專利名稱：蜂窩型固體電解質(zhì)燃料電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及將固體電解質(zhì)材料、燃料極材料或空氣極材料的任一種用于結(jié)構(gòu)體的蜂窩型固體電解質(zhì)燃料電池。
背景技術(shù)：
燃料電池，正從使用磷酸水溶液和熔融碳酸鹽等液體基質(zhì)的第一代燃料電池，逐漸步入固體高分子型燃料電池下稱PEFC)和固體電解質(zhì)型燃料電池(下稱SOFC)等第二代。在這些第二代燃料電池中，PEFC使用氟類或烴類高分子電解質(zhì)膜作為電解質(zhì)，存在燃料局限于純氫氣(H2)；要求極窄范圍的溫度控制(65～85℃)；需要電解質(zhì)膜中水分(H2O)含量的精細(xì)控制；大量使用昂貴的鉑催化劑；耐久性只有2000～3000小時的程度；由于不能凍結(jié)，無法在可能凍結(jié)的寒冷地區(qū)使用等許多缺點(diǎn)。
此外，由于燃料局限于純氫氣，需要將現(xiàn)有的社會基礎(chǔ)(天然氣、液化石油氣、石油等)全面地重建為氫氣系統(tǒng)，必須有巨大的社會基礎(chǔ)投資。這些費(fèi)用使氫氣制造成本上升，招致單位發(fā)熱量的單價增加。
還有，工作溫度低，相應(yīng)地排氣溫度也低，所以例如廢熱發(fā)電系統(tǒng)(cogeneration system)中，難以有效回收廢熱，當(dāng)熱需求大于電力需求時需要用昂貴的氫氣燃料助燃，從熱平衡的角度來看，未必成為最理想的節(jié)能系統(tǒng)構(gòu)成，有這樣的缺點(diǎn)。
另外，PEFC局限于昂貴的純氫氣燃料，所以從包含氫氣制造成本的效率的角度看，也難說比現(xiàn)有的熱機(jī)和混合動力型汽車(hybrid car)等有優(yōu)越性。
另一方面，SOFC可使用除純氫氣外多種多樣的烴類燃料，而且具有所有燃料電池中最高的理論發(fā)電效率。但是，以往的SOFC由于使用三氧化二釔穩(wěn)定化二氧化鋯(YSZ)，需要在1000℃的高溫下工作，不僅燃料電池本身，結(jié)構(gòu)體的多數(shù)部分使用耐熱性的陶瓷。因此，為了防止由溫度分布不均引起的熱應(yīng)力造成的損壞，需要啟動數(shù)小時到十?dāng)?shù)小時。另外，也存在無法應(yīng)對急劇的負(fù)荷變化的缺點(diǎn)。
近年來，鈧穩(wěn)定化二氧化鋯(ScSZ)和沒食子酸鑭類固體電解質(zhì)(LSGM)等，在650～800℃具有與1000℃的YSZ同等氧離子傳導(dǎo)性的固體電解質(zhì)被開發(fā)出來，結(jié)構(gòu)體的多數(shù)部分變得可以使用金屬材料，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的自由度不斷地大幅度上升。然而，由于SOFC本身的結(jié)構(gòu)采用圓筒形筒群或者圓盤層積型構(gòu)造，因此，有這樣的缺點(diǎn)，即無法充分降低結(jié)構(gòu)體各部分產(chǎn)生的熱應(yīng)力，無法充分縮短啟動時間。
而且，以往的SOFC，為了維持發(fā)電性能，防止加于材料和結(jié)構(gòu)體的熱應(yīng)力造成的損壞，需要將系統(tǒng)內(nèi)部的溫度均一地保持在約1000℃的高溫狀態(tài)，供給的燃料氣體和空氣都必須和通過文氏管等抽吸的廢氣混合，進(jìn)行強(qiáng)制循環(huán)。因此，有這樣的缺點(diǎn)，即燃料濃度和氧氣濃度都被稀釋，只能在低濃度的狀態(tài)下供給，無法提高燃料電池單位面積的輸出功率密度。
為了更詳細(xì)的說明這些，對于使用圓筒形電池單元的，過去典型的SOFC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能，通過圖7進(jìn)行說明。
燃料從燃料入口61供給，在通過圓筒形的內(nèi)部改性機(jī)構(gòu)62時升溫，到頂部反轉(zhuǎn)，沿燃料極按箭頭63方向流動。含未反應(yīng)燃料的燃料廢氣通過回收管線64后，由燃料入口文氏管65吸入，回到燃料供給管線。剩余的燃料廢氣通過燃料排氣管66，供給燃燒器74。
