JP2790666B2 - 燃料電池発電装置 - Google Patents
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Description
【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は燃料電池発電装置に関するものである。
（従来の技術） 最近、燃料電池が発電装置として注目されている。こ
れは、燃料が有する化学エネルギーを直接電気エネルギ
ーに変換できる装置で、カルノーサイクルの制約を受け
ないため、本質的に高いエネルギー変換効率を有し、燃
料の多様化が可能で（ナフタ，天然ガス，メタノール，
石炭改質ガス，重油等）、低公害で、しかも発電効率が
設備規模によって影響されず、極めて有望な技術であ
る。
れは、燃料が有する化学エネルギーを直接電気エネルギ
ーに変換できる装置で、カルノーサイクルの制約を受け
ないため、本質的に高いエネルギー変換効率を有し、燃
料の多様化が可能で（ナフタ，天然ガス，メタノール，
石炭改質ガス，重油等）、低公害で、しかも発電効率が
設備規模によって影響されず、極めて有望な技術であ
る。
特に、固体電解質型燃料電池（SOFC）は、1000℃の高
温で作動するための電極反応が極めて活発で、高価な白
金などの貴金属触媒を全く必要とせず、分極が小さく、
出力電圧も比較的高いため、エネルギー変換効率が他の
燃料電池にくらべて著しく高い。更に、構造材は全て固
体から構成されるため、安定且つ長寿命である。
温で作動するための電極反応が極めて活発で、高価な白
金などの貴金属触媒を全く必要とせず、分極が小さく、
出力電圧も比較的高いため、エネルギー変換効率が他の
燃料電池にくらべて著しく高い。更に、構造材は全て固
体から構成されるため、安定且つ長寿命である。
SOFC単電池の構成要素は、一般的に空気電極、固体電
解質、燃料電極からなる。円筒型SOFCの場合、単電池を
直列接続するために、単電池の燃料電極と隣接単電池の
空気電極とをインターコネクター及びNiフェルトで接続
し、単電池を並列接続するために、隣接する単電池の燃
料電極間をNiフェルトで接続する。
解質、燃料電極からなる。円筒型SOFCの場合、単電池を
直列接続するために、単電池の燃料電極と隣接単電池の
空気電極とをインターコネクター及びNiフェルトで接続
し、単電池を並列接続するために、隣接する単電池の燃
料電極間をNiフェルトで接続する。
（発明が解決しようとする課題） 円筒型SOFCでは、固体電解質と空気電極との界面、固
体電解質と燃料電極との界面で、電極の全周面に亘って
電子の受け渡しが行われる。しかし、インタコネクタは
空気電極と一箇所で接触しているのみであり、Niフェル
トも燃料電極と例えば２〜３箇所で接しているに過ぎ
ず、発生した電流は空気電極膜、燃料電極膜内を膜面に
平行にインタコネクタ、Niフェルトへと向って流れる。
だが、空気電極膜、燃料電極膜は薄膜であって、電気抵
抗が大きいため、電流損失が大きく、発電効率が低下す
る。この電気抵抗を低減させ、電流損失を防ぐには、膜
厚を厚くし、かつインタコネクタ、Niフェルトまでの電
流通過距離を短かくする必要があるが、いずれも電池構
造上の制約から、充分な解決は望めない。
体電解質と燃料電極との界面で、電極の全周面に亘って
電子の受け渡しが行われる。しかし、インタコネクタは
空気電極と一箇所で接触しているのみであり、Niフェル
トも燃料電極と例えば２〜３箇所で接しているに過ぎ
ず、発生した電流は空気電極膜、燃料電極膜内を膜面に
平行にインタコネクタ、Niフェルトへと向って流れる。
だが、空気電極膜、燃料電極膜は薄膜であって、電気抵
抗が大きいため、電流損失が大きく、発電効率が低下す
る。この電気抵抗を低減させ、電流損失を防ぐには、膜
厚を厚くし、かつインタコネクタ、Niフェルトまでの電
流通過距離を短かくする必要があるが、いずれも電池構
造上の制約から、充分な解決は望めない。
本発明の課題は、燃料電池発電装置の単電池の内部損
失を少なくし、かつ単電池の内部における温度勾配を減
少させて電流密度勾配を少なくし、これらによって発電
効率を向上させることである。
失を少なくし、かつ単電池の内部における温度勾配を減
少させて電流密度勾配を少なくし、これらによって発電
効率を向上させることである。
本発明は、複数の単電池を備えている燃料電池発電装
置であって、各単電池が、イオン伝導性を有する管状固
体電解質隔壁と、管状固体電解質隔壁の内周面側または
外周面側に設けられた燃料電極と、管状固体電解質隔壁
を挟んで燃料電極と反対側に設けられた空気電極とを少
なくとも有しており、管状固体電解質隔壁の両端に開口
が設けられており、複数の単電池の各管状固体電解質隔
壁の内部空間に一本の導電性燃料ガス供給管又は導電性
酸化ガス供給管が配されており、各管状固体電解質隔壁
内において導電性燃料ガス供給管又は導電性酸化ガス供
給管にガス供給孔がそれぞれ設けられており、燃料電極
及び空気電極の電極表面にそれぞれほぼ全面にわたって
多点接触集電体が接触し、内部空間で前記導電性燃料ガ
ス供給管と燃料電極との電気的接続又は導電性酸化ガス
供給管と空気電極との電気的接続が多点接続集電体によ
って行われており、一本の導電性燃料ガス供給管又は導
電性酸化ガス供給管によって複数の前記単電池からの集
電を行うことを特徴とする。
置であって、各単電池が、イオン伝導性を有する管状固
体電解質隔壁と、管状固体電解質隔壁の内周面側または
外周面側に設けられた燃料電極と、管状固体電解質隔壁
を挟んで燃料電極と反対側に設けられた空気電極とを少
