JP4767532B2 - Horizontally striped solid oxide fuel cell - Google Patents
Horizontally striped solid oxide fuel cell Download PDFInfo
- Publication number
- JP4767532B2 JP4767532B2 JP2004365160A JP2004365160A JP4767532B2 JP 4767532 B2 JP4767532 B2 JP 4767532B2 JP 2004365160 A JP2004365160 A JP 2004365160A JP 2004365160 A JP2004365160 A JP 2004365160A JP 4767532 B2 JP4767532 B2 JP 4767532B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- fuel
- discharge end
- cell
- solid oxide
- flow path
- 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
- 239000000446 fuel Substances 0.000 title claims description 147
- 239000007787 solid Substances 0.000 title claims description 26
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical group [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 25
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims description 25
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims description 25
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 17
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 13
- 230000002265 prevention Effects 0.000 claims description 8
- 239000007800 oxidant agent Substances 0.000 claims description 5
- 239000011148 porous material Substances 0.000 claims description 3
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 claims 1
- 238000010248 power generation Methods 0.000 description 15
- 239000002915 spent fuel radioactive waste Substances 0.000 description 12
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 11
- 239000000463 material Substances 0.000 description 11
- 229910001233 yttria-stabilized zirconia Inorganic materials 0.000 description 10
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 9
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 9
- MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N Zirconium dioxide Chemical compound O=[Zr]=O MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 7
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 7
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 7
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 5
- 229910003099 (Y2O3)x(ZrO2)1−x Inorganic materials 0.000 description 4
- 229910020068 MgAl Inorganic materials 0.000 description 4
- 229910010293 ceramic material Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000000470 constituent Substances 0.000 description 4
- 238000011056 performance test Methods 0.000 description 4
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 3
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000000034 method Methods 0.000 description 3
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N Carbon monoxide Chemical compound [O+]#[C-] UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000010405 anode material Substances 0.000 description 2
- 229910002084 calcia-stabilized zirconia Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910002091 carbon monoxide Inorganic materials 0.000 description 2
- CETPSERCERDGAM-UHFFFAOYSA-N ceric oxide Chemical compound O=[Ce]=O CETPSERCERDGAM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910000422 cerium(IV) oxide Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 description 2
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 2
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 description 2
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 230000003197 catalytic effect Effects 0.000 description 1
- 239000011195 cermet Substances 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000007599 discharging Methods 0.000 description 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 1
- 239000002001 electrolyte material Substances 0.000 description 1
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 description 1
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910002119 nickel–yttria stabilized zirconia Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052763 palladium Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 1
- 229910052707 ruthenium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000007784 solid electrolyte Substances 0.000 description 1
- 229910002076 stabilized zirconia Inorganic materials 0.000 description 1
- -1 that is Substances 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
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
Landscapes
- Fuel Cell (AREA)
Description
本発明は、横縞方式の固体酸化物形燃料電池に関し、より具体的には、内部に燃料流路を有する多孔質の絶縁性支持基体の外面に固体酸化物形燃料電池セルの複数個を横縞状に配置してなる横縞方式の固体酸化物形燃電池に関する。 The present invention relates to a horizontal oxide solid oxide fuel cell. More specifically, the present invention relates to a plurality of solid oxide fuel cells arranged on the outer surface of a porous insulating support base having a fuel flow path therein. The present invention relates to a horizontal stripe type solid oxide fuel cell arranged in a shape.
固体酸化物形燃料電池〔SOFC(=Solid Oxide Fuel Cell)、以下適宜SOFCと略称する〕は、一般的には、作動温度が800〜1000℃程度と高いが、最近では800℃程度以下、すなわち800〜650℃という範囲の作動温度のものも開発されつつある。SOFCは、電解質材料を挟んでアノードとカソードが配置され、アノード/電解質/カソードの三層ユニットで構成される。 A solid oxide fuel cell (SOFC (= Solid Oxide Fuel Cell), hereinafter abbreviated as SOFC as appropriate) generally has an operating temperature as high as about 800 to 1000 ° C. Those with operating temperatures in the range of 800-650 ° C are also being developed. The SOFC has an anode and a cathode arranged with an electrolyte material in between, and is composed of a three-layer unit of anode / electrolyte / cathode.
SOFCの運転時には、アノード側に燃料を通し、カソード側に酸化剤ガス(空気、酸素富化空気、酸素等、以下、代表して適宜空気と言う)を通して、両電極を外部負荷に接続することで電力が得られる。ところが、単電池一つでは高々0.7〜0.8V程度の電圧しか得られないので、実用的な電力を得るためには複数の単電池(セル)を電気的に直列に接続する必要がある。隣接するセルを電気的に直列に接続するのと同時に、アノードとカソードのそれぞれに燃料と空気とを適正に分配、供給し、また排出する目的で、インターコネクタとセルとが交互に積層される。 During SOFC operation, both electrodes are connected to an external load through fuel on the anode side and oxidant gas (air, oxygen-enriched air, oxygen, etc., hereinafter referred to as air as appropriate) through the cathode side. Electric power can be obtained. However, since a single cell can only obtain a voltage of about 0.7 to 0.8 V at most, it is necessary to electrically connect a plurality of single cells (cells) in series in order to obtain practical power. is there. Interconnectors and cells are stacked alternately for the purpose of properly distributing, supplying, and discharging fuel and air to and from the anode and cathode respectively at the same time that adjacent cells are electrically connected in series. .
