JPH04292867A - 発電装置 - 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
素子を用いた発電装置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。特に固体電解質型燃料電池　（ＳＯＦＣ
）　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るため、安定且つ長
寿命である。

【０００３】このうち、特に有底円筒状のＳＯＦＣ素子
を用いた発電装置について図３に示す。図３においては
、有底円筒状の多孔質支持体６の表面に、空気電極７、
固体電解質８、燃料電極９を順次形成し、有底円筒状の
ＳＯＦＣ素子５を構成する。このＳＯＦＣ素子５を発電
室１３内の所定位置に固定する。但し、通常はＳＯＦＣ
素子５を直列及び並列に多数接続して集合電池を構成す
るのであるが、図３においては便宜上ＳＯＦＣ素子５を
一個だけ図示する。発電室１３の下方には燃料ガス室１
４を設け、燃料ガス室１４と発電室１３とを有底部側隔
壁１１で区分する。燃料ガス室１４の下側には断熱隔壁
１２が設けられる。発電室１３の上方には排ガス室３を
設け、排ガス室３と発電室１３とを開口端側隔壁４で区
分する。開口端側隔壁４には貫通孔４ａを形成し、この
貫通孔４ａにＳＯＦＣ素子５の開口端部を挿通する。 排ガス室３の上側に断熱隔壁１を設け、その貫通孔に酸
化ガス供給管２を挿通し、保持する。酸化ガス供給管２
の先端開口は、ＳＯＦＣ素子５の内側空間１０に位置し
、ＳＯＦＣ素子５の有底部へと向って開口する。

【０００４】この発電装置の動作時に、矢印Ａのように
、酸化ガスを酸化ガス室より酸化ガス供給管２へと供給
すると、酸化ガス供給口より流出した酸化ガスが有底部
で反転し、多孔質支持体６の内側空間１０内を流れ、矢
印Ｂのように排ガス室３内に流出する。一方、底部の断
熱隔壁１２の燃料ガス供給孔１２ａ　より矢印Ｃのよう
に燃料ガスを供給すると、燃料ガス室１４内の圧力が高
くなるので、有底部側隔壁１１の燃料ガス供給口１１ａ
　を通して燃料ガスが矢印Ｄのように発電室１３内へと
供給される。この燃料ガスが燃料電極９の表面に沿って
流れると、燃料電極９の表面で上記燃料ガスと固体電解
質内を拡散してきた酸素イオンとが反応し、その結果、
空気電極７と燃料電極９との間に電流が流れる。発電に
使用された燃料ガスは、開口端側隔壁４とＳＯＦＣ素子
５の開口端部との間隙を通り抜け、矢印Ｅのように排ガ
ス室３内に流れる。このＳＯＦＣ素子５は１０００℃程
度の高温下で使用されるため、シール部なしで構成でき
る図３に示す形態が好ましい態様といえる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ＳＯＦＣの実用化にお
いてはコストの低減と電力密度の向上が必要である。こ
のためＳＯＦＣ素子５を長尺化して一本当たりの発電出
力を上げることが要請されている。しかし、図３に示す
ような構成の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１１ａ　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９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。

【０００６】一方、燃料ガス供給口１１ａ　から離れる
につれ、燃料ガス中の燃料濃度が減少し、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９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ＣＯ
２　や水蒸気等が含まれており、これらが燃料電極９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。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、長期間発電装置を作動させ
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。そして、この傾向は、ＳＯＦＣ素
子５が長くなるにつれて一層激しく、顕著になる。

【０００７】本発明の課題は、有底筒状のＳＯＦＣ素子
を発電室内に設置して発電を行う発電装置において、発
電室内を流れる燃料ガス中の燃料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る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、有底筒状の固
体電解質型燃料電池素子が発電室内に設置され、前記素
子の開口端側に設けられた開口端側隔壁によって前記発
電室と排ガス室とが区分され、この開口端側隔壁に形成
された貫通孔に前記素子の開口端部が挿通され、前記素
子の有底部側に設けられた有底部側隔壁によって前記発
電室と燃料ガス室とが区分され、前記発電室に燃料ガス
供給管が突出しており、前記素子の内側空間に酸化ガス
を供給しかつ前記燃料ガス室から前記燃料ガス供給管の
内側空間を通して前記発電室へと燃料ガスを供給するよ
うに構成された発電装置に係るものである。

【０００９】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。

【００１０】

【実施例】図１は、本発明の実施例に係る発電装置を示
す断面図である。図３における部材と同一機能部材には
同一符号を付し、その説明は省略することがある。また
、図１においては、有底円筒状のＳＯＦＣ素子５を便宜
上一個だけ図示したが、むろん、こうした有底円筒状の
ＳＯＦＣ素子５を直列及び並列に接続して集合電池を構
成し、この集合電池を発電室１３内に設置することがで
きる。

