JPH1027619A - 円筒型セルタイプ固体電解質型燃料電池 - Google Patents
円筒型セルタイプ固体電解質型燃料電池Info
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- JPH1027619A JPH1027619A JP8199562A JP19956296A JPH1027619A JP H1027619 A JPH1027619 A JP H1027619A JP 8199562 A JP8199562 A JP 8199562A JP 19956296 A JP19956296 A JP 19956296A JP H1027619 A JPH1027619 A JP H1027619A
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-
- 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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- Fuel Cell (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 セル単位長さ当りの発電出力が高く、小型で
十分な出力を有する円筒型セルタイプ固体電解質型燃料
電池を提供する。 【解決手段】 円筒型セルタイプ固体電解質型燃料電池
において、空気極又は燃料極の外径をD、この上に形成
される帯状インターコネクターの幅をwとしたときに、
0.10≦w/πD≦0.30とする。
十分な出力を有する円筒型セルタイプ固体電解質型燃料
電池を提供する。 【解決手段】 円筒型セルタイプ固体電解質型燃料電池
において、空気極又は燃料極の外径をD、この上に形成
される帯状インターコネクターの幅をwとしたときに、
0.10≦w/πD≦0.30とする。
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】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。特には、セル単位長
さ当りの発電出力を最大とすべく、インターコネクター
の幅の最適化を図った円筒型セルタイプ固体電解質型燃
料電池(以下T−SOFCともいう)に関する。
の固体電解質型燃料電池に関する。特には、セル単位長
さ当りの発電出力を最大とすべく、インターコネクター
の幅の最適化を図った円筒型セルタイプ固体電解質型燃
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
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。T−SOFC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、
燃料電極側にガス燃料(H2 、CO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
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、空気電極が支持管を兼用する形式のものもあ
る。T−SOFCの実証試験は、1993年段階で25
kw級のもの(セル有効長50cm、セル数1152本) ま
でが進行中である。
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。T−SOFC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、
燃料電極側にガス燃料(H2 、CO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
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、空気電極が支持管を兼用する形式のものもあ
る。T−SOFCの実証試験は、1993年段階で25
kw級のもの(セル有効長50cm、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とおりである(Proc. of the
3rd Int. Symp. on SOFC, 1993 )。 支持管:ZrO2 (CaO)、厚さ1.2mm、押し出し 空気電極:La(Sr)MnO3 、厚さ1.4mm、スラ
リーコート 固体電解質:ZrO2 (Y2 O3 )、厚さ40μm 、E
VD インターコネクター:LaCr(Mg)O3 、厚さ40
μm 、EVD 燃料電極:Ni−ZrO2 (Y2 O3 )、厚さ100μ
m 、スラリーコート−EVD
厚さ及び製造方法は以下のとおりである(Proc. of the
3rd Int. Symp. on SOFC, 1993 )。 支持管:ZrO2 (CaO)、厚さ1.2mm、押し出し 空気電極:La(Sr)MnO3 、厚さ1.4mm、スラ
リーコート 固体電解質:ZrO2 (Y2 O3 )、厚さ40μm 、E
VD インターコネクター:LaCr(Mg)O3 、厚さ40
μm 、EVD 燃料電極:Ni−ZrO2 (Y2 O3 )、厚さ100μ
m 、スラリーコート−EVD
【0004】図2及び図3は、代表的なT−SOFCの
全体構造を示す図である。この固体電解質型燃料電池1
10の中枢部分である円筒セル集合体101は、細長い
円筒状の多数のセル3(寸法例、径15mm×長さ500
mm)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3(B)参照)、空気極1
1、固体電解質層13、燃料極15及びインターコネク
ター17の各層が積層されている。
