JP5139850B2 - Solid oxide fuel cell - Google Patents

Solid oxide fuel cell Download PDF

Info

Publication number
JP5139850B2
JP5139850B2 JP2008066388A JP2008066388A JP5139850B2 JP 5139850 B2 JP5139850 B2 JP 5139850B2 JP 2008066388 A JP2008066388 A JP 2008066388A JP 2008066388 A JP2008066388 A JP 2008066388A JP 5139850 B2 JP5139850 B2 JP 5139850B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
solid oxide
fuel cell
oxide fuel
cell
thermal conductivity
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 - Fee Related
Application number
JP2008066388A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2009224143A (en
Inventor
和雄 高橋
章 軍司
博見 床井
高橋　　心
明彦 野家
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
Priority date (The priority date 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 date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hitachi Ltd filed Critical Hitachi Ltd
Priority to JP2008066388A priority Critical patent/JP5139850B2/en
Publication of JP2009224143A publication Critical patent/JP2009224143A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP5139850B2 publication Critical patent/JP5139850B2/en
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • 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

Description

本発明は、固体酸化物形燃料電池に関する。   The present invention relates to a solid oxide fuel cell.

燃料電池は、電解質の一方の面にアノード（燃料極）、もう一方の面にカソード（酸化剤極）を備えたセルを基本構造として、アノード面には燃料ガスを、カソード面には酸化剤ガス（主として空気）を供給し、電解質を介して燃料と酸化剤とを電気化学的に反応させて発電する装置である。   A fuel cell has a basic structure of a cell having an anode (fuel electrode) on one side of an electrolyte and a cathode (oxidant electrode) on the other side, with fuel gas on the anode side and oxidant on the cathode side. This is a device that supplies gas (mainly air) and generates electricity by electrochemically reacting fuel and oxidant via an electrolyte.

この燃料電池には電解質の種類などによっていくつかの種類があるが、中でも、固体酸化物形燃料電池（以下、ＳＯＦＣと称する場合もある）は最も効率が高い燃料電池として期待されている。固体酸化物形燃料電池は、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等の固体酸化物を電解質とし、６００〜１０００℃程度の温度で運転される。運転温度が高いことから、電池内で燃料の改質反応が可能である。また、種々の炭化水素系ガスを燃料として使えることから、大掛かりな燃料改質装置が不要となり、電池システムがシンプルとなる。さらに、高温の燃焼ガスを排出することから、排熱を上手に利用して熱および電気の併用システムであるコジェネレーションシステムの構築や、他の発電設備とコンバインド・サイクル発電を形成しやすいなどの特徴がある。   There are several types of fuel cells depending on the type of electrolyte. Among them, solid oxide fuel cells (hereinafter sometimes referred to as SOFC) are expected to be the most efficient fuel cells. A solid oxide fuel cell is operated at a temperature of about 600 to 1000 ° C. using a solid oxide such as yttria-stabilized zirconia having oxygen ion conductivity as an electrolyte. Since the operating temperature is high, a fuel reforming reaction is possible in the battery. In addition, since various hydrocarbon gases can be used as fuel, a large-scale fuel reformer is not required, and the battery system is simplified. Furthermore, because high-temperature combustion gas is discharged, it is easy to construct a cogeneration system that combines heat and electricity by making good use of exhaust heat, and to form combined cycle power generation with other power generation facilities. There are features.

一方で、固体酸化物形燃料電池は、運転温度が高いことから、発電部で温度むらが生じやすく、発電特性に影響するという問題点があった。   On the other hand, since the solid oxide fuel cell has a high operating temperature, there is a problem in that temperature unevenness is likely to occur in the power generation unit, which affects power generation characteristics.

これらの問題を解決する手段として、例えば、特許文献１には、円筒セルの軸方向温度分布を均一化するために、高温となる円筒セル中央部を改質触媒で吸熱し、それ以外の低温部に燃焼触媒を配置して加熱することが提案されている。   As means for solving these problems, for example, in Patent Document 1, in order to make the axial temperature distribution of the cylindrical cell uniform, the central portion of the cylindrical cell that becomes high temperature is absorbed by the reforming catalyst, and other low temperature is set. It has been proposed that a combustion catalyst is disposed in the part and heated.

また、特許文献２には、円筒セルの内部を燃料極とするＳＯＦＣにおいて、セル内部に挿入した導電性チューブとの間に燃料ガスの改質反応を促進する触媒材料を備え、その触媒材料の厚みが燃料吹き出し口に近接するほど厚くする方法が開示されている。   Further, Patent Document 2 includes a catalyst material that promotes a reforming reaction of fuel gas between an SOFC having a cylindrical cell as a fuel electrode and a conductive tube inserted into the cell. A method is disclosed in which the thickness is increased as the thickness is closer to the fuel outlet.

また、特許文献３には、吹き出し口に近づくほど触媒材の密度を減少する方法が開示されている。   Patent Document 3 discloses a method of reducing the density of the catalyst material as it approaches the outlet.

