專利名稱：單室型固體氧化物燃料電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及單室型固體氧化物燃料電池。
背景技術(shù)：
固體氧化物燃料電池(solid oxide fuel cell: SOFC )具備將燃料極(氫 電極)和空氣極(氧電極)與由固體氧化物構(gòu)成的電解質(zhì)接合(形成)的 固體氧化物燃料電池單元(單元)。該燃料電池通過向單元中供給燃料氣體 和空氣等而產(chǎn)生電力。由于該燃料電池在高溫下動作，所以不使用貴金屬 也能夠得到高輸出和高發(fā)電效率。
然而，用隔板把燃料極和空氣極隔開，向燃料極側(cè)供給燃料氣體、向 空氣極側(cè)供給空氣等所謂的雙室型固體氧化物燃料電池由于具有隔板等而 導(dǎo)致結(jié)構(gòu)復(fù)雜。
與此相對，單室型固體氧化物燃料電池不用隔板將固體氧化物電解質(zhì) 中形成的燃料極和空氣極隔開，而是配置在氫或曱烷等燃料氣體和空氣等 混合的環(huán)境內(nèi)來產(chǎn)生電力。
這種單室型固體氧化物燃料電池例如在日本特開2002-280015號7>才艮、 曰本特開2002-280017號公才艮、日本特開2002-313357號公才艮所公開。
單室型固體氧化物燃料電池由于不需要隔板，所以能夠?qū)崿F(xiàn)結(jié)構(gòu)簡單 且便宜的燃料電池。
但由于使用固體氧化物作為電解質(zhì)的燃料電池在高溫環(huán)境中產(chǎn)生電 力，所以若不將單元配置于例如攝氏500度到1000度以上的高溫環(huán)境中， 則不產(chǎn)生電力。因此，現(xiàn)有的單室型固體氧化物燃料電池與雙室型固體氧 化物燃料電池同樣地，需要用于實現(xiàn)高溫環(huán)境的加熱器等加熱機構(gòu)和使其 動作的能量源，結(jié)構(gòu)的簡化受到限制。
在將單室型固體氧化物燃料電池與內(nèi)燃機或外燃機等組合而構(gòu)成能量 源的混合系統(tǒng)中，需要內(nèi)燃機等的燃料和燃料電池的燃料氣體這兩者。因 此，結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，導(dǎo)致制造成本、運行成本等上升。由于該混合系統(tǒng)需要對燃燒廢氣進行凈化的裝置，所以結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，成本上升。

發(fā)明內(nèi)容
因此，為了解決上述各問題，本發(fā)明提供一種單室型固體氧化物燃料 電池，其不使用加熱器等而能夠?qū)崿F(xiàn)用于使單元發(fā)電的高溫環(huán)境(發(fā)電開 始溫度以上的高溫環(huán)境)。
本發(fā)明的目的在于提供一種單室型固體氧化物燃料電池，其不使用內(nèi) 燃機等的燃料以外的燃料而能夠利用燃料電池得到電力。
而且，本發(fā)明的目的在于提供一種能夠以簡單結(jié)構(gòu)實現(xiàn)便宜的混合系 統(tǒng)的單室型固體氧化物燃料電池。
另外，本發(fā)明的目的在于提供一種單室型固體氧化物燃料電池，優(yōu)選 能夠凈化內(nèi)燃機等的燃燒廢氣，且能夠進一 步簡化結(jié)構(gòu)和降低成本。
為了達到上述目的，本發(fā)明的單室型固體氧化物燃料電池包括導(dǎo)入 燃燒廢氣的廢氣導(dǎo)入部；使從所述廢氣導(dǎo)入部導(dǎo)入的所述燃燒廢氣流經(jīng)的 燃料電池單元收納部；將流經(jīng)所述燃料電池單元收納部的所述燃燒廢氣排 出的廢氣排出部；配置在所述燃料電池單元收納部的內(nèi)部、且將燃料極和 空氣極與由固體氧化物構(gòu)成的電解質(zhì)接合的固體氧化物燃料電池單元。