全体構造を示す図である。この固体電解質型燃料電池1
10の中枢部分である円筒セル集合体101は、細長い
円筒状の多数のセル3(寸法例、径15mm×長さ500
mm)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3(B)参照)、空気極1
1、固体電解質層13、燃料極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】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は、円筒型セル3上部の空
気分配器121から下に出て、円筒セル3チューブの底
近くにまで達している。この空気導入管5によって、空
気分配器121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は、円筒型セル3上部の空
気分配器121から下に出て、円筒セル3チューブの底
近くにまで達している。この空気導入管5によって、空
気分配器121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。
【0006】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 、H2 O
等)とは、円筒セル3上端外面のスキマを通って排気燃
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1
25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 、H2 O
等)とは、円筒セル3上端外面のスキマを通って排気燃
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1
25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。
【0007】図2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、この場合燃料極)に、Niフェルト
135を介して接続されているので、結局、図2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、この場合燃料極)に、Niフェルト
135を介して接続されているので、結局、図2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。
【0008】セル3の断面構造を図3(B)を参照しつ
つ説明する。セル3はいくつかの層(膜)の積層構造を
している。まず最も内側にリング状に存在するのが空気
極11である。この空気極11は、セルを支える強度部
材(支持体)としての役割も有する。この空気極11は
ストロンチウムドープランタンマンガナイト(LSM)
等の多孔質体である。空気極11は、その中を空気が通
過するとともにカソードとなる。
つ説明する。セル3はいくつかの層(膜)の積層構造を
している。まず最も内側にリング状に存在するのが空気
極11である。この空気極11は、セルを支える強度部
材(支持体)としての役割も有する。この空気極11は
ストロンチウムドープランタンマンガナイト(LSM)
等の多孔質体である。空気極11は、その中を空気が通
過するとともにカソードとなる。
【0009】次に、空気極11の外側にほぼリング状に
存在するのが固体電解質膜13である。この固体電解質
膜13には、図の左側で一部途切れた部分(インターコ
ネクター17の部分)がある。固体電解質膜13は、イ
ットリア安定化ジルコニア(YSZ)等の緻密な膜であ
る。固体電解質膜13は、その中をO2-イオンが通過す
るとともに、セル3内の空気とセル3外の燃料ガスとが
直接的に混合しない遮蔽膜の役割を果す。
存在するのが固体電解質膜13である。この固体電解質
膜13には、図の左側で一部途切れた部分(インターコ
ネクター17の部分)がある。固体電解質膜13は、イ
ットリア安定化ジルコニア(YSZ)等の緻密な膜であ
る。固体電解質膜13は、その中をO2-イオンが通過す
るとともに、セル3内の空気とセル3外の燃料ガスとが
直接的に混合しない遮蔽膜の役割を果す。
【0010】次に、固体電解質膜13の外側にほぼリン
グ状に存在するのが燃料極15である。この燃料極15
には、図の左側で一部途切れた部分(インターコネクタ
ー17周辺の部分)がある。燃料極15は、Ni−YS
Zサーメット等の多孔質膜である。燃料極15中を燃料
ガスが通過するとともに、アノードとなる。
グ状に存在するのが燃料極15である。この燃料極15
には、図の左側で一部途切れた部分(インターコネクタ
ー17周辺の部分)がある。燃料極15は、Ni−YS
Zサーメット等の多孔質膜である。燃料極15中を燃料
ガスが通過するとともに、アノードとなる。
【0011】インターコネクター17(図3(A)、
(B)の左側)は、空気極11上を帯状にセル3の軸方
向に延びる膜である。インターコネクター17は、カル
シウムドープランタンクロマイト等の緻密な膜である。
このインターコネクター17は、空気極11と導通して
セル3外面に空気極との導通部を表出させる役割、及
び、セル3内外を気密に遮断する役割を果す。インター
コネクター17は、燃料極15とは、導通を避けるため
に接していない。
(B)の左側)は、空気極11上を帯状にセル3の軸方
向に延びる膜である。インターコネクター17は、カル
シウムドープランタンクロマイト等の緻密な膜である。
このインターコネクター17は、空気極11と導通して
セル3外面に空気極との導通部を表出させる役割、及
び、セル3内外を気密に遮断する役割を果す。インター
コネクター17は、燃料極15とは、導通を避けるため
に接していない。