さらに、特許文献４には、固体酸化物形燃料電池セルの長尺方向に生じる温度差を小さくして、燃料電池セルの破損が生じにくくすることを目的として、電気絶縁性を有する仕切り部材の両側に固体酸化物形燃料電池を備え、仕切り部材の両側のセル同士が集電板によって電気的に接続されている構造の固体酸化物形燃料電池において、仕切り部材が、電気絶縁性を有する電気絶縁部材と、その電気絶縁部材よりも熱伝導率が大きい熱伝導部材とを具備し、熱伝導部材を固体酸化物形燃料電池セルと電気的に絶縁して配置されている固体酸化物形燃料電池が開示されている。また、特許文献４の実施例には、熱伝導部材にニッケル板あるいはニッケルフェルトを用いることが望ましい、と記載されている。   Furthermore, Patent Document 4 discloses a partition member having an electrical insulating property for the purpose of reducing the temperature difference generated in the longitudinal direction of the solid oxide fuel cell and making the fuel cell less susceptible to damage. In a solid oxide fuel cell having a structure in which a solid oxide fuel cell is provided on both sides, and cells on both sides of the partition member are electrically connected by current collector plates, the partition member has electric insulation. A solid oxide fuel comprising an insulating member and a heat conducting member having a thermal conductivity higher than that of the electric insulating member, wherein the heat conducting member is electrically insulated from the solid oxide fuel cell. A battery is disclosed. Moreover, it is described in the Example of patent document 4 that it is desirable to use a nickel plate or a nickel felt for a heat conductive member.

特開２００６−５９６１４号公報JP 2006-59614 A 特開２０００−１８２６２７号公報JP 2000-182627 A 特開２００１−１９６０８４号公報JP 2001-196084 A 特開２００７−１５７４２４号公報JP 2007-157424 A

本発明は、セルの外表面がアノードとなる燃料電池において、各セルの温度分布を均一化し、モジュールを構成するセルとセルとの間の温度差を小さくするとともに、長期信頼性（耐久性）を確保した固体酸化物形燃料電池を提供することを目的とする。   In the fuel cell in which the outer surface of the cell is an anode, the present invention makes the temperature distribution of each cell uniform, reduces the temperature difference between cells constituting the module, and provides long-term reliability (durability). An object of the present invention is to provide a solid oxide fuel cell that ensures the above.

本発明の固体酸化物形燃料電池は、固体電解質を挟んでアノードとカソードとを有するセルの集合体であるモジュールを備えた固体酸化物形燃料電池であって、該モジュールの内部に設けた発電室の内部の還元雰囲気となる該アノードの側方に金属製の高熱伝導性部材で形成された均熱板を具備し、該均熱板が、該高熱伝導性部材の表面を低蒸気圧材料で覆った構造を有することを特徴とする。   A solid oxide fuel cell according to the present invention is a solid oxide fuel cell including a module that is an assembly of cells each having an anode and a cathode with a solid electrolyte interposed therebetween, and the power generation provided in the module A heat equalizing plate formed of a metal high thermal conductivity member on the side of the anode serving as a reducing atmosphere inside the chamber, and the heat equalizing plate has a low vapor pressure material on the surface of the high thermal conductivity member It has the structure covered with.

本発明によれば、各セルの温度分布を均一化し、モジュールを構成するセルとセルとの間の温度差を小さくするとともに、発電効率を維持し、その均熱板の長期信頼性（耐久性）を確保し、固体酸化物形燃料電池の耐久性を向上させることができる。   According to the present invention, the temperature distribution of each cell is made uniform, the temperature difference between the cells constituting the module is reduced, the power generation efficiency is maintained, and the long-term reliability (durability) of the soaking plate is maintained. ) And the durability of the solid oxide fuel cell can be improved.

特許文献１〜３においては、セルの軸方向の温度分布を均一化して本来の発電特性を引き出すために、従来の触媒効果を利用する固体酸化物形燃料電池は、定常運転時の個々のセルに対する均熱化には有効であるが、供給ガスの流量が不安定となりやすい電池起動時や、複数のセルで構成されるモジュールでは、個々のセルに流れるガス量がセル間で差が生じ、各セルでの発熱量が異なるため、モジュール全体を見ると温度分布が生じ、セル自身の有する発電効率を発揮できないなどの避け難い問題がある。   In Patent Documents 1 to 3, a solid oxide fuel cell using a conventional catalytic effect is used for individual cells during steady operation in order to make the temperature distribution in the axial direction of the cells uniform and bring out the original power generation characteristics. It is effective for heat equalization, but at the time of starting the battery where the flow rate of the supply gas is likely to be unstable or in a module composed of multiple cells, the amount of gas flowing to each cell varies between cells, Since the amount of heat generated in each cell is different, there is a problem that is unavoidable such that temperature distribution occurs when the entire module is viewed, and the power generation efficiency of the cell itself cannot be exhibited.

また、特許文献４においては、熱伝導部材にニッケル板あるいはニッケルフェルトを用いることが記載されているが、ニッケルの熱伝導率は約９０Ｗ／（ｍ・Ｋ）であり、銅（熱伝導率：約３８６Ｗ／（ｍ・Ｋ））などに比べると低い。   In Patent Document 4, it is described that a nickel plate or nickel felt is used as the heat conducting member, but the heat conductivity of nickel is about 90 W / (m · K), and copper (heat conductivity: It is low compared to about 386 W / (m · K)).

