JPH04292865A - 固体電解質型燃料電池 - Google Patents

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。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【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。

【０００２】

【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。

【０００３】特に、固体電解質型燃料電池（以下、ＳＯ
ＦＣ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。

【０００４】図９はこうした　ＳＯＦＣ　の一例を示す
部分正面図、図１０は同じく破断部分斜視図である。こ
れは、アルゴンヌ国立研究所におい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（Ａｒｇｏ
ｎｎｅｔｙｐｅ　：　Ｃｏ−Ｆｌｏｗ　Ｍｏｄｅｌ）と
呼ばれるモノリシックデザインのＳＯＦＣである。

【０００５】この型のＳＯＦＣでは、図９において上か
ら順に平板状空気電極膜４４、インターコネクター４３
、平板状燃料電極膜４２を設けて平板状積層体４１とし
、この平板状積層体４１を互いに平行に所定間隔を置い
て配列する。そして、図９において断面略Ｖ字形の燃料
電極膜５２を平板状燃料電極４２と対向させて多数設け
、燃料ガス流通孔２０を図９において横方向に多数形成
し、また断面略Λ字形の空気電極膜５４を平板状空気電
極膜４４に対向させて多数設け、酸化ガス流通孔３０を
横方向に多数形成する。

【０００６】これらの燃料ガス流通孔２０と酸化ガス流
通孔３０とは互いにモザイク状に組み合わされ、燃料電
極膜５２と空気電極膜５４との間には波形の固体電解質
膜５３が形成されている。隣り合う燃料ガス流通孔２０
と酸化ガス流通孔３０との間には順に燃料電極膜５２、
波形の固体電解質膜５３、空気電極膜５４が介在し、こ
の部分で発電が行われる。図９では便宜上一列しか示し
ていないが、実際には図９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。

【０００７】そして、発電を行う際には、各燃料ガス供
給口２０の一端へと矢印Ｃのように燃料ガス流を供給す
る。燃料ガス供給口２０内を一方向に流れた燃料ガスは
、それぞれ供給口２０の他端側の開口から矢印Ｄのよう
に排出される。これと同様に、酸化ガス供給口３０内に
酸化ガスを矢印Ｅのように通過させる。酸化ガスの流れ
と燃料ガスの流れとは反対方向を向くようにする。なお
、図１０においては、図９に示す各電極膜やインターコ
ネクター等の積層構造については図示省略した。

【０００８】

【発明が解決しよううとする課題】しかし、こうした構
成の　ＳＯＦＣ　においては、特に燃料ガス流の濃度勾
配に起因して著しい温度勾配が生ずるという問題があっ
た。即ち、燃料ガス供給口２０に燃料ガスを流す場合、
燃料ガス供給口２０の開口の近辺では、まだ燃料含有量
が多いため、この付近では電気化学的反応に消費される
燃料の量が多く、温度が上昇する。この温度上昇によっ
て、燃料電極膜５２における酸素イオンと燃料との電気
化学的反応がますます活性化する。

【０００９】一方、燃料ガス供給口２０内を流れる燃料
ガスは、その出口に近づくにつれて燃料濃度が減少し、
この結果電気化学的反応に消費される燃料の量が減少す
る。このため、燃料電極膜５２の温度があまり上昇せず
、従って電気化学的反応が一層不活発となる。しかも、
濃度が減少した燃料ガス中には、電気化学的反応の結果
としてかなりＣＯ２　や水蒸気等が含まれており、これ
らが燃料電極膜５２の表面に付着して反応を阻害するた
め、ますます反応が不活発となる。

【００１０】このため、燃料ガス流の上流側と下流側と
では大きな温度勾配が生じ、長期間ＳＯＦＣを作動させ
た場合に、クラック発生の原因となりうるし、発電効率
自体にも悪影響がある。

【００１１】以上の説明は、いわゆるモノリシック型の
　ＳＯＦＣ　について行ったが、通常の平板型　ＳＯＦ
Ｃ　においても同様の問題が生じている。

【００１２】本発明の課題は、燃料濃度又は酸化剤濃度
の勾配を小さくし、これにより生ずる温度差を低減する
ことである。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明は、複数の凹部が
形成された板状の固体電解質型燃料電池素子と、前記凹
部内に開口した発電用ガス供給口が設けられた発電用ガ
ス供給部材とを有し、前記発電用ガス供給口から前記凹
部内に供給された発電用ガス流が、この凹部に面した電
極に衝突して方向転換し、この電極の表面に沿って流れ
るように構成した、固体電解質型燃料電池に係るもので
ある。