【００１１】発電室１３を形成する隔壁のうち、有底円
筒状のＳＯＦＣ素子５の開口端側には開口端側隔壁４が
設けられ、この開口端側隔壁４にはＳＯＦＣ素子５の位
置に対応して円形貫通孔４ａが設けられ、円形貫通孔４
ａにＳＯＦＣ素子５の開口端部が挿通されている。ＳＯ
ＦＣ素子５の内側空間１０には酸化ガス供給管２が挿入
される。発電室１３を形成する隔壁のうち、ＳＯＦＣ素
子５の有底部側に設けられた有底部側隔壁１１は、ＳＯ
ＦＣ素子５の長さ方向に対してほぼ垂直をなしている。 本実施例では、ＳＯＦＣ素子５の有底部が有底部側隔壁
１１上に載置されている。開口端側隔壁４によって、発
電室１３と排ガス室３とが区分され、有底部側隔壁１１
によって、発電室１３と燃料ガス室１４とが区分されて
いる。

【００１２】有底部側隔壁１１には所定位置に例えば円
形の供給管取り付け孔１８が形成され、各供給管取り付
け孔１８に燃料ガス供給管１５が挿通され、固定されて
いる。本実施例では、ＳＯＦＣ素子５の長さ方向と、燃
料ガス供給管１５の長さ方向とをほぼ一致させる。各燃
料ガス供給管１５は、一端を封止した円筒形状をなして
おり、多孔質材料によって形成されている。各燃料ガス
供給管１５の開口１５ａ　側は、若干燃料ガス室１４に
突出しており、開口１５ａ　が燃料ガス室１４に面して
いる。また、各燃料ガス供給管１５は発電室１３に突出
している。

【００１３】この発電装置を動作させるときには、酸化
ガス供給管２の内側空間へと矢印Ａのように酸化ガスを
供給する。この酸化ガスは、酸化ガス供給管２の先端に
ある開口から吹き出し、ＳＯＦＣ素子５の有底部に衝突
して流れの向きを変え、内側空間１０内を図１において
上方へと流れ、矢印Ｂのように排ガス室３へと流入する
。

【００１４】また、燃料ガス供給口１２ａ　から矢印Ｃ
のように燃料ガスを燃料ガス室１４へと供給する。これ
により燃料ガス室１４内の圧力が上昇し、各開口１５ａ
　から矢印Ｆのように燃料ガスが内側空間１５ｂ　へと
流入する。そして、各燃料ガス供給管１５が多孔質材料
からなっているので、燃料ガス供給管１５の全面から矢
印Ｇに示すように燃料ガスが発電室１３に流入する。発
電に充分利用され、減損した燃料ガスは、最終的に各Ｓ
ＯＦＣ素子５と開口端側隔壁４との間隙を通り抜け、矢
印Ｅのように排ガス室３に流入し、減損した酸化ガスと
混合される。

【００１５】本実施例によれば、多孔質材料からなる燃
料ガス供給管１５の表面から矢印Ｇに示すように燃料ガ
スを供給しているので、ＳＯＦＣ素子５の長さ方向にみ
て新鮮な燃料ガスが比較的均一に供給される。即ち、Ｓ
ＯＦＣ素子５の開口端部に近い側にも、新鮮で減損のな
い燃料ガスを常時供給できる。従って、発電室１３内に
おける燃料濃度の勾配が小さくなり、均一化されるので
、ＳＯＦＣ素子５の長さ方向における温度勾配も小さく
できる。この結果、発電装置を長時間作動させてもＳＯ
ＦＣ素子５にクラック等が発生しにくくなり、また電気
化学的反応のムラも少なくできることからＳＯＦＣ素子
５における発電効率も従来より向上させることができる
。

【００１６】燃料ガス供給管１５は、高温の燃料ガスに
対して安定でなければならない。この点で、燃料ガス供
給管１５を、耐還元金属粉末を焼結してなる多孔質金属
や、耐還元金属粉末とセラミックス粉末の混合物を焼結
してなる多孔質サーメットで形成すると好ましい。ここ
で、セラミックス粉末としては、アルミナやジルコニア
を主成分とするセラミックスの粉末を例示できる。耐還
元金属粉末としては、Ｎｉ−Ｃｒ　，　Ｎｉ−Ｆｅ−Ｃ
ｒ，Ｎｉ−Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ　，　Ｃｏ−Ｎｉ−Ｃｒ　
，　Ｆｅ−Ｃｒ　，　Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ　等の合金の粉
末や、Ｎｉ　，　Ｃｏ　，　Ｆｅの粉末を例示できる。