本発明者らは、固体酸化物形燃料電池のセル、または複数のセルを直列もしくは並列に接続してブロック化されたもの（一般に、スタックまたはバンドルと呼ばれる、ここではバンドルと呼ぶ）で構成したモジュールの発電室内部に、熱伝導率の高い金属製の均熱板を適切に配設することにより、セル長手方向および各セル間の温度分布を均一化できるとの考えで、実際に熱伝導性の良好な銅板をセル間に配置して発電試験を実施した。その結果、モジュール内の温度分布を均一化できるが、セル表面のアノードとカソードとの電気絶縁が必要な部位に銅の付着が観察され、長期間使用すると銅の付着量が増大して絶縁抵抗が下がってしまう可能性のあることを見出したことに基づき、本発明を完成した。   The present inventors configured a solid oxide fuel cell or a block formed by connecting a plurality of cells in series or in parallel (generally called a stack or a bundle, here called a bundle). It is thought that the temperature distribution between the cells in the longitudinal direction of the cell and between the cells can be made uniform by appropriately arranging a metal heat equalizing plate with high thermal conductivity inside the power generation chamber of the module. A power generation test was conducted by placing a copper plate with good properties between the cells. As a result, the temperature distribution in the module can be made uniform, but copper adhesion is observed in the area where electrical insulation between the anode and cathode of the cell surface is required. When used for a long time, the amount of copper adhesion increases and the insulation resistance increases. The present invention has been completed on the basis of the finding that there is a possibility of lowering.

本発明は、直列に接続されたバンドルが並行配置された部分に均熱板を設置し、その均熱板の基材を、熱伝導性が高い金属である銅（Ｃｕ）または銅を主成分とする銅合金等で構成し、その基材の表面を蒸気圧の低いニッケル（Ｎｉ）等で覆ったことを特徴とする。ここで、均熱板の基材を高熱伝導性部材、その基材の表面を覆った材料を低蒸気圧材料と呼ぶことにする。   In the present invention, a soaking plate is installed in a portion where bundles connected in series are arranged in parallel, and the base material of the soaking plate is copper (Cu) or copper, which is a metal having high thermal conductivity, as a main component. The surface of the base material is covered with nickel (Ni) having a low vapor pressure or the like. Here, the base material of the soaking plate is referred to as a high thermal conductivity member, and the material covering the surface of the base material is referred to as a low vapor pressure material.

また、本発明は、本発明による固体酸化物形燃料電池において、以下のような改良や変更を加えることができる。
（１）低蒸気圧材料として、ニッケル以外に、コバルト（Ｃｏ）、タングステン（Ｗ）あるいはタンタル（Ｔａ）等を用いてもよい。
（２）均熱板の、バンドルや電気集電板と接するおそれのある部分に電気絶縁部材を設けてもよい。 Further, the present invention can add the following improvements and changes to the solid oxide fuel cell according to the present invention.
(1) In addition to nickel, cobalt (Co), tungsten (W), tantalum (Ta), or the like may be used as the low vapor pressure material.
(2) An electrical insulating member may be provided on a portion of the heat equalizing plate that may come into contact with the bundle or the current collector plate.

以下に、図を参照しながら、本発明に係る実施例を説明する。ただし、本発明はここで取り上げた実施例に限定されることはない。   Embodiments according to the present invention will be described below with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments taken up here.

本発明による固体酸化物形燃料電池は、円筒袋管状セルを用いている。ここでは、簡単のため、このセルのことを円筒セルと呼ぶことにする。   The solid oxide fuel cell according to the present invention uses a cylindrical bag tubular cell. Here, for simplicity, this cell is referred to as a cylindrical cell.

図１に円筒セルの構造模式図を示す。円筒セル４は、固体電解質１の外側にアノード２を有し、内側にカソード３を有している。燃料ガス１５は円筒セル４の外側を流れ、空気１６は空気導入管５により導入されて円筒セル４の内側を流れる。燃料ガス１５は、電池反応した後、排ガス１７として排出される。   FIG. 1 shows a structural schematic diagram of a cylindrical cell. The cylindrical cell 4 has an anode 2 on the outside of the solid electrolyte 1 and a cathode 3 on the inside. The fuel gas 15 flows outside the cylindrical cell 4, and the air 16 is introduced by the air introduction pipe 5 and flows inside the cylindrical cell 4. The fuel gas 15 is discharged as exhaust gas 17 after the battery reaction.

