JP2770541B2 - 固体電解質燃料電池 - Google Patents
固体電解質燃料電池Info
- Publication number
- JP2770541B2 JP2770541B2 JP2063052A JP6305290A JP2770541B2 JP 2770541 B2 JP2770541 B2 JP 2770541B2 JP 2063052 A JP2063052 A JP 2063052A JP 6305290 A JP6305290 A JP 6305290A JP 2770541 B2 JP2770541 B2 JP 2770541B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- gas
- pressure
- fuel
- electrolyte
- current density
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Lifetime
Links
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
- H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
- H01M8/04104—Regulation of differential pressures
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
- H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
- H01M2008/1293—Fuel cells with solid oxide electrolytes
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M2300/00—Electrolytes
- H01M2300/0017—Non-aqueous electrolytes
- H01M2300/0065—Solid electrolytes
- H01M2300/0068—Solid electrolytes inorganic
- H01M2300/0071—Oxides
- H01M2300/0074—Ion conductive at high temperature
-
- 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
Landscapes
- Fuel Cell (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Sustainable Energy (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、固体電解質燃料電池に関し、特にその信
頼性の向上を図るものである。
頼性の向上を図るものである。
［従来の技術］ 以下に一般的な固体電解質を用いた燃料電池（以下、
SOFCと称する）の動作原理について説明する。第４図は
SOFCを構成する単電池（10）の動作原理を示す説明図で
ある。図において、（11）はイットリア安定化ジルコニ
ア（YSZ）からなり酸素イオン伝導性を有する固体電解
質部、（12），（13）は電解質部（11）を介在して構成
される一対の電極反応部である。燃料電極部（12）には
燃料ガス（ａ）としてH2、酸素電極部（13）には酸化剤
ガス（ｂ）として空気やO2がそれぞれ供給されて、電気
化学反応を起こす。（16）は電気エネルギーを外部負荷
（17）へ取り出す電気回路である。矢印（ｃ）は、電気
化学反応時に固体電解質（11）中を移動する酸素イオン
の流れを、矢印（ｄ）はSOFCの外部負荷（17）へ取り出
される電子の流れを示している。
SOFCと称する）の動作原理について説明する。第４図は
SOFCを構成する単電池（10）の動作原理を示す説明図で
ある。図において、（11）はイットリア安定化ジルコニ
ア（YSZ）からなり酸素イオン伝導性を有する固体電解
質部、（12），（13）は電解質部（11）を介在して構成
される一対の電極反応部である。燃料電極部（12）には
燃料ガス（ａ）としてH2、酸素電極部（13）には酸化剤
ガス（ｂ）として空気やO2がそれぞれ供給されて、電気
化学反応を起こす。（16）は電気エネルギーを外部負荷
（17）へ取り出す電気回路である。矢印（ｃ）は、電気
化学反応時に固体電解質（11）中を移動する酸素イオン
の流れを、矢印（ｄ）はSOFCの外部負荷（17）へ取り出
される電子の流れを示している。
次に動作について説明する。酸化剤ガスは、酸素電極
部（13）において、電子の供給を受け、酸素イオンとな
り（反応１）、固体電解質部（11）中の酸素イオン空孔
に取り込まれる。酸素イオンは固体電解質（11）中を拡
散して、燃料電極部（12）において水素と反応し、水蒸
気と電子を生じる（反応２）。これらの各反応は、次式
で表わされる。
部（13）において、電子の供給を受け、酸素イオンとな
り（反応１）、固体電解質部（11）中の酸素イオン空孔
