JP2008016268A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】扁平円筒両面発電型セルの発電量を増大すること。
【解決手段】本発明は、扁平円筒型セルの（１）補助集電極の構成を適正化して燃料や空気の流配をセル全領域に渡り一様化する手段、（２）補助集電極を２領域に分割して燃料の流れをセルのアノードへ向かう流れと直接下流に向かう流れに分岐する手段、一つまたはそれ以上を組み合わせて適用したことを特徴としたものである。さらに、これらの解決手段はセル形状が円筒型の場合にも適用できる。
【選択図】図２

Description

本発明は固体酸化物形燃料電池に関するものである。

燃料電池は、電解質の両側にアノード（燃料極）およびカソード（空気極）を備え、アノード側には燃料ガスを、カソード側には酸化剤ガスを供給し、電解質を介して燃料と酸化剤を電気化学的に反応させることにより発電する発電装置である。燃料電池の種類の一つである固体酸化物形燃料電池は、発電効率が高いばかりでなく、６００〜１０００℃の高温で運転されるため、電池内で燃料の改質反応ができ、燃料の多様化が図れると共に電池システム構造がシンプルになるため、他の燃料電池に比べ、コスト低減のポテンシャルを持つ。当然、排熱も高温となるため利用しやすく熱・電気併用システムばかりでなく、ガスタービンなど他のシステムとのハイブリッドシステムを形成し易い特徴を持つ。

燃料電池は固体電解質の形状により、円筒形と平板形に大別される。円筒形は平板形に比べて熱応力に強く、高温で運転するＳＯＦＣに取っては大きな利点である。

しかし、円筒形は平板形に比べて一般的に内部抵抗が高い。内部抵抗が高い原因の一つは円筒セル内での電流パスが長いことに起因する。また、単セルと単セルの接続時にも制約を受け、体積エネルギー密度を高めることが困難という問題点があった。これらの問題点を解決するため、セル形状を扁平状にして改善させることが提案されている（特許文献１参照）。

特開２００５−１６６５２７号公報

上記の特許文献に記載のセルは、セルの直並列接続のためセルから電流を取り出すインターコネクタがセルの半面を覆ってしまい発電面積が減少するため単セル当たりの発電量を増加することが十分できない。したがって、体積エネルギー密度を高めることも十分ではなかった。

そこで、発電面積を増大させるためにアノードの周辺に多孔質の補助集電極を設けて扁平円筒セルの両面で発電が可能にしたセル構成が考えられる。

しかしながら、多孔質の補助集電極を設けたセルにあっては、補助電極が障害となりセル表面へ供給する燃料や空気がセルの下流に届きにくくなる。その結果、電極電流が下流側（例えば、軸方向）に一様に分布せず、発電効率が落ちる。

本発明の目的は、セル表面への燃料供給をできるだけセル全領域に渡り一様（例えば、軸方向に一様）にすることにより、補助集電極を用いた場合であっても発電効率の低下を低減することにある。

燃料を酸化するアノードと、酸化剤を還元するカソードと、アノードとカソードとの間に形成されるイオン透過性の電解質と、アノードに隣接し、導電性多孔質の燃料供給層と、燃料供給層に燃料を輸送する燃料輸送手段とを有する燃料電池。

本発明によれば、セルへの燃料供給をできるだけ軸方向に一様にすることにより、補助集電極を用いた場合であっても発電効率の低下を低減することができる。

本発明にかかる実施形態としては、扁平円筒型セルの（１）補助集電極の構成を適正化して燃料や空気の流配をセル全領域に渡り一様化する手段、（２）補助集電極を燃料の流れをセルのアノードへ向かう流れと直接下流に向かう流れに分岐する手段を組み合わせて適用する。さらに、これらの解決手段はセル形状が円筒型の場合にも適用できる。

図１に扁平円筒両面発電型セルの概観図を示す。セル５は固体電解質１の外周にアノード２（燃焼極）を、内周にカソード３（空気極）を形成し、カソード３の電流を取り出すためのインターコネクタ４から構成される。セル５の外周には補助集電極６が設けられている。

セル５の電流の流れはアノード２を経て固体電解質１を経て、カソード３へと流れ込む、さらにカソード３から電流を取り出すために設けられたインターコネクタ４へと流れる。補助集電極６の役割は、アノード２の電流が多く周方向に流れるため、電流パスが大きくなり、大きな抵抗成分となることを防止するため、補助的に電流パスを増大することにある。なお、カソード３においてもアノード２程ではないが周方向への電流パスが存在する。また、カソード３の内部に設けた酸化剤（空気）を流す空気供給孔７が設けられ、空気の流れる空気領域を形成している。燃料はセル５の外周を流し燃料領域を形成する。