また、円筒セル４の長手方向に沿ってプラス極となるインターコネクタ１８が設けてあり、マイナス極のアノード２との間で電気を取り出すことができるようになっている。本発明は、この円筒セル４を複数本配置したモジュール内に均熱板を設置した構造とし、円筒セル４長手方向および各円筒セル４間に生じる温度差を低減するものである。
（固体酸化物形燃料電池の主要部分）
図２は、本発明による固体酸化物形燃料電池の主要部分の実施例を示す断面模式図である。また、図３は、図２のＡ−Ａ’断面図である。 Further, an interconnector 18 serving as a positive electrode is provided along the longitudinal direction of the cylindrical cell 4 so that electricity can be taken out from the negative electrode anode 2. In the present invention, a soaking plate is installed in a module in which a plurality of cylindrical cells 4 are arranged, and a temperature difference generated between the longitudinal direction of the cylindrical cell 4 and each cylindrical cell 4 is reduced.
(Main parts of solid oxide fuel cell)
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing an embodiment of the main part of the solid oxide fuel cell according to the present invention. 3 is a cross-sectional view taken along the line AA ′ of FIG.

本実施例では、固体電解質１として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（Ｎｉ）とＹＳＺとを主な構成要素とする多孔質のサーメットで作製した。カソード３はランタンマンガネイト（（Ｌａ、Ｓｒ）ＭｎＯ４）で作製し、インターコネクタ１８はランタンクロメイト（（Ｌａ、Ｃａ）ＣｒＯ４）で作製した。 In this example, yttrium stabilized zirconia (YSZ) was used as the solid electrolyte 1. The anode 2 was made of a porous cermet containing nickel (Ni) and YSZ as main components. The cathode 3 was made of lanthanum manganate ((La, Sr) MnO 4 ), and the interconnector 18 was made of lanthanum chromate ((La, Ca) CrO 4 ).

ここで、改質反応および電池反応について簡単に説明する。まず、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、炭化水素系燃料がメタンの場合について説明する。   Here, the reforming reaction and the battery reaction will be briefly described. First, a method for generating a reformed gas containing hydrogen by reforming a hydrocarbon fuel will be described in the case where the hydrocarbon fuel is methane.

改質触媒の表面において、主に反応式（１）に示すように、メタンと水蒸気とが反応（改質反応）して水素が生成する。なお、改質触媒としては、ニッケル系（Ｎｉ系）やルテニウム系（Ｒｕ系）などの触媒が一般的に用いられている。また、炭化水素系燃料としては、メタン以外にエタン、プロパンなどが利用可能である。
ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ＝ＣＯ＋３Ｈ２ （１）
同時に、反応式（１）により生成した一酸化炭素（ＣＯ）の一部は、下記の反応式（２）で示される水（Ｈ２Ｏ）との反応（ＣＯ転化反応）により、更に水素（Ｈ２）に変換される。
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ＝ＣＯ２＋Ｈ２ （２）
上述の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、外部から熱を供給する必要がある。一般的には、改質触媒を６００〜８００℃程度に維持する必要がある。なお、本発明においては、燃料改質器が外部改質器であるか内部改質器であるかを問わない。 On the surface of the reforming catalyst, as shown mainly in the reaction formula (1), methane reacts with water vapor (reforming reaction) to generate hydrogen. As the reforming catalyst, nickel-based (Ni-based) or ruthenium-based (Ru-based) catalysts are generally used. In addition to methane, ethane, propane, etc. can be used as the hydrocarbon fuel.
CH 4 + H 2 O = CO + 3H 2 (1)
At the same time, a part of carbon monoxide (CO) produced by the reaction formula (1) is further reacted with hydrogen (CO conversion reaction) with water (H 2 O) represented by the following reaction formula (2). H 2 ).
CO + H 2 O = CO 2 + H 2 (2)
The reaction for generating hydrogen from the hydrocarbon-based fuel described above is an endothermic reaction, and heat must be supplied from the outside in order to continue this reaction. Generally, it is necessary to maintain the reforming catalyst at about 600 to 800 ° C. In the present invention, it does not matter whether the fuel reformer is an external reformer or an internal reformer.

一方、電池反応（発電反応）は、燃料極であるアノードで生起し、下記の反応式（３）および（４）で表される発熱反応である。
Ｈ２＋１／２Ｏ２＝Ｈ２Ｏ （３）
ＣＯ＋１／２Ｏ２＝ＣＯ２ （４）
すなわち、各円筒セル４に対してＨ２およびＣＯが燃料ガスとして供給され、各円筒セル４の内部でＨ２ＯおよびＣＯ２が排ガスとして生成し、排出される。 On the other hand, the cell reaction (power generation reaction) is an exothermic reaction that occurs at the anode which is the fuel electrode and is represented by the following reaction formulas (3) and (4).
H 2 + 1 / 2O 2 = H 2 O (3)
CO + 1 / 2O 2 = CO 2 (4)
That is, H 2 and CO are supplied as fuel gas to each cylindrical cell 4, and H 2 O and CO 2 are generated as exhaust gas inside each cylindrical cell 4 and discharged.