上記のようなSOFCは複数のセルを積層するタイプであるが、これに代えてセルの配置を横縞方式とすることも考えられている。横縞方式には円筒タイプや中空扁平タイプなどの方式があり、内部に燃料流路を有する多孔質の絶縁性支持基体の外面にアノード、電解質(通常固体酸化物からなる電解質)、カソードからなるセルの複数個を横縞状に配置して構成される。図7は特開平10−3932号公報に開示された円筒タイプの構成例を示す図である。図7(A)は全体図、図7(B)は図7(A)のX部の断面を拡大して示す図、図7(C)は図7(A)のY部の断面を拡大して示す図である。 The SOFC as described above is a type in which a plurality of cells are stacked. However, instead of this, it is considered that the arrangement of the cells is a horizontal stripe method. The horizontal stripe method includes a cylindrical type and a hollow flat type, and a cell comprising an anode, an electrolyte (usually an electrolyte made of a solid oxide), and a cathode on the outer surface of a porous insulating support substrate having a fuel flow path inside. Are arranged in a horizontal stripe pattern. FIG. 7 is a diagram showing a configuration example of a cylindrical type disclosed in JP-A-10-3932. 7A is an overall view, FIG. 7B is an enlarged view of a cross section of an X portion of FIG. 7A, and FIG. 7C is an enlarged view of a cross section of a Y portion of FIG. 7A. It is a figure shown.
図7(A)〜(C)のとおり、多孔質の円筒状基体管21の外周面に順次、アノード22、電解質23及びカソード24を積層してなるセル25の複数個が該基体管21の長手方向に間隔を置いて形成されている。26は隣接するセル間を電気的に接続するインターコネクタ、33は集電リングである。多孔質の円筒状基体管21の構成材料としてはカルシア安定化ジルコニア(CSZ)などを用いるとされている。
As shown in FIGS. 7A to 7C, a plurality of
同公報にはその運転時についての明示の記載はないが、以下のように運転されるものと推認される。空気が円筒状基体管21の外周のカソード24側に流され、燃料が集電リング33側から円筒状基体管21内の供給管(図7中記載はないが)に導入され、その先端で放出折り返して、円筒状基体管21内周のアノード22側に流される。円筒状基体管21の集電リング33側から放出されたアノードオフガスすなわち利用済み燃料中の未利用の燃料はカソードオフガスすなわち利用済み空気中の酸素により燃焼する。燃焼に伴い発生する熱は、供給空気の予熱やセルスタックの温度を保持するために利用される。
Although there is no explicit description of the operation in the publication, it is assumed that the vehicle is operated as follows. Air is flowed to the
ところで、横縞方式の固体酸化物形燃料電池は、通常、利用済み燃料の放出端が開放系になっており、その放出端の外側近傍で利用済み燃料中の未利用の燃料と利用済み空気中の未利用の酸素が高温で混合して燃焼する。これにより、利用済み燃料中の未利用燃料である可燃性ガスを不燃性ガスにして排気することで安全性を確保するとともに、当該燃料電池を運転するのに必要な熱を供給することが可能となる。 By the way, in the horizontal-striped solid oxide fuel cell, the discharge end of the spent fuel is usually an open system, and the unused fuel in the spent fuel and the spent air are near the outside of the discharge end. Unused oxygen is mixed and burned at a high temperature. As a result, it is possible to ensure safety by exhausting the combustible gas, which is an unused fuel in the used fuel, as an incombustible gas, and to supply heat necessary for operating the fuel cell. It becomes.
しかし、利用済み燃料の放出端と、最放出端側のセル(該放出端に最も近いセル)あるいはその近傍のセルとの距離が短いか、あるいは放出端の口径が大きいと、利用済み空気が利用済み燃料の放出端から燃料流路内に逆拡散し、固体酸化物形燃料電池の発電出力を低下させてしまうが、従来の横縞方式の固体酸化物形燃料電池において、そのような利用済み空気の逆拡散による性能低下を防止する手段を施したものは見当たらない。 However, if the distance between the discharge end of the spent fuel and the cell on the most discharge end side (the cell closest to the discharge end) or a cell in the vicinity thereof is short or the diameter of the discharge end is large, Although it diffuses back into the fuel flow path from the discharge end of the used fuel, the power generation output of the solid oxide fuel cell is reduced. Nothing has been found to prevent performance degradation due to back diffusion of air.
本発明は、横縞方式の固体酸化物形燃料電池におけるそのような問題点を解決するためになされたものであり、横縞方式の固体酸化物形燃電池について、利用済み燃料の放出端から燃料流路内に逆拡散してセル側へ流入する利用済み空気の流入を制限し、固体酸化物形燃電池の出力低下を防止してなる横縞方式の固体酸化物形燃料電池を提供することを目的とするものである。 The present invention has been made in order to solve such problems in a horizontal stripe type solid oxide fuel cell. In the horizontal stripe type solid oxide fuel cell, the fuel flow is started from the discharge end of the spent fuel. An object of the present invention is to provide a horizontal-stripe type solid oxide fuel cell that restricts the inflow of used air flowing back into the cell after being reverse-diffused into the road and prevents the output of the solid oxide fuel cell from decreasing. It is what.