図１の説明ではアノードが扁平円筒の外側にあるセルの場合を示したが、カソードが円筒の外側にあるセルの場合にも同様の現象が起こる。以下の説明ではアノードがセル円筒の外側にある場合を例に、かつ、扁平円筒両面発電型セルのアノードに特化して説明する。

本発明の燃料電池では、扁平円筒型セルの補助集電極内の燃料の流れをセルに向かう流れと燃料の下流へ（出口方向）直接向かう流れに分岐し、さらに、アノード電極を薄肉化して補助集電極にアノード電極の役割を持たせ、セルの発電量を増大する。

図２に本発明の実施例である扁平円筒両面発電型セルの横断面図を示す。固体電解質１の外周にアノード（燃焼極）２を、内周にカソード（空気極）３を形成し、カソードの電流を取り出すためにインターコネクタ４をセルの外周方向に二箇所設けた。なお、二箇所に設けたインターコネクタ４の間にはセルの他の部分同様アノード２が存在する。

固体電解質１は、扁平円筒型の袋管状で、材質としてはイットリウム安定化ジルコニア（ＹＳＺ）を用いた。アノード２はニッケルとＹＳＺからなる多孔質のサーメット（金属とセラミックの焼結体）で構成し、カソード３はランタンマンガネイトで構成し、インターコネクタ４はランタンクロマイドで構成した。なお、セルの外周を燃料が流れ、カソードの内周に設けた三箇所の空気供給孔７を酸化剤（空気）が流れる。

セル外周の燃料が流れる燃料領域８には補助集電極６が２分割されて充填されており、それぞれ内側のアノードに隣接している内側補助集電極９とその外側にある外側補助集電極１０で構成される。

図３に本発明の実施例である扁平円筒両面発電型セルの縦断面の一部を示す。図３では燃料１９の流れの様子を示している。矢印の大きさは流量の多少を模式的に示している。すなわち、外側補助集電極１０は流量が多く、内側補助集電極９は流量が少ない。外側補助集電極１０内の燃料１９は、下部では電池反応せず、下流のセル上部まで流れることになる。すなわち、電池反応していない燃料（未使用の燃料）がセル上部（下流）まで供給できることになり、セル５の全表面で電池反応が一様に起こることになる。

外側補助集電極１０は主に燃料をセルの軸方向に供給するための流路となるものである。また、外側補助集電極１０は電流パスとしても機能する。従って、外側補助集電極１０の具備条件は（１）燃料ガスが内側補助集電極９に比べ流れ易いこと（流動抵抗が小さいこと）、（２）電気導電率が高いことが好ましい。

内側補助集電極９は主に外側補助集電極１０で供給された燃料をアノード２へと移送する役割を持つ。また、内側補助集電極９は電流パスとしても機能する。従って、内側補助集電極９の具備条件は（１）燃料ガスが外側補助集電極１０から供給されること、（２）電気導電率が高いことが好ましい。

内側補助集電極９，外側補助集電極１０としては貫通気孔を持つ多孔体、例えば、三次元の網目状多孔体を用いることができる。多孔体中のガス流速Ｖは次式で表せる。

Ｖ＝ε₀ ³Ｄ²ΔＰ／｛８０μ(１−ε₀)²｝ｌ （１）
ここで、ε₀ は空隙率を示し、Ｄは多孔体を構成する素線径、ｌは多孔層の長さ、ΔＰは多孔層の上流と下流の差圧、μは流体の粘度を示す。従って、流速は長さｌの多孔層に掛かる差圧が同一であれば、空隙率が大きく、多孔体を構成する素線径が大きい程、速くなる。当然、流動抵抗は空隙率が小さく、素線径が小さい程大きくなる。

外側補助集電極１０は内側補助集電極９に比べ、流れ易いことが好ましく、速い流速で流れることが望まれる。今回使用した外側補助集電極１０は空隙率９５％程度で素線径
１０μｍ程度のものを用いた。一方、内側補助集電極９には空隙率９０％程度で素線径約１０μｍのものを用いた。これによって外側補助集電極１０内の流速は内側補助集電極９内の流速に比べ、概ね１桁大きくすることができる。無論、上記程外側補助集電極１０内の流速と内側補助集電極９内の流速に差を付ける必要はなく、少なくとも１.２から１.５程度の流速差があれば良い。

内側補助集電極９，外側補助集電極１０の材質としては具備条件（２）に示したように電気導電率が高いことが好ましい。そこで、内側補助集電極９，外側補助集電極１０には、共にニッケル材を用いた。ニッケルを三次元の網目状多孔体として用いた。なお、ステンレスやニッケル基合金等であっても良い。

また、ガスを流すことを主目的とした外側補助集電極１０には必ずしも金属材料ではなく、セラミック系の材料を用いることもできる。当然、外側補助集電極１０に良導電材料を用いれば電流パスが広がり内部抵抗の低減に役立つ。

ここで、電池反応を示しておく。先ず、炭化水素系燃料を改質して水素を含む改質ガスを生成する方法について、炭化水素系燃料としてメタンを例にとり説明する。改質触媒上で主に（１）式の反応によりメタンと水蒸気が反応（改質反応）して水素が生成する。なお、改質触媒としては、Ｎｉ系やＲｕ系などの触媒が一般的に用いられている。

ＣＨ₄＋Ｈ₂Ｏ＝ＣＯ＋３Ｈ₂ ・・・・・（１）
同時に、化学式（１）により反応したＣＯは、下記の（２）式で表されるＨ₂Ｏとの反応（ＣＯ転化反応）により、さらに水素に変換され燃料となる。

ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ＝ＣＯ₂＋Ｈ₂ ・・・・・（２）
炭化水素系燃料から水素を生成する反応は吸熱反応であり、この反応を継続するためには熱を供給する必要があり、一般には改質触媒を６００〜８００℃程度に維持する必要がある。

電池反応（発電反応）は、アノード２で生起し、下記の（３）（４）式で表され、発熱反応である。

Ｈ₂＋１／２Ｏ₂＝Ｈ₂Ｏ ・・・・・（３）
ＣＯ＋１／２Ｏ₂＝ＣＯ₂ ・・・・・（４）
本実施形態のセル内の電流を模式化して図４に示す。電流のパスを矢印１１で示す。セルの電流は外側補助集電極１０から内側補助集電極９を通り、アノード２を経て固体電解質１からカソード３へと流れ込み、さらにカソード３からインターコネクタ４へと流れ外部に取り出される。なお、二つのインターコネクタ間に設けた外側補助集電極１４と内側補助集電極１３、並びに、アノード１２からの電流も同様のパスを通ってインターコネクタ４へと流れ外部に取り出される。さらに、アノード２と外側補助集電極１４とは図５に示したように隣接したそれぞれのセルで電気的に接続している。

本実施例の場合はインターコネクタ４を周方向二個所に分割し、縦方向も２個所に分割したが三箇所でもそれ以上でも一向に差し支えない。

図６に本実施形態の変形例を示す。図１の外側補助集電極１５として電気絶縁できるセラミック多孔体を用いたものである。外側補助集電極１５に電気絶縁できるセラミック多孔体を用いるとセルを直列接続する際に隣接する電池のアノードとの電気的接触を避けることができるため、多数の電池を直列または並列に接続する場合には大変有効である。

図７に本実施形態の変形例を示す。図１の外側補助集電極１７として金属メッシュまたは電気絶縁できるセラミックメッシュを用いたものである。内側補助集電極１６にも同様金属メッシュを用いた。

メッシュサイズは外側補助集電極１７が３０番程度の粗いメッシュを内側補助集電極
１６には１００番程度の細かいメッシュを用いた。

図８に本発明の変形例を示す。図１の外側補助集電極を取り除いて空間流路１８としたものである。流動抵抗は図１に比べ、小さくなるが電気抵抗は増大する。

図９に本発明の変形例を示す。図は外側補助集電極１０と内側補助集電極９内にガス流路となる通気孔２１と供給孔２２を有する。通気孔２１は燃料ガスを主に軸方向に流通させるもので、供給孔２２はセルの径方向に燃料ガスを流通させるものである。これらの流通路を設けることにより、より一層未使用燃料を下流側に供給することが可能となり、セル５の全表面に燃料が供給され電池反応の一様化が図れる。図１１に本実施例の横断面図を示した。

図１０に本実施形態の変形例を示す。図は内側補助集電極９内にガス流路となる通気孔２１と供給孔２２を設けた。通気孔２１は燃料ガスを主に軸方向に流通させるもので、供給孔２２はセルの径方向に燃料ガスを流通させるものである。これらの流通路を設けることにより、より一層未使用燃料を下流側に供給することが可能となり、セル５の全表面に燃料が供給され電池反応の一様化が図れる。これらの燃料ガス供給通路により、燃料ガスの軸方向の供給が賄われるため外側補助集電極１０を削除した。これにより内部抵抗が低減できる。

以上、実施形態を扁平円筒両面発電型セルの外周がアノードとなる電池構造で説明したが、本発明は外周がカソードとなる電池構造であっても同様の効果を得ることができる。

本実施形態は扁平円筒形状として袋管に例を取って説明したが、底のない開放された扁平円筒形状でも一向にその効果を損なうものでない。

また、セル形状は扁平円筒形状に拘らず、楕円形状のセルや直方体や立方体形状，円筒形状等のセルにも適用でき同様の効果が得られるので扁平円筒形状に限定されるものでない。

本実施形態の燃料電池では、扁平円筒型セルのほぼ全領域が電池反応に寄与するので、発電面積を増大でき発電量が増大し、かつ、内部抵抗が低減できるのでエネルギー効率を高めることができる。この際、アノードばかりでなくカソード補助集電極を設けることによりさらに、電池の性能を向上できる。

扁平円筒両面発電型セルの概観図である。 本発明の実施例の縦断面を示した図である。 本発明の実施例の縦断面を示した図である。 本発明の実施例図１の電流パスを示した断面図である。 本発明の実施例の概観図である。 本発明の変形例を示した横断面図である。 本発明の変形例を示した横断面図である。 本発明の変形例を示した横断面図である。 本発明の変形例を示した縦断面図である。 本発明の変形例を示した縦断面図である。 本発明の変形例を示した横断面図である。

符号の説明

１…固体電解質、２，１２…アノード、３…カソード、４…インターコネクタ、５…セル、６…補助集電極、７…空気供給孔、８…燃料が流れる燃料領域、９，１３，１６…内側補助集電極、１０，１４，１５，１７…外側補助集電極、１１…電流パス、１８…空間流路、１９…燃料、２０…酸化剤（空気）、２１…通気孔、２２…供給孔。

Claims (13)

1. 電解質の両側にアノードおよびカソードを備えた扁平円筒形または、直方体形状，円筒形状等の燃料電池において、補助集電極内にセルの全領域へ燃料濃度を一様に供給する手段を設けたことを特徴とする燃料電池。
2. 請求項１に記載した燃料電池の補助集電極を２層以上に分割し、セル出口に向かう流れとセルへ向かう流れを分岐したことを特徴とする燃料電池。
3. 請求項１に記載した燃料電池にあって、２層以上に分割された補助集電極のセルに隣接する補助集電極の流動抵抗を大きく、他方の補助集電極の流動抵抗を小さくしたことを特徴とした燃料電池。
4. 請求項１に記載した燃料電池にあって、２層以上に分割された補助集電極のセルに隣接する補助集電極内の流速を、その他の補助集電極内の流速以下に抑えたことを特徴とした燃料電池。
5. 請求項１に記載した燃料電池にあって、２層以上に分割された補助集電極に貫通気孔を持ち空隙率の異なる多孔体または、メッシュ，ウイックを用いることを特徴とした燃料電池。
6. 請求項１に記載した燃料電池のアノード補助電極の材料としてニッケルを含んだ多孔体とすることを特徴とした燃料電池。
7. 請求項１に記載した燃料電池の外側補助電極の材料としてセラミック多孔体とすることを特徴とした燃料電池。
8. 請求項１に記載した燃料電池のカソード補助電極の材料としてクロムを含んだ多孔体とすることを特徴とした燃料電池。
9. 請求項１から７に記載した燃料電池を直列または、並列に接続したことを特徴とした燃料電池。
10. 請求項１に記載した燃料電池にあって、２層以上に分割された補助集電極のセルに隣接する補助集電極内の流速を、その他の補助集電極内の流速を約０.８ 倍以下に抑えたことを特徴とした燃料電池。
11. イオン透過性の電解質と、前記電解質を挟持する第１の電極及び第２の電極と、第１の電極に隣接し、前記第１の電極又は前記第２の電極で電気化学反応を起こす流体が流れる流体流路領域と、前記流体流路領域の一部からなり、流体が移動可能な電気導電性の第１の領域と、前記流体流路領域から第１の領域を除いた残部からなり、前記第１の領域に流体が移動可能な第２の領域とを有し、前記第１の領域における流体の移動抵抗が前記第２の領域における流体の移動抵抗よりも大きい燃料電池。
12. 燃料を酸化するアノードと、酸化剤を還元するカソードと、前記アノードと前記カソードとの間に形成されるイオン透過性の電解質と、前記アノードに隣接する導電性多孔体を有する第１の領域と、前記第１の領域に対向して形成され、前記第１の領域よりも空隙率が大きい第２の領域とを有する燃料電池。
13. 燃料を酸化するアノードと、酸化剤を還元するカソードと、前記アノードと前記カソードとの間に形成されるイオン透過性の電解質と、前記アノードに隣接する燃料流路とを有し、前記燃料流路は、導電性多孔体の燃料供給層と、前記燃料供給層に対向して形成され、前記燃料供給層よりも空隙率及び体積が大きい燃料輸送領域とを有する燃料電池。

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