另一方面，作為氧化劑的空氣，從空氣入口77供給，從空氣集氣管68按箭頭69方向流動時預(yù)熱，到電池單元的頂部反轉(zhuǎn)，沿空氣極70方向流動，為燃料電池供給氧氣。向燃料電池供給了氧氣后的空氣，從空氣排氣管沿箭頭71方向流動，通過空氣入口文氏管72吸回空氣供給管線。剩余的空氣從排氣管沿箭頭73方向流動，在燃燒器74與燃料廢氣混合燃燒，經(jīng)排氣管75從排氣口76排氣。
因?yàn)檫@樣的構(gòu)成，以往的SOFC從冷卻狀態(tài)到可發(fā)電的高溫狀態(tài)，必需在使電池單元整體溫度均一避免熱應(yīng)力引起的損壞的同時，一邊將燃料氣體和空氣進(jìn)行強(qiáng)制循環(huán)，一邊慢慢升溫，所以啟動裝置到達(dá)到全功率的預(yù)熱需要許多時間，存在缺乏便利性的缺點(diǎn)。
此外，以往的SOFC為，燃料側(cè)和空氣側(cè)都使用文氏管吸入廢氣，與供給氣體混合稀釋的狀態(tài)下強(qiáng)制循環(huán)，同時剩余的燃料廢氣和空氣廢氣混合燃燒，排入大氣的構(gòu)造，所以廢氣中還有大量未反應(yīng)的燃料和氧氣，存在無法充分提高發(fā)電效率的缺點(diǎn)。
另一方面，使用固體電解質(zhì)的蜂窩結(jié)構(gòu)燃料電池的例子，有日本專利特開平10-189023號公報(bào)和日本專利特開平11-297343號公報(bào)等。
這些文獻(xiàn)所述的燃料電池，都是使用三氧化二釔穩(wěn)定化二氧化鋯(YSZ)、鈧穩(wěn)定化二氧化鋯(ScSZ)作為固體電解質(zhì)的蜂窩結(jié)構(gòu)體，可是作為相互鄰近的燃料電池的燃料極隔室和空氣極隔室交替放置，形成所謂相間方格紋結(jié)構(gòu)(checker board design)的蜂窩型燃料電池，都沒有設(shè)計(jì)有效除去蜂窩電池內(nèi)部發(fā)熱的方法。因此，蜂窩內(nèi)部熱量集聚，內(nèi)部溫度不斷升高，蜂窩的外周部分則因放熱和冷卻溫度降低，蜂窩中心部分和外周部分之間產(chǎn)生巨大的溫差，會發(fā)生由于該溫差引起的熱應(yīng)力造成蜂窩損壞的情況。
因此，該燃料電池，與圖7所示以往的例子同樣，為了使構(gòu)成燃料電池的蜂窩電池內(nèi)部不產(chǎn)生巨大的熱應(yīng)力，具有燃料氣體和空氣都使用文氏管吸入廢氣，與供給氣體混合，強(qiáng)制循環(huán)稀釋氣體的結(jié)構(gòu)的同時，啟動裝置到達(dá)到正常運(yùn)轉(zhuǎn)的預(yù)熱需要花費(fèi)很長的時間慢慢升溫，存在缺乏便利性的缺點(diǎn)。
另外，由于燃料氣體和空氣都使用文氏管吸入廢氣，混合，強(qiáng)制循環(huán)，因此，存在如下缺點(diǎn)，即循環(huán)燃料氣體中的燃料和循環(huán)空氣中的氧氣都被稀釋，濃度下降，而且廢氣中所含的未反應(yīng)燃料氣體的濃度、未反應(yīng)氧氣濃度增大，不能充分地提高發(fā)電效率，。另外，還有有無法提高單位面積的輸出功率密度的缺點(diǎn)。
本發(fā)明是為了消除上述缺點(diǎn)而完成的，目的是以提供通過均一地冷卻蜂窩內(nèi)部，減小燃料電池內(nèi)外產(chǎn)生的溫差，防止熱應(yīng)力的產(chǎn)生，而且燃料和空氣都不稀釋，直接高濃度地提供燃料電池，同時通過在燃料電池出口的燃料廢氣中的殘留未反應(yīng)燃料和空氣廢氣中的殘留未反應(yīng)氧氣降至足夠低的濃度之前將其利用于發(fā)電，小型大功率，效率高，且啟動特性和負(fù)荷變化特性優(yōu)異的SOFC型燃料電池。
發(fā)明的揭示本發(fā)明是為了實(shí)現(xiàn)上述目的而完成的，提供以下的蜂窩型固體電解質(zhì)燃料電池。
(1)蜂窩型固體電解質(zhì)燃料電池，其特征在于，是由固體電解質(zhì)材料、燃料極材料或空氣極材料的任一種形成的，具有矩形隔室截面的蜂窩結(jié)構(gòu)體構(gòu)成的燃料電池，通過將與構(gòu)成該燃料電池燃料極隔室的室壁相接的隔室作為空氣極隔室，將與燃料極隔室室壁角相接，且與空氣極隔室的室壁相接的隔室作為冷卻空氣隔室，燃料極隔室、空氣極隔室和冷卻空氣隔室各自在縱向和橫向都隔一個隔室排列構(gòu)成。
(2)蜂窩型固體電解質(zhì)燃料電池，其特征在于，是由具有矩形隔室截面的蜂窩結(jié)構(gòu)體構(gòu)成，具有燃料極隔室、空氣極隔室和冷卻空氣隔室，該蜂窩結(jié)構(gòu)體由固體電解質(zhì)材料、燃料極材料或空氣極材料的任一種形成，把通過將與構(gòu)成該燃料極隔室的室壁相接的隔室作為空氣極隔室，將與燃料極隔室室壁角相接，且與空氣極隔室的室壁相接的隔室作為冷卻空氣隔室，燃料極隔室、空氣極隔室和冷卻空氣隔室各自在縱向和橫向都隔一個隔室排列構(gòu)成的燃料電池，堆疊為2層以上的燃料電池電池組，相互連接的蜂窩型燃料電池的燃料極和空氣極通過內(nèi)部連接器(inter-connector)連接，形成串聯(lián)，電流由設(shè)于前述電池組兩頭的集電體導(dǎo)出。
(3)如上述(1)或(2)所述的蜂窩型固體電解質(zhì)燃料電池，其特征在于，蜂窩結(jié)構(gòu)體由固體電解質(zhì)材料構(gòu)成，燃料極隔室是在該蜂窩結(jié)構(gòu)體的隔室內(nèi)表面形成燃料極，空氣極隔室是在與構(gòu)成燃料極隔室的室壁相接的隔室內(nèi)表面形成空氣極。
(4)如上述(1)、(2)或(3)所述的蜂窩型固體電解質(zhì)燃料電池，其特征在于，隔室截面是同一形狀的正方形。
(5)如上述(1)、(2)或(3)所述的蜂窩型固體電解質(zhì)燃料電池，其特征在于，燃料極隔室的隔室截面是正方形，空氣極隔室的隔室截面是以燃料極隔室室壁為長邊的長方形，冷卻空氣隔室的隔室截面是以空氣極隔室的短邊為一邊的正方形或者以空氣極隔室的短邊為直徑的圓形。
(6)如上述(1)～(5)中任一項(xiàng)所述的蜂窩型固體電解質(zhì)燃料電池，其特征在于，具有矩形隔室截面的燃料極隔室、空氣極隔室和冷卻空氣隔室的各個室壁部分或者全部是彎曲或波狀的。
(7)如上述(2)～(6)中任一項(xiàng)所述的蜂窩型固體電解質(zhì)燃料電池，其特征在于位于燃料電池電池組一端的蜂窩型燃料電池的端部連接有，具有燃料極隔室的封閉面，而且空氣極隔室流路和冷卻空氣隔室流路貫穿的第一集電體，該第一集電體上連接冷卻空氣導(dǎo)管貫穿的空氣進(jìn)出單元；位于前述電池組另一端的蜂窩型燃料電池的端部連接有，燃料極隔室流路、空氣極隔室流路和冷卻空氣隔室流路貫穿的第二集電體，該第二集電體上依次連接空氣反轉(zhuǎn)室、燃料供給管貫穿的燃料廢氣集合室，該燃料廢氣集合室連接供給燃料用的燃料供給集氣管；從該燃料廢氣集合室的端面分別貫穿空氣反轉(zhuǎn)室和第二集電體，延伸至燃料極隔室的空氣進(jìn)出側(cè)端面旁的燃料供給管，與隔室內(nèi)表面之間留有間隙地插入在燃料極隔室內(nèi)。
(8)如上述(1)～(7)中任一項(xiàng)所述的蜂窩型固體電解質(zhì)燃料電池，其特征在于，流過冷卻空氣隔室的空氣和流過空氣極隔室的反應(yīng)空氣方向相反，形成對流。
(9)如上述(6)～(8)中任一項(xiàng)所述的蜂窩型固體電解質(zhì)燃料電池，其特征在于，構(gòu)成蜂窩型固體電解質(zhì)燃料電池的蜂窩型燃料電池單體、第一集電體、第二集電體、空氣反轉(zhuǎn)室、燃料廢氣集合室、燃料供給管等結(jié)構(gòu)部件的多個功能部分整體成型，或者接合后形成一體。
(10)如上述(7)所述的蜂窩型固體電解質(zhì)燃料電池，其特征在于，燃料供給管內(nèi)部充填燃料改性催化劑，在燃料供給管內(nèi)進(jìn)行燃料改性。
(11)如上述(1)～(10)中任一項(xiàng)所述的蜂窩型固體電解質(zhì)燃料電池，其特征在于，固體電解質(zhì)為三氧化二釔穩(wěn)定化二氧化鋯(YSZ)、鈧穩(wěn)定化二氧化鋯(ScSZ)、沒食子酸鑭類固體電解質(zhì)(LSGM、LSGMC)或者C12A7(12CaO·7Al2O3)之類具有O-、O2-等離子電導(dǎo)性的固體電解質(zhì)或者傳導(dǎo)H-、H+的固體電解質(zhì)。
附圖的簡單說明

圖1是本發(fā)明實(shí)施例所述的燃料電池的簡略截面圖。
圖2是圖1的I-I部分的簡略截面圖。
圖3是本發(fā)明所述的層積的燃料電池單體在圖1的I-I部分的簡略截面圖。
圖4是使用根據(jù)本發(fā)明制造的層積的燃料電池單體構(gòu)成燃料電池組的一個例子的鳥瞰示意圖。
圖5是本發(fā)明其他實(shí)施方式的燃料電池的簡略隔室截面圖。
圖6是本發(fā)明其他別的實(shí)施方式的燃料電池的簡略隔室截面圖。
圖7是根據(jù)以往技術(shù)制造的SOFC系統(tǒng)圖兼截面圖。
(標(biāo)記的說明)1 蜂窩結(jié)構(gòu)體 2 燃料極3 燃料極隔室 4 空氣極5 空氣極隔室 6 冷卻空氣隔室13 內(nèi)部連接器部分 15 空氣極內(nèi)部連接器部分
16 燃料極內(nèi)部連接器部分 17 蜂窩燃料電池17a 第1段蜂窩燃料電池17b 第2段蜂窩燃料電池17n 第n段蜂窩燃料電池18 層積型蜂窩燃料電池25 空氣進(jìn)出側(cè)端面 26 空氣進(jìn)出側(cè)集電絕緣單元29 第一集電體 30 絕緣體31 空氣進(jìn)出單元 32 冷卻空氣導(dǎo)管33 空間 34 排氣口35 集氣管部分 37 燃料供給側(cè)端面38 第二集電體 39 絕緣體40 燃料供給側(cè)集電絕緣單元 41 燃料供給側(cè)端面42 燃料極導(dǎo)管 43 空氣反轉(zhuǎn)室44 空氣反轉(zhuǎn)單元 45 端面46 燃料供給管 47 燃料廢氣集合室48 燃料廢氣出 49 燃料廢氣單元51 燃料入口側(cè)端面 52 燃料供給集氣管61 燃料入口 62 內(nèi)部改性機(jī)構(gòu)64 回收管線 65 燃料入口文氏管66 燃料排氣管 67 空氣入口68 空氣集氣管 70 空氣極71 空氣排氣管 72 空氣入口文氏管74 燃燒器 75 排氣管76 排氣口 77 空氣入口實(shí)施發(fā)明的最佳方式參照圖1到圖3進(jìn)一步說明與本發(fā)明相關(guān)的蜂窩型固體電解質(zhì)燃料電池的構(gòu)造和功能。但是，以下的圖解是為了讓對本發(fā)明相關(guān)的燃料電池的理解變得容易而示例的，本發(fā)明并不局限于此。本發(fā)明中，蜂窩結(jié)構(gòu)體(以下亦稱蜂窩)，能夠用固體電解質(zhì)材料、燃料極材料或空氣極材料的任一種形成，但是一般固體電解質(zhì)材料是優(yōu)選的。由燃料極材料或空氣極材料形成蜂窩結(jié)構(gòu)體的情況，除了燃料極或反應(yīng)空氣極中某一個形成電解質(zhì)膜和電極膜的2重膜結(jié)構(gòu)這一點(diǎn)外，都是相同的，所以，以下的說明都根據(jù)由固體電解質(zhì)形成蜂窩結(jié)構(gòu)體的例子進(jìn)行。
與本發(fā)明相關(guān)的固體電解質(zhì)燃料電池，如圖1所示，其特征為在具有矩形截面兩端開口的固體電解質(zhì)蜂窩的內(nèi)表面，通過包覆或接合后燒結(jié)成一體形成燃料極2，構(gòu)成燃料極隔室3(圖中以記號(a)表示)，在與構(gòu)成該燃料極隔室3的室壁相接的隔室的內(nèi)表面，通過包覆或接合后燒結(jié)成一體形成空氣極4，構(gòu)成空氣極隔室5(圖中以記號(b)表示)，將與構(gòu)成該燃料極隔室3的室壁角相接，且與位于該角兩側(cè)的空氣極隔室5的室壁相接的隔室作為冷卻空氣隔室6(圖中以記號(c)表示)。
通過形成這樣的結(jié)構(gòu)，形成燃料極隔室3、空氣極隔室5和冷卻空氣隔室6各自在縱向和橫向都隔一個隔室隊(duì)列狀排列的陣列，可以在蜂窩1中得到如圖1所示的前述隔室的規(guī)則的排列。
通過這樣的燃料極隔室3、空氣極隔室5和冷卻空氣隔室6的設(shè)置，燃料極隔室3中構(gòu)成隔室的室壁全部與空氣極隔室5相接，另一方面，冷卻空氣隔室6的室壁同樣全部與空氣極隔室5相接，因此可以確保能夠?qū)⒎涓C1連內(nèi)部都均勻冷卻的冷卻流路。圖1中，將截面為矩形或正方形的隔室呈圍棋棋盤狀排列，但隔室截面也可以做成菱形。在這里，隔室截面是與蜂窩1的各隔室通道垂直的截面。另外，蜂窩1的截面形狀也并不局限于示例的矩形。
圖2，是圖1中I-I的截面。燃料在燃料極隔室3從圖2的箭頭7向箭頭8方向流動，另一方面，反應(yīng)空氣與燃料流動方向相反，從箭頭9向箭頭10方向流動，形成對流，籍此可以使燃料入口側(cè)到出口側(cè)局部化的電動勢均一化。
另外，流過冷卻空氣隔室6的空氣，為了有效地冷卻由于內(nèi)部發(fā)熱引起溫度上升的燃料極隔室3和空氣極隔室5，使其與反應(yīng)空氣相反從箭頭11向箭頭12方向流動為佳。
在這樣的隔室構(gòu)造中，燃料極2中，在該燃料極的蜂窩1一端面?zhèn)?圖2中的右側(cè))，沿著燃料極隔室3的室壁端延伸，設(shè)置四方凸緣型的燃料極內(nèi)部連接器部分16，同時將蜂窩體1另一端面?zhèn)容^蜂窩1全長縮短長度X。另外，空氣極4中，與燃料極3相反，在蜂窩1另一端面?zhèn)?，沿著空氣極隔室4的室壁端延伸，設(shè)置四方凸緣型的空氣極內(nèi)部連接器部分15，將蜂窩體1一端面?zhèn)容^蜂窩體1全長縮短長度Y。通過照這樣形成燃料極2和空氣極4，可以構(gòu)成蜂窩燃料電池17。