本実施例の固体酸化物形燃料電池は、図２に示すように、モジュール容器１３内に、円筒セル４の底部に対する緩衝材としての機能と、燃料１５の整流器としての機能とを併せ持つ整流板９を設け、その上に円筒セル４を複数本設置し、円筒セル４と円筒セル４の間に熱伝導率の高い均熱板７を配置したものである。均熱板７と円筒セル４の電気的な短絡を防ぐため、均熱板７の上部および下部に電気絶縁部材８を取付けた。   As shown in FIG. 2, the solid oxide fuel cell of this embodiment has a function of a rectifying plate having both a function as a buffer for the bottom of the cylindrical cell 4 and a function as a rectifier for the fuel 15 in the module container 13. 9, a plurality of cylindrical cells 4 are installed thereon, and a soaking plate 7 having a high thermal conductivity is disposed between the cylindrical cells 4. In order to prevent an electrical short circuit between the soaking plate 7 and the cylindrical cell 4, electrical insulating members 8 were attached to the upper and lower portions of the soaking plate 7.

一方、円筒セル４の内部には、空気ヘッダー１４と接続された空気導入管５を円筒セル４の底部まで挿入してある。また、発電室６と燃焼室１１との間には、仕切り板１０を設けた。   On the other hand, an air introduction pipe 5 connected to the air header 14 is inserted into the cylindrical cell 4 to the bottom of the cylindrical cell 4. A partition plate 10 was provided between the power generation chamber 6 and the combustion chamber 11.

電気的な接続に関しては、図３に示すように、モジュール容器１３内の各円筒セル４を直列に接続し、プラス電極２１を円筒セル４のインターコネクタ１８（図１参照）に接続する。そして、その円筒セル４の燃料極２を隣接する円筒セル４のインターコネクタ１８に接続する。   Regarding electrical connection, as shown in FIG. 3, the cylindrical cells 4 in the module container 13 are connected in series, and the plus electrode 21 is connected to the interconnector 18 (see FIG. 1) of the cylindrical cell 4. Then, the fuel electrode 2 of the cylindrical cell 4 is connected to the interconnector 18 of the adjacent cylindrical cell 4.

本図では、プラス電極２１に１列目として５本の円筒セル４を直列に接続し、圧縮断熱材１２に埋め込まれた導電板２３を介して２列目の円筒セル４と電気的に直列に接続する。   In this figure, five cylindrical cells 4 are connected in series to the plus electrode 21 as the first row, and are electrically connected in series to the second row of cylindrical cells 4 through the conductive plate 23 embedded in the compression heat insulating material 12. Connect to.

本実施例では、モジュール容器１３内の各円筒セル４を直列に接続した例を示したが、列間の接続は並列接続でもよい。また、各列の円筒セル４の本数にも特段の制限はない。   In the present embodiment, an example is shown in which the cylindrical cells 4 in the module container 13 are connected in series. However, the connection between the rows may be a parallel connection. Further, there is no particular limitation on the number of cylindrical cells 4 in each row.

つぎに、図４Ａ、４Ｂを用いて均熱板７をより詳細に説明する。均熱板７は、熱伝導率が高い高熱伝導性部材３１を低蒸気圧材料３２で覆ったものである。高熱伝導性部材３１の材質としては、金属の中でも熱伝導率が大きな値を有する銅（熱伝導率：約３８６Ｗ／（ｍ・Ｋ））が好ましい。低蒸気圧材料３２としては、融点が１４５３℃と高く、燃料電池の運転温度において蒸気圧が無視できる程度に小さなニッケルが好ましい。また、銅とニッケルとは、高温で全率固容体の関係にあり、共存性の高い材料である。このため、ニッケルメッキ処理等により銅の表面に容易に皮膜を形成することが可能である。   Next, the soaking plate 7 will be described in more detail with reference to FIGS. 4A and 4B. The soaking plate 7 is obtained by covering a high thermal conductivity member 31 having a high thermal conductivity with a low vapor pressure material 32. The material of the high thermal conductivity member 31 is preferably copper (thermal conductivity: about 386 W / (m · K)) having a large thermal conductivity among metals. As the low vapor pressure material 32, nickel having a melting point as high as 1453 ° C. and small enough to ignore the vapor pressure at the operating temperature of the fuel cell is preferable. Moreover, copper and nickel are in a solid-state relationship at a high temperature and are highly coexisting materials. For this reason, it is possible to easily form a film on the surface of copper by nickel plating or the like.

ここで、高熱伝導性部材３１に適用する銅として更に望ましいものは、無酸素銅である。無酸素銅は、材料組成における酸素が極めて少ないため、還元雰囲気にさらされる高熱伝導性部材３１として用いた場合にも材料内部での水素と酸素との反応量が少なく、水素による脆化が起こりにくい。また、ニッケルは発泡体（ニッケルフォーム）であってもよい。さらに、ニッケルも、水素による脆化が生じにくいことが本実施例における実証試験において判明しているため、長期信頼性の観点からも有利である。   Here, the more desirable copper applied to the high thermal conductivity member 31 is oxygen-free copper. Oxygen-free copper has very little oxygen in the material composition, so even when it is used as the highly thermally conductive member 31 exposed to a reducing atmosphere, the amount of reaction between hydrogen and oxygen inside the material is small and embrittlement due to hydrogen occurs. Hateful. The nickel may be a foam (nickel foam). Further, since it has been found in the demonstration test in this example that nickel is not easily embrittled by hydrogen, it is advantageous from the viewpoint of long-term reliability.