因此，本發(fā)明的單室型固體氧化物燃料電池利用從廢氣導(dǎo)入部向燃料 電池單元收納部導(dǎo)入并向廢氣排出部排出的高溫廢氣，將固體氧化物燃料 電池單元加熱到例如攝氏500度到1000度以上的發(fā)電開始溫度以上。因此， 不需要另外使用加熱器等加熱機構(gòu)就能夠利用所述燃料電池單元產(chǎn)生電 力。
這樣暴露在高溫燃燒廢氣中的所述燃料電池單元的空氣極與燃燒廢氣 中的空氣等進行反應(yīng)，生成作為燃料電池進行動作所需要的離子(例如氧 離子)。
生成的離子在所述燃料電池單元的固體氧化物電解質(zhì)內(nèi)從空氣極向燃 料極移動，在燃料極與燃燒廢氣所包含的CHx或COx等進行反應(yīng)，生成二 氧化碳(C02)或水(H20)。將如此生成的二氧化碳或水(水蒸氣)與燃 燒廢氣一并排出到外部。
因此，本發(fā)明的單室型固體氧化物燃料電池，能夠減少燃燒廢氣所包 含的甲烷氣體等CHx (碳?xì)浠衔?或一氧化碳等COx (碳氧化物)，凈化燃燒廢氣。
這樣，本發(fā)明的單室型固體氧化物燃料電池被燃燒廢氣的熱能加熱，
將燃燒廢氣中的CHx或COx等作為燃料氣體利用，從而作為燃料電池進行 動作。此時，上述單室型固體氧化物燃料電池能夠減少燃燒廢氣中的CHx 或COx等，凈化燃燒廢氣。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明的單室型固體氧化物燃料電池，由于不使用加 熱器等而利用燃燒廢氣的熱能來實現(xiàn)發(fā)電開始溫度以上的高溫環(huán)境，所以 能夠簡化結(jié)構(gòu)和降低成本。
根據(jù)本發(fā)明的單室型固體氧化物燃料電池，由于固體氧化物燃料電池 單元使用例如內(nèi)燃機等的燃燒廢氣來產(chǎn)生電力，所以能夠?qū)崿F(xiàn)混合系統(tǒng)的 簡單化和降低成本。
根據(jù)本發(fā)明的單室型固體氧化物燃料電池，由于固體氧化物燃料電池 單元可凈化例如內(nèi)燃機等的燃燒廢氣，所以能夠進一步實現(xiàn)混合系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 的簡單化和降低成本。
所述固體氧化物燃料電池單元包括第一固體氧化物燃料電池單元， 其配置在所述燃料電池單元收納部的內(nèi)部；第二固體氧化物燃料電池單元， 其配置在所述第一固體氧化物燃料電池單元的所述燃燒廢氣流向的下游 側(cè)，且具有比所述第一固體氧化物燃料電池單元低的發(fā)電開始溫度。


圖1是表示本發(fā)明一實施例的單室型固體氧化物燃料電池的剖面結(jié)構(gòu) 的一例的圖2是表示圖1的實施例的變形例的圖。
具體實施例方式
以下，根據(jù)圖1說明本發(fā)明一實施例的單室型固體氧化物燃料電池。 首先說明單室型固體氧化物燃料電池的結(jié)構(gòu)。
單室型固體氧化物燃料電池10具有廢氣流路部20和固體氧化物燃 料電池單元30。廢氣流路部20具有廢氣導(dǎo)入部21，其導(dǎo)入例如汽油發(fā) 動機等發(fā)動機(未圖示)的燃燒廢氣40;燃料電池單元收納部22,其收納 固體氧化物燃料電池單元30并使燃燒廢氣40流經(jīng)；廢氣排出部23,其排出流經(jīng)燃料電池單元收納部22內(nèi)部的燃燒廢氣40。
固體氧化物燃料電池單元30例如具有形成長方形平板狀的固體氧化物 電解質(zhì)31。固體氧化物電解質(zhì)31的一個表面形成有空氣極32,另一個表 面形成有燃料極33。作為燃燒廢氣40，從發(fā)動機排出的燃燒廢氣40導(dǎo)入 到廢氣導(dǎo)入部21。
接著說明固體氧化物燃料電池單元30的構(gòu)成材料。
固體氧化物電解質(zhì)31例如能夠利用8mo1-YSZ(氧化釔穩(wěn)定化氧化鋯)、 5mol-YSZ、 SDC (氧化鈧摻雜二氧化鈰)、GDC (釓摻雜二氧化鈰)或ScSZ (氧化鈧穩(wěn)定化氧化鋯)等形成。