長度X和長度Y，考慮蜂窩的材質(zhì)、燃料的導(dǎo)電性來決定最佳長度，大概0.5～5.0mm為佳。通過在燃料極隔室3和空氣極隔室5中，根據(jù)前述范圍，這樣分別設(shè)定不形成燃料極2和空氣極4的區(qū)域(長度X和長度Y)，在后述層積多個蜂窩燃料電池17時，保證了相接的蜂窩燃料電池17的同極(燃料極和燃料極或空氣極和空氣極)之間的電絕緣。
蜂窩燃料電池17的前述內(nèi)部連接器部分15和16，可以各自使用與燃料極2和空氣極4同樣的構(gòu)成材料。但是，鄰接燃料極隔室3的一面是強(qiáng)還原環(huán)境，另一方面，鄰接空氣極隔室5的一面是強(qiáng)氧化環(huán)境，所以對氧化和還原都有耐受性的材料是優(yōu)選的。這樣的材料，可以使用例如LaCrO3、La0.8Ca0.2CrO3、La0.7Sr0.3CrO3等氧化物類材料；金(Au)或銀(Ag)等貴金屬；鉻鎳鐵合金、不銹鋼等耐熱鋼。
圖3，表示本發(fā)明所述的固體電解質(zhì)燃料電池的應(yīng)用例的構(gòu)造和功能。第1段蜂窩燃料電池17a的空氣極內(nèi)部連接器部分15a和第2段蜂窩燃料電池17b的燃料極內(nèi)部連接器部分16b層積連接，以下同樣操作，通過n段層積，能夠得到n段蜂窩燃料電池17串聯(lián)的層積型蜂窩燃料電池18。
位于層積面的空氣極內(nèi)部連接器15a和燃料極內(nèi)部連接器16b的連接部分，通過壓接或接合一體化，形成內(nèi)部連接器部分13(參照圖3)。
還有，空氣極內(nèi)部連接器部分15和燃料極內(nèi)部連接器部分16層積的層積方法，可以是與圖3所示構(gòu)成左右相反的結(jié)構(gòu)，即層積型蜂窩燃料電池18的左端面露出燃料極內(nèi)部連接器部分16n，右端面露出空氣極內(nèi)部連接器部分15a的結(jié)構(gòu)。
供給該層積型蜂窩燃料電池18的燃料，從圖3所示IIIa面?zhèn)妊丶^19的方向供給到燃料極隔室(a)內(nèi)，在燃料極通過電化學(xué)反應(yīng)生成的水蒸氣(H2O)、未反應(yīng)氫氣(H2)、二氧化碳(CO2)和氮?dú)?N2)的混合氣體，或者水蒸氣、未反應(yīng)氫氣和二氧化碳的混合氣體沿箭頭20流出。
另一方面，用于冷卻層積型蜂窩燃料電池18內(nèi)部的冷卻空氣，從與燃料流入方向相同的IIIa面?zhèn)妊丶^21的方向供給到冷卻空氣隔室(c)內(nèi)，冷卻冷卻空氣隔室室壁，自身溫度升高。冷卻室壁后的空氣，從端面IIIb沿箭頭22方向流出。
從箭頭22流出的高溫空氣反轉(zhuǎn)方向，沿從端面IIIb向箭頭23的方向流入空氣極隔室(b)內(nèi)，供給空氣極4氧氣，氧氣濃度降低的同時，從空氣極隔室(b)的端面IIIa沿箭頭24方向流出。
還有，層積蜂窩燃料電池17形成的層積型蜂窩燃料電池18的層積層數(shù)，考慮構(gòu)成蜂窩燃料電池17的隔室長度、必要的輸出電壓、選定的電解質(zhì)材料、蜂窩的隔室大小、燃料廢氣中未反應(yīng)燃料的比例、系統(tǒng)整體的熱平衡以及系統(tǒng)整體的經(jīng)濟(jì)性，決定最適合的層數(shù)。所以，層積型蜂窩燃料電池18的層積層數(shù)非特定，但通常為3～10層。
用于蜂窩1的固體電解質(zhì)材料，可以例舉三氧化二釔穩(wěn)定化二氧化鋯(YSZ)、鈧穩(wěn)定化二氧化鋯(ScSZ)、沒食子酸鑭類固體電解質(zhì)材料(LSGM、LSGMC)或者C12A7(12CaO·7Al2O3)等。更具體地，LSGM可列舉，La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.2Ox和La0.9Sr0.1Ga0.8Mg0.2Ox，另外，LSGMC可列舉，La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.15Co0.05Ox和La0.9Sr0.1Ga0.8Mg0.15Co0.05Ox。而且，YSZ可以優(yōu)選地使用例如ZrO2中摻入Y2O3的8摩爾％的Y2O3·ZrO2等，ScSZ可以優(yōu)選地使用例如8摩爾％的Sc2O3·3ZrO2等。這些都是具有O-、O2-離子傳導(dǎo)性的物質(zhì)，近年來不斷研究的具有傳導(dǎo)H-、H+離子傳導(dǎo)性的物質(zhì)也包含在本發(fā)明定義的固體電解質(zhì)材料之內(nèi)。
另外，電極膜材料，可以使用公知的或眾所周知的材料。作為各自優(yōu)選的材料，可以列舉例如用于陽極(燃料極)的Ni和Ni金屬陶瓷，用于陰極(空氣極)的LaMnO3、La0.8Sr0.2MnO3、LaCoO3、La0.5Sr0.5CoO3等。
還有，根據(jù)圖1到圖3的說明，構(gòu)成蜂窩1的材料全都是固體電解質(zhì)材料，但是可以用空氣極材料構(gòu)成蜂窩1，在燃料極隔室的內(nèi)表面先包覆或接合電解質(zhì)材料，再包覆或接合燃料極材料形成2層。另外，也可以用燃料極材料構(gòu)成蜂窩1，在空氣極隔室的內(nèi)表面先包覆或接合電解質(zhì)材料，再包覆或接合空氣極材料形成2層。
(實(shí)施例)根據(jù)圖4對本發(fā)明所述的固體電解質(zhì)燃料電池的實(shí)施例進(jìn)行進(jìn)一步的說明。還有，層積型蜂窩燃料電池18在圖1至圖3中是由5行×5列的隔室構(gòu)成的蜂窩結(jié)構(gòu)體，而圖4中是更接近實(shí)用機(jī)型的7行×7列的構(gòu)造，除此之外的構(gòu)造和功能，與用圖1至圖3說明的內(nèi)容實(shí)質(zhì)上完全相同。
另外，圖4是上下2段分開的圖，這是為了方便圖的放置而分成2段的，實(shí)際上所有的部分在一條中心線上串聯(lián)連接。
層積型蜂窩燃料電池18中，空氣進(jìn)出側(cè)端面25與只封閉燃料流路部分的蜂窩狀空氣進(jìn)出側(cè)集電絕緣單元26沿箭頭28方向連接成一體。
具有第一集電體29和絕緣體30的空氣進(jìn)出側(cè)集電絕緣單元26，還在其上游側(cè)連接空氣進(jìn)出單元31。該空氣進(jìn)出單元31，具有與冷卻空氣隔室6(參照圖1)連通的冷卻空氣導(dǎo)管32貫穿的空間33和排氣口34，來自燃料電池的廢氣從排氣口34沿箭頭54方向排出。
冷卻空氣沿箭頭36供給集氣管部分35，在連通集氣管部分35的冷卻空氣導(dǎo)管32中大致均等分配，通過集電絕緣單元26，供給層積型蜂窩燃料電池18。
另一方面，在層積型蜂窩燃料電池18的燃料供給側(cè)端面37，連接隔室貫穿的，具有與層積型蜂窩燃料電池18同樣隔室截面形狀的，具有第二集電體38和絕緣體39的燃料供給側(cè)集電絕緣單元40。在集電絕緣單元40的燃料供給側(cè)端面41，連接具有與燃料極隔室連通的燃料極導(dǎo)管42貫穿的空氣反轉(zhuǎn)室43的空氣反轉(zhuǎn)單元44，通過了冷卻空氣隔室的空氣，在空氣反轉(zhuǎn)室43集中后，反轉(zhuǎn)，流入空氣極隔室。
另外，在空氣反轉(zhuǎn)單元44的端面45連接燃料廢氣單元49。該燃料廢氣單元49，具有燃料供給管46、燃料廢氣集合室47和燃料廢氣出口48。前述燃料供給管46貫穿了貫穿空氣反轉(zhuǎn)單元44的燃料極導(dǎo)管42、連通集電絕緣單元40的燃料極和層積型蜂窩燃料電池18的燃料極隔室，與燃料極之間有適度的空隙，延伸至層積型蜂窩燃料電池18的空氣進(jìn)出側(cè)端面25附近。
燃料廢氣，在層積型蜂窩燃料電池18的空氣進(jìn)出側(cè)端面25反轉(zhuǎn)，通過燃料供給管46和燃料極2(參照圖1)的間隙，在其間與反應(yīng)空氣反應(yīng)進(jìn)行發(fā)電。結(jié)束發(fā)電的燃料廢氣，在燃料廢氣集合室47集中后，從燃料廢氣出口48沿箭頭50方向排出。另外，在燃料廢氣集合室47的燃料入口側(cè)端面51連接燃料供給集氣管52，沿箭頭53向燃料供給集氣管52內(nèi)供給的燃料在該燃料供給集氣管52大致均等分配，供給燃料供給管46。還有，在燃料供給管46內(nèi)部填充燃料改性催化劑，例如以陶瓷基質(zhì)分散擔(dān)載的Ni催化劑，由該催化劑將通過燃料供給管內(nèi)的燃料氣體改性為H2和CO的混合氣體，從而能夠無碳(C)析出地，供給燃料極改性氣體。
沿箭頭54排出的廢空氣和沿箭頭50排出的燃料廢氣，通過未圖示的管道或結(jié)構(gòu)空間，在未圖示的燃燒器中混合燃燒后，排入大氣。
還有，在燃燒器中混合燃燒后的廢氣，可以通過未圖示的熱交換器預(yù)熱冷卻空氣，實(shí)現(xiàn)熱回收。此外，在燃燒器中混合燃燒后的廢氣，通過由空氣壓縮機(jī)和渦輪組成的未圖示的氣輪機(jī)加壓冷卻空氣，將系統(tǒng)整體保持在加壓狀態(tài)，可以實(shí)現(xiàn)發(fā)電效率的提高和密集化。
另外，在如圖4所示的固體電解質(zhì)燃料電池中，蜂窩型燃料電池單體、第一集電體、第二集電體、空氣反轉(zhuǎn)室、燃料廢氣集合室、燃料供給管等構(gòu)成固體電解質(zhì)燃料電池的功能部分可以作為分開的部件制作，對于能夠?qū)⒍鄠€功能部分一體成型，或者接合成一體的，可以不作為分開的部件制作，合理地整合。
此外，本例說明的是，如圖1所示，冷卻空氣隔室、燃料極隔室、空氣極隔室全部具有相同截面形狀的正方形蜂窩，但是只要是這些隔室能夠達(dá)到本發(fā)明目的的形狀，沒有必要所有的隔室截面都相同。例如，如圖5所示，隔室截面可以根據(jù)隔室的種類a、b、c改變。即，可以將燃料極隔室3的隔室截面做成正方形，將空氣極隔室5的隔室截面做成以燃料極隔室3的室壁為長邊的長方形，將冷卻空氣隔室6的隔室截面做成以該空氣極隔室5短邊為邊長的正方形或者以該空氣極隔室5短邊為直徑的圓形。還有，圖5的I-I部分的截面圖中，除了隔室大小根據(jù)隔室的種類不同外與圖2實(shí)質(zhì)上都相同，所以省略了圖示。
通過將蜂窩1的隔室截面這樣根據(jù)隔室的種類改變，使燃料極隔室3的隔室截面或者容積相對變大，可以提高燃料電池的單位容積的輸出。增大燃料極隔室3隔室截面的結(jié)果，使空氣極隔室5和冷卻空氣隔室6的各隔室截面較之燃料極隔室3縮小，尤其是冷卻空氣隔室6的隔室截面縮小。但是，根據(jù)冷卻空氣隔室6的溫度分布分析和實(shí)驗(yàn)，能夠?qū)崿F(xiàn)冷卻空氣隔室6的截面在不影響燃料電池的工作的范圍內(nèi)縮小。
此外，如圖6所示的一例，可以將隔室截面做成矩形隔室各邊的一部分或全部呈彎曲或者波狀的變形矩形。另外，也可以將該變形矩形和圖5所示的異形矩形結(jié)合。通過這樣增加蜂窩1的隔室截面的電極面積，可以進(jìn)一步提高燃料電池單位容積的輸出。
產(chǎn)業(yè)上利用的可能性如以上說明，根據(jù)本發(fā)明，沒有像如圖7所示以往的技術(shù)那樣，燃料和反應(yīng)用空氣都是通過吸入廢氣和燃料廢氣稀釋后，循環(huán)使用，所以可以使用濃度高的燃料和氧氣濃度高的空氣，提高單位容積的發(fā)電輸出，使其小型化、輕型化。
另外，可以大幅降低從燃料電池排出的燃料廢氣中的未反應(yīng)燃料濃度和排出的空氣中的氧氣濃度，而且吸收了蜂窩內(nèi)部產(chǎn)生的熱量溫度上升的冷卻空氣反轉(zhuǎn)方向送往空氣極隔室，作為用做燃料電池運(yùn)作的反應(yīng)用空氣，進(jìn)行熱回收，大幅提高發(fā)電效率。
此外，因?yàn)槟軌蚓焕鋮s到蜂窩內(nèi)部，蜂窩內(nèi)部和蜂窩外周部分的溫度差消失，可以大幅降低熱應(yīng)力，所以能夠快速啟動，而且對劇烈的負(fù)荷變化也能迅速適應(yīng)。
還有，和圖7所示的以往技術(shù)一樣，因?yàn)轵?qū)動文氏管，燃料氣體和空氣壓力損失降低，可以將運(yùn)行燃料電池的所需動力控制在最低限度。
權(quán)利要求
1.蜂窩型固體電解質(zhì)燃料電池，它是由固體電解質(zhì)材料、燃料極材料或空氣極材料的任一種形成的，具有矩形隔室截面的蜂窩結(jié)構(gòu)體構(gòu)成的燃料電池，其特征在于，通過將與構(gòu)成該燃料電池燃料極隔室的室壁相接的隔室作為空氣極隔室，將與燃料極隔室的室壁角相接、且與空氣極隔室的室壁相接的隔室作為冷卻空氣隔室，燃料極隔室、空氣極隔室和冷卻空氣隔室各自在縱向和橫向都隔一個隔室排列構(gòu)成。
2.蜂窩型固體電解質(zhì)燃料電池，其特征在于，由具有矩形隔室截面的蜂窩結(jié)構(gòu)體構(gòu)成，具有燃料極隔室、空氣極隔室和冷卻空氣隔室，該蜂窩結(jié)構(gòu)體由固體電解質(zhì)材料、燃料極材料或空氣極材料的任一種形成，把通過將與構(gòu)成前述燃料極隔室的室壁相接的隔室作為空氣極隔室，將與燃料極隔室室壁角相接、且與空氣極隔室的室壁相接的隔室作為冷卻空氣隔室，燃料極隔室、空氣極隔室和冷卻空氣隔室各自在縱向和橫向都隔一個隔室排列構(gòu)成的燃料電池堆疊為2層以上的燃料電池的電池組，相互連接的蜂窩型燃料電池的燃料極和空氣極通過內(nèi)部連接器連接，形成串聯(lián)，電流由設(shè)于前述電池組兩端部的集電體導(dǎo)出。
3.如權(quán)利要求1或2所述的蜂窩型固體電解質(zhì)燃料電池，其特征在于，蜂窩結(jié)構(gòu)體由固體電解質(zhì)材料構(gòu)成，燃料極隔室是在該蜂窩結(jié)構(gòu)體的隔室內(nèi)表面形成燃料極，空氣極隔室是在與構(gòu)成燃料極隔室的室壁相接的隔室內(nèi)表面形成空氣極。
4.如權(quán)利要求1～3中任一項(xiàng)所述的蜂窩型固體電解質(zhì)燃料電池，其特征在于，隔室截面是同一形狀的正方形。
5.如權(quán)利要求1～3中任一項(xiàng)所述的蜂窩型固體電解質(zhì)燃料電池，其特征在于，燃料極隔室的隔室截面是正方形，空氣極隔室的隔室截面是以燃料極隔室室壁為長邊的長方形，冷卻空氣隔室的隔室截面是以空氣極隔室的短邊為一邊的正方形或者以短邊為直徑的圓形。
6.如權(quán)利要求1～5中任一項(xiàng)所述的蜂窩型固體電解質(zhì)燃料電池，其特征在于，具有矩形隔室截面的燃料極隔室、空氣極隔室和冷卻空氣隔室的各個室壁部分或者全部是彎曲或波狀的。
7.如權(quán)利要求2～6中任一項(xiàng)所述的蜂窩型固體電解質(zhì)燃料電池，其特征在于，位于燃料電池電池組一端的蜂窩型燃料電池的端部連接有具備燃料極隔室的封閉面、且空氣極隔室流路和冷卻空氣隔室流路貫穿的第一集電體，該第一集電體上連接了冷卻空氣導(dǎo)管貫通的空氣進(jìn)出單元；位于前述電池組另一端的蜂窩型燃料電池的端部連接有燃料極隔室流路、空氣極隔室流路和冷卻空氣隔室流路貫穿的第二集電體，該第二集電體上依次連接了空氣反轉(zhuǎn)室及燃料供給管貫穿的燃料廢氣集合室，該燃料廢氣集合室連接了供給燃料用的燃料供給集氣管；從該燃料廢氣集合室的端面分別貫穿空氣反轉(zhuǎn)室和第二集電體，延伸至燃料極隔室的空氣進(jìn)出側(cè)端面旁的燃料供給管，與燃料極隔室的隔室內(nèi)表面之間留有間隙地插入在燃料極隔室內(nèi)。
8.如權(quán)利要求1～7中任一項(xiàng)所述的蜂窩型固體電解質(zhì)燃料電池，其特征在于，流過冷卻空氣隔室的空氣和流過空氣極隔室的反應(yīng)空氣方向相反，形成對流。
9.如權(quán)利要求7或8所述的蜂窩型固體電解質(zhì)燃料電池，其特征在于，構(gòu)成蜂窩型固體電解質(zhì)燃料電池的蜂窩型燃料電池單體、第一集電體、第二集電體、空氣反轉(zhuǎn)室、燃料廢氣集合室、燃料供給管等結(jié)構(gòu)部件的多個功能部分整體成型，或者接合后形成一體。
10.如權(quán)利要求7所述的蜂窩型固體電解質(zhì)燃料電池，其特征在于，燃料供給管內(nèi)部充填燃料改性催化劑，在燃料供給管內(nèi)進(jìn)行燃料改性。
11.如權(quán)利要求1～10中任一項(xiàng)所述的蜂窩型固體電解質(zhì)燃料電池，其特征在于，固體電解質(zhì)為三氧化二釔穩(wěn)定化二氧化鋯(YSZ)、鈧穩(wěn)定化二氧化鋯(ScSZ)、沒食子酸鑭類固體電解質(zhì)或者C12A7(12CaO·7Al2O3)之類具有O-、O2-等的離子電導(dǎo)性的固體電解質(zhì)或者傳導(dǎo)H-、H+的固體電解質(zhì)。
12.如權(quán)利要求11所述的蜂窩型固體電解質(zhì)燃料電池，其特征在于，沒食子酸鑭類固體電解質(zhì)為La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.2Ox、La0.9Sr0.1Ga0.8Mg0.2Ox、La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.15Co0.05Ox或La0.9Sr0.1Ga0.8Mg0.15Co0.05Ox。
全文摘要
提供小型的、大輸出、高效率，而且有優(yōu)良啟動特性和負(fù)荷變化特性的SOFC型燃料電池。由具有矩形隔室截面的蜂窩結(jié)構(gòu)體構(gòu)成，通過將與構(gòu)成燃料極隔室(a)的室壁相接的隔室作為空氣極隔室(b)，將與該燃料極隔室室壁角相接，且與空氣極隔室的室壁相接的隔室作為冷卻空氣隔室(c)，燃料極隔室、空氣極隔室和冷卻空氣隔室各自在縱向和橫向都隔一個隔室呈列狀排列構(gòu)成的蜂窩型固體電解質(zhì)燃料電池。
文檔編號H01M8/06GK1757129SQ20048000600
公開日2006年4月5日 申請日期2004年3月12日 優(yōu)先權(quán)日2003年3月14日
發(fā)明者鳥山彰 申請人:鳳凰智囊團(tuán)有限公司