【００１４】「発電用ガス」は燃料ガス又は酸化ガスを
意味する。燃料ガスとは、水素、改質水素、一酸化炭素
等の燃料を含むガスをいう。「酸化ガス」とは、酸素、
過酸化水素等の酸化剤を含むガスをいう。

【００１５】「発電用ガス」が燃料ガスである場合には
、「電極」は燃料電極であり、これが酸化ガスである場
合には、「電極」は空気電極である。

【００１６】

【実施例】図１は本発明の実施例に係るＳＯＦＣを示す
部分正面図、図２は同じく概略斜視図、図３は燃料ガス
供給部材９のみを示す斜視図である。

【００１７】まず、本実施例で使用する板状のＳＯＦＣ
素子１について説明する。このＳＯＦＣ素子１は平面的
には長方形状であり、複数（本例では４個）の断面略半
円形状の突起部２８が互いに所定間隔を置いて規則的に
設けられている。各突起部２８の間には平面長方形状の
平板状部２９が形成されている。

【００１８】そして、本例においては２個のＳＯＦＣ素
子１の端面を連結させ、ここでＳＯＦＣ素子１同士を直
列接続する。この連結部１０の構成については後述する
。こうして例えば２個の　ＳＯＦＣ　素子１を直列接続
した後、　ＳＯＦＣ　素子１を互いに所定間隔を置いて
平行に配置し、対向させる。この際、各突起部２８は外
側を向くようにし、図１、図２において上側のＳＯＦＣ
素子１の凹部５と、下側のＳＯＦＣ素子１の凹部５とを
対向させ、また上側のＳＯＦＣ素子１の平板状部２９と
、下側のＳＯＦＣ素子１の平板状部２９とを対向させる
。

【００１９】各　ＳＯＦＣ　素子１は、燃料電極膜２と
固体電解質膜３と空気電極膜４とを積層した構成となっ
ている。ただし、図２においては、図面の理解を容易に
するため、こうした積層構造は図示省略してある。突起
部２８の内側に形成された凹部５は、断面略半円状の細
長い空間となっている。凹部５には燃料電極膜２が面し
ており、この部分で燃料電極膜２は断面略半円状となっ
ている。各突起部２８の間に形成された平板状部２９に
おいては、燃料電極膜２の表面が平坦面６を形成してい
る。

【００２０】次に、図３を参照しつつ、燃料ガス供給部
材９について説明する。平面長方形の盤状本体８の内部
は空洞になっており、盤状本体８の一方の側面に長方形
の開口８ａが設けられている。盤状本体８の二つの主面
には、それぞれ両端のすぼまった略直方体形状の突起７
が本例では４個毎設けられており、各突起７の先端には
スリット状の燃料ガス供給口７ａが設けられている。

【００２１】次いで、隣接するＳＯＦＣ素子１の連結部
１０の構成について図４に示す。即ち、図４において左
側のＳＯＦＣ素子の燃料電極膜２はインターコネクター
１８に接続され、かつ空気電極膜４とインターコネクタ
ー１８との間は固体電解質膜３で絶縁されている。更に
、インターコネクター１８は、図４において右側のＳＯ
ＦＣ素子の空気電極４に接続され、かつ右側のＳＯＦＣ
素子においては、インターコネクター１８と燃料電極膜
２との間が固体電解質膜３で絶縁されている。

【００２２】次いで、ＳＯＦＣ全体の動作を中心に説明
する。ＳＯＦＣ素子１同士を所定間隔を置いて対向させ
た状態で、両者の間に生じた空間に燃料ガス供給部材９
を設置する。この際、盤状本体８が、相対向するＳＯＦ
Ｃ素子１のほぼ中間に位置し、各突起７の先端がそれぞ
れ凹部５内に位置するようにする。そして、好ましくは
、突起７の先端を、凹部５の最も深く凹んだ部分に向っ
て配向させる。