空氣極32例如能夠利用LSM (，7夕7只卜口7，々厶7;/方、大4 卜錳酸鑭鍶)或LSC (，7夕>久卜口>*々厶- /《A夕4卜鈷酸鍶 鑭)等形成。
燃料才及33例如能夠利用NiO+YSZ、 NiO+SDC、 NiO+GDC、 LSCM (， 7夕7X卜口乂f々厶；i 乂《A卜7 乂力'大J卜錳酸鑭鍶結(jié)合鈷酸鍶鑭) 或Fe03等形成。
以下說明如上所述構(gòu)成的單室型固體氧化物燃料電池10的作用。 從發(fā)動機排出的燃燒廢氣40中包含有CHx (碳?xì)浠衔?、COx (碳 氧化物)、空氣等。若該燃燒廢氣40在攝氏500度到1000度的高溫狀態(tài)下 從廢氣導(dǎo)入部21向廢氣流路部20導(dǎo)入，則固體氧化物燃料電池單元30被 加熱到發(fā)電開始溫度以上的溫度。
這樣被加熱的固體氧化物燃料電池單元30的空氣極32由燃燒廢氣40 中的空氣生成氧離子(02_)。該氧離子通過單元的固體氧化物電解質(zhì)31內(nèi) 部而從空氣極32向燃料極33移動。這樣移動的氧離子在燃料極33與燃燒 廢氣40所包含的CHx或COx進行反應(yīng)，生成二氧化碳(C02 )或水(H20 )。 因此，若在空氣極32與燃料極33之間連接負(fù)載11，則利用氧離子而被搬 運的電子從燃料極33 (負(fù)電極)向空氣極32 (正電極)流動，向負(fù)載11 供給電力。
即單室型固體氧化物燃料電池10能夠利用發(fā)動機的燃燒廢氣40所具 有的廢熱(熱能)和CHx、 COx，作為燃料電池進行動作并產(chǎn)生電力。因 此，單室型固體氧化物燃料電池10除了接受燃燒廢氣40所包含的CHx或 COx以外，不需要另外接受用于使其作為燃料電池進行動作的燃料氣體的供給。另外，從廢氣導(dǎo)入部21導(dǎo)入的燃燒廢氣40所包含的CHx或COx利 用在固體氧化物燃料電池單元30中進行的上述反應(yīng)，生成二氧化碳或水(水 蒸氣)并從廢氣排出部23排出到外部。
將該單室型固體氧化物燃料電池IO應(yīng)用在汽車上，若將汽油發(fā)動機或 柴油發(fā)動機等發(fā)動機的燃燒廢氣向廢氣流路部20導(dǎo)入，則該汽車也能夠從 單室型固體氧化物燃料電池IO獲得能量。其結(jié)果是，節(jié)省油耗，并且凈化 發(fā)動機的燃燒廢氣。
在此，也可以將單室型固體氧化物燃料電池10設(shè)置在汽車的消音器內(nèi)。 當(dāng)然也可以將單室型固體氧化物燃料電池IO應(yīng)用在摩托車或汽車以外的各 種車輛等中。
即只要將本發(fā)明的單室型固體氧化物燃料電池應(yīng)用在以內(nèi)燃機或外燃 機作為動力源(能量源)的車輛或裝置中，就能夠使用燃燒廢氣來發(fā)電。 因此，能夠以簡單的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生電力，節(jié)省油耗且凈化燃燒廢氣。而且能夠 簡化結(jié)構(gòu)，也能夠降低成本。
本發(fā)明的單室型固體氧化物燃料電池并不限定于上述實施例。 例如也可以在平板的 一個面形成燃料4及和空氣才及而構(gòu)成固體氧化物燃 料電池單元。也可以在形成為筒型的固體氧化物電解質(zhì)的內(nèi)周面和外周面 形成燃料極(或空氣極)和空氣極(或燃料極)而構(gòu)成固體氧化物燃料電 池單元。
構(gòu)成固體氧化物、燃料極和空氣極的物質(zhì)只要能夠利用燃燒廢氣的溫 度成為發(fā)電開始溫度即可，并不限定于上述實施例所列舉的物質(zhì)。
也可以在廢氣流路部內(nèi)配置多個固體氧化物燃料電池單元，將各固體 氧化物燃料電池單元電串聯(lián)連接或并聯(lián)連接，使其產(chǎn)生電力。