本発明は、内部に燃料流路を有する多孔質の絶縁性支持基体の外面に複数個の固体酸化物形燃料電池セルを横縞状に配置してなる横縞方式の固体酸化物形燃電池であって、該支持基体について、燃料放出端から最燃料放出端側のセルの位置までの長さを前記燃料流路の孔径に対して20/1.5以上の長さとして酸素逆散防止域とすることにより、燃料放出端から支持基体の燃料流路内に逆拡散する利用済み酸化剤ガスの流入を制限するようにしてなることを特徴とする横縞方式の固体酸化物形燃料電池である。 The present invention is a solid oxide retardant ponds multi-segment type comprising a porous insulating support a plurality of the solid oxide fuel cell to the outer surface of the substrate having a fuel flow path therein arranged in horizontal stripes there are, for the support substrate, the oxygen inverse diffusing the length of the fuel discharge end to a position of the cell Le of the most fuel discharge end as 20 / 1.5 or more lengths for pore diameter of the fuel flow path to prevent with frequency, the solid oxide fuel horizontal stripes method characterized by comprising so as to restrict the flow of the used oxidizing agent gas despreading the fuel flow path of the fuel discharge end or al supporting lifting body It is a battery.
本発明によれば、横縞方式の固体酸化物形燃電池における支持基体について、利用済み燃料の放出端から燃料流路内に逆拡散して流入する利用済み酸化剤ガスの流入を制限し、その流入に起因する発電出力の低下を防止し、固体酸化物形燃電池全体としての電池性能の低下を防止することができる。 According to the present invention, the support base in the horizontal stripe type solid oxide fuel cell is configured to restrict the inflow of the used oxidant gas flowing back-diffused from the discharge end of the used fuel into the fuel flow path. It is possible to prevent a decrease in power generation output due to the inflow, and to prevent a decrease in battery performance as a whole solid oxide fuel cell.
本発明は、内部に燃料流路を有する多孔質の絶縁性支持基体の外面に複数個の固体酸化物形燃料電池セルを横縞状に配置してなる横縞方式の固体酸化物形燃電池である。そして、該支持基体について、燃料放出端から最燃料放出端側のセルの位置までの長さを前記燃料流路の孔径に対して20/1.5以上の長さとして酸素逆散防止域とすることにより、燃料放出端から支持基体の燃料流路内に逆拡散する利用済み酸化剤ガスの流入を制限するようにしてなることを特徴とする。 The present invention is a solid oxide retardant ponds multi-segment type comprising a porous insulating support a plurality of the solid oxide fuel cell to the outer surface of the substrate having a fuel flow path therein arranged in horizontal stripes is there. Then, the said supporting lifting body, oxygen inverse diffusing the length from the fuel discharge end to a position of the cell Le of the most fuel discharge end as 20 / 1.5 or more lengths for pore diameter of the fuel flow path with prevention area, characterized by comprising so as to limit the flow of the used oxidizing agent gas despreading the fuel flow path of the fuel discharge end or al supporting lifting body.
ここで、本発明においては、該支持基体について、燃料放出端から最燃料放出端側のセルの位置まで延長した長さ(すなわち間隔)を少なくとも20mm以上とすることが重要である。そのうち、特に、燃料放出端から最燃料放出端側のセルの位置まで延長した長さ(すなわち間隔)が30mmから50mmの範囲であるのが好ましい。本発明における、支持基体の内部に有する燃料流路は一つまたは複数個の燃料流路とすることができる。また、燃料流路の形状は、断面矩形状、断面四角形状、断面円形状、断面楕円形状その他適宜の形状に構成される。以下、図面を用いて本発明をさらに詳しく説明する。 Here, in the present invention, it is important that the length (that is, the interval) of the support base extending from the fuel discharge end to the cell position on the most fuel discharge end side is at least 20 mm. Among them, it is particularly preferable that the length (that is, the interval) extending from the fuel discharge end to the cell position on the most fuel discharge end side is in the range of 30 mm to 50 mm. In the present invention, the fuel flow path provided inside the support base may be one or a plurality of fuel flow paths. The shape of the fuel flow path is configured to have a rectangular cross section, a square cross section, a circular cross section, an elliptical cross section, and other appropriate shapes. Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the drawings.