に取り込まれる。酸素イオンは固体電解質（11）中を拡
散して、燃料電極部（12）において水素と反応し、水蒸
気と電子を生じる（反応２）。これらの各反応は、次式
で表わされる。
反応1:O2＋4e-→2O2- 反応2:2H2＋2O2-→2H2O＋4e- また、反応１と反応２を合成すれば、 2H2＋O2→2H2O となり、これは水素の燃焼反応と同様なものである。こ
の場合、酸素イオンを伝導するために、通常約1000℃程
度の高温で運転される。
の場合、酸素イオンを伝導するために、通常約1000℃程
度の高温で運転される。
次に実際的な電池形態について説明する。第５図及び
第６図は、例えば刊行物「電気学会論文誌B,106巻,8
号，昭和61−8,第693頁〜第700頁」に記載されている従
来の円筒型横縞型SOFCと呼ばれているものの斜視図及び
拡大断面図である。第５図において、（10）は円筒型の
単電池、（20）はこの単電池（10）を接続する接続部で
ある。このように１つの円筒に複数個の単電池（10）を
直列に接続して燃料電池スタックを形成している。この
例では、燃料ガス（ａ）は円筒管内に、酸化剤ガス
（ｂ）は円筒外面に供給されている。第６図は第５図の
部分拡大断面図であり、図において（11）はイットリア
安定化ジルコニア（YSZ）からなる固体電解質部、（1
2）はNiとYSZのサーメットからなる燃料電極部、（13）
はLaCoO3からなる酸素電極部、（14）はNiからなる中間
接続子、（15）はアルミナ（Al2O3）からなる多孔基体
管である。この基体管（15）の表面に上記各電池要素等
を構成する固体層が、溶射法等で薄膜形成されている。
第７図は、例えば特開昭57−130381号公報に記載されて
いる縦縞型と呼ばれる円筒型SOFCの一形態の断面を含む
斜視図である。図中、（21）はイットリア安定化ジルコ
ニア（YSZ）からなる固体電解質部、（22）はニッケル
（Ni）とジルコニア（YSZ）とのサーメットからなる燃
料電極部、（23）は例えはストロンチウム等をドープし
たLaMnO3などからなる酸素電極部、（24）はカルシア安
定化ジルコニア（CSZ）からなる基体層で、この表面に
電池要素等を構成する固体層を薄膜形成している。（2
5）はマグネシウム（Mg）などをドープしたLaCrO3から
なる中間接続層、（26）は燃料電極部（22）と同一の物
質からなる弓形層である。第８図は１つの円筒で形成さ
れた上記単電池を、Ni金属フエルト（27）を介して配列
接続したスタックの一例を示す側面図である。この例で
は、金属フエルト（27）がNiであり、還元雰囲気が望ま
しいので、円筒の内側に酸化剤ガス（ｂ）を、円筒の外
側に燃料ガス（ａ）を供給している。基体層（24）とし
てはカルシア安定化ジルコニア（CSZ）を用いている。
第６図は、例えば刊行物「電気学会論文誌B,106巻,8
号，昭和61−8,第693頁〜第700頁」に記載されている従
来の円筒型横縞型SOFCと呼ばれているものの斜視図及び
拡大断面図である。第５図において、（10）は円筒型の
単電池、（20）はこの単電池（10）を接続する接続部で
ある。このように１つの円筒に複数個の単電池（10）を
直列に接続して燃料電池スタックを形成している。この
例では、燃料ガス（ａ）は円筒管内に、酸化剤ガス
（ｂ）は円筒外面に供給されている。第６図は第５図の
部分拡大断面図であり、図において（11）はイットリア
安定化ジルコニア（YSZ）からなる固体電解質部、（1
2）はNiとYSZのサーメットからなる燃料電極部、（13）
はLaCoO3からなる酸素電極部、（14）はNiからなる中間
接続子、（15）はアルミナ（Al2O3）からなる多孔基体
管である。この基体管（15）の表面に上記各電池要素等
を構成する固体層が、溶射法等で薄膜形成されている。
第７図は、例えば特開昭57−130381号公報に記載されて
いる縦縞型と呼ばれる円筒型SOFCの一形態の断面を含む
斜視図である。図中、（21）はイットリア安定化ジルコ
ニア（YSZ）からなる固体電解質部、（22）はニッケル
（Ni）とジルコニア（YSZ）とのサーメットからなる燃
料電極部、（23）は例えはストロンチウム等をドープし
たLaMnO3などからなる酸素電極部、（24）はカルシア安
定化ジルコニア（CSZ）からなる基体層で、この表面に
電池要素等を構成する固体層を薄膜形成している。（2
5）はマグネシウム（Mg）などをドープしたLaCrO3から
なる中間接続層、（26）は燃料電極部（22）と同一の物
質からなる弓形層である。第８図は１つの円筒で形成さ
れた上記単電池を、Ni金属フエルト（27）を介して配列
接続したスタックの一例を示す側面図である。この例で
は、金属フエルト（27）がNiであり、還元雰囲気が望ま
しいので、円筒の内側に酸化剤ガス（ｂ）を、円筒の外
側に燃料ガス（ａ）を供給している。基体層（24）とし
てはカルシア安定化ジルコニア（CSZ）を用いている。
第９図は以上に示したようなSOFCの基体構成をまとめ
て示す断面図である。第９図（イ）は基体を有さないタ
イプのものである。このタイプのものは、電解質部（1
1）、燃料電極部（12）、酸素電極部（13）からなる３
層構造の機械的強度を維持するため、燃料電極部（1