ここでは、低蒸気圧材料３２としてニッケルの例を示したが、ニッケル以外に溶射法などによりコバルト（Ｃｏ）、タングステン（Ｗ）またはタンタル（Ｔａ）などの皮膜を形成して適用してもよい。   Here, an example of nickel is shown as the low vapor pressure material 32. However, in addition to nickel, a coating such as cobalt (Co), tungsten (W), or tantalum (Ta) may be formed by thermal spraying or the like. .

均熱板７は、電気伝導率の高い部材であるため、電気的な絶縁処理を施してモジュール容器１３内に設置される。モジュール容器１３内で均熱板７が接触して短絡を生じる可能性のある部位（図３参照）は、円筒セル４のアノード２および集電部材２３である。円筒セル４のアノード２には、バンドルを作製する際に、円筒セル４の上端部および下端部にスペーサ（図示せず）を設けることから、このスペーサと接する均熱板７の一部に、電気絶縁部材３３として還元雰囲気でも耐性に優れた酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）製のセラミック板を取付けた。セラミック板は熱伝導率が高くないことから、電気絶縁部材３３を円筒セル４のスペーサ接触部分および端部の集電板部分に限定し、均熱板７の伝熱特性の低下を最小限に抑えた。 Since the soaking plate 7 is a member having high electrical conductivity, it is installed in the module container 13 after being electrically insulated. The parts (see FIG. 3) that may cause a short circuit due to contact of the soaking plate 7 in the module container 13 are the anode 2 and the current collecting member 23 of the cylindrical cell 4. The anode 2 of the cylindrical cell 4 is provided with spacers (not shown) at the upper end and the lower end of the cylindrical cell 4 when producing a bundle. A ceramic plate made of aluminum oxide (Al 2 O 3 ) having excellent resistance even in a reducing atmosphere was attached as the electrical insulating member 33. Since the ceramic plate does not have high thermal conductivity, the electric insulating member 33 is limited to the spacer contact portion and the end current collecting plate portion of the cylindrical cell 4 to minimize the deterioration of the heat transfer characteristics of the soaking plate 7. Suppressed.

なお、電気絶縁部材３３は板状である必要はなく、絶縁性のセラミック系であるＡｌ２Ｏ３などを銅板の表面に溶射施工してもよい。この場合、絶縁皮膜の厚みを薄くすることが可能であり、均熱板７の伝熱特性に与える影響を小さくすることができるため、均熱板７の全面に施しても機能を発揮する。 The electrical insulating member 33 does not have to be plate-shaped, and Al 2 O 3 that is an insulating ceramic system may be sprayed onto the surface of the copper plate. In this case, it is possible to reduce the thickness of the insulating film and to reduce the influence on the heat transfer characteristics of the soaking plate 7, so that the function is exhibited even if it is applied to the entire surface of the soaking plate 7.

本発明によれば、下記の効果が得られる。   According to the present invention, the following effects can be obtained.

本発明のＳＯＦＣは、モジュール内に熱伝導性の高い均熱板を具備することから、温度むらが小さくなり、円筒セル４の発電特性の低下を防止できる。   Since the SOFC of the present invention includes a soaking plate with high thermal conductivity in the module, the temperature unevenness is reduced and the power generation characteristics of the cylindrical cell 4 can be prevented from being lowered.

また、本発明のＳＯＦＣは、発電環境に適した高温・還元雰囲気に適した材料を選定することにより、長期運転時の安定性および信頼性が得られる。   In addition, the SOFC of the present invention can provide stability and reliability during long-term operation by selecting a material suitable for a high temperature / reducing atmosphere suitable for a power generation environment.

運転試験用のＳＯＦＣとして、図２、３に示したＳＯＦＣモジュールを作製した。   As the SOFC for the operation test, the SOFC module shown in FIGS.

まず、ＳＯＦＣを起動するために、燃料１５および空気１６をモジュール容器１３に供給する前に加熱するとともに、円筒セル４の内部でも反応させて反応熱によりモジュール容器１３全体を加熱する。そして、ＳＯＦＣが発電可能になる温度（約８００℃以上）まで昇温した。この時、円筒セル４の劣化を防止するため、アノード２側を還元雰囲気に、カソード３側を酸化雰囲気に維持した。   First, in order to start the SOFC, the fuel 15 and the air 16 are heated before being supplied to the module container 13 and are also reacted inside the cylindrical cell 4 to heat the entire module container 13 by reaction heat. And it heated up to the temperature (about 800 degreeC or more) in which SOFC can generate electric power. At this time, in order to prevent deterioration of the cylindrical cell 4, the anode 2 side was maintained in a reducing atmosphere and the cathode 3 side was maintained in an oxidizing atmosphere.

つぎに、空気ヘッダー１４および空気導入管５を介して各円筒セル４の内側に空気を供給するとともに、原燃料を燃料改質器（図示せず）で改質して燃料１５とし、この燃料１５を、整流板９を介して各円筒セル４のアノード２に供給した。これにより発電を開始した。   Next, air is supplied to the inside of each cylindrical cell 4 through the air header 14 and the air introduction pipe 5, and the raw fuel is reformed by a fuel reformer (not shown) to form a fuel 15. 15 was supplied to the anode 2 of each cylindrical cell 4 through the current plate 9. This started power generation.

運転中の円筒セル４長手方向の温度分布、アノード２とカソード３との間の電圧および電流を測定して算出した直流発電端出力、ならびに使用した燃料１５の流量および純度を測定して算出する入熱量からＳＯＦＣの発電性能を評価したところ、円筒セル４長手方向の温度差が大幅に縮小されるとともに、円筒セル４単独で運転試験を行った場合の理想的な発電性能にほぼ匹敵する値が得られた。さらに、均熱板７が劣化することもなく、均熱板７の銅が円筒セル４に移行することもなく、前記の性能を維持したまま長期の運転を継続できた。   The temperature distribution in the longitudinal direction of the cylindrical cell 4 during operation, the DC power generation end output calculated by measuring the voltage and current between the anode 2 and the cathode 3, and the flow rate and purity of the used fuel 15 are measured and calculated. When the power generation performance of SOFC was evaluated from the amount of heat input, the temperature difference in the longitudinal direction of the cylindrical cell 4 was greatly reduced, and the value almost comparable to the ideal power generation performance when the operation test was performed with the cylindrical cell 4 alone. was gotten. Furthermore, the soaking plate 7 was not deteriorated, and the copper of the soaking plate 7 was not transferred to the cylindrical cell 4, and the long-term operation could be continued while maintaining the above performance.

以上のことから、本発明の効果である、各円筒セルの温度分布の均一化、モジュールを構成するセルとセルとの間の温度差の縮小、発電効率の維持、均熱板の長期信頼性（耐久性）の確保、および固体酸化物形燃料電池の耐久性を確認することができた。   From the above, the effect of the present invention is that the temperature distribution of each cylindrical cell is uniform, the temperature difference between the cells constituting the module is reduced, the generation efficiency is maintained, and the long-term reliability of the heat equalizing plate (Durability) was ensured and the durability of the solid oxide fuel cell could be confirmed.

本発明による固体酸化物形燃料電池における円筒セルの概略斜視図である。1 is a schematic perspective view of a cylindrical cell in a solid oxide fuel cell according to the present invention. 本発明による固体酸化物形燃料電池の実施例を示す概略縦断面である。1 is a schematic longitudinal sectional view showing an example of a solid oxide fuel cell according to the present invention. 図２のＡ−Ａ’断面図である。It is A-A 'sectional drawing of FIG. 本発明による均熱板の実施例を示す正面図である。It is a front view which shows the Example of the heat equalizing plate by this invention. 図４ＡのＢ−Ｂ’断面図である。It is B-B 'sectional drawing of FIG. 4A. 本発明による均熱板の他の実施例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the other Example of the soaking plate by this invention.

符号の説明Explanation of symbols

１：固体電解質、２：アノード、３：カソード、４：円筒セル、５：空気導入管、６：発電室、７：均熱板、８：電気絶縁部材、９：整流板、１０：仕切り板、１１：燃焼室、１２：圧縮断熱材、１３：モジュール容器、１４：空気ヘッダー、１５：燃料、１６：空気、１７：排ガス、２１：プラス電極、２２：マイナス電極、２３：導電板、３１：高熱伝導性部材、３２：低蒸気圧材料、３３：電気絶縁部材。   1: Solid electrolyte, 2: Anode, 3: Cathode, 4: Cylindrical cell, 5: Air introduction pipe, 6: Power generation chamber, 7: Heat equalizing plate, 8: Electrical insulation member, 9: Rectifying plate, 10: Partition plate 11: Combustion chamber, 12: Compression insulation, 13: Module container, 14: Air header, 15: Fuel, 16: Air, 17: Exhaust gas, 21: Positive electrode, 22: Negative electrode, 23: Conductive plate, 31 : High thermal conductivity member, 32: Low vapor pressure material, 33: Electrical insulation member.

Claims (7)