図1は本発明で対象とするSOFCの構成例を説明する図である。図1(a)は平面図、図1(b)は裏面図、図1(c)は図1(a)中A−A線断面図である。また、図1(d)は図1(b)中B−B線断面図、図1(e)は図1(a)〜(b)の側面図〔図1(a)〜(b)を右側から見た図〕で、それぞれ拡大して示している。図1において、2は中空短冊状(中空扁平状)の多孔質の絶縁性支持基体で、その中空部3が燃料流路3となる。図1では燃料流路3が9個の例を示しているが、一個または複数個が設けられる。支持基体2は、その一端に燃料導入用の開口4を有し、その他端に利用済み燃料放出用の開口5を有する。開口5が未利用の燃料を含む利用済み燃料の放出端となる。
FIG. 1 is a diagram for explaining a configuration example of an SOFC targeted in the present invention. 1A is a plan view, FIG. 1B is a back view, and FIG. 1C is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. 1A. 1 (d) is a cross-sectional view taken along line BB in FIG. 1 (b), and FIG. 1 (e) is a side view of FIGS. 1 (a) to 1 (b) [FIGS. 1 (a) to (b). In the figure seen from the right side], each is enlarged. In FIG. 1,
そして、複数個のセル6が支持基体2の表裏両面に横縞状に配置される。図1には、支持基体2として、その断面が左右両端に丸みをもつ矩形状の例を示しているが、断面矩形状とは限らず、断面四角形状、断面楕円形状その他各種形状に構成される。また、図1には、その表面、裏面にそれぞれ9個のセルを配置した例を示しているが、それぞれ2個以上のセルが配置される。こうして横縞方式のSOFC1が構成される。すなわち、SOFC1は、燃料導入用の開口4側から、利用済み燃料放出用の開口5側に燃料が流通する燃料流路3を有する多孔質の絶縁性支持基体2の表裏両面にそれぞれ複数個のセル6を備えて構成される。
A plurality of
上記のように構成した横縞方式のSOFCにおいては、燃料を燃料流路に流し、カソード側に空気を流しながら発電する。図2(a)はその態様を説明する図である。図2(a)のとおり、SOFCの上下両面側すなわちカソード側に空気流通機構8を備える。空気は導入管7から導入される。そして、空気分配機構8の複数の孔9から放出、分配され、カソード側を流れながら発電に寄与し、図2(a)中その右端から利用済み空気として排出される。
In the horizontal stripe type SOFC configured as described above, power is generated by flowing fuel through the fuel flow path and flowing air to the cathode side. FIG. 2A is a diagram for explaining the mode. As shown in FIG. 2A, the air circulation mechanism 8 is provided on the upper and lower surfaces of the SOFC, that is, on the cathode side. Air is introduced from the introduction pipe 7. And it discharge | releases and distributes from the some
一方、燃料は、図2(a)中その左端の燃料導入口4から導入され、燃料流路3を流れながら発電に寄与し、その右端の利用済み燃料放出口5から排出される。燃料放出口5の右端が利用済み燃料の放出端となる。その際、燃料は、その流れ方向に沿って徐々に消費されて発電に寄与し、これに伴い、下流側に向けて発電に寄与するガス成分(水素、一酸化炭素)の量が漸次少なくなっていく。しかし、SOFCでは発電に寄与するガス成分の全部を利用することができず、供給された燃料は、通常その70〜80%程度が利用され、残りの30〜20%程度は未利用のまま外部に排出される。
On the other hand, the fuel is introduced from the fuel inlet 4 at the left end in FIG. 2A, contributes to power generation while flowing through the
前述のとおり、横縞方式のSOFCは、通常、利用済み燃料の放出端が開放系になっており、その端部外側の近傍で利用済み燃料と利用済み空気が混合し、利用済み燃料中の未利用の燃料と利用済み空気中の酸素が高温で燃焼する。図2(a)で言えば、その右端すなわち燃料放出端から排出される利用済み燃料は、SOFCの右端面の領域で利用済み空気と混合して燃焼する。これにより、可燃性ガスである未利用燃料(水素、一酸化炭素)を不燃性ガス(水蒸気や二酸化炭素)に変えて排気して安全性を確保し、SOFCを運転するのに必要な熱を供給することが可能となる。 As described above, in the horizontal stripe type SOFC, the used fuel discharge end is usually an open system, and the used fuel and the used air are mixed in the vicinity of the outside of the end portion of the SOFC, so The fuel used and oxygen in the spent air burn at high temperatures. 2A, the spent fuel discharged from the right end, that is, the fuel discharge end, is mixed with the spent air and burned in the region of the right end face of the SOFC. As a result, unused fuel (hydrogen, carbon monoxide), which is a flammable gas, is changed to non-flammable gas (water vapor or carbon dioxide) to ensure safety and to generate heat necessary for operating the SOFC. It becomes possible to supply.
ところが、本発明者らが、そのように構成したSOFCを現に運転して燃焼状況を詳細に観察したところ、(a)利用済み燃料の放出端とその放出端近傍のセルとの距離が短いか、あるいは(b)セルの開放口径が大きいと、利用済み燃料の放出端から燃料流路3内へ利用済み空気(未利用の酸素を含む)が逆方向に拡散して流入して燃料流路内で利用済み燃料と燃焼し、SOFCの発電出力を低下させてしまうことが分かった。そしてそのうち、特に(a)利用済み燃料の放出端と該放出端近傍のセルとの距離が短いと、その出力低下に大きく影響することが観察された。図2(b)は、この現象、事実を説明する図で、図2(a)に示すSOFCのうち、その右側のセル4個を含む部分を拡大して示している。
However, when the present inventors actually operated the SOFC configured as described above and observed the combustion state in detail, (a) is the distance between the discharge end of the spent fuel and the cell near the discharge end short? Or (b) When the open diameter of the cell is large, the used air (including unused oxygen) diffuses and flows in the reverse direction from the discharge end of the used fuel into the
図2(b)中“酸素逆拡散”として示すとおり、利用済み空気が燃料放出端から燃料流路内に逆拡散して流入する。ここで、内部に燃料流路を有する支持基体の表裏両面には、燃料導入側から燃料放出側に横縞状に順次セルが配置されており、その運転時には、それら各セルで燃料流路を流れる燃料を消費することで発電が行われる。ところが、利用済み空気が燃料流路内に逆拡散して流入すると、少なくとも最燃料放出端側のセルZのアノード側には、発電に寄与する燃料ではなく、酸素が存在することになるので、少なくとも当該最燃料放出端側のセルZでは発電が行われなくなる。その結果、SOFCの発電出力の低下を招き、性能低下を来してしまう。 As shown as “oxygen reverse diffusion” in FIG. 2B, the used air flows back from the fuel discharge end into the fuel flow path. Here, cells are sequentially arranged in horizontal stripes from the fuel introduction side to the fuel discharge side on both the front and back surfaces of the support base having the fuel flow passage inside, and during the operation, the cells flow through the fuel flow passage. Electricity is generated by consuming fuel. However, when used air is back-diffused into the fuel flow path, oxygen is present at least on the anode side of the cell Z on the most fuel discharge end side, not fuel that contributes to power generation. Power generation is not performed at least in the cell Z on the most fuel discharge end side. As a result, the power generation output of the SOFC is lowered and the performance is lowered.
