集電ロッドは反応室外へ露出するため、 この部分で燃料ガスが反応室か ら漏れないよう、 あるいは空気が進入しないようにシールする必要がある。 さら に発電反応を行うためには発電室はおよそ 1 0 0 0で程度に保つ必要があるため、 熱の漏れを少なくするための断熱構造も必要となる。
さらに、 集電部材 1 0 5はセルとの線膨張係数の差によりセルに加わる熱応力 を緩和するために、 セル軸方向に分割されている。 このため、 集電ロッド 1 4 1 は集電部材の分割数分、 設置されている。 このため、 先に述べたガスシール構造 や断熱構造が分割数分、 必要になり、 部品点数の増加によりコスト高になり、 メ ンテナンスも複雑になっている。 発明の開示
本発明は、 上記課題を解決し、 発電反応室からの電力取り出し用集電ロッド 1 4 1の数を最小限に減少させ、 ガスシール ·断熱構造部を減少させコストダウン を計り、 メンテナンスも容易にできる円筒型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。
上記課題を解決するため、 第一の発明では、 正極、 負極それぞれの端部にある 集電部材において、 複数に分割された各集電部材に接続された複数の第 1の電流 路としての集電ロッドを、 反応室内で、 1つの第 2の電流路としての集電体に接 続し、 この集約された 1つの集電体により、 反応室内から電力を取り出す構造と した固体電解質型燃料電池を提供する。
第一の発明によれば、 電流の取り出し箇所は、 正極、 負極についてそれぞれ 1 力所となり、 ガスシール部の数を従来よりも減少させることができ、 製作が容易 となり、 さらに信頼性、 メンテナンス性向上する。 第二の発明では、 複数に分割された各々の集電部材に接続された第 1の電流路 を持ち、 当該第 1の電流路を 1つに集約し、 反応室外へ取り出す第 2の電流路を 持ち、 前記第 1の電流路の各電気抵抗を略同一にした固体電解質型燃料電池を提 供する。
第二の発明によれば、電流を集約する際のロッドの抵抗値の偏りが無くなると、 電流が均等に流れるので、 セル軸方向全体にわたって平均的に発電を行うことが でき、 局所的に発電することによる異常昇温等がなくセルの耐久性も向上する。 電気抵抗値 Rは、 断面を一様なる S、 長さ 1の棒状体では、 R = l Z S aで表 わされる （ただし、 σは導電率） 。 各セルの電気抵抗値がそれぞれ略同一である とすれば、本発明を達成する形態の一例としては、電流路を形成する部材の長さ、 断面積、 導電率を調整して、 電気抵抗値が各直列方向の電流路においてそれぞれ 同等になるようすることが考えられる。 図面の簡単な説明 第 1図 本発明の燃料電池の 1実施例を略示する断面図
第 2図 第 1の電流路と第 2の電流路の関係を示す斜視図
第 3図 別実施例を示す第 2図と同様の図
第 4図 従来の集電構造による燃料電池の一実施例を略示する図である。
第 5図 従来の燃料電池セルの実施例を略示する図である。 発明を実施するための最良の形態
以下に図面を参照して本発明をより具体的に説明する。
第 1図は、 本発明の一実施例を略示する断面図であり、 第 2図は従来の第 4図 の集電部材と集電ロッドの部分を本発明の実施の形態にした場合の当該部分を取 り出して示したものである。
燃料電池 1はセル集合体 2の周囲を隔壁 3にて囲繞することで構成される。 隔 壁 3内には図示例では 1つのセル集合体 2を収納した例をしめしたが、 複数のセ ル集合体 2を収納してもよい。 前記セル集合体 2は複数の円筒状セル 4を直列方向及び並列方向に複数本を金 属フェルト等の導電部材 5を介して接続している。 なお、 円筒状セル 4の構造は 従来と同様に、 筒状支持体、 空気極、 固体電解質層及び燃料極から構成される。 なお、 図示例では円筒状セル 4にてセル集合体 2を構成した例を示したが、 平 板状のセルにてセル集合体を構成してもよい。
セル集合体 2の両端には板状の集電部材 6がセルの軸方向に分割 （四分割） さ れ、 分割された各集電部材 6 a， 6 b， 6 c , 6 dから第 1の電流路としてそれ ぞれ集電ロッド 7 a， 7 b , 7 c， 7 dが導出され、 これら集電ロッド 7 a , 7 b , 7 c , 7 dはいつたん集電体 8に集められ、 この集電体 8から伸びる第 2の 電流路である端子 9により反応室隔壁を越えて電流を取り出す構造とした。 集電 体 8及び端子 9による電流の取り出し位置は必ずしも装置下部である必要はなく、 上部あるいは側面であっても構わない。
このような集電体 8及び端子 9を用いることで、 反応容器隔壁を貫通する端子 9は正極 ·負極おのおの 1力所となり、 燃料ガスの漏れを防ぐシール構造、 ある いは反応室内の温度を保っための断熱材等を貫通する場合の断熱構造がおのおの 1力所となり、 従来より簡略な装置となる。
また、 第 1図のように、 装置下部へ電流取り出しを設けた場合に、 分割された 集電部材 6 a， 6 b , 6 c , 6 dに接続したそれぞれの集電ロッド 7 a， 7 b , 7 c， 7 dの材質および断面積を同一にすると、 下側の集電部材に接続した集電 ロッドは上部のそれよりも長さが短くなり、 電気抵抗が小さくなる。 この場合、 セル集合体全体の電流はセル軸方向の下部に偏って流れやすくなる。 このため、 セル全体で均等に発電が行われる場合よりも発電量が低下し、 また、 セル下部で の発電反応が活発になるため、 セルの下部で局所的に温度が上昇し、 セルの耐久 性を低下させる。
そこで、 第 3図に示すように、 分割された集電部材 6 a， 6 b， 6 c , 6 dに 接続したそれぞれの集電ロッド 7 a， 7 b， 7 c , 7 dの太さ （断面積） 調整す ることにより、 集電体 8と集電部材 6 a， 6 b , 6 c， 6 dの間の複数の集電ロ ッド 7 a , 7 b， 7 c， 7 dの電気抵抗を略同一にでき、 これにより、 セルの軸 方向での電流の偏りはなくなり、 セル全体で均等に発電されるようになる。 この ため、 セル全体での発電量が多くでき、 耐久性、 信頼性も向上できる。
また、 図示はしないが、 集電ロッド 7 a， 7 b, 7 c, 7 dの長さを同じにす るか、 長さが異なる場合でも集電ロッド 7 a, 7 b, 7 c, 7 dを導電率の異な る材料で構成することで、 各集電ロッド 7 a， 7 b, 7 c, 7 dの電気抵抗を同 じにすることができる。 産業上の利用可能性
本発明によれば、 熱応力緩和のために分割された集電部材から複数の集電ロッ ドにより電流を取り出す際に、 反応室隔壁を貫く箇所を減少させ、 コストダウン を計り、 さらに耐久性 ·信頼性も向上させた円筒型セルタイプ固体電解質型燃料 電池が提供される。

Claims

請 求 の 範 囲
1 . セル軸方向に分割された集電部材と、分割された各々の集電部材に接続され た第 1の電流路を持ち、 当該第 1の電流路を 1つに集約し、 反応室外へ取り出す 第 2の電流路を持つ、 固体電解質型燃料電池。
2 . セル軸方向に分割された集電部材と、分割された各々の集電部材に接続され た第 1の電流路を持ち、 当該第 1の電流路を 1つに集約し、 反応室外へ取り出す 第 2の電流路を持ち、 前記第 1の電流路の各電気抵抗を略同一にして成る、 固体 電解質型燃料電池。
3 . 請求項 2に記載の固体電解質型燃料電池において、 前記各々の集電部材に接 続された個々の第 1の電流路は長さ、 太さ又は材料のうちの何れかを異ならせる ことで電気抵抗が略同一になっていることを特徴とする固体電解質型燃料電池。
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