而且也可以使用發(fā)電開始溫度高的第 一 固體氧化物燃料電池單元和發(fā)
電開始溫度比上述發(fā)電開始溫度低的第二固體氧化物燃料電池單元。此時，
也可以將第一固體氧化物燃料電池單元配置在燃燒廢氣流向的上游側(cè)，并 且將第二固體氧化物燃料電池單元配置在下游側(cè)，將這些第一和第二固體
氧化物燃料電池單元電串聯(lián)連接或并聯(lián)連接。
作為上述實施例的變形例，圖2表示如上所述使用多個固體氧化物燃 料電池單元的燃料電池。該變形例除了固體氧化物燃料電池單元是多個之 外，與上述實施例相同，與上述實施例相同的部件^使用相同的附圖標(biāo)記。即在燃料電池單元收納部22內(nèi)，設(shè)置有與上述實施例同樣結(jié)構(gòu)的第一 固體氧化物燃料電池單元30。在該第一固體氧化物燃料電池單元30的燃燒 廢氣40流向的下游側(cè)，與第一固體氧化物燃料電池單元30同樣地-沒置有 由固體氧化物電解質(zhì)31'、空氣極32'、燃料極33'構(gòu)成的第二固體氧化物 燃料電池單元30'。該第二固體氧化物燃料電池單元30，的發(fā)電開始溫度 比第一固體氧化物燃料電池單元30的發(fā)電開始溫度低。
將這些第一固體氧化物燃料電池單元30和第二固體氧化物燃料電池單 元30，串聯(lián)連接，向負(fù)載ll供給電力。
若使用如上所述的多個固體氧化物燃料電池單元，則能夠從燃燒廢氣 得到較多的電力，并且能夠更有效地凈化燃燒廢氣。另外，對應(yīng)不同的配 置位置，使發(fā)電開始溫度不同，從而能夠在更寬的溫度范圍內(nèi)有效進行發(fā) 電。
上述實施例和變形例使用發(fā)動機的燃燒廢氣來發(fā)電，但也可以使用來 自發(fā)動機以外的燃燒裝置的燃燒廢氣。
權(quán)利要求
1、一種單室型固體氧化物燃料電池，其特征在于，包括導(dǎo)入燃燒廢氣的廢氣導(dǎo)入部；使從所述廢氣導(dǎo)入部導(dǎo)入的所述燃燒廢氣流經(jīng)的燃料電池單元收納部；將流經(jīng)所述燃料電池單元收納部的所述燃燒廢氣排出的廢氣排出部；配置在所述燃料電池單元收納部的內(nèi)部、且將燃料極和空氣極與由固體氧化物構(gòu)成的電解質(zhì)接合的固體氧化物燃料電池單元。
2、 如權(quán)利要求1所述的單室型固體氧化物燃料電池，其特征在于，將部。
3、 如權(quán)利要求2所述的單室型固體氧化物燃料電池，其特征在于，所 述固體氧化物燃料電池單元使所述燃燒廢氣所包含的碳?xì)浠衔锘蛱佳趸?物的任一個或兩個進行反應(yīng)，生成二氧化碳或水的任一個或兩個。
4、 如權(quán)利要求1所述的單室型固體氧化物燃料電池，其特征在于，所 述固體氧化物燃料電池單元包括第一固體氧化物燃料電池單元，其配置 在所述燃料電池單元收納部的內(nèi)部；第二固體氧化物燃料電池單元，其配 置在所述第 一 固體氧化物燃料電池單元的所述燃燒廢氣流向的下游側(cè)，且 具有比所述第一固體氧化物燃料電池單元低的發(fā)電開始溫度。
全文摘要
一種單室型固體氧化物燃料電池，將燃料極和空氣極與固體氧化物電解質(zhì)接合的固體氧化物燃料電池單元配置在發(fā)動機等燃燒廢氣的流路(燃料電池單元收納部)內(nèi)，使其位于從廢氣導(dǎo)入部向燃料電池單元收納部導(dǎo)入并向廢氣排出部排出的高溫燃燒廢氣的流動中，利用燃燒廢氣的熱能加熱固體氧化物燃料電池單元，將燃燒廢氣所包含的碳?xì)浠衔锖吞佳趸镒鳛槿剂蠚怏w使用來進行發(fā)電。
文檔編號H01M8/04GK101427412SQ200780013888
公開日2009年5月6日 申請日期2007年2月9日 優(yōu)先權(quán)日2006年2月17日
發(fā)明者內(nèi)山直樹 申請人:株式會社渥美精機