2），酸素電極部（13）のいずれかを厚くすることもあ
る。第９図（ロ），（ハ）はそれぞれ支持基体（15）を
有するものであり、第９図（ロ）のものは支持基体（1
5）が燃料電極部（12）側にあり、これは第６図に示す
従来例と同様のものである。第９図（ハ）のものは支持
基体（15）が酸素電極部（13）側にあり、これは第７図
に示す従来例と同様のものである。第９図（イ），
（ロ），（ハ）のいずれの場合でも、電解質部（11）の
両側に電極もしくは基体の多孔質膜が存在するという点
で一致している。
て示す断面図である。第９図（イ）は基体を有さないタ
イプのものである。このタイプのものは、電解質部（1
1）、燃料電極部（12）、酸素電極部（13）からなる３
層構造の機械的強度を維持するため、燃料電極部（1
2），酸素電極部（13）のいずれかを厚くすることもあ
る。第９図（ロ），（ハ）はそれぞれ支持基体（15）を
有するものであり、第９図（ロ）のものは支持基体（1
5）が燃料電極部（12）側にあり、これは第６図に示す
従来例と同様のものである。第９図（ハ）のものは支持
基体（15）が酸素電極部（13）側にあり、これは第７図
に示す従来例と同様のものである。第９図（イ），
（ロ），（ハ）のいずれの場合でも、電解質部（11）の
両側に電極もしくは基体の多孔質膜が存在するという点
で一致している。
［発明が解決しようとする課題］ 従来の固体電解質燃料電池は以上のように構成されて
おり、多孔質基体管あるいはいずれかの電極を強度保持
材とし、その上に電解質部や電極などの電池構成要素の
薄膜を形成しているが、動作時、燃料ガス及び酸化剤ガ
スは、上記基体管や多孔電極内を横切って電解質界面に
運ばれねばならない。このため、一般に多孔材料の両
端、つまりガス流路部と電解質との界面では異なる圧力
を示す。従って燃料ガス流路と酸化剤ガス流路の圧力が
同じであっても、電解質両界面には、大きな圧力差が発
生し、もし電解質に微小な欠陥があった場合に、上記圧
力差を駆動力としたガスの流れ（漏れ）が生じ、本来完
全に分離されるべき燃料ガスと酸化剤ガスとが混合し、
さらに燃焼してしまう。このことは発電効率を減ずるの
みでなく、燃焼に伴う発熱による局所的な熱応力の発生
など、多くの問題点があった。
おり、多孔質基体管あるいはいずれかの電極を強度保持
材とし、その上に電解質部や電極などの電池構成要素の
薄膜を形成しているが、動作時、燃料ガス及び酸化剤ガ
スは、上記基体管や多孔電極内を横切って電解質界面に
運ばれねばならない。このため、一般に多孔材料の両
端、つまりガス流路部と電解質との界面では異なる圧力
を示す。従って燃料ガス流路と酸化剤ガス流路の圧力が
同じであっても、電解質両界面には、大きな圧力差が発
生し、もし電解質に微小な欠陥があった場合に、上記圧
力差を駆動力としたガスの流れ（漏れ）が生じ、本来完
全に分離されるべき燃料ガスと酸化剤ガスとが混合し、
さらに燃焼してしまう。このことは発電効率を減ずるの
みでなく、燃焼に伴う発熱による局所的な熱応力の発生
など、多くの問題点があった。
この発明は上記のような問題点を解消するためになさ
れたもので、燃料ガス流路内及び酸化剤ガス流路内の圧
力を予め定められた適正な値に維持することにより、電
解質部の両界面におけるガスの全圧を実質的に等しくす
ることにより電解質部にかかる圧力をなくしている。よ
って電解質部に万一欠陥が生じても、そこからのガスの
漏れを最小限度に抑制して、発電効率の低下が防止で
き、信頼性の高い固体電解質燃料電池を得ることを目的
とする。
れたもので、燃料ガス流路内及び酸化剤ガス流路内の圧
力を予め定められた適正な値に維持することにより、電
解質部の両界面におけるガスの全圧を実質的に等しくす
ることにより電解質部にかかる圧力をなくしている。よ
って電解質部に万一欠陥が生じても、そこからのガスの
漏れを最小限度に抑制して、発電効率の低下が防止で
き、信頼性の高い固体電解質燃料電池を得ることを目的
とする。
［課題を解決するための手段］ この発明に係わる固体電解質燃料電池は、電解質部を
介在して燃料電極部と酸素電極部を備え、燃料電極部に
燃料ガスを供給し、酸素電極部に酸化剤ガスを供給して
電気化学反応を起こす固体電解質燃料電池において、出
力電流密度を検出する出力電流密度検出手段、この出力
電流密度検出手段により検出された電流密度に基いて電
解質部の燃料電極部側と酸素電極部側の両界面における
ガスの全圧を等しくする予め求められた電流密度とガス
流路の圧力データから上記燃料ガスと酸化剤ガスの圧力
を決定する圧力決定手段、及びこの圧力決定手段に従っ
て燃料ガスと酸化剤ガスの一方あるいは両方の圧力を調
整する圧力調整手段を備えたものである。
介在して燃料電極部と酸素電極部を備え、燃料電極部に
燃料ガスを供給し、酸素電極部に酸化剤ガスを供給して
電気化学反応を起こす固体電解質燃料電池において、出
力電流密度を検出する出力電流密度検出手段、この出力
電流密度検出手段により検出された電流密度に基いて電
解質部の燃料電極部側と酸素電極部側の両界面における
ガスの全圧を等しくする予め求められた電流密度とガス
流路の圧力データから上記燃料ガスと酸化剤ガスの圧力
を決定する圧力決定手段、及びこの圧力決定手段に従っ
て燃料ガスと酸化剤ガスの一方あるいは両方の圧力を調
整する圧力調整手段を備えたものである。
［作用］ この発明における固体電解質燃料電池は、燃料ガス流
路内及び酸化剤ガス流路内のガス圧力を所定の値に保持
する様に制御することにより、電解質の燃料電極側及び
酸素電極側の両側界面におけるガスの全圧を等しくする
ことができる。
路内及び酸化剤ガス流路内のガス圧力を所定の値に保持
する様に制御することにより、電解質の燃料電極側及び
酸素電極側の両側界面におけるガスの全圧を等しくする
ことができる。
［実施例］ 以下、この発明の一実施例を図について説明する。第
１図はこの発明の一実施例による固体電解質燃料電池を
示す構成図である。図において、（11）は固体電解質部
（以下、電解質と記す）、（12）は燃料電極部（以下、
燃料電極と記す）、（13）は酸素電極部（以下、酸素電
極と記す）、（17）は負荷、（40）は燃料ガス流路、
（41）は酸化剤ガス流路である。（50）は基体、（60）
は燃料供給系に備えられ圧力調整弁、（61）は空気供給
系に備えられた圧力調整弁、（62）は出力電流密度を検
出する出力電流密度検出手段で、この場合は電流計であ
る。（63）はコントローラで、圧力決定手段と圧力調整
手段の働きを兼ね備えている。即ち、電流計（62）によ
り検出された電流密度に基いて電解質（11）の燃料電極
側と酸素電極側の両界面におけるガスの全圧を実質的に
等しくするように、メモリ（64）に予め格納してあるデ
ータに基いて燃料ガスと酸化剤ガスの圧力を決定する。
さらに、コントローラ（63）はこの決定した圧力値に従
って燃料ガスと酸化剤ガスの一方あるいは両方の圧力を
調整するために、圧力調整弁（60），（61）の開度をコ
ントロールする。
１図はこの発明の一実施例による固体電解質燃料電池を
示す構成図である。図において、（11）は固体電解質部
（以下、電解質と記す）、（12）は燃料電極部（以下、
燃料電極と記す）、（13）は酸素電極部（以下、酸素電
極と記す）、（17）は負荷、（40）は燃料ガス流路、
（41）は酸化剤ガス流路である。（50）は基体、（60）
は燃料供給系に備えられ圧力調整弁、（61）は空気供給
系に備えられた圧力調整弁、（62）は出力電流密度を検
出する出力電流密度検出手段で、この場合は電流計であ
る。（63）はコントローラで、圧力決定手段と圧力調整
手段の働きを兼ね備えている。即ち、電流計（62）によ
り検出された電流密度に基いて電解質（11）の燃料電極
側と酸素電極側の両界面におけるガスの全圧を実質的に
等しくするように、メモリ（64）に予め格納してあるデ
ータに基いて燃料ガスと酸化剤ガスの圧力を決定する。
さらに、コントローラ（63）はこの決定した圧力値に従
って燃料ガスと酸化剤ガスの一方あるいは両方の圧力を
調整するために、圧力調整弁（60），（61）の開度をコ
ントロールする。
この実施例では、電解質（11）としては酸素イオン導
電性を有するイットリア安定化ジルコニア（YSZ）、燃
料ガスとしては水素、酸化剤ガスとしては空気を用いて
いる。図中、矢印（ａ），（ｂ）は燃料ガス，空気の流
れ、矢印（ｃ），（ｄ），（ｅ）は酸素ガス，水素ガ
ス，水蒸気の拡散、矢印（ｆ）は電解質（11）内での酸
素イオンの拡散を示す。なお、この実施例は第９図
（ハ）に相当するSOFCを示している。
電性を有するイットリア安定化ジルコニア（YSZ）、燃
料ガスとしては水素、酸化剤ガスとしては空気を用いて
いる。図中、矢印（ａ），（ｂ）は燃料ガス，空気の流
れ、矢印（ｃ），（ｄ），（ｅ）は酸素ガス，水素ガ
ス，水蒸気の拡散、矢印（ｆ）は電解質（11）内での酸
素イオンの拡散を示す。なお、この実施例は第９図
（ハ）に相当するSOFCを示している。
次に動作について説明する。基本的な発電動作につい
ては従来の燃料電池の場合と同様である。以下にはこの
発明の主要部であるコントローラ（63）における圧力制
御について説明する。第１図におけるＰA,F,PC,Fはガス
流路（40），（41）中の圧力（全圧）を示し、PA,PCは
電解質の燃料電極（12）側界面，酸素電極（13）側界面
におけるガスの全圧を示している。
ては従来の燃料電池の場合と同様である。以下にはこの
発明の主要部であるコントローラ（63）における圧力制
御について説明する。第１図におけるＰA,F,PC,Fはガス
流路（40），（41）中の圧力（全圧）を示し、PA,PCは
電解質の燃料電極（12）側界面，酸素電極（13）側界面
におけるガスの全圧を示している。
この実施例に係るSOFCにおいてはPA＝PCが満足される
ようにＰA,F及びＰC,Fが圧力調整弁（60），（61）によ
り調整されるわけである。酸素イオン導電性の電解質を
用いた燃料電池においては、燃料電極（12）側では水素
が燃料ガス流路（40）から電解質（11）のほうに向かっ
て、燃料電極（12）中を拡散し、燃料電極（12）と電解
質（11）の界面で下の反応が生じる。
ようにＰA,F及びＰC,Fが圧力調整弁（60），（61）によ
り調整されるわけである。酸素イオン導電性の電解質を
用いた燃料電池においては、燃料電極（12）側では水素
が燃料ガス流路（40）から電解質（11）のほうに向かっ
て、燃料電極（12）中を拡散し、燃料電極（12）と電解
質（11）の界面で下の反応が生じる。
H2＋O2-→H2O＋2e- この反応により生成した水蒸気H2Oが水素とは逆の方
向に燃料電極（12）中を拡散し、燃料ガス流路（40）中
に排出される。また、酸素電極（13）側においては酸素
ガスが酸化剤ガス流路（41）から電解質（11）のほうに
向かって基体（50）及び酸素電極（13）中を拡散し、下
の反応によって2O2-となって電解質（11）に取り込まれ
る。
向に燃料電極（12）中を拡散し、燃料ガス流路（40）中
に排出される。また、酸素電極（13）側においては酸素
ガスが酸化剤ガス流路（41）から電解質（11）のほうに
向かって基体（50）及び酸素電極（13）中を拡散し、下
の反応によって2O2-となって電解質（11）に取り込まれ
る。
O2＋4e-→2O2- この時、界面における圧力には次のような関係が成り
立つ。
立つ。
燃料電極（12）側:PA,F＜PA 酸素電極（13）側:PC,F＞PC 従って、もし燃料電池に供給する２種のガス（燃料ガ
スと空気）の圧力が等しい場合、つまり、 ＰA,F＝ＰC,F となる場合には、電解質界面での圧力PA,PCは、 PA＞PC となる。電解質（11）界面では燃料電極（12）側の圧力
が高くなり、もし電解質（11）が完全に緻密でない場合
には燃料ガスが酸素電極（13）側に漏出し、そこで燃え
てしまい、発電効率が低下する。従って、上述のような
不具合を解消するには、 ＰA,F＜ＰC,F となるように２種のガスを供給する必要がある。
スと空気）の圧力が等しい場合、つまり、 ＰA,F＝ＰC,F となる場合には、電解質界面での圧力PA,PCは、 PA＞PC となる。電解質（11）界面では燃料電極（12）側の圧力
が高くなり、もし電解質（11）が完全に緻密でない場合
には燃料ガスが酸素電極（13）側に漏出し、そこで燃え
てしまい、発電効率が低下する。従って、上述のような
不具合を解消するには、 ＰA,F＜ＰC,F となるように２種のガスを供給する必要がある。
以下、どの程度の圧力差を２つの供給ガスにつければ
良いかについて述べる。この予測にあったってこの実施
例では、細孔内非等圧拡散の理論を用いる。第２図は細
孔内非等圧拡散を説明するためのモデルを示す説明図で
あり、多孔材料中の２種のガスの輸送を表している。
（65）は多孔材料、（66）は電解質界面、矢印ｇはガス
の流れを示す。２種のガスとしては酸素電極（13）で
は、酸素（O2）と窒素（N2）を、燃料電極（12）では水
素（H2）と水蒸気（H2O）を考える。多好材料として
は、第１図に示したSOFCでは燃料電極側において多孔燃
料電極（12）とし、酸素電極側では多孔基体（50）と多
孔酸素電極（13）を合せたものとなる。以下の説明にお
いて、添字1,2は２種のガスを表わし、添字0,Lは多孔材
料（65）の厚み方向にとった座標Ｚに関し、Ｚ＝０は多
孔材料（65）のガス流れ側の界面、Ｚ＝Ｌは多孔材料
（65）の電解質側の界面（66）を表わすものとする。
又、Ｐは全圧を示し、Ｊはガスのモル流束を示す。
良いかについて述べる。この予測にあったってこの実施
例では、細孔内非等圧拡散の理論を用いる。第２図は細
孔内非等圧拡散を説明するためのモデルを示す説明図で
あり、多孔材料中の２種のガスの輸送を表している。
（65）は多孔材料、（66）は電解質界面、矢印ｇはガス
の流れを示す。２種のガスとしては酸素電極（13）で
は、酸素（O2）と窒素（N2）を、燃料電極（12）では水
素（H2）と水蒸気（H2O）を考える。多好材料として
は、第１図に示したSOFCでは燃料電極側において多孔燃
料電極（12）とし、酸素電極側では多孔基体（50）と多
孔酸素電極（13）を合せたものとなる。以下の説明にお
いて、添字1,2は２種のガスを表わし、添字0,Lは多孔材
料（65）の厚み方向にとった座標Ｚに関し、Ｚ＝０は多
孔材料（65）のガス流れ側の界面、Ｚ＝Ｌは多孔材料
（65）の電解質側の界面（66）を表わすものとする。
又、Ｐは全圧を示し、Ｊはガスのモル流束を示す。
次に計算方法について述べる。第２図に示した２成分
非等圧細孔内拡散系は、次の２元連立微分方程式で表わ
される。
非等圧細孔内拡散系は、次の２元連立微分方程式で表わ
される。
J1＝（1/e1）・［−（P/RT）・D1K・（dx1/dz）− （x1/RT）・｛D12＋D2K＋D2K（x1/D1K＋x2/D2K） ・（B0P/η）｝・∂P/∂Ｚ］ J2＝（1/e2）・［−（P/RT）・D2K・（dx2/dz）− （x2/RT）・｛D12＋D1K＋D1K（x1/D1K＋x2/D2K） ・（B0P/η）｝・∂P/∂Ｚ］ 上式中、Ｒはガス定数、Ｔは絶対温度、ηは混合ガス
の粘性係数、x1,x2はガス1,2のモル分率（x1＋x2＝
１）,D1K,D2Kはガス1,2の細孔内の有効クヌッセン拡散
係数で、 DiK＝（d/3）・（ε／τ）・（8RT/πM1）1/2 （ｉ＝1,2） で表される。ここで、d,ε，τは多孔材料（65）の特性
パラメータで、ｄは代表細孔径、εは気孔率、τは迷路
因子である。又、Miはガスｉの分子量である。D12はガ
ス1,2の有効相互拡散係数、B0は多孔材料（65）の粘性
流れに関するパラメータである。又、 e1＝x2＋x1（D2K/D1K）＋（D12/D1K） e2＝x1＋x2（D1K/D2K）＋（D12/D2K） である。この連立微分方程式を境界条件、即ちＺ＝０に
おける全圧P0（これはガス流れ中の圧力に相当する）、
及びＺ＝０でのモル分率ｘ1,0,x2,0（＝１−ｘ1,0）の
下で与えられたモル流束J1,J2に対して解くことにより
Ｚ＝Ｌにおける全圧PLが得られる。
の粘性係数、x1,x2はガス1,2のモル分率（x1＋x2＝
１）,D1K,D2Kはガス1,2の細孔内の有効クヌッセン拡散
係数で、 DiK＝（d/3）・（ε／τ）・（8RT/πM1）1/2 （ｉ＝1,2） で表される。ここで、d,ε，τは多孔材料（65）の特性
パラメータで、ｄは代表細孔径、εは気孔率、τは迷路
因子である。又、Miはガスｉの分子量である。D12はガ
ス1,2の有効相互拡散係数、B0は多孔材料（65）の粘性
流れに関するパラメータである。又、 e1＝x2＋x1（D2K/D1K）＋（D12/D1K） e2＝x1＋x2（D1K/D2K）＋（D12/D2K） である。この連立微分方程式を境界条件、即ちＺ＝０に
おける全圧P0（これはガス流れ中の圧力に相当する）、
及びＺ＝０でのモル分率ｘ1,0,x2,0（＝１−ｘ1,0）の
下で与えられたモル流束J1,J2に対して解くことにより
Ｚ＝Ｌにおける全圧PLが得られる。
次にJ1,J2の与え方に対して記述する。まず、燃料電
極（12）の場合について説明する。燃料電極（12）では
添字１を水素、添字２を水蒸気とする。発電時において
は、等モルの水素と水蒸気が逆方向に拡散しているはず
であるから、次式が成り立つ。
極（12）の場合について説明する。燃料電極（12）では
添字１を水素、添字２を水蒸気とする。発電時において
は、等モルの水素と水蒸気が逆方向に拡散しているはず
であるから、次式が成り立つ。
J2＝−J1 J1の値はSOFCの重要な動作パラメータの１つである電
流密度ｉから与えられる。つまり、 J1＝i/2F となり、ここでＦはファラデー定数である。
流密度ｉから与えられる。つまり、 J1＝i/2F となり、ここでＦはファラデー定数である。
次に酸素電極（13）の場合について説明する。酸素電
極（13）では、添字１を酸素、添字２と窒素とする。発
電時には電流密度に応じた酸素がガス流れ中から電解質
界面（66）へ多孔材料（65）中の拡散している。しかし
窒素は反応に関与しないため、この正味モル流束は０で
ある。
極（13）では、添字１を酸素、添字２と窒素とする。発
電時には電流密度に応じた酸素がガス流れ中から電解質
界面（66）へ多孔材料（65）中の拡散している。しかし
窒素は反応に関与しないため、この正味モル流束は０で
ある。
J2＝０ となり、J1は燃料電極（12）と同様に、 J1＝i/4F で与えられる。
次に計算結果の一例について述べる。第３図はアルミ
ナ（Al2O3,図中実線）及びカルシア安定化ジルコニア
（CSZ,図中点線）の２種の多孔基体管をSOFCに用いた場
合の電解質界面（66）における圧力を示したものであ
る。横軸は電流密度（A/cm2）、縦軸は電解質界面にお
ける圧力（atm）である。この多孔基体管の特性につい
て表に示す。温度は1000℃とし、種々のガスの物性値も
所定の物性定数推算の主峰により求める。
ナ（Al2O3,図中実線）及びカルシア安定化ジルコニア
（CSZ,図中点線）の２種の多孔基体管をSOFCに用いた場
合の電解質界面（66）における圧力を示したものであ
る。横軸は電流密度（A/cm2）、縦軸は電解質界面にお
ける圧力（atm）である。この多孔基体管の特性につい
て表に示す。温度は1000℃とし、種々のガスの物性値も
所定の物性定数推算の主峰により求める。
第２図中、Case1は多孔管が燃料電極（12）側にある
場合（第９図（ロ）に相当）,Case2は多孔管が酸素電極
（13）側にある場合（第１図及び第９図（ハ）に相当）
を示している。計算条件はガス流れ中の圧力を１気圧と
し、ガス流れ中のモル分率を、Case1の場合にはxH2＝0.
425（xH2O＝0.575）,Case2の場合にはxO2＝0.21（xN2＝
0.79）とした。電流密度の増加と共に電解質界面（66）
での圧力がガス流れ中の圧力（＝１）からずれていく様
子が判る。これより、例えばAl2O3管を基体管として燃
料電極（12）側に備えた様なSOFCにおいて、電流密度を
0.5A/cm2とした場合には燃料電極（12）側の電解質界面
（66）では燃料ガス流路中より圧力が約0.03atmも高く
なる。同様な計算を酸素電極（13）側についても行な
い、酸素電極（13）側での電解質界面（66）でどの程度
酸化剤ガス流路中より圧力が下がるかを計算する。これ
らの値を基にして、２つの供給ガスの流路中の圧力をい
かに設定すれば電解質（11）の両界面における圧力差を
実質的に０にすることができるかを知る。
場合（第９図（ロ）に相当）,Case2は多孔管が酸素電極
（13）側にある場合（第１図及び第９図（ハ）に相当）
を示している。計算条件はガス流れ中の圧力を１気圧と
し、ガス流れ中のモル分率を、Case1の場合にはxH2＝0.
425（xH2O＝0.575）,Case2の場合にはxO2＝0.21（xN2＝
0.79）とした。電流密度の増加と共に電解質界面（66）
での圧力がガス流れ中の圧力（＝１）からずれていく様
子が判る。これより、例えばAl2O3管を基体管として燃
料電極（12）側に備えた様なSOFCにおいて、電流密度を
0.5A/cm2とした場合には燃料電極（12）側の電解質界面
（66）では燃料ガス流路中より圧力が約0.03atmも高く
なる。同様な計算を酸素電極（13）側についても行な
い、酸素電極（13）側での電解質界面（66）でどの程度
酸化剤ガス流路中より圧力が下がるかを計算する。これ
らの値を基にして、２つの供給ガスの流路中の圧力をい
かに設定すれば電解質（11）の両界面における圧力差を
実質的に０にすることができるかを知る。
上記の計算を予め行ない、電流密度に対するガス流路
の圧力をメモリ（64）に格納しておく。発電時にコント
ローラ（63）は電流計（62）で検出した電流密度を入力
し、これに対応する圧力値をメモリ（64）から知り、圧
力調整弁（60），（61）を制御し、ガス流路中の圧力を
所定の圧力になるように制御している。これにより、燃
料ガス流路及び酸化剤ガス流路内のガス圧力を所定の圧
力に保持でき、電解質の燃料電極側及び酸化剤電極側の
両側界面におけるガスの全圧を等しくすることができ
る。従って、電解質（11）が完全に緻密でない場合にも
電解質（11）を通るガスの漏れを最小限度に抑えること
ができ、ガスの混合による燃焼を低減でき、信頼性が向
上できるとともに、効率の低下を防止できる。
の圧力をメモリ（64）に格納しておく。発電時にコント
ローラ（63）は電流計（62）で検出した電流密度を入力
し、これに対応する圧力値をメモリ（64）から知り、圧
力調整弁（60），（61）を制御し、ガス流路中の圧力を
所定の圧力になるように制御している。これにより、燃
料ガス流路及び酸化剤ガス流路内のガス圧力を所定の圧
力に保持でき、電解質の燃料電極側及び酸化剤電極側の
両側界面におけるガスの全圧を等しくすることができ
る。従って、電解質（11）が完全に緻密でない場合にも
電解質（11）を通るガスの漏れを最小限度に抑えること
ができ、ガスの混合による燃焼を低減でき、信頼性が向
上できるとともに、効率の低下を防止できる。
なお、上記実施例では燃料ガス及び酸化剤ガス供給流
路の両方に圧力調整弁を設けたが、一方の圧力を一定に
保ち、他方の流路にのみ圧力調整弁を備えてもよい。
又、上記実施例では予め計算された設定圧力に両ガス流
路を保つように構成しているが、負荷変動に応じて両ガ
ス流路の圧力を動的に制御するようにしてもよい。
路の両方に圧力調整弁を設けたが、一方の圧力を一定に
保ち、他方の流路にのみ圧力調整弁を備えてもよい。
又、上記実施例では予め計算された設定圧力に両ガス流
路を保つように構成しているが、負荷変動に応じて両ガ
ス流路の圧力を動的に制御するようにしてもよい。
［発明の効果］ 以上のようにこの発明によれば、電解質部を介在して
燃料電極部と酸素電極部を備え、燃料電極部に燃料ガス
を供給し、酸素電極部に酸化剤ガスを供給して電気化学
反応を起こす固体電解質燃料電池において、出力電流密
度を検出する出力電流密度検出手段、この出力電流密度
検出手段により検出された電流密度に基いて電解質部の
燃料電極部側と酸素電極部側の両界面におけるガスの全
圧を等しくする予め求められた電流密度とガス流路の圧
力データから上記燃料ガスと酸化剤ガスの圧力を決定す
る圧力決定手段、及びこの圧力決定手段に従って燃料ガ
スと酸化剤ガスの一方あるいは両方の圧力を調整するガ
ス圧力調整手段を備えたことにより、電解質部が完全に
緻密でない場合にも電解質部を通るガスの漏れを最小限
度に抑えることができ、ガスの混合による燃焼が少なく
なり、信頼性が向上できるとともに、効率の低下を防止
できる固体電解質燃料電池が得られる効果がある。
燃料電極部と酸素電極部を備え、燃料電極部に燃料ガス
を供給し、酸素電極部に酸化剤ガスを供給して電気化学
反応を起こす固体電解質燃料電池において、出力電流密
度を検出する出力電流密度検出手段、この出力電流密度
検出手段により検出された電流密度に基いて電解質部の
燃料電極部側と酸素電極部側の両界面におけるガスの全
圧を等しくする予め求められた電流密度とガス流路の圧
力データから上記燃料ガスと酸化剤ガスの圧力を決定す
る圧力決定手段、及びこの圧力決定手段に従って燃料ガ
スと酸化剤ガスの一方あるいは両方の圧力を調整するガ
ス圧力調整手段を備えたことにより、電解質部が完全に
緻密でない場合にも電解質部を通るガスの漏れを最小限
度に抑えることができ、ガスの混合による燃焼が少なく
なり、信頼性が向上できるとともに、効率の低下を防止
できる固体電解質燃料電池が得られる効果がある。
【図面の簡単な説明】 第１図はこの発明の一実施例による固体電解質燃料電池
を示す構成図、第２図はこの発明の一実施例に係る圧力
決定手段における設定圧力計算を説明するための説明
図、第３図はこの発明の一実施例に係る計算結果を、電
流密度と電解質界面における圧力の関係として示すグラ
フ、第４図は固体電解質燃料電池の動作原理を示す説明
図、第５図及び第６図は従来の円筒型横縞型固体電解質
燃料電池を示す斜視図及び断面図、第７図及び第８図は
従来の円筒型横縞型固体電解質燃料電池を示す斜視図及
び側面図、第９図は固体電解質燃料電池をタイプ別に示
す断面図である。 （11）……固体電解質、（12）……燃料電極、（13）…
…酸素電極、（60），（61）……圧力調整弁、（62）…
…電流計、（63）……コントローラ。 なお、同一符号は同一、又は相当部分を示す。
を示す構成図、第２図はこの発明の一実施例に係る圧力
決定手段における設定圧力計算を説明するための説明
図、第３図はこの発明の一実施例に係る計算結果を、電
流密度と電解質界面における圧力の関係として示すグラ
フ、第４図は固体電解質燃料電池の動作原理を示す説明
図、第５図及び第６図は従来の円筒型横縞型固体電解質
燃料電池を示す斜視図及び断面図、第７図及び第８図は
従来の円筒型横縞型固体電解質燃料電池を示す斜視図及
び側面図、第９図は固体電解質燃料電池をタイプ別に示
す断面図である。 （11）……固体電解質、（12）……燃料電極、（13）…
…酸素電極、（60），（61）……圧力調整弁、（62）…
…電流計、（63）……コントローラ。 なお、同一符号は同一、又は相当部分を示す。
Claims (1)
- 【請求項１】電解質部を介在して燃料電極部と酸素電極
部を備え、上記燃料電極部に燃料ガスを供給し、上記酸
素電極部に酸化剤ガスを供給して電気化学反応を起こす
固体電解質燃料電池において、出力電流密度を検出する
出力電流密度検出手段、この出力電流密度検出手段によ
り検出された電流密度に基いて、上記電解質部の燃料電
極部側と酸素電極部側の両界面におけるガスの全圧を等
しくする予め求められた電流密度とガス流路の圧力デー
タから上記燃料ガスと上記酸化剤ガスの圧力を決定する
圧力決定手段、及びこの圧力決定手段に従って上記燃料
ガスと上記酸化剤ガスの一方あるいは両方の圧力を調製
するガス圧力調製手段を備えたことを特徴とする固体電
解質燃料電池。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2063052A JP2770541B2 (ja) | 1990-03-13 | 1990-03-13 | 固体電解質燃料電池 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2063052A JP2770541B2 (ja) | 1990-03-13 | 1990-03-13 | 固体電解質燃料電池 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH03263763A JPH03263763A (ja) | 1991-11-25 |
| JP2770541B2 true JP2770541B2 (ja) | 1998-07-02 |
Family
ID=13218178
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2063052A Expired - Lifetime JP2770541B2 (ja) | 1990-03-13 | 1990-03-13 | 固体電解質燃料電池 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2770541B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101405778B1 (ko) * | 2012-05-07 | 2014-06-10 | 현대자동차주식회사 | 연료전지 시스템 운전 방법 |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6475651B1 (en) | 2000-07-31 | 2002-11-05 | Ballard Power Systems Inc. | Method and apparatus for detecting transfer leaks in fuel cells |
| US7655331B2 (en) * | 2003-12-01 | 2010-02-02 | Societe Bic | Fuel cell supply including information storage device and control system |
-
1990
- 1990-03-13 JP JP2063052A patent/JP2770541B2/ja not_active Expired - Lifetime
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101405778B1 (ko) * | 2012-05-07 | 2014-06-10 | 현대자동차주식회사 | 연료전지 시스템 운전 방법 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH03263763A (ja) | 1991-11-25 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP6616054B1 (ja) | 燃料電池システム及び複合発電システム並びに燃料電池システムの制御方法 | |
| US5213910A (en) | Solid electrolyte type fuel cell having gas from gas supply ducts impinging perpendicularly on electrodes | |
| US7157169B2 (en) | Fuel cell | |
| JP2003243000A (ja) | 固体酸化物形燃料電池システムおよびその制御方法 | |
| JP6993489B1 (ja) | 燃料電池発電システム | |
| KR20220034198A (ko) | 연료 전지 시스템 및 그 제어 방법 | |
| JP4934950B2 (ja) | 燃料電池発電装置および運転制御方法 | |
| JP4736309B2 (ja) | 固体電解質型燃料電池の運転開始時の予熱方法 | |
| JP2004335163A (ja) | 固体酸化物形燃料電池およびその運転方法 | |
| JP5122083B2 (ja) | 燃料電池発電装置及び制御プログラム並びに燃料電池発電装置の制御方法 | |
| JP6749799B2 (ja) | 燃料電池の制御装置及び制御方法並びに発電システム | |
| JP4300947B2 (ja) | 固体酸化物形燃料電池 | |
| JP2770541B2 (ja) | 固体電解質燃料電池 | |
| JP6993488B1 (ja) | 燃料電池発電システム、及び、燃料電池発電システムの制御方法 | |
| JP2009245693A (ja) | 燃料電池発電装置及び停止時の制御方法並びに制御プログラム | |
| JP2017117550A (ja) | 燃料電池カートリッジ及び燃料電池モジュール並びに燃料電池カートリッジの制御装置及び制御方法 | |
| TWI804207B (zh) | 燃料電池之燃料氣體供給裝置 | |
| JP4418196B2 (ja) | 燃料電池モジュール | |
| JP4678115B2 (ja) | 固体電解質型燃料電池の運転方法及び運転システム | |
| US20230395830A1 (en) | Fuel cell power generation system and control method for fuel cell power generation system | |
| JP7612918B1 (ja) | 電解セルカートリッジおよびその製造方法 | |
| JPH04292866A (ja) | 発電装置 | |
| JP2009245691A (ja) | 燃料電池発電装置及びセル割れ検出方法並びにセル割れ検出プログラム | |
| JP2009245692A (ja) | 燃料電池発電装置及び酸化剤ガスの流路異常検出方法並びに流路異常検出プログラム | |
| JP7057731B2 (ja) | 燃料電池および燃料電池の製造方法 |