(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応容器内に燃焼室仕切板を用いて燃焼室と反応室を形成し、複数の有底筒状の固体電解質型燃料電池セルを、前記燃焼室仕切板に形成された複数のセル挿入孔に、開口部が前記燃焼室仕切板から前記燃焼室側に突出するようにそれぞれ挿入し固定するとともに、前記固体電解質型燃料電池セル内に空気導入管をそれぞれ挿入してなり、空気を前記空気導入管により前記固体電解質型燃料電池セル内にそれぞれ供給し、かつ、燃料ガスを前記反応室内の前記固体電解質型燃料電池セル間に供給して反応させる固体電解質型燃料電池であって、前記空気導入管の外径が、前記固体電解質型燃料電池セルの内径の８０％以上であることを特徴とする固体電解質型燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体電解質型燃料電池に関し、特に、燃焼室仕切板を用いて燃焼室および反応室を形成した固体電解質型燃料電池に関する。
【０００２】
【従来技術】
従来の固体電解質型燃料電池は、図６に示すように、反応容器５１内に、空気室仕切板５３、燃焼室仕切板５５、燃料ガス室仕切板５７を用いて空気室Ａ、燃焼室Ｂ、反応室Ｃ、燃料ガス室Ｄが形成されている。
【０００３】
反応容器５１内に収容された複数の有底筒状の固体電解質型燃料電池セル５９は燃焼室仕切板５５に形成された複数のセル挿入孔６０にそれぞれ挿入固定され、その開口部６１は燃焼室仕切板５５から燃焼室Ｂ内に突出しており、その内部には空気室仕切板５３に固定された空気導入管６３の一端が挿入されている。
【０００４】
燃焼室仕切板５５には、余剰の燃料ガスを燃焼室Ｂに導入するための余剰燃料ガス噴出孔６４が形成されており、燃料ガス室仕切板５７には、燃料ガスを反応室Ｃ内に供給するための供給孔が形成されている。
【０００５】
また、反応容器５１には、例えば水素からなる燃料ガスを導入する燃料ガス導入口６５、空気を導入する空気導入口６７、燃焼室Ｂ内で燃焼したガスを排出するための排気口６９が形成されている。
【０００６】
固体電解質型燃料電池セル５９は、円筒状のポーラスな空気極の表面に固体電解質層が形成され、この固体電解質層の表面に燃料極層が形成され、さらに、集電体層が空気極層と固体電解質層に接合されて構成されている。
【０００７】
このような固体電解質型燃料電池は、空気室Ａからの空気を、空気導入管６３を介して固体電解質型燃料電池セル５９内にそれぞれ供給し、かつ、燃料ガス室Ｄからの燃料ガスを複数の固体電解質型燃料電池セル５９間に供給し、反応室Ｃにて反応させ、余剰の空気と余剰の燃料ガスを燃焼室Ｂにて燃焼させ、燃焼したガスが排気口６９から外部に排出される。
【０００８】
反応室Ｃ内の反応は、固体電解質型燃料電池セル５９内に供給された空気がポーラスな空気極層を固体電解質層に向けて拡散し、また燃料ガスが固体電解質型燃料電池セル５９の外側から固体電解質層に向けて拡散し、この固体電解質にて生じる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の固体電解質型燃料電池は、固体電解質型燃料電池セル５９内に挿入される空気導入管６３の外径が、前記セル５９の内径の５０％〜６０％と小さかったため、空気が空気極層内を充分に拡散せず、空気極層と固体電解質層の界面に空気を効率よく供給できず、空気の多くが空気導入管６３とセル５９の間の空間を、発電反応に寄与することなく素通りしていた。
【００１０】
このため、発電反応に必要とされる空気中の酸素の供給が、空気極層と固体電解質層の間の発電反応界面で不足し、これにより分極抵抗が増大し、発電性能を著しく劣化する虞があった。
【００１１】
本発明は、空気極層と固体電解質層の界面に空気を効率よく供給できる固体電解質型燃料電池を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記の課題に検討を加えた結果、固体電解質型燃料電池セル内に空気を供給する空気導入管とセルの間の、空気の流れ抵抗の小さい、即ち空気が反応に寄与せずに素通りする空間を小さくすることにより、空気が空気極層内に効率よく拡散され、空気極層と固体電解質層の間の反応界面に酸素を充分に供給できることを見い出し、本発明に至ったのである。
【００１３】