そこで、本発明においては、燃料流路を有する支持基体について、その燃料放出端を最燃料放出端側セルZの位置から所定間隔延長して“酸素逆拡散防止域”とすることにより、燃料放出端側から燃料流路内に逆拡散する利用済み空気の流入を制限するものである。すなわち、これを当該最燃料放出端側のセルZの側から言えば、セルZを、燃料流路の利用済み燃料の放出端から、利用済み空気(未利用の酸素を含む)が逆流する範囲以上の所定長さ(間隔)をもたせて配置する。その間隔により、燃料放出端から最燃料放出端側のセルZにまで逆拡散して流入する利用済み空気の流入を制限し、当該セルZに対する利用済み空気中の酸素の影響を回避して、SOFCの発電出力の低下を防止するものである。 Therefore, in the present invention, the supporting substrate having a fuel flow channel, by its fuel discharge end by a predetermined distance extending from the position of the highest fuel discharge end cell Z "oxygen inverse diffusion prevention region", Fuel This restricts the inflow of used air that reversely diffuses into the fuel flow path from the discharge end side. That is, speaking of this from the side of the cell Z on the most fuel discharge end side, a range in which used air (including unused oxygen) flows backward from the discharge end of the used fuel in the fuel flow path of the cell Z. It arrange | positions with the above predetermined length (interval). Due to the interval, the inflow of used air that flows back and diffuses from the fuel discharge end to the cell Z on the most fuel discharge end side is restricted, and the influence of oxygen in the used air on the cell Z is avoided, This is to prevent a decrease in the power generation output of the SOFC.
図3(a)〜(c)はその態様を説明する図である。図3(a)のとおり、支持基体について、最燃料放出端側のセルZの位置(すなわち当該セルZの幅のうち燃料放出端側)から燃料放出端に向けて“酸素逆拡散防止域”を設ける。その“酸素逆拡散防止域”の長さについては、当該セルZの位置から延長した長さ(すなわち、当該セルZの位置から燃料放出端までの間隔)を少なくとも20mm以上とする。これにより、燃料放出端から最燃料放出端側のセルZにまで逆拡散して流入しようとする利用済み空気の流入を制限し、すなわち当該セルZに対する利用済み空気中の酸素の影響を回避するようにして、SOFCの発電出力の低下を有効に防止することができる。そのうち、特に好ましいその長さは30mmから50mmの範囲である。図3(b)はその長さが20mmの場合を示し、図3(c)はその長さが30mmの場合を示している。 FIGS. 3A to 3C are diagrams for explaining the mode. Figure 3 as (a), the supporting substrate, the position (i.e., the fuel discharge end side of the width of the cell Z) preventing region from toward the fuel discharge end "oxygen inverse diffusion cell Z of the outermost fuel discharge end ". The length of the "oxygen inverse diffusion prevention region", the length extending from the position of the cell Z (i.e., distance from the position of the cell Z to the fuel discharge end) and at least 20mm or more. As a result, the inflow of used air that is going to be back-diffused from the fuel discharge end to the cell Z on the most fuel discharge end side is restricted, that is, the influence of oxygen in the used air on the cell Z is avoided. In this way, it is possible to effectively prevent a decrease in the power generation output of the SOFC. Of these, the particularly preferred length is in the range of 30 mm to 50 mm. FIG. 3B shows a case where the length is 20 mm, and FIG. 3C shows a case where the length is 30 mm.
支持基体の構成材料としては、MgOとMgAl2O4の混合物、ジルコニア系酸化物、ジルコニア系酸化物とMgOとMgAl2O4の混合物等を用い得るが、これらに限定されない。そのうち、MgOとMgAl2O4の混合物は、MgOとMgAl2O4の全量のうちMgOが20〜70vol%含まれる混合物であるのが好ましい。これらはNi(NiO)を含むことが好ましい。また、ジルコニア系酸化物の例としては、イットリア安定化ジルコニア〔YSZ:(Y2O3)X(ZrO2)1-X(式中、x=0.03〜0.12)〕などが挙げられる。これらはNi等の触媒金属を含むのが好ましい。 As a constituent material of the supporting substrate, a mixture of MgO and MgAl 2 O 4 , a zirconia-based oxide, a mixture of zirconia-based oxide and MgO and MgAl 2 O 4 , or the like can be used, but is not limited thereto. Among them, a mixture of MgO and MgAl 2 O 4 is preferably a mixture of MgO contained 20~70Vol% of the total amount of MgO and MgAl 2 O 4. These preferably contain Ni (NiO). Examples of zirconia-based oxides include yttria-stabilized zirconia [YSZ: (Y 2 O 3 ) X (ZrO 2 ) 1-X (where x = 0.03 to 0.12)]. It is done. These preferably contain a catalytic metal such as Ni.