【００１７】燃料ガス供給管１５の開気孔率としては、
１０〜９０％とすることが好ましく、３０〜７０％とす
ると更に好ましい。開気孔率が９０％を超えると、燃料
ガス供給管１５の強度が低下し、開気孔率が１０％未満
であると、燃料ガスの透過量が少なくなる。燃料ガス供
給管１５の開気孔率を全体に一様にしてもよいが、長さ
方向にみて開気孔率に一定の勾配又は段階的な勾配を設
け、燃料入口側の気孔率が大きく、上部に向かうに従っ
て気孔率が小さくなるようにし、素子の温度が均一にな
るようにすれば、更に好ましい。

【００１８】燃料ガス供給管１５の開気孔率に長さ方向
にみて勾配を設けるには、以下の２つの方法を例示でき
る。 （１）　多孔質金属又は多孔質サーメットからなる燃料
ガス供給管１５を焼成によって製造する際に、燃料ガス
供給管１５の形状をした粉末成形体の一端部を保持し、
この粉末成形体の他端に均等におもりをつけて粉末成形
体を吊り下げる。これにより、粉末成形体の一端部に近
い側には比較的大きな荷重がかかって若干引き延ばされ
、開気孔率が大きくなる。また、粉末成形体の他端部に
近い側にはあまり荷重がかからないので、開気孔率が比
較的小さくなる。 （２）　多孔質金属又は多孔質サーメットからなる管状
の焼結体を作製する。次いで、この焼結体の開気孔中へ
と充填材を含浸させてある程度開気孔を充填し、次いで
焼結体を乾燥又は加熱して充填材を定着させる。この際
、管状の焼結体の各部分における充填材の含浸量を変え
ることで、この焼結体の開気孔率に勾配を設けることが
できる。

【００１９】また、燃料ガス供給管１５の側壁面からの
燃料ガスの透過量を制御するには、以下の方法がある。 即ち、燃料ガス供給管１５を二重構造にする。具体的に
は、まず多孔質金属からなる管状の焼結体を作製する。 この焼結体においては開気孔率を一定とする。次いで、
この焼結体の側周面にスラリーを帯状に複数列互いに間
隔を置いて塗布し、焼結する。この際、帯状に塗布した
スラリーの幅を大きくしたり，スラリーとスラリーとの
間隔を小さくすれば、燃料ガスの透過が抑えられる。逆
に、帯状のスラリーの幅を小さくしたり、スラリー間の
間隔を大きくすれば、燃料ガスの透過が促進される。更
に、スラリー中に含有される耐還元金属粉末、セラミッ
クス粉末の粒径を小さくすれば燃料ガスが透過しにくく
なり、これらの粒径を大きくすれば燃料ガスが透過し易
くなる。この場合、管状の焼結体は内側空間１５ｂ　側
に向けてバックアップ材として用い、スラリーを塗布し
て焼結した側を発電室へ向けることが好ましい。

【００２０】空気電極７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　，　ＬａＣｒ
Ｏ３　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８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９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。

【００２１】図２は本発明の他の実施例に係る発電装置
を示す断面図である。図１に示した部材と同一機能部材
には同一符号を付け、その説明は省略することがある。 本実施例においては、燃料ガス供給管１６を緻密質材料
で形成し、かつ燃料ガス供給管１６の側周壁に複数個の
燃料ガス供給口１７を形成した。そして、発電装置の動
作時に、燃料ガス室１４内へと矢印Ｃのように燃料ガス
を供給すると、開口１６ａから内側空間１６ｂ　へと矢
印Ｆのように燃料ガスが流入する。そして、一旦内側空
間１６ｂ　に流入した燃料ガスは、内側空間１６ｂ　に
おける圧力分布及び燃料ガス供給口１７の大きさや位置
に応じた流速で、矢印Ｇのように各燃料ガス供給口１７
から発電室１３内に流出する。

【００２２】本実施例においても、燃料ガス供給管１６
の側壁面から燃料ガス供給口１７を通して燃料ガスを供
給しているので、図１の実施例と同様の効果を奏しうる
。ただ、ＳＯＦＣ素子５の長さ方向にみて燃料濃度をよ
り一層安定に均一にするには、燃料ガス供給口１７の位
置と大きさとを適切に制御しなくてはならない。また、
図１の実施例と図２の実施例とを比較すると、図２の例
でも大きな効果が得られるが、図１の多孔質ガス供給管
の場合は更に大きな効果が得られる。また図１に示す多
孔質ガス供給管は、複数の孔を設けた図２のガス供給管
に比べて、孔開け加工等が必要ないため、製作コストが
一層低い。

【００２３】燃料ガス供給管１６は、ＳＯＦＣ素子５の
動作時に使用する燃料ガスに対して耐性があり、かつＳ
ＯＦＣ素子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−Ｃ
ｒ　，　Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ　　等の各組成の合金がある
。

【００２４】上記の各実施例においては、ＳＯＦＣ素子
５を上下方向に保持した。即ち、ＳＯＦＣ素子５の長さ
方向は鉛直方向であった。しかし、ＳＯＦＣ素子５を水
平方向に保持し、ＳＯＦＣ素子５の長さ方向を水平方向
に一致させて発電装置を作製することもできる。また、
燃料ガス供給管１５，１６の外側輪郭及び内側輪郭の幅
方向の断面形状は、円形の他、正方形、ひし形、長方形
、六角形等としてもよい。ＳＯＦＣ素子５の有底部を除
く外側輪郭及び内側輪郭の幅方向の断面形状も、円形の
他、正方形、ひし形、長方形、六角形等としてもよい。 また、ＳＯＦＣ素子５を直列及び並列に接続してなる集
合電池は、通常断熱隔壁の内側に収容される。この断熱
隔壁は、開口端側隔壁４及び有底部側隔壁１１と直交し
、両者と共に発電室１３を形成しているものである。図
１，図２に示した燃料ガス供給管１５，　１６をこの断
熱隔壁に取りつけ、断熱隔壁から発電室１３内へと向っ
て突出させてもよい。また、図１，図２において、有底
部側隔壁１１に更に燃料ガス供給口を設けてもよい。

【００２５】更に、図１、図２及び図３に示した各発電
装置を用い、ＳＯＦＣ素子５の長さ方向における温度勾
配を測定した。但し、測定点としては、図２に示したよ
うな測定点ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆ，ｇ，ｈを選択し、
各測定点の間隔はそれぞれ６０ｍｍとした。図１、図３
の発電装置においても同様である。燃料ガスとしては、
水素９６％、水蒸気４％のものを用い、酸化ガスとして
は大気を用いた。ＳＯＦＣ素子の温度を測定するには、
熱電対を用いた。また、図１、図２及び図３に示すＳＯ
ＦＣ素子の一本当りの出力も比較した。結果を下記表１
に示す。図３の発電装置

【００２６】

【表１】

【００２７】以上の結果から解るように、図１、図２の
発電装置によれば、測定点ａ〜ｈの間の温度勾配を小さ
くでき、これにより全体の出力を大きくできる。

【００２８】

【発明の効果】本発明によれば、発電室に燃料ガス供給
管が突出しており、燃料ガス室から燃料ガス供給管の内
側空間を通して発電室へと燃料ガスを供給するように構
成したので、発電室に突出した燃料ガス供給管から、Ｓ
ＯＦＣ素子の長さ方向にみて新鮮な燃料ガスが比較的均
一に供給される。即ち、ＳＯＦＣ素子の開口端部に近い
側にも、新鮮で減損のない燃料ガスを常時供給できる。 従って、発電室内における燃料濃度の勾配が小さくなり
、均一化されるので、ＳＯＦＣ素子の長さ方向における
温度勾配も小さくできる。この結果、発電装置を長時間
作動させてもＳＯＦＣ素子にクラック等が発生しにくく
なり、また電気化学的反応のムラも少なくできることか
らＳＯＦＣ素子における発電効率も従来より向上させる
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発電装置を示す要部断面
図である。

【図２】他の実施例に係る発電装置を示す要部断面図で
ある。

【図３】従来例に係る発電装置を示す要部断面図である
。

【符号の説明】

２　　酸化ガス供給管 ３　　排ガス室 ４　　開口端側隔壁 ４ａ　　開口端側隔壁に形成された貫通孔５　　ＳＯＦ
Ｃ素子 １０　　ＳＯＦＣ素子の内側空間 １１　　有底部側隔壁 １３　　発電室 １４　　燃料ガス室 １５，　１６　　燃料ガス供給管 １５ｂ，　１６ｂ　　燃料ガス供給管の内側空間１７　
　燃料ガス供給口 Ａ，　Ｂ　　酸化ガスの流れ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　有底筒状の固体電解質型燃料電池素子
   が発電室内に設置され、前記素子の開口端側に設けられ
   た開口端側隔壁によって前記発電室と排ガス室とが区分
   され、この開口端側隔壁に形成された貫通孔に前記素子
   の開口端部が挿通され、前記素子の有底部側に設けられ
   た有底部側隔壁によって前記発電室と燃料ガス室とが区
   分され、前記発電室に燃料ガス供給管が突出しており、
   前記素子の内側空間に酸化ガスを供給しかつ前記燃料ガ
   ス室から前記燃料ガス供給管の内側空間を通して前記発
   電室へと燃料ガスを供給するように構成された発電装置
   。