【0012】次に、図3(A)を参照しつつ、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。ま
ずセル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、空気極11と
固体電解質層13のみからなり、燃料極やインターコネ
クターは形成されていない。したがって、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、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35)。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。
軸方向(上下方向)における構造について説明する。ま
ずセル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、空気極11と
固体電解質層13のみからなり、燃料極やインターコネ
クターは形成されていない。したがって、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、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35)。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。
【0013】開放端非発電域31及び封止端非発電域3
5を除くセル3中央部は発電域33となっている。発電
域33には空気極11、固体電解質層13、燃料極15
及びインターコネクター17の全てが成膜されており、
発電が行われる。
5を除くセル3中央部は発電域33となっている。発電
域33には空気極11、固体電解質層13、燃料極15
及びインターコネクター17の全てが成膜されており、
発電が行われる。
【0014】
【発明が解決しようとする課題】上述の円筒型セルタイ
プ固体電解質型燃料電池においては、セル単位長さ当り
の出力が高いことが求められる。そのためには、インタ
ーコネクターの幅を、セルの径(円周)との関係(占め
る割合)において最適化することが、1つの有力な要因
である。しかし、インターコネクター幅最適化について
の系統的な解析・研究はこれまで行われていなかった。
プ固体電解質型燃料電池においては、セル単位長さ当り
の出力が高いことが求められる。そのためには、インタ
ーコネクターの幅を、セルの径(円周)との関係(占め
る割合)において最適化することが、1つの有力な要因
である。しかし、インターコネクター幅最適化について
の系統的な解析・研究はこれまで行われていなかった。
【0015】本発明は、セル単位長さ当りの発電出力を
最大とすべく、インターコネクターの幅の最適化を図っ
た、小型で十分な出力を有す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。
最大とすべく、インターコネクターの幅の最適化を図っ
た、小型で十分な出力を有す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。
【0016】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明の円筒型セルタイプ固体電解質型燃料電池
は、 多層円筒状に積層された膜状の空気極、固体電解
質膜及び燃料極、並びに、空気極又は燃料極上に成膜さ
れた軸方向に延びる帯状のインターコネクター、を備え
た円筒型セルを有する固体電解質型燃料電池であって;
上記空気極又は燃料極の外径をD、上記帯状インターコ
ネクターの幅をwとしたときに、 0.10≦w/πD≦0.30 であることを特徴とする。
め、本発明の円筒型セルタイプ固体電解質型燃料電池
は、 多層円筒状に積層された膜状の空気極、固体電解
質膜及び燃料極、並びに、空気極又は燃料極上に成膜さ
れた軸方向に延びる帯状のインターコネクター、を備え
た円筒型セルを有する固体電解質型燃料電池であって;
上記空気極又は燃料極の外径をD、上記帯状インターコ
ネクターの幅をwとしたときに、 0.10≦w/πD≦0.30 であることを特徴とする。
【0017】インターコネクターの部分は、電気化学的
燃焼反応が起らない不活性な領域であるので、セル円周
に占める割合が大きすぎるとセル出力が下がる。一方、
インターコネクターの幅が小さすぎると、セル相互間に
おけるオーム抵抗が増して、せっかくのセル出力が電気
抵抗発熱で消耗してしまう。本発明者は、様々な解析及
び実験により、インターコネクター幅の最適化を行うこ
とに成功した。なお、上記観点からは、w/πDの範囲
は、より好ましくは0.15〜0.25であり、最も好
ましくは0.17〜0.22である。
燃焼反応が起らない不活性な領域であるので、セル円周
に占める割合が大きすぎるとセル出力が下がる。一方、
インターコネクターの幅が小さすぎると、セル相互間に
おけるオーム抵抗が増して、せっかくのセル出力が電気
抵抗発熱で消耗してしまう。本発明者は、様々な解析及
び実験により、インターコネクター幅の最適化を行うこ
とに成功した。なお、上記観点からは、w/πDの範囲
は、より好ましくは0.15〜0.25であり、最も好
ましくは0.17〜0.22である。
【0018】
【発明の実施の形態及び実施例】以下の試験セルを作製
し、各種w/πD%で発電試験を行った。 (1)セル仕様 形式:空気極自己支持型 空気極:材質La0.9 Sr0.1 MnO3 、外径16
mm、厚さ1.5mm、導電率60S/cm、気孔率35%、押
し出し→焼成 固体電解質:材質8mol%Y2 O3 安定化ZrO2 、
厚さ20μm 、スラリーコート→焼成 インターコネクター:材質La0.8 Ca0.2 CrO
3 、厚さ40μm 、スラリーコート→焼成 燃料極:材質YSZ30重量%Niサーメット、厚
さ60μm 、導電率1,400S/cm、気孔率40%、ス
ラリーコート→焼成
し、各種w/πD%で発電試験を行った。 (1)セル仕様 形式:空気極自己支持型 空気極:材質La0.9 Sr0.1 MnO3 、外径16
mm、厚さ1.5mm、導電率60S/cm、気孔率35%、押
し出し→焼成 固体電解質:材質8mol%Y2 O3 安定化ZrO2 、
厚さ20μm 、スラリーコート→焼成 インターコネクター:材質La0.8 Ca0.2 CrO
3 、厚さ40μm 、スラリーコート→焼成 燃料極:材質YSZ30重量%Niサーメット、厚
さ60μm 、導電率1,400S/cm、気孔率40%、ス
ラリーコート→焼成
【0019】(2)発電条件: 燃料:(H2 +11%H2 O):N2 =1:2 酸化剤:Air セル温度:1,000℃ 燃料利用率:85%
【0020】(3)発電試験結果:図1は、発電試験結
果を示すグラフである。横軸はw/πD比を、縦軸はセ
ル単位長さ当りの出力(W/cm)を示す。このグラフから
w/πD0.10〜0.30の範囲で出力1.2W/cmを
達成できることがわかる。また、w/πD0.15〜
0.25の範囲で出力1.5W/cm、w/πD0.17〜
0.22の範囲で出力1.6W/cmを達成できることがわ
かる。
果を示すグラフである。横軸はw/πD比を、縦軸はセ
ル単位長さ当りの出力(W/cm)を示す。このグラフから
w/πD0.10〜0.30の範囲で出力1.2W/cmを
達成できることがわかる。また、w/πD0.15〜
0.25の範囲で出力1.5W/cm、w/πD0.17〜
0.22の範囲で出力1.6W/cmを達成できることがわ
かる。
【0021】
【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
は、インターコネクターの幅を最適化することにより、
セル単位長さ当りの発電出力が高く、小型で十分な出力
を有する円筒型セルタイプ固体電解質型燃料電池を提供
できる。
は、インターコネクターの幅を最適化することにより、
セル単位長さ当りの発電出力が高く、小型で十分な出力
を有する円筒型セルタイプ固体電解質型燃料電池を提供
できる。
【図1】本発明の一実施例に係る固体電解質型燃料電池
の発電試験結果を示すグラフである。横軸はインターコ
ネクター幅w/πD比を、縦軸はセル単位長さ当りの出
力(W/cm)を示す。
の発電試験結果を示すグラフである。横軸はインターコ
ネクター幅w/πD比を、縦軸はセル単位長さ当りの出
力(W/cm)を示す。
【図2】代表的な円筒セルタイプ固体電解質型燃料電池
の全体構造を示す図である。
の全体構造を示す図である。
【図3】図2の燃料電池のセルの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。
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。
3 円筒セル 5 空気導入管 11 空気極 13 固体電解質層 15 燃料極 17 インターコネクター 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 35 封止端側非発電領域
(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 35 封止端側非発電領域
Claims (3)
- 【請求項1】 多層円筒状に積層された膜状の空気極、
固体電解質膜及び燃料極、並びに、空気極又は燃料極上
に成膜された軸方向に延びる帯状のインターコネクタ
ー、を備えた円筒型セルを有する固体電解質型燃料電池
であって;上記空気極又は燃料極の外径をD、 上記帯状インターコネクターの幅をwとしたときに、 0.10≦w/πD≦0.30 であることを特徴とする円筒型セルタイプ固体電解質型
燃料電池。 - 【請求項2】 0.15≦w/πD≦0.25である請
求項1記載の円筒型セルタイプ固体電解質型燃料電池。 - 【請求項3】 0.17≦w/πD≦0.22である請
求項1記載の円筒型セルタイプ固体電解質型燃料電池。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8199562A JPH1027619A (ja) | 1996-07-11 | 1996-07-11 | 円筒型セルタイプ固体電解質型燃料電池 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8199562A JPH1027619A (ja) | 1996-07-11 | 1996-07-11 | 円筒型セルタイプ固体電解質型燃料電池 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH1027619A true JPH1027619A (ja) | 1998-01-27 |
Family
ID=16409898
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP8199562A Pending JPH1027619A (ja) | 1996-07-11 | 1996-07-11 | 円筒型セルタイプ固体電解質型燃料電池 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH1027619A (ja) |
-
1996
- 1996-07-11 JP JP8199562A patent/JPH1027619A/ja active Pending
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