【００２３】そして、盤状本体８の開口８ａに燃料ガス
を供給すると、この燃料ガスは盤状本体８内部の空洞を
通り、計８個の燃料ガス供給口７ａからほぼ均等に矢印
Ａのように流れる。こうして燃料ガス供給口７ａから凹
部５内に供給された燃料ガス流は、凹部５に面した燃料
電極膜２に衝突して方向転換し、矢印Ｂのように、凹部
５内を燃料電極膜２の表面に沿って流れ、更に平坦面６
に沿って流れる。

【００２４】一方、空気電極膜４の表面に沿って、例え
ば矢印Ｊのように酸化ガスを流す。酸化ガスは空気電極
膜４と固体電解質膜３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３を通って燃料電極膜
２へと移動し、燃料と反応すると共に電子を燃料電極膜
２へと放出する。

【００２５】こうして発電に利用され、濃度の減少した
後の燃料ガス及び酸化ガスは、図示しない廃ガス燃焼室
へと流れて混合され、ここで燃焼される。

【００２６】空気電極膜４はドーピングされたか、又は
ドーピングされていない　ＬａＭｎＯ３　，ＣａＭｎＯ
３，ＬａＮｉＯ３，ＬａＣｏＯ３，ＬａＣｒＯ３等の導
電性ペロブスカイト形酸化物で製造でき、ストロンチュ
ウムをドーピングした　ＬａＭｎＯ３　が好ましい。固
体電解質膜３は、イットリア安定化ジルコニア、イット
リア部分安定化ジルコニア等で製造するのが好ましい。 燃料電極膜２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。 インターコネクター１８としては、ドーピングされたか
又はドーピングされていない、ペロブスカイト形ＬａＣ
ｒＯ３，ＬａＭｎＯ３等が好ましい。

【００２７】燃料ガス供給部材９は、ＳＯＦＣの動作時
に使用する燃料ガスに対して耐性があり、かつＳＯＦＣ
の動作温度で安定な耐熱性の金属又はセラミックスで形
成する。 こうした耐熱性の金属としては、例えば、Ｎｉ−Ｃｒ，
　　Ｎｉ−Ｆｅ−Ｃｒ，　　Ｎｉ−Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ，
　　Ｃｏ−Ｎｉ−Ｃｒ，　Ｆｅ−Ｃｒ，　　Ｆｅ−Ｃｒ
−Ａｌ　等の各組成の合金がある。

【００２８】本実施例によれば、各凹部５内に開口した
燃料ガス供給口７ａから凹部５内に燃料ガスを供給して
おり、この燃料ガス流が燃料電極膜２に衝突して方向転
換し、燃料電極膜２の表面に沿って矢印Ｂのように流れ
ているので、凹部５内及び平坦面６のどの場所でも、常
に新鮮で減損の少ない燃料ガスが供給される。従って、
従来のように燃料濃度の低下した燃料ガスが長距離を流
れることがないので、電気化学的反応を燃料電極膜２の
全域に亘って均一化でき、これにより燃料電極膜２の温
度勾配も少なくできる。この結果、ＳＯＦＣを長時間作
動させてもクラック等が発生しにくく、また電気化学的
反応のムラが少ないことから発電効率の低下も防止でき
る。

【００２９】また、燃料ガス供給口７ａを細長いスリッ
ト状にしたので、燃料ガス供給口７ａの長さ方向にみて
局所的なムラなしに均一に燃料ガスを供給できる。従っ
て、凹部５の長さ方向にみて、凹部５内に一層ムラなく
新鮮な燃料ガスを供給できる。

【００３０】本実施例では二つの板状ＳＯＦＣ素子を、
図４に示すマルチセルタイプの接続法で接続したが、複
数の板状ＳＯＦＣ素子を順次にこれと同様の方法で接続
し、高い電圧を稼ぐことができる。また、図１、図２に
おいて、左右方向に並べた突起２８の数を増やすことで
、電力を増加させることができる。

【００３１】図５は他の実施例に係るＳＯＦＣを示す一
部分解斜視図である。図１のＳＯＦＣと同一の機能部材
には同一符号を付し、その説明は省略する。本実施例で
用いるＳＯＦＣ素子１は、図１のＳＯＦＣ素子１と同様
のものであるが、本例では燃料ガス供給部材１９の構成
を変えている。なお、ＳＯＦＣ素子１の積層構造は、図
２と同様に省略している。

【００３２】即ち、盤状本体８の両主面にそれぞれ、円
筒状供給管１７を例えば３列×４列配置する。そして、
矢印Ｋに示すようにＳＯＦＣ素子１を移動させてＳＯＦ
Ｃ素子１を所定の空間位置に固定すると各円筒状供給管
１７の先端はそれぞれ凹部５内に位置決めされる。この
状態で、図１で説明したのと同様にして、各燃料ガス供
給口１７ａ　から燃料ガスを凹部５内に供給すると、こ
の燃料ガス流が、凹部５に面した燃料電極膜に衝突して
方向転換し、燃料電極膜の表面に沿って流れる。

【００３３】本実施例においても、前述の実施例と基本
的に同様の作用効果が得られる。ただし、円筒状供給管
１７同士の間隔を一定にすることが、燃料ガスを燃料電
極膜の全面に亘って均一に供給するうえで一層好ましい
。

【００３４】図６〜図８は、それぞれ本発明を適用すべ
き他のＳＯＦＣ素子の一部分を示す正面図である。図６
のＳＯＦＣ素子１１は、燃料電極膜１２、固体電解質膜
１３及び空気電極膜１４の三層構造からなる。そして、
図６において左右方向に所定間隔で規則的に断面台形状
の突起部３８が設けられ、互いに隣り合う突起部３８の
間に平板状部２９が設けられている。突起部３８の燃料
電極膜１２側には、断面台形状の凹部１５が形成されて
おり、突起７（図１〜図３参照）の先端が凹部１５内に
位置決めされている。

【００３５】突起７の燃料ガス供給口から矢印Ａのよう
に凹部１５内に供給された燃料ガスは、断面台形状の凹
部１５の短辺部分に衝突し、矢印Ｂのように燃料電極膜
１２の表面に沿って流れる。

【００３６】図７のＳＯＦＣ素子２１も、燃料電極膜２
２、固体電解質膜２３及び空気電極膜２４の三層構造か
らなっている。そして、断面が半円に似た曲面形状をな
している波形の突起部４８を図７において左右方向に連
続して設けることで、ＳＯＦＣ素子２１を構成する。

【００３７】各突起部４８の燃料電極膜２２側には、据
の部分が広がった略半円形状の断面を有する凹部２５が
それぞれ設けられている。他は図６の例と同様であるが
、平板状部２９に当たる部分は存在していない。

【００３８】図８に示すＳＯＦＣ素子３１も、燃料電極
膜３２、固体電解質膜３３及び空気電極膜３４の三層構
造からなるものである。そして、断面が三角形状の突起
部５８が図８において左右方向に連続して形成され、各
突起部５８の燃料電極膜３２側には断面二等辺三角形状
の凹部３５が形成されている。矢印Ａのように凹部３５
内に供給された燃料ガス流は、三角形状の凹部３５の頂
点部分に衝突し、矢印Ｂのように比較的直線的に流れる
。

【００３９】図６〜図８においても、各突起部３８，　
４８，　５８の個数は何個でもよく、また、各ＳＯＦＣ
素子１１，　２１，　３１同士の接続は、図４に示した
ようにして行う。また、凹部の断面形状としても、五角
形以上にしてもよく、またサイクロイド曲線や正弦曲線
などを採用してもよい。

【００４０】以下の各例では、板状のＳＯＦＣ素子を水
平方向に配向させたが、板状のＳＯＦＣ素子を垂直方向
に配向させてもよい。また、上記の各例では、燃料電極
膜側に燃料ガスを供給する例について述べたが、空気電
極膜側に形成した凹部に酸化ガスを供給する場合にも上
記と同様の方法を用いることができる。

【００４１】更に、図２と図１０のＳＯＦＣを用いて実
験した結果について述べる。Ｆ点、Ｇ点、Ｈ点、Ｉ点で
それぞれＳＯＦＣ素子の温度を測定した。ただし、Ｆ点
とＧ点との距離、Ｈ点とＩ点との距離はいずれも５００
ｍｍ　とした。そして、前記したようにして燃料ガスと
酸化ガスを供給した。ここでガスの温度はいずれも１０
００℃とした。

【００４２】燃料ガスの組成は、水素９６％、水蒸気４
％であり、その流量は、毎秒、素子の単位表面積当り　
２．８×１０−４　ｌ／秒・ｃｍ２　である。また、酸
化ガスとしては大気を用い、その流量は、毎秒、素子の
単位表面積当り、１６．８×１０−４　ｌ／秒・ｃｍ２
　である。

【００４３】これにより、以下の結果が得られた、Ｆ点
　　　　　　１０５０℃ Ｇ点　　　　　　１０７０℃ Ｈ点　　　　　　１２１０℃ Ｉ点　　　　　　　９３０℃ この結果から、図２のＳＯＦＣでは、ＳＯＦＣ素子内の
温度差又は温度勾配が非常に小さくなり、ＳＯＦＣ素子
の温度が均一化されていることが解る。

【００４４】また、上記において、ＳＯＦＣ素子の単位
表面積当りの電圧出力を測定した。この結果、図２のＳ
ＯＦＣでは　０．１１　Ｗ／ｃｍ２　であり、図１０の
ＳＯＦＣでは　０．０９　Ｗ／ｃｍ２であった。このよ
うに、ＳＯＦＣ素子の全体に亘って電気化学的反応が均
一化されたことによって、ＳＯＦＣ素子の単位表面積当
りの発電出力が増大したことが解る。

【００４５】

【発明の効果】本発明によれば、凹部内に開口した発電
用ガス供給口からこの凹部内に発電用ガスを供給し、こ
の発電用ガス流が凹部に面した電極に衝突して方向転換
し、この電極の表面に沿って流れるように構成したので
、板状の固体電解質型燃料電池素子に形成した複数の凹
部毎に、直接常に新鮮な発電用ガスが供給される。

【００４６】従って、従来のように燃料濃度又は酸化剤
濃度の低下した発電用ガスが、ガス流路に沿って長距離
を流れることがないので、電気化学的反応を、前記凹部
に面した燃料電極又は空気電極の全域に亘って均一化で
き、これにより燃料電極又は空気電極における温度勾配
も小さくできる。この結果、固体電解質型燃料電池を長
時間作動させても、素子にクラック等が発生しにくく、
また電気化学的反応のムラも少ないことから、素子全体
の発電効率を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係るＳＯＦＣを示す部分正面
図である。

【図２】図１のＳＯＦＣを示す概略斜視図である。

【図３】燃料ガス供給用部材を示す斜視図である。

【図４】ＳＯＦＣ素子同士の連結部を示す部分正面図で
ある。

【図５】他の実施例に係るＳＯＦＣを示す一部分解斜視
図である。

【図６】ＳＯＦＣ素子の一例を示す部分正面図である。

【図７】ＳＯＦＣ素子の他の例を示す部分正面図である
。

【図８】ＳＯＦＣ素子の更に他の例を示す部分正面図で
ある。

【図９】従来のモノリシック型ＳＯＦＣを示す部分正面
図である。

【図１０】従来のモノリシック型ＳＯＦＣを示す破断部
分斜視図である。

【符号の説明】

１，　１１，　２１，　３１　　　ＳＯＦＣ素子２，　
１２，　２２，　３２，　４２，　５２　　　燃料電極
膜３，　１３，　２３，　３３，　５３　　　固体電解
質膜４，　１４，　２４，　３４，　４４，　５４　　
　空気電極膜５，　１５，　２５，　３５，　　凹部７
　　燃料供給用の突起 ７ａ，　１７ａ　　　燃料ガス供給口 ９　，　１９　　燃料ガス供給部材 １７　　円筒状供給管 Ａ，　　Ｂ，　　Ｃ，　　Ｄ　　　燃料ガスの流れＥ，
　　Ｊ　　　酸化ガスの流れ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　複数の凹部が形成された板状の固体電
   解質型燃料電池素子と、前記凹部内に開口した発電用ガ
   ス供給口が設けられた発電用ガス供給部材とを有し、前
   記発電用ガス供給口から前記凹部内に供給された発電用
   ガス流が、この凹部に面した電極に衝突して方向転換し
   、この電極の表面に沿って流れるように構成した、固体
   電解質型燃料電池。