アノードの構成材料としては、例えばNiを主成分とする材料、金属を含むセラミック材料などが用いられるが、これらに限定されない。金属を含むセラミック材料のうち、セラミック材料としては、例えばイットリア安定化ジルコニア〔YSZ:(Y2O3)X(ZrO2)1-X(式中、x=0.05〜0.15)〕が用いられ、金属としては、Ni、Cu、Fe、Ru及びPdから選ばれた少なくとも1種の金属、すなわちそれら金属のうち1種または2種以上の金属が用いられる。 As a constituent material of the anode, for example, a material containing Ni as a main component, a ceramic material containing a metal, or the like is used, but is not limited thereto. Among the ceramic materials containing metals, examples of the ceramic material include yttria-stabilized zirconia [YSZ: (Y 2 O 3 ) X (ZrO 2 ) 1-X (where x = 0.05 to 0.15)]. As the metal, at least one metal selected from Ni, Cu, Fe, Ru, and Pd, that is, one or more of these metals is used.
それら金属を含むセラミック材料のうち、Niを含むYSZ(Ni−YSZサーメット)、すなわちNiと〔(Y2O3)X(ZrO2)1-X(式中、x=0.05〜0.15)〕との混合物は、本発明において好ましいアノード材料であり、特に当該混合物中のNiを40vol%以上分散させたものであるのが好ましい。 Among these metal-containing ceramic materials, Ni-containing YSZ (Ni—YSZ cermet), that is, Ni and [(Y 2 O 3 ) X (ZrO 2 ) 1-X (where x = 0.05-0. 15)] is a preferable anode material in the present invention, and it is particularly preferable that Ni in the mixture is dispersed in an amount of 40 vol% or more.
電解質の構成材料は、イオン導電性を有する固体電解質であればよく、その例としては下記(1)〜(4)の材料が挙げられるが、これら例示の材料に限定されない。
(1)イットリア安定化ジルコニア〔YSZ:(Y2O3)X(ZrO2)1-X(式中、x=0.05〜0.15)〕。
(2)スカンジア安定化ジルコニア〔(Sc2O3)X(ZrO2)1-X(式中、x=0.05〜0.15)〕。
(3)イットリアドープセリア〔(Y2O3)X(CeO2)1-X(式中、x=0.02〜0.4)〕。
(4)ガドリアドープセリア〔(Gd2O3)X(CeO2)1-X(式中、x=0.02〜0.4)〕。
The constituent material of the electrolyte may be a solid electrolyte having ionic conductivity, and examples thereof include the following materials (1) to (4), but are not limited to these exemplified materials.
(1) Yttria-stabilized zirconia [YSZ: (Y 2 O 3 ) X (ZrO 2 ) 1-X (where x = 0.05 to 0.15)].
(2) Scandia-stabilized zirconia [(Sc 2 O 3 ) X (ZrO 2 ) 1-X (where x = 0.05 to 0.15)].
(3) Yttria-doped ceria [(Y 2 O 3 ) X (CeO 2 ) 1-X (where x = 0.02 to 0.4)].
(4) Gadria-doped ceria [(Gd 2 O 3 ) X (CeO 2 ) 1-X (where x = 0.02 to 0.4)].
以下、実施例に基づき本発明をさらに詳しく説明する。支持基体について、最燃料放出端側のセルZの位置から燃料放出端までの長さが異なる、すなわち“酸素逆拡散防止域”の幅が異なる各横縞方式のSOFCを作製し、それぞれについて性能試験を実施した。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail based on examples. For the supporting base, the length from the position of the cell Z of the outermost fuel discharge end side to the fuel discharge end is different, namely to produce a SOFC of each multi-segment type different widths for "oxygen inverse diffusion prevention region", performance for each The test was conducted.