固体電解質を挟んでアノードとカソードとを有する複数のセルを直列に接続して構成した複数のバンドルを並行配置した前記セルの集合体であるモジュールを備えた固体酸化物形燃料電池であって、該モジュールの内部に設けた発電室の内部の還元雰囲気となる該アノードの側方であって隣り合う前記バンドルの間に金属製の高熱伝導性部材で形成された均熱板を具備し、該均熱板が、該高熱伝導性部材の表面を低蒸気圧材料で覆った構造を有することを特徴とする固体酸化物形燃料電池。 A solid oxide fuel cell comprising a module that is an assembly of the cells in which a plurality of bundles configured by connecting a plurality of cells having an anode and a cathode in series with a solid electrolyte sandwiched therebetween are arranged in parallel , A soaking plate formed of a metal high thermal conductivity member is provided between the adjacent bundles on the side of the anode which is the reducing atmosphere inside the power generation chamber provided inside the module, A solid oxide fuel cell, wherein the soaking plate has a structure in which the surface of the high thermal conductivity member is covered with a low vapor pressure material. 前記高熱伝導性部材が銅または銅合金であることを特徴とする請求項１記載の固体酸化物形燃料電池。   2. The solid oxide fuel cell according to claim 1, wherein the high thermal conductivity member is copper or a copper alloy. 前記高熱伝導性部材が無酸素銅であることを特徴とする請求項１記載の固体酸化物形燃料電池。   2. The solid oxide fuel cell according to claim 1, wherein the high thermal conductivity member is oxygen-free copper. 前記低蒸気圧材料がニッケルであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池。   The solid oxide fuel cell according to claim 1, wherein the low vapor pressure material is nickel. 前記均熱板の一部の面あるいは全部の面に電気絶縁部材を設けたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池。   The solid oxide fuel cell according to any one of claims 1 to 4, wherein an electrical insulating member is provided on a part or all of the surface of the soaking plate. 前記電気絶縁部材がセラミックスであることを特徴とする請求項５記載の固体酸化物形燃料電池。   6. The solid oxide fuel cell according to claim 5, wherein the electrically insulating member is ceramic. 前記セラミックスが酸化アルミニウムであることを特徴とする請求項６記載の固体酸化物形燃料電池。   7. The solid oxide fuel cell according to claim 6, wherein the ceramic is aluminum oxide.
JP2008066388A 2008-03-14 2008-03-14 Solid oxide fuel cell Expired - Fee Related JP5139850B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2008066388A JP5139850B2 (en) 2008-03-14 2008-03-14 Solid oxide fuel cell

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2008066388A JP5139850B2 (en) 2008-03-14 2008-03-14 Solid oxide fuel cell

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2009224143A JP2009224143A (en) 2009-10-01
JP5139850B2 true JP5139850B2 (en) 2013-02-06

Family

ID=41240712

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2008066388A Expired - Fee Related JP5139850B2 (en) 2008-03-14 2008-03-14 Solid oxide fuel cell

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP5139850B2 (en)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2016066504A (en) * 2014-09-25 2016-04-28 東邦瓦斯株式会社 Current collector for fuel electrode and solid oxide fuel cell
SG11201702330XA (en) * 2014-10-07 2017-04-27 Protonex Technology Corp Sofc-conduction
CN107978771B (en) * 2017-11-29 2020-06-02 清华大学 Heat pipe type solid oxide fuel cell with high heat integration
CN109004246A (en) * 2018-06-25 2018-12-14 华南理工大学 A kind of liquid phase refrigerating module based on high power density fuel cell

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
AUPQ078899A0 (en) * 1999-06-04 1999-06-24 Ceramic Fuel Cells Limited A fuel cell gas separator
JP2004119300A (en) * 2002-09-27 2004-04-15 Toto Ltd Cylindrical solid oxide fuel cell (sofc) generator
JP4292368B2 (en) * 2002-12-12 2009-07-08 ソニー株式会社 Fuel cell and electronic device equipped with the same
JP4842630B2 (en) * 2005-12-02 2011-12-21 株式会社日立製作所 Solid oxide fuel cell
JP5013748B2 (en) * 2006-05-23 2012-08-29 新光電気工業株式会社 Solid oxide fuel cell

Also Published As

Publication number Publication date
JP2009224143A (en) 2009-10-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CA2397682C (en) Multipurpose reversible electrochemical system
US20100086824A1 (en) Assemblies of hollow electrode electrochemical devices
US20110065022A1 (en) Solid oxide fuel cell
US8247129B2 (en) Solid oxide fuel cell for a power generation
AU2002219941A1 (en) Multipurpose reversible electrochemical system
US20050191532A1 (en) Reformer for fuel cell system and fuel cell system having the same
JP5429748B2 (en) Fuel cell module
WO2008033452A2 (en) High purity hydrogen and electric power co-generation apparatus and method
JP4956946B2 (en) Fuel cell
US7972742B2 (en) Tube type fuel cell to decrease current path length
JP5254588B2 (en) Solid oxide fuel cell module
JP5139850B2 (en) Solid oxide fuel cell
JP4897273B2 (en) Fuel cell
JP5066373B2 (en) Fuel cell module
US20090087704A1 (en) Fuel cell unit and electronic device
JP5176294B2 (en) Fuel cell
US20110053032A1 (en) Manifold for series connection on fuel cell
KR20110044657A (en) Supported flat-tubular solid oxide fuel cell
JP2010182425A (en) Solid oxide fuel cell
JP3706959B2 (en) Structure of a cylindrical solid oxide fuel cell having a conductive tube inserted therein, a structure of a bundle in which a plurality of such cells are bundled, and a structure of a power generation module using the bundle
US8697307B2 (en) Solid oxide fuel cell stack
US20110033770A1 (en) Fuel cell stack having single body support
JP2005019034A (en) Solid oxide fuel cell
JP2009129701A (en) Fuel cell module
JP5079441B2 (en) Solid oxide fuel cell

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20100319

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20120523

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20120529

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20120706

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20121106

A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20121116

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20151122

Year of fee payment: 3

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees