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JP2528987B2 - 固体電解質型燃料電池 - Google Patents

固体電解質型燃料電池

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Publication number
JP2528987B2
JP2528987B2 JP2032382A JP3238290A JP2528987B2 JP 2528987 B2 JP2528987 B2 JP 2528987B2 JP 2032382 A JP2032382 A JP 2032382A JP 3238290 A JP3238290 A JP 3238290A JP 2528987 B2 JP2528987 B2 JP 2528987B2
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JP
Japan
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fuel
gas flow
oxidizing gas
flow hole
fuel gas
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英延 三澤
裕丈 山田
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NGK Insulators Ltd
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NGK Insulators Ltd
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Publication date
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    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/241Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with solid or matrix-supported electrolytes
    • H01M8/2425High-temperature cells with solid electrolytes
    • H01M8/2435High-temperature cells with solid electrolytes with monolithic core structure, e.g. honeycombs
    • YGENERAL 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
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • 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
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Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は固体電解質型燃料電池に関するものである。
(従来の技術) 最近、燃料電池が発電装置として注目されている。こ
れは、燃料が有する化学エネルギーを直接電気エネルギ
ーに変換できる装置で、カルノーサイクルの制約を受け
ないため、本質的に高いエネルギー変換効率を有し、燃
料の多様化が可能で(ナフサ、天然ガス、メタノール、
石炭改質ガス、重油等)、低公害で、しかも発電効率が
設備規模によって影響されず、極めて有望な技術であ
る。
特に、固体電解質型燃料電池(以下、SOFCと記す)は
1000℃の高温で作動するため電極反応が極めて活発で、
高価な白金などの貴金属触媒を全く必要とせず、分極が
小さく、出力電圧も比較的高いため、エネルギー変換効
率が他の燃料電池にくらべ著しく高い。更に、構造材は
全て固体から構成されているため、安定且つ長寿命であ
る。
SOFCの構成要素は、一般的に空気電極、固体電解質、
燃料電極から構成される。
第5図はこうしたSOFCの一例を示す部分正面図であ
り、アルゴンヌ国立研究所によって最初に提案された、
いわゆるアルゴンヌ型のコーフローモデル(Co−Flow m
odel)と呼ばれるモノリシックデザインのものである。
この型のSOFCでは、第5図において上から順に平板状
空気電極膜1、インターコネクター2、平板状燃料電極
膜3を設けて平板状積層体50とし、この平板状積層体50
を互いに平行に所定間隔を置いて配列する。そして、図
面において断面略V字形の燃料電極膜4を平板状燃料電
極膜3に対向させて多数設け、燃料ガス流通孔7を図面
において横方向に多数形成し、また断面路Λ字形の空気
電極膜6を平板状空気電極膜1に対向させて多数設け、
酸化ガス流通孔8を横方向に多数形成する。これらの燃
料ガス流通孔7と酸化ガス流通孔8とは互いにモザイク
状に組み合わされ、燃料電極膜4と空気電極膜6との間
には波形の固体電解質膜5が形成されている。隣り合う
燃料ガス流通孔7と酸化ガス流通孔8との間には順に燃
料電極膜4、波形の固体電解質膜5、空気電極膜6が介
在し、この部分で発電が行われる。第5図では便宜上一
列しか示していないが実際には第5図に示す層構造を多
数積層してハニカム状にガス流通孔を多数形成する。
第6図は第5図のSOFCと同じくアルゴンヌ型のSOFCを
示すもので、クロスフロー型(Cross Flow model)と呼
ばれるものである。
このSOFCでは、上記と同じ平板状積層体50と、平板状
燃料電極膜3、平板状固体電解質膜15及び平板状空気電
極膜1を順次積層した構成の平板状積層体51とを、互い
に平行に所定間隔を置いて配列する。そして、平板状燃
料電極膜3に挟まれた空間には波形の燃料電極膜14を配
置して燃料ガス流通孔17を形成し、これに矢印Aのよう
に燃料ガスを供給する。また、平板状空気電極膜1に挟
まれた空間には波形の空気電極膜16を配置して酸化ガス
流通孔18を形成し、これに矢印Bのように酸化ガスを供
給する。燃料ガス供給口17と酸化ガス供給口18とは所定
角度、例えば90゜をなしている。燃料ガス流通孔17と酸
化ガス流通孔18との間には順に平板状燃料電極膜3、平
板状電解質膜15及び平板状空気電極膜1が介在し、この
部分で発電が行われる。
こうしたアルゴンヌ型のモノリシックデザインのSOFC
は不活性な構造支持体を必要としないので、出力密度、
エネルギー密度が高く、活性表面領域が大きく、発電効
率を大きくできるものと考えられており、有望な技術で
ある。
(発明が解決しようとする課題) しかし、上記のように、酸化ガス流通孔、燃料ガス流
通孔を多数ハニカム状に設けた構造では、各流通孔に酸
化ガス又は燃料ガスを適切に供給し、かつ酸化ガス、燃
料ガスが漏洩したり、混合したりするのを防止すること
が極めて困難であり、適当なガス供給手段がないために
実用化は困難であった。
本発明の課題は、酸化ガス流通孔、燃料ガス流通孔を
多数ハニカム状に設けたSOFCにおいて、各流通孔へと酸
化ガス又は燃料ガスを適切に供給し、かつ酸化ガス、燃
料ガスの漏洩や混合を防止できるような、固体電解質型
燃料電池を提供することである。
(課題を解決するための手段) 本発明は、平板状空気電極膜が一方の面を覆い、かつ
平板状燃料電極膜が他方の面を覆う平板状積層体を複数
個互いに離隔しつつ実質的に平行に配列し、隣り合う前
記平板状積層体の間に前記平板状空気電極膜に面する酸
化ガス流通孔を複数個形成し、隣り合う前記平板状積層
体の間に前記平板状燃料電極膜に面する燃料ガス流通孔
を複数個形成し、かつ前記酸化ガス流通孔と前記燃料ガ
ス流通孔との間に少なくとも空気電極膜、固体電解質膜
及び燃料電極膜を介在させてなる固体電解質型燃料電池
において、 前記複数個の各酸化ガス流通孔の一方の端部開口から
前記酸化ガス流通孔内へと設けられた酸化ガス供給管
と; 前記各酸化ガス流通孔の他方の端部を閉塞する閉塞部
と; 前記複数個の各燃料ガス流通孔の一方の端部開口から
前記燃料ガス流通孔内への設けられた燃料ガス供給管
と; 前記各燃料ガス流通孔の他方の端部を閉塞する閉塞部
と を有する固体電解質型燃料電池に係るものである。
上記において、「空気電極膜」は「平板状空気電極
膜」と同一又は別個のものであり、「燃料電極膜」は
「平板状燃料電極膜」と同一又は別個のものである。
「空気電極膜」、「燃料電極膜」がそれぞれ「平板状
空気電極膜」、「平板状燃料電極膜」と同一のものであ
るときには、「固体電解質膜」は平板状空気電極膜と平
板状燃料電極膜との間に存在し、「平板状積層体」の一
部をなす。例えば第6図に示す平板状積層体51はこの一
例である。また、「空気電極膜」、「燃料電極膜」がそ
れぞれ「平板状空気電極膜」、「平板状燃料電極膜」と
別個のものであるときには、「固体電解質膜」は「平板
状積層体」の一部をなさず、隣り合った平板状積層体と
平板状積層体との間に存在する。例えば、第5図のSOFC
はこの一例である。
(実施例) 第1図は本発明の実施例によるSOFCを示す斜視図(但
し、便宜上一層の一部分のみを拡大して示してあ
る。)、第2図はこのSOFCの部分断面図である。
本実施例のSOFCにおいて、各電極の積層構造、ガス流
通孔自体の形成等については第5図のものと同様である
ので説明を省略する。
本実施例のSOFCにおいては、まず各燃料ガス流通孔7
の一方の端部開口7a(第1図では手前側、第2図では左
側)から燃料ガス流通孔7の他方の端部へと向かって燃
料ガス供給管10が設けられ、この燃料ガス供給管10はそ
れぞれここでは三個のリブ11によって支持されている。
もちろん、支持のためのリブ11の個数は任意でよい。各
燃料ガス供給管10が挿通される燃料ガス流通孔7の他方
の端部には閉塞部24が設けられ、燃料ガスの流出が遮断
されている。燃料ガス供給管10の基部は、隔壁64によっ
て区画された燃料ガス供給室34内に露出し、燃料ガス供
給管10の先端側は前記閉塞部24に近接して固定される。
発電時に矢印Aのように燃料ガス供給室34から燃料ガス
供給管10内への燃料ガスを供給すると、この燃料ガスは
供給管10の先端から放出され、閉塞部24により方向転換
して反転し、矢印Cのように燃料ガス供給管10と燃料電
極4との間を流れ、一方の端部開口7aから放出される。
この燃料ガスの流れは排ガス燃焼室30と燃料ガス供給室
34との差圧から生じるように設計されており、発電に利
用された後の濃度の低下した燃料ガスは排ガス燃焼室30
へと流入する。
また、各酸化ガス流通孔8の一方の端部開口8aから酸
化ガス流通孔8の他方の端部へと向かって酸化ガス供給
管20が設けられ、この酸化ガス供給管20はそれぞれ三個
のリブ11によって支持されている。各酸化ガス供給管20
が挿通された酸化ガス流通孔8の他方の端部には閉塞部
26が設けられ、酸化ガスの流出が遮断されている。酸化
ガス供給管20の基部は、隔壁66によって区画された酸化
ガス供給室36内に露出し、酸化ガス供給管20の先端側は
前記閉塞部36に近接して固定される。発電時に酸化ガス
供給室36より矢印Bのように酸化ガス供給管20内へと酸
化ガスを供給すると、この酸化ガスは供給管20の先端か
ら放出され、閉塞部26により方向転換し反転して矢印D
のように酸化ガス供給管20と空気電極6との間を流れ、
一方の端部開口8aから放出される。この酸化ガスの流れ
は排ガス燃焼室30と酸化ガス供給室36との差圧から生じ
るように設計されており、発電に利用された後の濃度の
低下した酸化ガスは排ガス燃焼室30へと流入する。
酸化ガスは空気電極膜6と固体電解質膜5との界面で
酸素イオンを生じ、これらの酸素イオンは固体電解質膜
5を通って燃料電極膜4へと移動し、燃料と反応すると
共に電子を燃料電極膜4へと放出する。そして、平板状
燃料電極膜3と平板状空気電極膜1との間にインターコ
ネクター2を設け、各層を直列に接続し、最終的にスタ
ックの上端と下端との間に負荷を接続して電力を取り出
す。
空気電極膜1,6は、ドーピングされたか、又はドーピ
ングされていないLaMnO3,CaMnO3,LaNiO3,LaCoO3,LaCrO3
等で製造でき、ストロンチウムをドーピングしたLaMnO3
が好ましい。固体電解質膜5は、一般にはイットリア安
定化ジルコニア等で製造できる。燃料電極膜3,4は、一
般にはニッケル−ジルコニアサーメット又はコバルトジ
ルコニアサーメットが好ましい。
燃料ガス供給管10、リブ11、閉塞部24は、これらを取
り囲む燃料電極膜3,4と異なる材料で成形してもよい
が、後述のように同一の材料で成形することが好まし
い。酸化ガス供給管20、これを支えるリブ11、閉塞部26
も空気電極膜1,6と異なる材料で成形してもよいが、同
一の材料で成形することが好ましい。
本実施例のSOFCによれば、以下の効果を奏しうる。
(1) 上記したように、燃料ガス供給管10,酸化ガス
供給管20とそれぞれの開口端近傍に設けられたガス流通
孔の閉塞部24,26とを組み合わせることにより、ガス流
通孔7,8内の全域に亘って効率良く確実に燃料ガス又は
酸化ガスを送り込むことができる。これにより、発電効
率の高いアルゴンヌ型SOFCへの燃料ガスおよび酸化ガス
の供給の問題が解決され、実用性を高めることができ
た。
(2) また、端部開口7a,8aからは、電気反応によっ
て濃度の低下した燃料ガス又は酸化ガスが燃料ガス供給
室および酸化ガス供給室と排ガス燃焼室との差圧により
排出され、排ガス燃焼室30の方へと流れるので、各ガス
流通孔7,8の端部開口7a,8a毎にシールを行う必要はな
い。従って、実用的なガスの供給および排気構造を提供
できると共に、ガス供給管のシール、固定に起因する熱
応力がなく、構造体としての信頼性が向上する。
(3) ガス供給管10,20の先端がガス流通孔7,8内でガ
ス流通孔の閉塞部24,26に近接して設けられているの
で、新鮮な燃料ガス又は酸化ガスが端部開口7a,8aから
漏出せず、入口部における局部的な発熱を避けることが
できる。
また、緻密質隔壁64,66とガス供給管10,20との間から
ガスが若干漏れても、反応後の濃度の低下した燃料ガ
ス、酸化ガスと反応するだけなので、爆発時の危険がな
い。
(4) ガス供給管10,20が共に三個のリブ11によって
支持されているので、ガス供給管10,20の保持強度が高
く、安定している。しかもガス供給管10,20のガス流通
孔7,8に対する位置決めが正確に行われ、仮にガス供給
管10,20をガス流通孔7,8内に挿入することとした場合の
ように位置決めが困難になったり、ガス供給管10,20が
破損したりするおそれはない。
ガス流通孔端部の閉塞部24,26を作成する際には、例
えば、両端の開口したガス流通孔7,8を形成した後、ガ
ス流通孔7,8の端部の所定位置に有機物等で型を形成
し、この外側に燃料電極材料又は酸化電極材料を流し込
んで閉塞部を成形し、次いで焼成して有機物を焼失させ
る方法がある。また、閉塞部24,26を本体とは別個に成
形、焼成し、これをガス流通孔7,8の端部へと接着、固
着、貼着、嵌合する方法等もある。
第1図に示すような構造体を形成するには、種々の方
法が与えられるが、例えば、各ガス流通孔7,8を形づく
るブロック毎に製造し、後にブロックを組み合わせる方
法が好ましい。
即ち、第3図に示すようにい、平板状燃料電極膜3、
断面略V字状燃料電極膜4、三列のリブ11及び燃料ガス
供給管10からなるブロック31を、燃料電極材料での押し
出し成形によって製造し、次いでこの成形体を焼成す
る。空気電極側についても空気電極材料で同様のブロッ
クを製造し、これらの各ブロックを、間に固体電解質膜
5とインターコネクター2とを挟んで順次モザイク状に
組み合わせ、第1図に示すような配置とする。各ブロッ
クは個々に焼成して組み合わせてもよいし、成形時に組
み合わせた後に焼成してもよい。
こうした製造法によれば、押し出し成形によるので、
リブ11、燃焼ガス供給管10を含む比較的複雑な形状のブ
ロック31を正確かつ高能率で製造できる。
第4図は本発明をアルゴンヌ型のクロスフローモデル
へと適用した実施例を示す破断斜視図である。
本実施例においても、第1図のSOFCと同様に、各燃料
ガス流通孔と各酸化ガス流通孔18とに燃料ガス供給管
(図示省略)又は酸化ガス供給管20を設け、これらのガ
ス供給管をそれぞれ三個のリブ11で支持する。また、ガ
ス流通孔の他方の端部には閉塞部44(燃料ガス流通孔
側)を設けてガスの流出を遮断する(むろん、酸化ガス
流通孔の他方の端部にも同様の閉塞部を設けてあるが、
図示省略した)。そして、第1図の例と同様に、酸化ガ
ス供給管20へと矢印Bのように酸化ガスを供給すると、
この酸化ガスは図示しない閉塞部に当たって方向転換反
転し、電極反応により発電に利用された酸化ガスが矢印
Dのように開口端部18aから放出される。燃料ガス流通
孔側についても同様である。
本実施例においても第1図のSOFCと同様の効果を達成
できる。
また、第3図に示したように、例えば一本の酸化ガス
供給管20、三個のリブ11、空気電極膜1,16で一ブロック
とし、このブロックを空気電極材料によって押し出し成
形し、こうしたブロックを組み合わせて第4図に示すよ
うな構造体を形成することができる。
以上、本発明を例示したが、上述の実施例は種々変更
可能であり、例えば下記のような変形が可能である。
例えば、燃料ガス供給管又は酸化ガス供給管を一つの
ガス流通孔毎に二本以上設けることもできる。
また、上述の例では、燃料ガス供給管又は酸化ガス供
給管の先端から燃料ガス又は酸化ガスを放出させたが、
これらのガス供給管の途中に開口を設け、ガス供給管内
を通過中の燃料ガス又は酸化ガスを一部分前記開口より
放出させることもできる。
第1図、第4図ではSOFCを水平に固定したが、SOFC全
体を垂直に置いてもよい。また、第4図に示したクロス
フロー型のSOFCにおいては、従来の提案では、その名称
の通り、燃料ガス流通孔と酸化ガス流通孔とは所定角度
をなして交差していたが、本発明を適用した場合には上
記の両流通孔を交差させる必要はなく、第1図に示すよ
うに燃料ガス流れ方向と酸化ガス流れ方向とを逆方向に
してよく、また同一方向にすることもできる。
上記の例では、各ガス供給管を三個のリブで支持した
が、リブの個数は任意にできる。またこのリブは必ずし
も必要ない。こうしたリブを省略した場合には、セラミ
ックス製又は耐蝕金属製のガス供給管を、対応するガス
流通孔内へとそれぞれ挿入し、SOFC本体とは別個に定位
置へと固定する。
(発明の効果) 本発明に係る固体電解質型燃料電池によれば、各酸化
ガス流通孔内へと酸化ガス供給管が設けられ、各酸化ガ
ス流通孔の他方の端部が閉塞され、また各燃料ガス流通
孔内へと燃料ガス供給管が設けられ、各燃料ガス流通孔
の他方の端部が閉塞されているので、酸化ガス供給管あ
るいは燃料ガス供給管内へと供給したガスが閉塞部に遮
られて方向転換し、酸化ガス流通孔又は燃料ガス流通孔
の一方の端部から、電極反応によって濃度の低下した酸
化ガス又は燃料ガスが排出される。従って、酸化ガス流
通孔又は燃料ガス流通孔内の全域に亘って確実に酸化ガ
ス又は燃料ガスを供給することができる。従って、複数
の平板状積層体の間に複数の酸化ガス流通孔、又は燃料
ガス流通孔を形成した、発電効率の高いSOFCについて、
燃料ガス、酸化ガス等の給気、および反応排ガスの排気
の問題を解決し、実用性を高めることができる。
しかも、上記のように、酸化ガス流通孔又は燃料ガス
流通孔の一方の端部から、濃度の低下した酸化ガス又は
燃料ガスが排出されるので、この一方の端部から新鮮な
酸化ガスまたは燃料ガスが入り込むのを防止できる。し
たがって、各端部開口毎に別個にシールを行う必要など
はなく、実用的であり、シールするための固定に起因す
る歪応力がないため、構造体としての信頼性が高い。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明をコーフロー型SOFCへと適用した例を示
す部分斜視図、 第2図は第1図のSOFCの断面図、 第3図は燃料電極材料によって製造したブロックを示す
部分斜視図、 第4図は本発明をクロスフロー型のSOFCへと適用した例
を示す部分斜視図、 第5図は従来のコーフロー型SOFC(アルゴンヌ型)のう
ち一層を示す部分正面図、 第6図は従来のクロスフロー型SOFC(アルゴンヌ型)を
示す部分斜視図である。 1……平板状空気電極膜 2……インターコネクター 3……平板状燃料電極膜、4,14……燃料電極膜 5……固体電解質膜、6,16……空気電極膜 7,17……燃料ガス流通孔、7a……一方の端部開口 8,18……燃料ガス流通孔 8a,18a……一方の端部開口 10……燃料ガス供給管、11……リブ 15……平板状固体電解質膜、20……酸化ガス供給管 24,26……閉塞部 A,C……燃料ガスの流れ B,D……酸化ガスの流れ

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】平板状空気電極膜が一方の面を覆い、かつ
    平板状燃料電極膜が他方の面を覆う平板状積層体を複数
    個互いに離隔しつつ実質的に平行に配列し、隣り合う前
    記平板状積層体の間に前記平板状空気電極膜に面する酸
    化ガス流通孔を複数個形成し、隣り合う前記平板状積層
    体の間に前記平板状燃料電極膜に面する燃料ガス流通孔
    を複数個形成し、かつ前記酸化ガス流通孔と前記燃料ガ
    ス流通孔との間に少なくとも空気電極膜、固体電解質膜
    及び燃料電極膜を介在させてなる固体電解質型燃料電池
    において、 前記複数個の各酸化ガス流通孔の一方の端部開口から前
    記酸化ガス流通孔内へと設けられた酸化ガス供給管と; 前記各酸化ガス流通孔の他方の端部を閉塞する閉塞部
    と; 前記複数個の各燃料ガス流通孔の一方の端部開口から前
    記燃料ガス流通孔内へと設けられた燃料ガス供給管と; 前記各燃料ガス流通孔の他方の端部を閉塞する閉塞部と を有する固体電解質型燃料電池。
JP2032382A 1990-02-15 1990-02-15 固体電解質型燃料電池 Expired - Lifetime JP2528987B2 (ja)

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CA002036252A CA2036252C (en) 1990-02-15 1991-02-13 Solid oxide fuel cell
EP91301209A EP0442741B1 (en) 1990-02-15 1991-02-14 Solid oxide fuel cell
DE69109335T DE69109335T2 (de) 1990-02-15 1991-02-14 Festoxidbrennstoffzelle.

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