なくとも有しており、管状固体電解質隔壁の両端に開口
が設けられており、複数の単電池の各管状固体電解質隔
壁の内部空間に一本の導電性燃料ガス供給管又は導電性
酸化ガス供給管が配されており、各管状固体電解質隔壁
内において導電性燃料ガス供給管又は導電性酸化ガス供
給管にガス供給孔がそれぞれ設けられており、燃料電極
及び空気電極の電極表面にそれぞれほぼ全面にわたって
多点接触集電体が接触し、内部空間で前記導電性燃料ガ
ス供給管と燃料電極との電気的接続又は導電性酸化ガス
供給管と空気電極との電気的接続が多点接続集電体によ
って行われており、一本の導電性燃料ガス供給管又は導
電性酸化ガス供給管によって複数の前記単電池からの集
電を行うことを特徴とする。
また、本発明は、単電池を備えている燃料電池発電装
置であって、単電池が、イオン伝導性を有する管状固体
電解質隔壁、燃料電極及び空気電極を備えており、管状
固体電解質隔壁の一方の側に燃料電極が設けられてお
り、管状固体電解質隔壁の他方の側に空気電極が設けら
れており、管状固体電解質隔壁、燃料電極または空気電
極がハニカム構造体であり、ハニカム構造体の各孔内に
それぞれ燃料電極又は空気電極が露出しており、各孔の
うち燃料電極が露出している孔内にそれぞれ導電性燃料
ガス供給管が配されており、各孔内に露出する燃料電極
の電極表面にほぼ全面にわたって多点接触集電体が接触
しており、各孔内でそれぞれ前記導電性燃料ガス供給管
と燃料電極との電気的接続が多点接触集電体によって行
われており、各孔のうち空気電極が露出している孔内に
それぞれ導電性酸化ガス供給管が配されており、各孔内
に露出する空気電極の電極表面にほぼ全面にわたって多
点接触集電体が接触しており、各孔内でそれぞれ導電性
酸化ガス供給管と空気電極との電気的接続が多点接触集
電体によって行われていることを特徴とする。
置であって、単電池が、イオン伝導性を有する管状固体
電解質隔壁、燃料電極及び空気電極を備えており、管状
固体電解質隔壁の一方の側に燃料電極が設けられてお
り、管状固体電解質隔壁の他方の側に空気電極が設けら
れており、管状固体電解質隔壁、燃料電極または空気電
極がハニカム構造体であり、ハニカム構造体の各孔内に
それぞれ燃料電極又は空気電極が露出しており、各孔の
うち燃料電極が露出している孔内にそれぞれ導電性燃料
ガス供給管が配されており、各孔内に露出する燃料電極
の電極表面にほぼ全面にわたって多点接触集電体が接触
しており、各孔内でそれぞれ前記導電性燃料ガス供給管
と燃料電極との電気的接続が多点接触集電体によって行
われており、各孔のうち空気電極が露出している孔内に
それぞれ導電性酸化ガス供給管が配されており、各孔内
に露出する空気電極の電極表面にほぼ全面にわたって多
点接触集電体が接触しており、各孔内でそれぞれ導電性
酸化ガス供給管と空気電極との電気的接続が多点接触集
電体によって行われていることを特徴とする。
「管状固体電解質隔壁」は、両端開放管であり、また
円筒状、角筒状を含む。「ほぼ全面に亘って接触」と
は、完全に全面に亘って接触する場合の他、実質的に差
し支えない範囲で若干の不接触領域を残す程度のものも
許容する意である。
円筒状、角筒状を含む。「ほぼ全面に亘って接触」と
は、完全に全面に亘って接触する場合の他、実質的に差
し支えない範囲で若干の不接触領域を残す程度のものも
許容する意である。
（実施例） 第１図はSOFC発電装置の一部破断斜視図、第２図は第
１図のII−II線矢視断面図、第３図は第１図のIII−III
線矢視断面図である。
１図のII−II線矢視断面図、第３図は第１図のIII−III
線矢視断面図である。
本例では、両端を開放した円筒型のSOFC単電池１を直
列、並列に多数配列した燃料電池発電装置について説明
する。
列、並列に多数配列した燃料電池発電装置について説明
する。
多孔質隔壁４を複数個互いに平行となるよう配列固定
し、発電室６と燃焼物生成室７とを交互に形成する。発
電室６においては、対向する多孔質隔壁４の貫通孔にSO
FC単電池１の端部を挿入して支持し、SOFC単電池１が発
電室６をまたいで架け渡された形とする。SOFC単電池１
は多孔質隔壁４によってフェルト25を介してソフトに押
えられ（第１図ではフェルト25を図示省略した。）、位
置決めされる。このSOFC単電池１の両端開口は燃焼物生
成室７へと向って開放され、隣接するSOFC単電池１の端
部開口と対向する。
し、発電室６と燃焼物生成室７とを交互に形成する。発
電室６においては、対向する多孔質隔壁４の貫通孔にSO
FC単電池１の端部を挿入して支持し、SOFC単電池１が発
電室６をまたいで架け渡された形とする。SOFC単電池１
は多孔質隔壁４によってフェルト25を介してソフトに押
えられ（第１図ではフェルト25を図示省略した。）、位
置決めされる。このSOFC単電池１の両端開口は燃焼物生
成室７へと向って開放され、隣接するSOFC単電池１の端
部開口と対向する。
SOFC単電池１は円筒状固体電解質隔膜９の内側に空気
電極膜10を設け、外周面に燃料電極膜８を設けた構成の
ものである。空気電極膜８は、ドーピングされたか、又
はドーピングされていないLaMnO3,CaMnO3,LaNiO3,LaCoO
3,LaCrO3等で製造でき、ストロンチウムを添加したLaMn
O3が好ましい。固体電解質隔膜は、一般にはイットリア
安定化ジルコニア等で製造できる。燃料電極は、一般に
はニッケル−ジルコニアサーメット又はコバルトジルコ
ニアサーメットである。
電極膜10を設け、外周面に燃料電極膜８を設けた構成の
ものである。空気電極膜８は、ドーピングされたか、又
はドーピングされていないLaMnO3,CaMnO3,LaNiO3,LaCoO
3,LaCrO3等で製造でき、ストロンチウムを添加したLaMn
O3が好ましい。固体電解質隔膜は、一般にはイットリア
安定化ジルコニア等で製造できる。燃料電極は、一般に
はニッケル−ジルコニアサーメット又はコバルトジルコ
ニアサーメットである。
複数の筒状SOFC単電池１の内部空間Ｃ内を、１本の導
電性酸化ガス供給管（好ましくは耐熱金属製）２が貫通
している。各単電池１は、通気性フェルト25を介して導
電性酸化ガス供給管２によっても保持される（第１図で
はフェルト25を図示省略）。この酸化ガス供給管２の外
周に多数の針状集電ブラシ５が固着され、ブラシ５の他
端は空気電極10の電極表面に対して押圧される。針状集
電ブラシ５は好ましくは耐熱金属からなり、1000℃程度
の高温で弾性を有するものがよい。酸化ガス供給管２に
は、発電室６内の例えば中央付近に酸化ガス供給口2aが
設けられる。
電性酸化ガス供給管（好ましくは耐熱金属製）２が貫通
している。各単電池１は、通気性フェルト25を介して導
電性酸化ガス供給管２によっても保持される（第１図で
はフェルト25を図示省略）。この酸化ガス供給管２の外
周に多数の針状集電ブラシ５が固着され、ブラシ５の他
端は空気電極10の電極表面に対して押圧される。針状集
電ブラシ５は好ましくは耐熱金属からなり、1000℃程度
の高温で弾性を有するものがよい。酸化ガス供給管２に
は、発電室６内の例えば中央付近に酸化ガス供給口2aが
設けられる。
また、複数の発電室６及び燃焼物生成室７を貫通する
導電性燃料ガス供給管３が、導電性酸化ガス供給管と平
行となるよう、筒状SOFC単電池１の外側に設けられる。
導電性燃料ガス供給管３も好ましくは耐熱金属からな
り、発電室６で燃料ガス供給口3aを有している。導電性
燃料ガス供給管３の表面にも多数の針状集電体５からな
る集電ブラシが固着され、針状集電体５の他方の極が燃
料電極８の電極表面へと押圧力をもって当接されてい
る。そして、一個の導電性燃料ガス供給管３の外周から
は例えば四つの方向へと針状集電体５が伸び、一つの導
電性燃料ガス供給管に対して四つのSOFC単電池１が電気
的に接続される。
導電性燃料ガス供給管３が、導電性酸化ガス供給管と平
行となるよう、筒状SOFC単電池１の外側に設けられる。
導電性燃料ガス供給管３も好ましくは耐熱金属からな
り、発電室６で燃料ガス供給口3aを有している。導電性
燃料ガス供給管３の表面にも多数の針状集電体５からな
る集電ブラシが固着され、針状集電体５の他方の極が燃
料電極８の電極表面へと押圧力をもって当接されてい
る。そして、一個の導電性燃料ガス供給管３の外周から
は例えば四つの方向へと針状集電体５が伸び、一つの導
電性燃料ガス供給管に対して四つのSOFC単電池１が電気
的に接続される。
空気等の含酸素ガスは矢印Ａのように導電性酸化ガス
供給管２へと供給され、酸化ガス排出口2aより単電池内
部空間Ｃへと排出され、二方向に分かれて矢印Ａ′のよ
うに進む。また、隣接するSOFC単電池１内にも同様にし
て酸化ガスが送られる。
供給管２へと供給され、酸化ガス排出口2aより単電池内
部空間Ｃへと排出され、二方向に分かれて矢印Ａ′のよ
うに進む。また、隣接するSOFC単電池１内にも同様にし
て酸化ガスが送られる。
また、水素、一酸化炭素等の燃料ガスは、導電性燃料
ガス供給管３内を矢印Ｂのように進み、上記と同様に燃
料ガス排出口3aより矢印Ｂ′のように発電室６内へと排
出され、二方向に分かれて進む。
ガス供給管３内を矢印Ｂのように進み、上記と同様に燃
料ガス排出口3aより矢印Ｂ′のように発電室６内へと排
出され、二方向に分かれて進む。
多孔質隔壁４は、発電室６と燃焼物生成室７との間の
僅かの差圧で流れが生じるように設計されており、燃焼
生成物室７からの燃焼生成物の逆流を防ぐ。発電に利用
された後の減損した酸化ガスが単電池１の開口から燃焼
物生成室７へと矢印Ａ′のように流入する。と共に、減
損した燃料ガスが多孔質隔壁４を通して燃焼物生成室７
内へと矢印Ｂ′のように流入し、酸化ガスと接触して燃
焼し、導電性ガス供給管2,3内を通過中のガスを予熱す
る。
僅かの差圧で流れが生じるように設計されており、燃焼
生成物室７からの燃焼生成物の逆流を防ぐ。発電に利用
された後の減損した酸化ガスが単電池１の開口から燃焼
物生成室７へと矢印Ａ′のように流入する。と共に、減
損した燃料ガスが多孔質隔壁４を通して燃焼物生成室７
内へと矢印Ｂ′のように流入し、酸化ガスと接触して燃
焼し、導電性ガス供給管2,3内を通過中のガスを予熱す
る。
発電室６内では、酸化ガスが空気電極10と固体電解質
９との界面で酸素イオンを生じ、これらの酸素イオンは
固体電解質９を通って燃料電極８へと移動し、燃料と反
応すると共に電子を燃料電極へと放出する。そして、放
出された電子は、針状集電体５を介して、導電性燃料ガ
ス供給管３へと集電される。
９との界面で酸素イオンを生じ、これらの酸素イオンは
固体電解質９を通って燃料電極８へと移動し、燃料と反
応すると共に電子を燃料電極へと放出する。そして、放
出された電子は、針状集電体５を介して、導電性燃料ガ
ス供給管３へと集電される。
本例の燃料電池発電装置によれば、以下の効果を奏し
うる。
うる。
（１） 空気電極、燃料電極の電極表面にほぼ全面に亘
って針状集電体５が接触しているので、従来のように高
抵抗の空気電極膜、燃料電極膜内を流れることによる電
流損失は減少し、電極膜に垂直の方向へと集電される。
従って、発電効率が飛躍的に向上する。
って針状集電体５が接触しているので、従来のように高
抵抗の空気電極膜、燃料電極膜内を流れることによる電
流損失は減少し、電極膜に垂直の方向へと集電される。
従って、発電効率が飛躍的に向上する。
しかも、従来は、内部空間Ｃに面した空気電極10から
の集電を行うのに、燃料電極８、固体電解質８を一箇所
切ってインタコネクタを設け、このインタコネクタを介
して空気電極からの集電を行っていた。このため、電荷
の発生個所からインタコネクタまでの距離が大きく、出
力の抵抗損失を生じていたわけである。
の集電を行うのに、燃料電極８、固体電解質８を一箇所
切ってインタコネクタを設け、このインタコネクタを介
して空気電極からの集電を行っていた。このため、電荷
の発生個所からインタコネクタまでの距離が大きく、出
力の抵抗損失を生じていたわけである。
これに対し、本例では、内部空間Ｃ内に導電性酸化ガ
ス供給管２を貫通させ、針状集電体５を介して空気電極
10と電気的に接続されているので、導電性酸化ガス供給
管を通じて直接集電でき、従来のようなインタコネクタ
は必要としない。従って、インタコネクタの面積分だけ
電池効率が向上する。
ス供給管２を貫通させ、針状集電体５を介して空気電極
10と電気的に接続されているので、導電性酸化ガス供給
管を通じて直接集電でき、従来のようなインタコネクタ
は必要としない。従って、インタコネクタの面積分だけ
電池効率が向上する。
（２） 従来、Niフェルトを集電体として用いていた
が、これは高温使用中にへたり、電極との接触不良を起
し、発電効率を低下させるという問題点を有していた。
が、これは高温使用中にへたり、電極との接触不良を起
し、発電効率を低下させるという問題点を有していた。
これに対し、本例では、針状集電体が弾性を有し、か
つ空気電極、燃料電極表面全面に押圧されることから、
接触面積大で、集電体１本あたりの負担が小さく、押圧
力を小さくできる。よって、上記弾性と担まって、ヘタ
リが少なく、接触不良が起りにくく、発電効率の低下を
防止できる。
つ空気電極、燃料電極表面全面に押圧されることから、
接触面積大で、集電体１本あたりの負担が小さく、押圧
力を小さくできる。よって、上記弾性と担まって、ヘタ
リが少なく、接触不良が起りにくく、発電効率の低下を
防止できる。
（３） 従来は、円筒状SOFC単電池として、一方が閉塞
した袋管状の単電池を用いていた。他方、発電効率を上
げるためには、この袋管を長くして一本当りの発電面積
を増大させる必要があった。しかし、袋管状のSOFC単電
池を長くすると、温度勾配、電池密度勾配が大きくな
り、かえって発電効率に悪影響を与えるという問題があ
った。
した袋管状の単電池を用いていた。他方、発電効率を上
げるためには、この袋管を長くして一本当りの発電面積
を増大させる必要があった。しかし、袋管状のSOFC単電
池を長くすると、温度勾配、電池密度勾配が大きくな
り、かえって発電効率に悪影響を与えるという問題があ
った。
即ち、燃料ガスの導入部付近では、まだ燃料の含有量
が多いため、電気化学的反応が活発であり、温度が上昇
し、この温度上昇によってますます反応が活発となる。
一方、他端では、燃料ガスがかなり減損しているため、
反応が不活発で温度が低く、この温度の低さからますま
す反応が不活発となる。しかも、減損した燃料ガス中に
はかなりCO2水蒸気が含まれており、これが電極面に付
着して反応を阻害するため、ますます温度が低下する。
この傾向は、袋管状の単電池が長くなるにつれて一層激
しくなる。
が多いため、電気化学的反応が活発であり、温度が上昇
し、この温度上昇によってますます反応が活発となる。
一方、他端では、燃料ガスがかなり減損しているため、
反応が不活発で温度が低く、この温度の低さからますま
す反応が不活発となる。しかも、減損した燃料ガス中に
はかなりCO2水蒸気が含まれており、これが電極面に付
着して反応を阻害するため、ますます温度が低下する。
この傾向は、袋管状の単電池が長くなるにつれて一層激
しくなる。
これに対し、本例では、SOFC単電池１の両端を開口と
し、多数直線状に並べているので、SOFC単電池１の長さ
自体は温度勾配が大きくならない程度の適当な長さに止
め、これを配列することで装置全体の長さは任意に変え
ることができ、装置全体の長さを従来より大きくするこ
とが装置体積当たりの発電効率を非常に高めることがで
きる。しかも、一つのSOFC単電池の長さは短くて済むこ
とから、温度勾配を小さく押えることが可能である。更
に、本例では、発電室の中央部付近に酸化ガス排出口、
燃料ガス排出口を設け、これら排出口より排出されたガ
スが二方向に分かれ進むので、排出口から燃焼物生成室
までの通過距離は更に半分で済むので、温度勾配の制御
が一層容易である。
し、多数直線状に並べているので、SOFC単電池１の長さ
自体は温度勾配が大きくならない程度の適当な長さに止
め、これを配列することで装置全体の長さは任意に変え
ることができ、装置全体の長さを従来より大きくするこ
とが装置体積当たりの発電効率を非常に高めることがで
きる。しかも、一つのSOFC単電池の長さは短くて済むこ
とから、温度勾配を小さく押えることが可能である。更
に、本例では、発電室の中央部付近に酸化ガス排出口、
燃料ガス排出口を設け、これら排出口より排出されたガ
スが二方向に分かれ進むので、排出口から燃焼物生成室
までの通過距離は更に半分で済むので、温度勾配の制御
が一層容易である。
（４） 従来、セラミックスにより長尺状の成形品を各
部分とも均一な状態で成形するためには高度な技術を必
要とし、長尺化には困難が伴なった。
部分とも均一な状態で成形するためには高度な技術を必
要とし、長尺化には困難が伴なった。
この点、本例ではセラミックス製の各単位電池の長さ
は小さくて済むので、かかる製造上の困難を回避しつ
つ、同時に発電効率を高めることが可能となる。しか
も、導電性ガス供給管2,3（第１図参照）を耐熱金属で
製造した場合には、長尺状製品の成形、製造は容易であ
り、装置製造上大なる利点がある。
は小さくて済むので、かかる製造上の困難を回避しつ
つ、同時に発電効率を高めることが可能となる。しか
も、導電性ガス供給管2,3（第１図参照）を耐熱金属で
製造した場合には、長尺状製品の成形、製造は容易であ
り、装置製造上大なる利点がある。
（５） 一本の導電性ガス供給管2,3へと燃料ガス又は
酸化ガスを送り込むだけで、多数の発電室６内へと同時
に燃料ガス又は酸化ガスを供給することができ、一つの
発電室ごとに従来のように燃料室、酸化ガス供給管を設
ける必要はなくなる。
酸化ガスを送り込むだけで、多数の発電室６内へと同時
に燃料ガス又は酸化ガスを供給することができ、一つの
発電室ごとに従来のように燃料室、酸化ガス供給管を設
ける必要はなくなる。
上述の例では以下の変形が可能である。
（ａ）、第１図〜第２図において、針状集電体５の代り
に、櫛歯状の耐熱金属極、金属ウール状の集電体等を使
用でき、また他の低剛性、弾性を有する集電体を使用で
きる。むろん、燃料電極側と空気電極側とで異なる集電
体を用いてもよい。更に、Niフェルト等のフェルト状集
電体を上記の代りに用い、電極表面のほぼ全体に亘って
多点接触させることも可能である。
に、櫛歯状の耐熱金属極、金属ウール状の集電体等を使
用でき、また他の低剛性、弾性を有する集電体を使用で
きる。むろん、燃料電極側と空気電極側とで異なる集電
体を用いてもよい。更に、Niフェルト等のフェルト状集
電体を上記の代りに用い、電極表面のほぼ全体に亘って
多点接触させることも可能である。
（ｂ）、多孔質隔壁４は必ずしも必要なく、導電性ガス
供給管2,3を固定し、針状集電体５を介して各SOFC単位
電池１を支持してもよい。
供給管2,3を固定し、針状集電体５を介して各SOFC単位
電池１を支持してもよい。
多孔質隔壁４の他、支持用又はフロー用のバッフルを
更に組み込んでもよく、また密封構造のものでなくとも
よい。
更に組み込んでもよく、また密封構造のものでなくとも
よい。
（ｃ）、第１図では各単電池１を水平に支持したが、こ
の発電装置全体を垂直にしてもよく、また所定角度に傾
けてもよい。
の発電装置全体を垂直にしてもよく、また所定角度に傾
けてもよい。
（ｄ）、上記の例では、円筒状固体電解質隔壁自体が剛
性体として働き、電池要素で自立できる構造としたが、
他に多孔質で導電性の基体管を用い、この上に単位電池
を形成してもよい。
性体として働き、電池要素で自立できる構造としたが、
他に多孔質で導電性の基体管を用い、この上に単位電池
を形成してもよい。
かかる多孔質導電性基体は、例えばSrドープしたLaMn
O3で製造できる。
O3で製造できる。
（ｅ）、第１図において、導電性燃料ガス供給管３を用
いる代りに、従来のような燃料室を設け、この燃料室か
ら発電室６内へと燃料を供給してもよい。この場合、空
気電極側の集電は第１図のように行う。そして、各単位
電池の燃料電極の表面のほぼ全体に亘り、針状集電体５
のブラシ、櫛歯状耐熱金属板、耐熱金属ウール、耐熱金
属フェルト等の多点接触集電体を接触させ、この多点接
触集電体によって各隣接単位電池の燃料電極同士を電気
的に接続し、最終的には金属プレートに電気的に接続し
て金属プレートで集電すればよい。そして、導電性酸化
ガス供給管２と上記金属プレートとの間に負荷を設け
る。
いる代りに、従来のような燃料室を設け、この燃料室か
ら発電室６内へと燃料を供給してもよい。この場合、空
気電極側の集電は第１図のように行う。そして、各単位
電池の燃料電極の表面のほぼ全体に亘り、針状集電体５
のブラシ、櫛歯状耐熱金属板、耐熱金属ウール、耐熱金
属フェルト等の多点接触集電体を接触させ、この多点接
触集電体によって各隣接単位電池の燃料電極同士を電気
的に接続し、最終的には金属プレートに電気的に接続し
て金属プレートで集電すればよい。そして、導電性酸化
ガス供給管２と上記金属プレートとの間に負荷を設け
る。
（ｆ）、円筒型固体電解質隔壁９の外周面に空気電極を
設け、内周面に燃料電極を設けてもよい。この場合は単
位電池の内部空間に燃料ガスを供給し、外部に酸化ガス
を供給する。
設け、内周面に燃料電極を設けてもよい。この場合は単
位電池の内部空間に燃料ガスを供給し、外部に酸化ガス
を供給する。
多点接触集電体は耐熱金属以外の導電体、例えば導電
性セラミックス、セラミック被服金属等で製造してもよ
い。
性セラミックス、セラミック被服金属等で製造してもよ
い。
第４図は、袋管状の単電池を使用した、本発明外の例
であり、参考として図示する。
であり、参考として図示する。
このSOFC単電池31は、第１図〜第３図のものと同様に
外側から順に燃料電極、団体電解質隔膜、空気電極を設
けてなるものである（但し、第４図では、だ２図と同様
に、SOFC単電池31の断面を簡略化して示してある。） SOFC単電池31が袋管状であるため、一個のSOFC単電池
31を配置し、この開口31aから一本の導電性酸化ガス供
給管22を挿入し、これに酸化ガスを矢印Ａのように供給
し、この先端開口22aより矢印Ａ′のように酸化ガスを
供給し、単電池内部空間Ｃ内を流す。余剰の酸化ガスは
フェルト25を介して燃焼生成物室７内へと矢印Ａ′のよ
うに放出される。
外側から順に燃料電極、団体電解質隔膜、空気電極を設
けてなるものである（但し、第４図では、だ２図と同様
に、SOFC単電池31の断面を簡略化して示してある。） SOFC単電池31が袋管状であるため、一個のSOFC単電池
31を配置し、この開口31aから一本の導電性酸化ガス供
給管22を挿入し、これに酸化ガスを矢印Ａのように供給
し、この先端開口22aより矢印Ａ′のように酸化ガスを
供給し、単電池内部空間Ｃ内を流す。余剰の酸化ガスは
フェルト25を介して燃焼生成物室７内へと矢印Ａ′のよ
うに放出される。
また、導電性燃料ガス供給管23も袋管状に形成されて
おり、例えば４個の燃料ガス供給口23aが設けられ、こ
れらの供給口23aから矢印Ｂ′のように燃料ガスを発電
室６内へと供給する。導電性酸化ガス供給管22と導電性
燃料ガス供給管23とは負荷30を介して接続され、この負
荷30を通じて電力を取り出す。
おり、例えば４個の燃料ガス供給口23aが設けられ、こ
れらの供給口23aから矢印Ｂ′のように燃料ガスを発電
室６内へと供給する。導電性酸化ガス供給管22と導電性
燃料ガス供給管23とは負荷30を介して接続され、この負
荷30を通じて電力を取り出す。
本参考例では、（３）で述べたように、単電池の内部
で温度勾配、電流密度勾配が生じやすい。
で温度勾配、電流密度勾配が生じやすい。
第５図はハニカム形状のSOFCに本発明を適用した一実
施例を示す一部破断斜視図、第６図は第５図のVI−VI線
矢視断面図である。本実施例において第１図の発電装置
と同一の機能部材には同一符号を付してある。
施例を示す一部破断斜視図、第６図は第５図のVI−VI線
矢視断面図である。本実施例において第１図の発電装置
と同一の機能部材には同一符号を付してある。
本例においては、固体電解質隔壁19が断面四角形のい
わゆるハニカム形状をなしている（ここでは単位管を説
明の便宜上、縦二列、横二列のみ示してあるが、むろん
単位管の個数は任意に変化されてよい）。
わゆるハニカム形状をなしている（ここでは単位管を説
明の便宜上、縦二列、横二列のみ示してあるが、むろん
単位管の個数は任意に変化されてよい）。
固体電解質隔壁19により、縦二列、横二列の直方体状
の空間（孔）が形成され、この内周面に燃料電極18、空
気電極20が交互に市松模様をなすように設けられる。そ
して、燃料電極18を形成した場合には、孔Ｄ中に導電性
燃料ガス供給管３を貫通させ、空気電極20を設けた場合
には、孔Ｄ中に導電性酸化ガス供給管２を貫通させる。
燃料電極18又は空気電極20の電極表面の全面に亘って針
状集電体５の一端が押圧せしめられ、この針状集電体５
の他端は導電性燃料ガス供給管３又は導電性酸化ガス供
給管に固着されている。
の空間（孔）が形成され、この内周面に燃料電極18、空
気電極20が交互に市松模様をなすように設けられる。そ
して、燃料電極18を形成した場合には、孔Ｄ中に導電性
燃料ガス供給管３を貫通させ、空気電極20を設けた場合
には、孔Ｄ中に導電性酸化ガス供給管２を貫通させる。
燃料電極18又は空気電極20の電極表面の全面に亘って針
状集電体５の一端が押圧せしめられ、この針状集電体５
の他端は導電性燃料ガス供給管３又は導電性酸化ガス供
給管に固着されている。
他の構成は第１図の発電装置とほぼ同様であって、燃
料電極18と導電性燃料ガス供給管３、空気電極20と導電
性酸化ガス供給管18を針状集電体５で電気的に接続し、
集電を行う。また、酸化ガス排出口2a又は燃料ガス排出
口3aより排出された酸化ガス又は燃料ガスは、各孔Ｄ内
で矢印Ａ′又はＢ′のように二方向に分れて進み、各孔
Ｄの開口より燃焼物生成室７内へと流入し、ここで酸化
ガスと燃料ガスとが混合されて燃料ガスが燃焼される。
料電極18と導電性燃料ガス供給管３、空気電極20と導電
性酸化ガス供給管18を針状集電体５で電気的に接続し、
集電を行う。また、酸化ガス排出口2a又は燃料ガス排出
口3aより排出された酸化ガス又は燃料ガスは、各孔Ｄ内
で矢印Ａ′又はＢ′のように二方向に分れて進み、各孔
Ｄの開口より燃焼物生成室７内へと流入し、ここで酸化
ガスと燃料ガスとが混合されて燃料ガスが燃焼される。
本例においては、前述の（１）〜（５）の効果を奏し
うる他、固体電解質隔壁19がハニカム構造をなしている
ため、構造力学上、第１図のものよりも強度の高い構造
であり、従って構造部材としての固体電解質隔壁の厚み
を従来よりも薄く（例えば200μｍ以下）しても実用的
な強度が得られる。また、単位体積当りの隔壁面積が大
きい。
うる他、固体電解質隔壁19がハニカム構造をなしている
ため、構造力学上、第１図のものよりも強度の高い構造
であり、従って構造部材としての固体電解質隔壁の厚み
を従来よりも薄く（例えば200μｍ以下）しても実用的
な強度が得られる。また、単位体積当りの隔壁面積が大
きい。
更に、従来もハニカム状固体電解質隔壁を用いたSOFC
単電池自体は知られてはいるが、この場合空気電極同
士、燃料電極同士をリード線で逐一接続し、途中で短絡
しないように配線する必要があり、煩雑であった。これ
に対し、本例では、導電性ガス供給管２又は３により一
括して集電するので、かかる煩雑な配線は必要なく、短
絡の危険もない。
単電池自体は知られてはいるが、この場合空気電極同
士、燃料電極同士をリード線で逐一接続し、途中で短絡
しないように配線する必要があり、煩雑であった。これ
に対し、本例では、導電性ガス供給管２又は３により一
括して集電するので、かかる煩雑な配線は必要なく、短
絡の危険もない。
本例においても、前述の（ａ）〜（ｆ）のような変形
が可能である。更に、各単位管の断面形状は三角形、四
角形、六角形その他任意の多角形とでき、また隔壁を波
形としてもよい。各単位孔を三角形、四角形又は六角形
とすると隔壁面積の増大及び電極槽勾配の点で好まし
く、六角形のものは製造し易い。
が可能である。更に、各単位管の断面形状は三角形、四
角形、六角形その他任意の多角形とでき、また隔壁を波
形としてもよい。各単位孔を三角形、四角形又は六角形
とすると隔壁面積の増大及び電極槽勾配の点で好まし
く、六角形のものは製造し易い。
第７図は他の燃料電池発電装置を示す第６図と同様の
断面図である。
断面図である。
本例においては、燃料電極28をハニカム構造体とし
た。そして、図面において左上、右下の単位管では燃料
電極28を内周面に露出させ、導電性燃料ガス供給管３を
孔内に通し、燃料電極28の電極表面に全面に亘って針状
集電体５を圧接させ、この針状集電体５の他端を導電性
燃料ガス供給管３の外周面に固着させる。また、図面に
おいて、右上、左下の単位管では、燃料電極28の内周面
に固体電解質膜29を設け、この内周面に空気電極20を設
けた。更に、孔Ｄ内に導電性酸化ガス供給管２を通し、
空気電極20の電極表面に全面に亘って針状集電体５を圧
縮させ、この針状集電体５の他端を導電性酸化ガス供給
管３の外周面に固着させる。他の部分の構成は第５図、
第６図の燃料電池発電装置と同様であり、同様の効果を
奏しうる。しかも、固体電解質膜29を、ハニカム構造の
燃料電極28の内壁に成膜するので、固体電解質膜29には
構造部材としての強度は要求されず、第５図の場合より
も薄い固体電解質膜（例えば50μｍ程度）を製造しう
る。酸素イオンが透過する固体電解質を薄膜化すること
で、酸素イオンの通過距離が短くなり、発電効率を一層
向上させることも可能である。
た。そして、図面において左上、右下の単位管では燃料
電極28を内周面に露出させ、導電性燃料ガス供給管３を
孔内に通し、燃料電極28の電極表面に全面に亘って針状
集電体５を圧接させ、この針状集電体５の他端を導電性
燃料ガス供給管３の外周面に固着させる。また、図面に
おいて、右上、左下の単位管では、燃料電極28の内周面
に固体電解質膜29を設け、この内周面に空気電極20を設
けた。更に、孔Ｄ内に導電性酸化ガス供給管２を通し、
空気電極20の電極表面に全面に亘って針状集電体５を圧
縮させ、この針状集電体５の他端を導電性酸化ガス供給
管３の外周面に固着させる。他の部分の構成は第５図、
第６図の燃料電池発電装置と同様であり、同様の効果を
奏しうる。しかも、固体電解質膜29を、ハニカム構造の
燃料電極28の内壁に成膜するので、固体電解質膜29には
構造部材としての強度は要求されず、第５図の場合より
も薄い固体電解質膜（例えば50μｍ程度）を製造しう
る。酸素イオンが透過する固体電解質を薄膜化すること
で、酸素イオンの通過距離が短くなり、発電効率を一層
向上させることも可能である。
また、第７図の例において、燃料電極と空気電極とを
入れ換えてハニカム構造の空気電極を形成し、この空気
電極の内周面に固体電解質膜、燃料電極を成膜すること
もできる。この場合は、例えば第７図において、左上、
右下の単位管では孔内に空気電極が露出しかつ導電性酸
化ガス供給管が貫通し、右上、左下の単位管では孔内に
燃料電極が露出しており、かつ導電性燃料ガス供給管が
貫通する。
入れ換えてハニカム構造の空気電極を形成し、この空気
電極の内周面に固体電解質膜、燃料電極を成膜すること
もできる。この場合は、例えば第７図において、左上、
右下の単位管では孔内に空気電極が露出しかつ導電性酸
化ガス供給管が貫通し、右上、左下の単位管では孔内に
燃料電極が露出しており、かつ導電性燃料ガス供給管が
貫通する。
（発明の効果） 第一の発明に係る燃料電池発電装置によれば、燃料電
極及び空気電極の電極表面にそれぞれほぼ全面に亘って
多点接触集電体が接触しているので、燃料電極及び空気
電極のほぼ全面から直接電気を取り出すことができるた
め、電流が燃料電極、空気電極内を流れることによる出
力の抵抗損失を防止し、発電効率を高めることができ
る。
極及び空気電極の電極表面にそれぞれほぼ全面に亘って
多点接触集電体が接触しているので、燃料電極及び空気
電極のほぼ全面から直接電気を取り出すことができるた
め、電流が燃料電極、空気電極内を流れることによる出
力の抵抗損失を防止し、発電効率を高めることができ
る。
しかも、管状固体電解質隔壁の内部空間に配する燃料
ガス供給管又は酸化ガス供給管を導電性とし、これと燃
料電極又は空気電極との電気的接続を多点触媒集電体に
よって行っているので、内部空間に面した燃料電極又は
空気電極から上記供給管を介して直接集電でき、単位電
池の外周面に面するインタコネクタを設ける必要がな
い。
ガス供給管又は酸化ガス供給管を導電性とし、これと燃
料電極又は空気電極との電気的接続を多点触媒集電体に
よって行っているので、内部空間に面した燃料電極又は
空気電極から上記供給管を介して直接集電でき、単位電
池の外周面に面するインタコネクタを設ける必要がな
い。
第二の発明に係る燃料電池発電装置によれば、ハニカ
ム構造体燃料電池の各孔内に露出する燃料電極又は空気
電極の電極表面にほぼ全面に亘って多点接触集電体が接
触しているので、燃料電極及び空気電極のほぼ全面から
直接電気を取り出すことができるため、電流が燃料電
極、空気電極内を流れることによる出力の抵抗損失を防
止し、発電効率を高めることができる。
ム構造体燃料電池の各孔内に露出する燃料電極又は空気
電極の電極表面にほぼ全面に亘って多点接触集電体が接
触しているので、燃料電極及び空気電極のほぼ全面から
直接電気を取り出すことができるため、電流が燃料電
極、空気電極内を流れることによる出力の抵抗損失を防
止し、発電効率を高めることができる。
しかも、各孔内に配する燃料ガス供給管又は酸化ガス
供給管を導電性とし、これらと各孔内に露出する燃料電
極又は空気電極との電気的接続を多点接触集電体によっ
て行っているので、従来のように空気電極相互間、燃料
電極相互間のリード線による煩雑な配線をする必要がな
い、動作が安定であり、短絡（ショート）の危険もな
い。
供給管を導電性とし、これらと各孔内に露出する燃料電
極又は空気電極との電気的接続を多点接触集電体によっ
て行っているので、従来のように空気電極相互間、燃料
電極相互間のリード線による煩雑な配線をする必要がな
い、動作が安定であり、短絡（ショート）の危険もな
い。
第１図は燃料電池発電装置を示す一部破断斜視図、 第２図は第１図のII−II線矢視断面図、 第３図は第１図のIII−III線矢視断面図、 第４図は、本発明外の燃料電池発電装置を参考として示
す断面図、 第５図は更に他の燃料電池発電装置を示す一部破断斜視
図、 第６図は第５図のVI−VI線矢視断面図、 第７図は更に他の燃料電池発電装置を示す第６図と同様
の断面図である。 1,11,31……燃料電池（単電池） 2,22……導電性酸化ガス供給管 3,23……導電性燃料ガス供給管 ４……多孔室隔壁 ５……針状集電体（ブラシ状集電体） ６……発電室、７……燃焼物生成室 8,18,28……燃料電極 9,19,29……固体電解質隔壁 10,20……空気電極 A,A′……酸化ガスの流れ B,B′……燃料ガスの流れ Ｃ……管状固体電解質隔壁の内部空間 Ｄ……ハニカム構造体燃料電池素子の孔
す断面図、 第５図は更に他の燃料電池発電装置を示す一部破断斜視
図、 第６図は第５図のVI−VI線矢視断面図、 第７図は更に他の燃料電池発電装置を示す第６図と同様
の断面図である。 1,11,31……燃料電池（単電池） 2,22……導電性酸化ガス供給管 3,23……導電性燃料ガス供給管 ４……多孔室隔壁 ５……針状集電体（ブラシ状集電体） ６……発電室、７……燃焼物生成室 8,18,28……燃料電極 9,19,29……固体電解質隔壁 10,20……空気電極 A,A′……酸化ガスの流れ B,B′……燃料ガスの流れ Ｃ……管状固体電解質隔壁の内部空間 Ｄ……ハニカム構造体燃料電池素子の孔
Claims (2)
- 【請求項１】複数の単電池を備えている燃料電池発電装
置であって、 前記の各単電池が、イオン伝導性を有する管状固体電解
質隔壁と、この管状固体電解質隔壁の内周面側または外
周面側に設けられた燃料電極と、前記管状固体電解質隔
壁を挟んで前記燃料電極と反対側に設けられた空気電極
とを少なくとも有しており、前記管状固体電解質隔壁の
両端に開口が設けられており、複数の前記単電池の前記
各管状固体電解質隔壁の内部空間に一本の導電性燃料ガ
ス供給管又は導電性酸化ガス供給管が配されており、前
記各管状固体電解質隔壁内において前記導電性燃料ガス
供給管又は前記導電性酸化ガス供給管にガス供給孔がそ
れぞれ設けられており、前記燃料電極及び前記空気電極
の電極表面にそれぞれほぼ全面にわたって多点接触集電
体が接触しており、前記内部空間で前記導電性燃料ガス
供給管と前記燃料電極との電気的接続又は前記導電性酸
化ガス供給管と前記空気電極との電気的接続が前記多点
接続集電体によって行われており、一本の前記導電性燃
料ガス供給管又は導電性酸化ガス供給管によって複数の
前記単電池からの集電を行うことを特徴とする、燃料電
池発電装置。 - 【請求項２】単電池を備えている燃料電池発電装置であ
って、 前記単電池が、イオン伝導性を有する管状固体電解質隔
壁、燃料電極及び空気電極を備えており、前記管状固体
電解質隔壁の一方の側に前記燃料電極が設けられてお
り、前記管状固体電解質隔壁の他方の側に前記空気電極
が設けられており、前記管状固体電解質隔壁、前記燃料
電極または前記空気電極がハニカム構造体であり、この
ハニカム構造体の各孔内にそれぞれ前記燃料電極又は前
記空気電極が露出しており、前記各孔のうち前記燃料電
極が露出している孔内にそれぞれ導電性燃料ガス供給管
が配されており、前記各孔内に露出する前記燃料電極の
電極表面にほぼ全面にわたって多点接触集電体が接触し
ており、前記各孔内でそれぞれ前記導電性燃料ガス供給
管と前記燃料電極との電気的接続が前記多点接触集電体
によって行われており、前記各孔のうち前記空気電極が
露出している孔内にそれぞれ導電性酸化ガス供給管が配
されており、前記各孔内に露出する前記空気電極の電極
表面にほぼ全面にわたって多点接触集電体が接触してお
り、前記各孔内でそれぞれ前記導電性酸化ガス供給管と
前記空気電極との電気的接続が前記多点接触集電体によ
って行われていることを特徴とする、燃料電池発電装
置。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1194318A JP2790666B2 (ja) | 1989-07-28 | 1989-07-28 | 燃料電池発電装置 |
| EP90308283A EP0410796B1 (en) | 1989-07-28 | 1990-07-27 | Fuel cell generator |
| DE69013785T DE69013785T2 (de) | 1989-07-28 | 1990-07-27 | Brennstoffzellengenerator. |
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