図4は作製した各SOFCを示す図である。図4(a)は平面図、図4(b)は左側面図、図4(c)は右側面図である。図4(d)は図4(a)中A−A線断面図で、そのうち表面側を示している。また、図4(e)は、図4(a)中B−B線断面のうち、その右側のセル3個を含む部分を拡大して示した図で、図4(a)、(d)では示すインターコネクタ13、14等の記載は省略している。図4(a)〜(e)のとおり、支持基体2は、9個の燃料流路3を有し、その表裏両面にそれぞれ9個のセル6を備えている。また、各箇所に幅として示す数値は当該箇所におけるmm単位の寸法である。なお、図示は省略しているが、9個の燃料流路3の内径(内直径)はともに1.5mmである。
FIG. 4 is a diagram showing each produced SOFC. 4A is a plan view, FIG. 4B is a left side view, and FIG. 4C is a right side view. FIG.4 (d) is the sectional view on the AA line in Fig.4 (a), and has shown the surface side among them. 4E is an enlarged view of a portion including three cells on the right side of the cross section taken along the line BB in FIG. 4A. FIG. 4A and FIG. In the figure, descriptions of the
図4(d)中、2は支持基体、3は燃料流路、10はアノード、11は電解質、12はカソード、13はインターコネクタである。支持基体2の材料としてNiOとYSZの混合物(重量混合比=1:4)を用い、アノードの材料としてNiOとYSZの混合物(重量混合比=2:3)を用い、電解質11の材料としてYSZを用い、カソード12の材料としてペロブスカイト型酸化物である(La0.6Sr0.4)Co0.2Fe0.8O3を用い、インターコネクタ13の材料としてLa(Ti0.8Nb0.2)O3を用いた。また、14は、インターコネクタ13とカソード12とを接続する部材で、これもインターコネクタであるが、その材料としてはAgを用いた。
In FIG. 4D, 2 is a support substrate, 3 is a fuel flow path, 10 is an anode, 11 is an electrolyte, 12 is a cathode, and 13 is an interconnector. A mixture of NiO and YSZ (weight mixing ratio = 1: 4) is used as the material of the
そして、それらを共通に備え、支持基体2のうち、図4(a)及び(e)中“酸素逆拡散防止域”として示す部分の長さ、つまり“最燃料放出端側セルの位置”から“燃料放出端”までの支持基体の長さをそれぞれ異ならせた以外は、同じSOFCを複数個作製した。その長さ(間隔)を図4(e)中、符号“←X→”として示している。
Then, with them in common, of the
こうして作製した各SOFC〔すなわち、図4(e)中、符号“←X→”として示すように、支持基体2のうち、セルを設けない領域の幅(長さ)が異なる各SOFC〕をそれぞれ、図5(a)〜(b)のようにセットし、カソード側に空気流通機構〔図2(a)参照〕を付設して電気炉中に配置し、燃料として水素を燃料流路に流すとともに、カソード面に空気を流して性能試験を行った。その際、作動温度(運転温度)を750℃、電流密度(I)を0.2A/cm2、燃料利用率(Uf)を75%とそれぞれ一定とした。図5(a)は負荷器等の配置関係を示し、標準抵抗、電圧計Vは電流密度I=0.2A/cm2となるように負荷器をセットするためのものである。図5(b)は前述図4(d)に相当する図で“最燃料放出端側セル”に対する電圧計Vの配置を示している。
Each SOFC manufactured in this way [that is, each SOFC in which the width (length) of the region in which the cell is not provided in the
図6はその結果を示す図である。横軸は各SOFCにおける“酸素逆拡散防止域”の長さX(mm)、縦軸は“最燃料放出端側セルZ”の電圧値を示している。図6のとおり、まず、Xを14mmとしたSOFCでは0.22Vのセル電圧しか得られていない。これは最燃料放出端側のセルZが発電に殆ど関与していないことを示している。そしてこれは、利用済み空気が燃料流路内に逆拡散して流入し、最燃料放出端側のセルZのアノード側に、燃料ではなく、酸素が存在することになったためと解される。
FIG. 6 is a diagram showing the results. The horizontal axis represents the voltage value of the length of the "oxygen inverse diffusion prevention region" X (mm), the vertical axis "uppermost fuel discharge end cell Z" in each SOFC. As shown in FIG. 6, first, a cell voltage of 0.22 V is obtained only with SOFC in which X is 14 mm. This indicates that the cell Z on the most fuel discharge end side is hardly involved in power generation. This is because used air is back-diffused and flows into the fuel flow path, and oxygen, not fuel, is present on the anode side of the cell Z on the most fuel discharge end side.
次に、Xを20mmとしたSOFCでは0.69Vのセル電圧が得られ、最燃料放出端側のセルZが発電に有効に関与していることを示している。これは、その長さの酸素逆拡散防止域により、燃料放出端から最燃料放出端側のセルZにまで逆拡散して流入する利用済み空気の流入が制限され、酸素の影響がほぼ防止されていることを示している。なお、Xがその長さ20mmでは、利用済み空気の燃料流路内への逆拡散流入による幾分の酸素の影響はあるが、その電圧値は当該セルZ以外のセルにおける電圧値に近いと言える。 Next, a cell voltage of 0.69 V is obtained in the SOFC in which X is 20 mm, which indicates that the cell Z on the most fuel discharge end side is effectively involved in power generation. This is because the oxygen back-diffusion prevention zone of that length limits the inflow of used air flowing back from the fuel discharge end to the cell Z on the most fuel discharge end side, and the influence of oxygen is almost prevented. It shows that. When X is 20 mm in length, there is some influence of oxygen due to the back-diffusion flow of used air into the fuel flow path, but the voltage value is close to the voltage value in cells other than the cell Z. I can say that.
また、Xを20mmより長くしたSOFCにおける最燃料放出端側のセルZでのセル電圧は、さらに大きくなり、X=30mmのSOFCでは0.71V、X=40mmのSOFCでは0.74V、X=50mmのSOFCでは0.76V、X=55mmのSOFCでは0.8Vの値を示し、それ以降はほぼ0.8Vの値を示している。 Further, the cell voltage in the cell Z on the most fuel discharge end side in the SOFC in which X is longer than 20 mm is further increased, 0.71 V in the SOFC with X = 30 mm, 0.74 V in the SOFC with X = 40 mm, A SOFC of 50 mm shows a value of 0.76 V, a SOFC of X = 55 mm shows a value of 0.8 V, and thereafter a value of about 0.8 V is shown.
1 SOFC
2 中空短冊状(中空扁平状)の支持基体
3 中空部、燃料流路
4 燃料導入用開口
5 燃料放出用開口
6 支持基体に横縞状に形成された各セル
7 空気導入管
8 空気分配機構
9 空気分配機構8の複数の孔
Z 最燃料放出端側のセル
10 アノード
11 電解質
12 カソード
13、14 インターコネクタ
21 多孔質の円筒状基体管
22 アノード
23 電解質
24 カソード
25 セル
26 インターコネクタ
33 集電リング
1 SOFC
DESCRIPTION OF
Claims (3)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2004365160A JP4767532B2 (en) | 2004-12-16 | 2004-12-16 | Horizontally striped solid oxide fuel cell |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2004365160A JP4767532B2 (en) | 2004-12-16 | 2004-12-16 | Horizontally striped solid oxide fuel cell |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2006172952A JP2006172952A (en) | 2006-06-29 |
JP4767532B2 true JP4767532B2 (en) | 2011-09-07 |
Family
ID=36673464
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2004365160A Expired - Lifetime JP4767532B2 (en) | 2004-12-16 | 2004-12-16 | Horizontally striped solid oxide fuel cell |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP4767532B2 (en) |
Families Citing this family (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP5444022B2 (en) * | 2010-01-28 | 2014-03-19 | 京セラ株式会社 | Horizontally-striped solid oxide fuel cell stack and fuel cell |
JP5401405B2 (en) * | 2010-06-23 | 2014-01-29 | 京セラ株式会社 | Horizontally Striped Solid Oxide Fuel Cell Stack, Horizontally Striped Solid Oxide Fuel Cell Bundle, and Fuel Cell |
JP5457954B2 (en) * | 2010-06-23 | 2014-04-02 | 京セラ株式会社 | Horizontally Striped Solid Oxide Fuel Cell Stack, Horizontally Striped Solid Oxide Fuel Cell Bundle, and Fuel Cell |
JP2012014850A (en) * | 2010-06-29 | 2012-01-19 | Kyocera Corp | Lateral stripe type solid oxide fuel battery cell stack, lateral stripe type solid oxide fuel battery bundle, and fuel battery |
JP6075766B2 (en) * | 2013-03-27 | 2017-02-08 | 京セラ株式会社 | Cell stack device, fuel cell module and fuel cell device |
JP6153068B2 (en) * | 2013-07-12 | 2017-06-28 | Toto株式会社 | Solid oxide fuel cell device |
JP5877269B1 (en) * | 2014-12-11 | 2016-03-02 | 日本碍子株式会社 | Fuel cell stack structure |
Family Cites Families (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2730817B2 (en) * | 1991-12-12 | 1998-03-25 | ワイケイケイ株式会社 | Method for manufacturing solid electrolyte fuel cell |
JPH08185882A (en) * | 1994-12-28 | 1996-07-16 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | Manufacture of solid electrolytic fuel cell |
JPH11111309A (en) * | 1997-10-06 | 1999-04-23 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | Manufacture of solid electrolyte fuel cell |
JP4261927B2 (en) * | 2003-01-29 | 2009-05-13 | 京セラ株式会社 | Solid electrolyte fuel cell and fuel cell |
JP3935086B2 (en) * | 2003-02-17 | 2007-06-20 | 京セラ株式会社 | Fuel cell and fuel cell |
-
2004
- 2004-12-16 JP JP2004365160A patent/JP4767532B2/en not_active Expired - Lifetime
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2006172952A (en) | 2006-06-29 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP6532668B2 (en) | Fuel cell system | |
JP4767532B2 (en) | Horizontally striped solid oxide fuel cell | |
JP4654567B2 (en) | Solid oxide fuel cell and method of operating the same | |
JP5319460B2 (en) | Cell stack device, fuel cell module and fuel cell device | |
JP2009099267A (en) | Solid oxide fuel cell module | |
JP5377271B2 (en) | Cell stack device, fuel cell module and fuel cell device | |
JP4758074B2 (en) | Fuel cell assembly and fuel cell | |
JP5138179B2 (en) | Solid oxide fuel cell with excellent carbon deposition resistance | |
JP5437152B2 (en) | Horizontally-striped solid oxide fuel cell stack and fuel cell | |
JP4814497B2 (en) | Fuel cell | |
EP1675204A2 (en) | Fuel battery | |
JP2011113828A (en) | Cell stack device, fuel cell module, and fuel cell device | |
US20040067408A1 (en) | Fuel cell | |
JP2009054393A (en) | Fuel cell and power generation method | |
JP2006179356A (en) | Horizontally striped solid oxide fuel cell and method for producing the same | |
JP6075766B2 (en) | Cell stack device, fuel cell module and fuel cell device | |
JP2008269986A (en) | Fuel cell | |
JP6450046B1 (en) | Fuel cell and cell stack device | |
JP6467090B1 (en) | Fuel cell and cell stack device | |
US20090075145A1 (en) | Solid oxide type fuel cell | |
JP6731525B2 (en) | Fuel cell device and cell stack device | |
JP6360980B2 (en) | Fuel cell | |
JP6457686B1 (en) | Fuel cell and cell stack device | |
JP6483894B1 (en) | Fuel cell and cell stack device | |
JP2007095583A (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: 20070322 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20091216 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20100105 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20100304 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20110301 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20110421 |
|
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: 20110614 |
|
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: 20110615 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 Ref document number: 4767532 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20140624 Year of fee payment: 3 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |