JP2001236972A - 固体電解質型燃料電池 - Google Patents
固体電解質型燃料電池Info
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Classifications
-
- 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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- Inert Electrodes (AREA)
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 セル開放部構造に起因するセル破損を防止
するために改良が加えられた、セル開放部側の非発電域
の空気電極面を緻密質部材で覆う構造とした固体電解質
型燃料電池を提供する。 【解決手段】 本発明は、固体電解質型燃料電池にお
いてセルの開放部側の破損を防止することにより耐久性
を向上させるために、セル開放部側の非発電域の空気電
極面を緻密質部材で覆う構造とした固体電解質型燃料電
池とする。
するために改良が加えられた、セル開放部側の非発電域
の空気電極面を緻密質部材で覆う構造とした固体電解質
型燃料電池を提供する。 【解決手段】 本発明は、固体電解質型燃料電池にお
いてセルの開放部側の破損を防止することにより耐久性
を向上させるために、セル開放部側の非発電域の空気電
極面を緻密質部材で覆う構造とした固体電解質型燃料電
池とする。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、円筒型固体電解質
型燃料電池セルの電池構造に関し、特に、円筒形状の片
側開放部において非発電領域部の空気電極面側に緻密質
部材をコートすることによりセル開放部において、空気
電極面側に燃料ガスが逆流した場合においても空気電極
を破損させないために改良を加えられた固体電解質型燃
料電池（以下Ｔ−ＳＯＦＣともいう）に関する。
型燃料電池セルの電池構造に関し、特に、円筒形状の片
側開放部において非発電領域部の空気電極面側に緻密質
部材をコートすることによりセル開放部において、空気
電極面側に燃料ガスが逆流した場合においても空気電極
を破損させないために改良を加えられた固体電解質型燃
料電池（以下Ｔ−ＳＯＦＣともいう）に関する。
【０００２】
【従来の技術】Ｔ−ＳＯＦＣは、特公平１−５９７０５
号公報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。同公報では、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
円筒型セルを有する。空気電極側に酸素（空気）を流
し、燃料電極側に燃料ガス（Ｈ2、ＣＨ4等）を流してや
ると、このセル内で酸素イオンが移動して化学的燃焼が
起こり、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、空気電極や燃料電極が支持管を兼用する
形式のものや、平板形状した形式のものもある。Ｔ−Ｓ
ＯＦＣの実証試験は、１９９７年段階で１００ｋＷ級の
もの（セル有効長１５０ｃｍ、セル数１１５２本）まで
が進行中である。
号公報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。同公報では、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
円筒型セルを有する。空気電極側に酸素（空気）を流
し、燃料電極側に燃料ガス（Ｈ2、ＣＨ4等）を流してや
ると、このセル内で酸素イオンが移動して化学的燃焼が
起こり、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、空気電極や燃料電極が支持管を兼用する
形式のものや、平板形状した形式のものもある。Ｔ−Ｓ
ＯＦＣの実証試験は、１９９７年段階で１００ｋＷ級の
もの（セル有効長１５０ｃｍ、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通りである。（Abstracts, F
uel Cell Seminar, Palm Springs, USA, 1998）。 空気電極：Ｄｏｐｅｄ ＬａＭｎＯ3、厚さ２．２ｍ
ｍ、押し出し 固体電解質：ＺｒＯ2（Ｙ2Ｏ3）、厚さ４０μｍ、ＥＶ
Ｄ インターコネクター：Ｄｏｐｅｄ ＬａＣｒＯ3、厚さ
８５μｍ、プラズマスプレー 燃料電極：Ｎｉ−ＺｒＯ２（Ｙ2Ｏ3）、厚さ１００μ
ｍ、スラリーコート＋ＥＶＤ
厚さ及び製造方法は以下の通りである。（Abstracts, F
uel Cell Seminar, Palm Springs, USA, 1998）。 空気電極：Ｄｏｐｅｄ ＬａＭｎＯ3、厚さ２．２ｍ
ｍ、押し出し 固体電解質：ＺｒＯ2（Ｙ2Ｏ3）、厚さ４０μｍ、ＥＶ
Ｄ インターコネクター：Ｄｏｐｅｄ ＬａＣｒＯ3、厚さ
８５μｍ、プラズマスプレー 燃料電極：Ｎｉ−ＺｒＯ２（Ｙ2Ｏ3）、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。この固体電解質型燃
料電池１１０の中枢部分である円筒セル集合体１０１
は、細長い円筒状（寸法例、径１５ｍｍ×長さ５００ｍ
ｍ）の多数のセル３から構成されている。円筒セル３
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３の断面は多層円筒状をしており（図２（Ｂ）参
照）、空気電極１１、固体電解質１３、燃料電極１５及
びインターコネクター１７の各層が積層されている。
ＯＦＣの全体構造を示す図である。この固体電解質型燃
料電池１１０の中枢部分である円筒セル集合体１０１
は、細長い円筒状（寸法例、径１５ｍｍ×長さ５００ｍ
ｍ）の多数のセル３から構成されている。円筒セル３
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３の断面は多層円筒状をしており（図２（Ｂ）参
照）、空気電極１１、固体電解質１３、燃料電極１５及
びインターコネクター１７の各層が積層されている。
【０００５】次ぎに、図２（Ａ）を参照しつつ、円筒セ
ル３の軸方向（上下方向）における構造について説明す
る。円筒セル３上端（開放端）部には、開放端側非発電
域３１が設けられている。この非発電域３１は、空気電
極１１と固体電解質層１３のみからなり、燃料電極やイ
ンターコネクターは形成されていない。したがって、円
筒セル３内外のガス遮断は行われるが、発電は行われな
い。このような非発電域は、円筒セル３下端（封止端）
２３の近傍にも設けられている（封止端側非発電域３
５）。これによって、セル封止端及び開放端近傍のヒー
トスポットをなくしクラックを未然に防止している。
ル３の軸方向（上下方向）における構造について説明す
る。円筒セル３上端（開放端）部には、開放端側非発電
域３１が設けられている。この非発電域３１は、空気電
極１１と固体電解質層１３のみからなり、燃料電極やイ
ンターコネクターは形成されていない。したがって、円
筒セル３内外のガス遮断は行われるが、発電は行われな
い。このような非発電域は、円筒セル３下端（封止端）
２３の近傍にも設けられている（封止端側非発電域３
５）。これによって、セル封止端及び開放端近傍のヒー
トスポットをなくしクラックを未然に防止している。
【０００６】開放端非発電域３１及び封止端非発電域３
５を除く円筒セル３中央部は発電域３３となっている。
５を除く円筒セル３中央部は発電域３３となっている。
【０００７】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３内には、空気を通すための細長い空気導入管５
が通っている。空気導入管５によって、空気分配器１２
１内の空気が、円筒セル３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かい、セル上端２１か
ら排気燃焼室１０５に出る。この排気燃焼室１０５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３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。
（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３内には、空気を通すための細長い空気導入管５
が通っている。空気導入管５によって、空気分配器１２
１内の空気が、円筒セル３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かい、セル上端２１か
ら排気燃焼室１０５に出る。この排気燃焼室１０５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３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。
【０００８】円筒セル３の外面には、燃料電池１１０下
部の燃料ヘッダー１３７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、Ｈ2Ｏ
等）とは、円筒セル３上端外側の隙間を通って排気燃焼
室１０５に入る。この排気燃焼室１０５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１２
５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。
部の燃料ヘッダー１３７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、Ｈ2Ｏ
等）とは、円筒セル３上端外側の隙間を通って排気燃焼
室１０５に入る。この排気燃焼室１０５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１２
５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。
【０００９】図３に示されている６列の円筒セル３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１７が、その左側の円筒セル
の外面（外面電極、この場合燃料電極）に、Ｎｉフェル
ト１３５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１０１
の最外列の外側には集電板１３１、１３１’が円筒セル
３に接して設けられている。この集電板１３１と、それ
に接続されている集電棒１３３から、セル集合体１で発
電された電力を外部へ取り出す。
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１７が、その左側の円筒セル
の外面（外面電極、この場合燃料電極）に、Ｎｉフェル
ト１３５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１０１
の最外列の外側には集電板１３１、１３１’が円筒セル
３に接して設けられている。この集電板１３１と、それ
に接続されている集電棒１３３から、セル集合体１で発
電された電力を外部へ取り出す。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】Ｔ−ＳＯＦＣは上述し
たように、セルを接続して集合体として使用する。この
ように接続した集合体として使用する際に、セル下方側
から燃料ガス（あるいは酸化剤）を流し、セルチューブ
内に酸化剤（あるいは燃料ガス）を流すことにより、セ
ル発電領域において発電が行われる。この際未反応の燃
料ガスが空気電極面側に逆流する可能性がある。セル開
放側の非発電域３１の空気電極面を緻密質部材でコート
する事により、空気電極の破損を防止することが可能と
なる。
たように、セルを接続して集合体として使用する。この
ように接続した集合体として使用する際に、セル下方側
から燃料ガス（あるいは酸化剤）を流し、セルチューブ
内に酸化剤（あるいは燃料ガス）を流すことにより、セ
ル発電領域において発電が行われる。この際未反応の燃
料ガスが空気電極面側に逆流する可能性がある。セル開
放側の非発電域３１の空気電極面を緻密質部材でコート
する事により、空気電極の破損を防止することが可能と
なる。
【００１１】しかし、従来のＴ−ＳＯＦＣでは、セル開
放側の非発電域３１の空気電極面においては、空気電極
が表層に露出しているか、あるいは多孔質の支持管によ
り覆われているだけであるため、空気電極面側に未反応
の燃料ガスが逆流した場合には空気電極を破損するとい
う問題があった。
放側の非発電域３１の空気電極面においては、空気電極
が表層に露出しているか、あるいは多孔質の支持管によ
り覆われているだけであるため、空気電極面側に未反応
の燃料ガスが逆流した場合には空気電極を破損するとい
う問題があった。
【００１２】本発明は、円筒形状の片側封構造の開放端
部において非発電域の空気電極面を緻密質部材でコート
する事により、空気電極の破損を防止するために改良が
加えられた固体電解質型燃料電池を提供することを目的
とする。
部において非発電域の空気電極面を緻密質部材でコート
する事により、空気電極の破損を防止するために改良が
加えられた固体電解質型燃料電池を提供することを目的
とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】上
記目的を達成するために、固体電解質層、空気電極層、
燃料電極層、支持管およびインターコネクター層を含む
円筒状固体電解質型燃料電池において、前記支持管の片
側が封止構造で、開放側の非発電領域部の空気電極面側
を緻密質部材にてコートすることを特徴とする。
記目的を達成するために、固体電解質層、空気電極層、
燃料電極層、支持管およびインターコネクター層を含む
円筒状固体電解質型燃料電池において、前記支持管の片
側が封止構造で、開放側の非発電領域部の空気電極面側
を緻密質部材にてコートすることを特徴とする。
【００１４】セル開放端側における破損を防止するため
には、開放端側の非発電域の空気電極面を緻密質部材、
特に高温での酸化および還元雰囲気下において安定な材
料であるジルコニア基系あるいはアルミナ基系のセラミ
ック材料によりコートすることにより解消することがで
きる。
には、開放端側の非発電域の空気電極面を緻密質部材、
特に高温での酸化および還元雰囲気下において安定な材
料であるジルコニア基系あるいはアルミナ基系のセラミ
ック材料によりコートすることにより解消することがで
きる。
【００１５】
【発明の実施の形態】本発明において円筒形状の開放部
側の非発電域の空気電極面を緻密質部材にてコートする
のは、セル開放部側における未反応の燃料ガスにより空
気電極を破損することを防止することにより、セルの耐
久性を向上させることが可能となるからである。
側の非発電域の空気電極面を緻密質部材にてコートする
のは、セル開放部側における未反応の燃料ガスにより空
気電極を破損することを防止することにより、セルの耐
久性を向上させることが可能となるからである。
【００１６】上記開放部側の非発電域の空気電極面を緻
密質部材にてコートするのは、酸化・還元両雰囲気下に
おいて安定な物質が望ましく、具体的にはジルコニア
基、アルミナ基等のセラミックで覆うことが良い。
密質部材にてコートするのは、酸化・還元両雰囲気下に
おいて安定な物質が望ましく、具体的にはジルコニア
基、アルミナ基等のセラミックで覆うことが良い。
【００１７】緻密質部材のコート方法としてはスラリー
コート法、転写法、シート接着法などにより緻密にコー
トすることが可能である。
コート法、転写法、シート接着法などにより緻密にコー
トすることが可能である。
【００１８】
【実施例】固体電解質層、空気電極、燃料電極およびイ
ンターコネクター層を含む、円筒状固体電解質型燃料電
池において、空気電極が支持管を兼用する形式のものと
し、図２に示すような従来のセル開放部側の非発電域の
空気電極面を緻密部材でコートしないセルと、図１に示
すようなセル開放部側の非発電域の空気電極面を電解質
と同材料のジルコニアにて緻密コートした改良型セルを
作製した。これらのセルについて発電試験を行った結
果、従来型のセルにおいては発電試験時に７％の割合で
セル開放部においてクラックを生じていた。一方、改良
型のセルにおいては発電試験時にセル開放部におけるク
ラックは全くなくなった。
ンターコネクター層を含む、円筒状固体電解質型燃料電
池において、空気電極が支持管を兼用する形式のものと
し、図２に示すような従来のセル開放部側の非発電域の
空気電極面を緻密部材でコートしないセルと、図１に示
すようなセル開放部側の非発電域の空気電極面を電解質
と同材料のジルコニアにて緻密コートした改良型セルを
作製した。これらのセルについて発電試験を行った結
果、従来型のセルにおいては発電試験時に７％の割合で
セル開放部においてクラックを生じていた。一方、改良
型のセルにおいては発電試験時にセル開放部におけるク
ラックは全くなくなった。
【００１９】
【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
は、固体電解質型燃料電池においてセル開放部構造に起
因する、セル開放部の破損を防止することによりセルの
耐久性を向上することができる。セルの破損を防止する
ためにセル開放部の非発電域の空気電極面を緻密質部材
によりコートする構造とした固体電解質型燃料電池を得
ることができる。
は、固体電解質型燃料電池においてセル開放部構造に起
因する、セル開放部の破損を防止することによりセルの
耐久性を向上することができる。セルの破損を防止する
ためにセル開放部の非発電域の空気電極面を緻密質部材
によりコートする構造とした固体電解質型燃料電池を得
ることができる。
【図１】 本発明の一実施例に係わる円筒セルタイプ固
体電解質型燃料電池のセル開放部の改良構造を示す断面
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。
体電解質型燃料電池のセル開放部の改良構造を示す断面
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。
【図２】 従来知られている代表的なＴ−ＳＯＦＣのセ
ル（組立体）の構造を示す断面図であり、（Ａ）は全体
の縦断面図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ断面図である。
ル（組立体）の構造を示す断面図であり、（Ａ）は全体
の縦断面図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ断面図である。
【図３】 同、全体構造を示す図である。
１ セル組立体 ３ 円筒セル ５ 空気導入管 １１ 空気電極 １３ 固体電解質層 １５ 燃料電極 １７ インターコネクター層 ２１ セル上端
（開放端） ２３ セル下端（封止端） ２５ 導入管先端 ３１ 開放端側非発電領域 ３３ 発電領域
（電極分割域） ３５ 封止端側非発電領域 ３７ 開放端側非発電領域空気電極面緻密コート部
（開放端） ２３ セル下端（封止端） ２５ 導入管先端 ３１ 開放端側非発電領域 ３３ 発電領域
（電極分割域） ３５ 封止端側非発電領域 ３７ 開放端側非発電領域空気電極面緻密コート部
Claims (6)
- 【請求項１】 固体電解質層、空気電極層、燃料電極
層、支持管およびインターコネクター層を含む円筒状固
体電解質型燃料電池において、 前記支持管の片側が封止構造で、開放側の非発電領域部
の空気電極面側を緻密質部材にてコートすることを特徴
とする固体電解質型燃料電池。 - 【請求項２】 前記空気電極層が支持管を兼ねることを
特徴とする請求項１記載の固体電解質型燃料電池。 - 【請求項３】 前記支持管の開放側の非発電領域部の空
気電極面側を酸化・還元両雰囲気下において安定な物質
により緻密にコートすることを特徴とする請求項１、２
記載の固体電解質型燃料電池。 - 【請求項４】 前記支持管の開放側の非発電領域部の空
気電極面側をジルコニア基、アルミナ基等のセラミック
材料により緻密にコートすることを特徴とする請求項
１、２記載の固体電解質型燃料電池。 - 【請求項５】 前記支持管の開放側の非発電領域部の空
気電極面側をスラリーコート法（ディップ法、スプレー
法、フローコート法など）により緻密にコートすること
を特徴とする請求項１〜４記載の固体電解質型燃料電
池。 - 【請求項６】 前記支持管の開放側の非発電領域部の空
気電極面側を転写法、シート接着法などにより緻密にコ
ートすることを特徴とする請求項１〜４記載の固体電解
質型燃料電池。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000049274A JP2001236972A (ja) | 2000-02-25 | 2000-02-25 | 固体電解質型燃料電池 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000049274A JP2001236972A (ja) | 2000-02-25 | 2000-02-25 | 固体電解質型燃料電池 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001236972A true JP2001236972A (ja) | 2001-08-31 |
Family
ID=18571241
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000049274A Pending JP2001236972A (ja) | 2000-02-25 | 2000-02-25 | 固体電解質型燃料電池 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2001236972A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006059789A (ja) * | 2004-07-21 | 2006-03-02 | Kyocera Corp | 燃料電池セル及び燃料電池 |
| WO2010050330A1 (ja) | 2008-10-29 | 2010-05-06 | 京セラ株式会社 | 燃料電池セル、燃料電池モジュール、燃料電池装置および燃料電池セルの製造方法 |
-
2000
- 2000-02-25 JP JP2000049274A patent/JP2001236972A/ja active Pending
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006059789A (ja) * | 2004-07-21 | 2006-03-02 | Kyocera Corp | 燃料電池セル及び燃料電池 |
| WO2010050330A1 (ja) | 2008-10-29 | 2010-05-06 | 京セラ株式会社 | 燃料電池セル、燃料電池モジュール、燃料電池装置および燃料電池セルの製造方法 |
| US8722281B2 (en) | 2008-10-29 | 2014-05-13 | Kyocera Corporation | Fuel cell, fuel cell module, and fuel cell device |
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