即ち、本発明の固体電解質型燃料電池は、反応容器内に燃焼室仕切板を用いて燃焼室と反応室を形成し、複数の有底筒状の固体電解質型燃料電池セルを、前記燃焼室仕切板に形成された複数のセル挿入孔に、開口部が前記燃焼室仕切板から前記燃焼室側に突出するようにそれぞれ挿入し固定するとともに、前記固体電解質型燃料電池セル内に空気導入管をそれぞれ挿入してなり、空気を前記空気導入管により前記固体電解質型燃料電池セル内にそれぞれ供給し、かつ、燃料ガスを前記反応室内の前記固体電解質型燃料電池セル間に供給して反応させる固体電解質型燃料電池であって、前記空気導入管の外径が、前記固体電解質型燃料電池セルの内径の８０％以上のものである。
【００１４】
ここで、空気導入管の肉厚は１ｍｍ以下であることが望ましい。
【００１５】
【作用】
本発明の固体電解質型燃料電池では、空気導入管の外径が、固体電解質型燃料電池セルの内径の８０％以上としたので、空気を供給する空気導入管と固体電解質型燃料電池セルの間の、空気の流れ抵抗を大きくでき、即ち空気が反応に寄与せずに素通りする空間を小さくでき、比較的抵抗の大きい多孔質な空気極層内にも効率よく空気が拡散し、固体電解質層と空気極層の間の発電反応界面に充分な酸素を供給でき、酸素の供給律速に起因する濃度過電圧、即ち分極抵抗が低減され、効率的な発電ができ、発電性能を向上することができる。
【００１６】
また、空気導入管の肉厚を１ｍｍ以下とすることにより、効率的な熱伝達ができるとともに、空気導入管の内径が大きくなるため管内の流速が小さくなり、管内を流れる空気の予熱が充分にできるようになる。このため、更に発電性能を向上することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明の固体電解質型燃料電池は、図１に示すように、反応容器１内に、空気室仕切板３、燃焼室仕切板５、燃料ガス室仕切板７を用いて空気室Ａ、燃焼室Ｂ、反応室Ｃ、燃料ガス室Ｄが形成されている。
【００１８】
反応容器１内に収容された複数の有底筒状の固体電解質型燃料電池セル９は、燃焼室仕切板５に形成された複数のセル挿入孔６にそれぞれ挿入固定され、その開口部１０は燃焼室仕切板５から燃焼室Ｂ内に突出しており、その内部には、空気室仕切板３に挿入固定された空気導入管１１の一端が挿入されている。
【００１９】
燃焼室仕切板５には、図２に示すように、余剰の燃料ガスを燃焼室Ｂに導入するための多数の余剰燃料ガス噴出孔１２が形成されており、図１に示したように、燃料ガス室仕切板７には、燃料ガスを反応室Ｃ内に供給するための多数の供給孔１４が形成されている。
【００２０】
また、反応容器１には、例えば水素からなる燃料ガスを導入する燃料ガス導入口１３、空気を導入する空気導入口１７、燃焼室Ｂ内で燃焼したガスを排出するための排気口１９が形成されている。
【００２１】
セル９は、図３に示すように、例えば、支持管としてのＬａＭｎＯ３  系空気極層２５と、この空気極層２５の表面に形成されたＹ２  Ｏ３  安定化ＺｒＯ２  からなる固体電解質層２６と、固体電解質層２６の表面に形成されたＮｉ−ジルコニア系の燃料極層２７と、空気極層２５と電気的に接続されるＬａＣｒＯ３  系よりなるインターコネクタ２８とから構成されている。
【００２２】
そして、図４に示すように、一方のセル９のインターコネクタ２８を、他方のセル９の燃料極層２７にＮｉ金属繊維等の接続部材３１を介して、他方のセル９の燃料極層２７に接続して、複数のセル９が電気的に接続され、スタック３３が構成されており、このようなスタック３３が、図１に示したように、反応容器１内に収容されて固体電解質型燃料電池が構成されている。反応容器１内には、一つのセル９のインターコネクタ２８に接続された電極３５と、他方のセル９の燃料極層２７に接続された電極３７が配置されており、これらの電極３５、３７を介して電力が取り出される。
【００２３】
このような固体電解質型燃料電池は、空気を空気導入口１７から空気導入管１１を介してセル９内に導入するとともに、燃料ガス導入口１３から水素を導入し、燃料ガス室仕切板７の分散孔で分散してセル９の外部に導入することにより行われ、余剰の空気と燃料ガスは燃焼室Ｂ内で燃焼させられ、排気口１９から外部に排出される。
【００２４】
図５に固体電解質型燃料電池セル一本のガスの流れを示す。水素ガス（燃料ガス）はセル下方から導入され、発電により酸化されながら上方へと進む。一方空気（酸化ガス）は空気導入管１１を介してセル上方よりセル内部下方へ導入される。そしてセル内部下方より上部へと流れる。セル上部より排出された空気は発電で消費されなかった水素ガスと反応し、燃焼室Ｂ内で燃焼する。
【００２５】
そして、本発明の固体電解質型燃料電池では、図２（ｃ）に示すように、空気導入管１１の外径Ｒ１  がセル９の内径Ｒ２  の８０％以上とされている。ここで、空気導入管１１の肉厚ｔは１ｍｍ以下であることが、空気導入管１１内を流れる空気の予熱を充分にするという点から望ましい。
【００２６】
以上のように構成された固体電解質型燃料電池では、空気導入管１１の外径Ｒ１  を、セル９の内径Ｒ２  の８０％以上としたので、空気を供給する空気導入管１１とセル９の間の空気の流れ抵抗を大きくでき、即ち空気が反応に寄与せずに素通りする空間を小さくでき、比較的抵抗の大きい多孔質な空気極層２５内にも効率よく空気が拡散し、固体電解質層２６と空気極層２５の間の発電反応界面に充分な酸素を供給でき、酸素の供給律速に起因する濃度過電圧、即ち分極抵抗が低減され、効率的な発電ができ、発電性能を向上することができる。
【００２７】
また、空気導入管１１の肉厚ｔを１ｍｍ以下とすることにより、効率的な熱伝達ができるとともに、空気導入管１１の内径が大きくなるため、管内の流速が小さくなり、管内を流れる空気の予熱を充分にでき、このような予熱された空気をセル９内に導入でき、このため、さらに発電性能を向上することができる。
【００２８】
【実施例】
空気極材料として純度９９．９％で平均粒径が５μｍのＬａ０．９  Ｓｒ０．１  ＭｎＯ３  を、固体電解質材料として純度が９９．９％の平均粒径が０．７μｍの１０モル％Ｙ２  Ｏ３  を含有したＺｒＯ２  を、インターコネクタ材料として純度９９．９％、平均粒径が１μｍのＬａ０．８  Ｃａ０．２２ＣｒＯ３  粉末を、燃料極材料として８０重量％ＮｉまたはＲｕを含有するＺｒＯ２  をそれぞれ準備した。
【００２９】
Ｌａ０．９  Ｓｒ０．１  ＭｎＯ３  粉末を押し出し成形にて、焼結後、外径が１８ｍｍ、厚みが２．３ｍｍ、長さが３００ｍｍになるような中空円筒状の空気極成形体を作製した。この後、１０モル％Ｙ２  Ｏ３  を含有したＺｒＯ２  粉末と、Ｌａ０．８  Ｃａ０．２２ＣｒＯ３  粉末を用いてドクターブレード法にて厚み１５０μｍの固体電解質シートおよびインターコネクタシートを作製した後、それぞれのシートを上記の空気極成形体に巻き付け、１５００℃で３時間焼成した。
【００３０】
さらに、固体電解質層の表面に８０重量％ＮｉＯまたはＲｕを含有するＺｒＯ２  粉末からなるスラリーを塗布し、１４００℃で２時間焼き付けを行い、図３に示したような固体電解質型燃料電池セルを作製した。固体電解質層の厚みは１００μｍであった。
【００３１】
１６本の円筒状固体電解質型燃料電池セルを４直４並列に接続してスタックを形成し、このスタックを図１に示すような反応容器内に配置した。尚、燃焼室仕切板からのセルの突出高さは１５ｍｍであった。そして、空気導入管の外径をセルの内径の８０％、９０％とした本発明の固体電解質型燃料電池と、６０％とした従来の固体電解質型燃料電池を作製した。ここで、空気導入管の肉厚は全て１ｍｍとした。
【００３２】
そして、空気極内部に４０ＳＬＭの空気を、燃料極側に６．３ＳＬＭの水素ガスを流して、発電炉の温度設定を１０００℃として発電した。この発電試験において、出力密度を測定したところ、従来の固体電解質型燃料電池では、０．１Ｗ／ｃｍ２  であり、本発明の固体電解質型燃料電池では、空気導入管の外径とセルの内径比が８０％のもので０．１３Ｗ／ｃｍ２  、前記比が９０％のもので０．１４Ｗ／ｃｍ２  であった。このことから、分極抵抗が効果的に低減できたことが判る。
【００３３】
【発明の効果】
本発明の固体電解質型燃料電池では、空気を供給する空気導入管と固体電解質型燃料電池セルの間の、空気の流れ抵抗を大きくでき、即ち空気が反応に寄与せずに素通りする空間を小さくでき、比較的抵抗の大きい多孔質な空気極層内にも効率よく空気が拡散し、固体電解質層と空気極層の間の発電反応界面に充分な酸素を供給でき、酸素の供給律速に起因する濃度過電圧、即ち分極抵抗が低減され、効率的な発電ができ、発電性能を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の固体電解質型燃料電池の模式図である。
【図２】燃焼室仕切板およびその近傍を示すもので、（ａ）は側面図、（ｂ）は平面図、（ｃ）はセルと空気導入管との関係を示す平面図である。
【図３】固体電解質型燃料電池セルの断面図である。
【図４】スタックを示す平面図である。
【図５】固体電解質型燃料電池セルのガスの流れを説明するための説明図である。
【図６】従来の固体電解質型燃料電池の模式図である。
【符号の説明】
１・・・反応容器
５・・・燃焼室仕切板
６・・・セル挿入孔
９・・・固体電解質型燃料電池セル
１０・・・開口部
１１・・・空気導入管
Ｂ・・・燃焼室
Ｃ・・・反応室
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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