JPH03102778A - 燃料電池発電装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明はイオン導電性を有する固体電解質を用いた燃料
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（ナフサ、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（以下、ｓｏｐｃと記す）
は１０００℃の高温で作動するため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著しく高い．更に、構
造材は全て固体から構或されているため、安定且つ長寿
命である．ＳＯＦＣ素子の構威要素は、一般的に空気電
極、固体電解質、燃料電極から構威される． 平板型ｓｏｐｃ素子は単位体積当りの電池有効面積が大
きく、有望である．こうした平板型ＳＯＰＣ素子を多数
平行に配列し、各単位素子同士をリジッドにシールして
発電室を形成し、発電室の一方の側から酸化ガスおよび
燃料ガスを送り込み、他方の側から燃焼排ガスを排出す
るものが知られている。

（発明が解決しようとする課題） しかし、各単位素子同士をリジットに固定しシールした
ものは、気密な発電室を形成するために単位素子同士を
互に密封拘束することにより単位素子縁辺部に応力が発
生し、作動時の高温による熱応力はこの拘束により拡大
される。また、酸化ガス及び燃料ガスの供給入口付近で
は電極反応が活発であるのに対し、排出部付近では電極
反応が不活発で温度が低く、発電室には大きな温度勾配
が発生しこれによって大きな熱応力が発生する。

これらの応力は脆弱な燃料電池素子に亀裂を発生させ易
く、このため発電効率が低下し、電池集合体の破壊が進
む。

本発明の課題は、単位素子に発生する応力を小さくする
こと、および発電室内の温度勾配が小さく、発電効率が
均一な燃料電池発電装置を提供することである． （課題を解決するための手段） 本発明は、イオン導電性を有する板状固体電解質隔壁と
この板状固体電解質隔壁の一方の側に設けられた空気電
極と前記板状固体電解質隔壁の他方の側に設けられた燃
料電極とを少なくとも有する板状燃料電池素子を、隣接
する前記板状燃料電池素子の前記空気電極同士を互いに
離隔させて対向させ、かつ隣接する前記板状燃料電池素
子の前記燃料電極同士を互いに離隔させて対向させた状
態で複数個配列してなる板状燃料電池素子配列体と； 隣接する前記板状燃料電池素子の互いに対向する前記空
気電極間に形成された第一の発電室と；この第一発電室
内に開口した酸化ガス供給口を有し、この酸化ガス供給
口を通して前記第一の発電室へと酸化ガスを供給する酸
化ガス供給管と；前記空気電極の電極表面にほぼ全面に
亘って接触しかつ前記酸化ガス供給管へと電気的に接続
された多点接触集電体と； 隣接する前記板状燃料電池素子の互いに対向する前記燃
料電極間に形成された第二の発電室と；この第二の発電
室内に開口した燃料ガス供給口を有し、この燃料ガス供
給口を通して前記第二の発電室へと燃料ガスを供給する
燃料ガス供給管と；前記燃料電極の電極表面にほぼ全面
に亘って接触しかつ前記燃料ガス供給管へと電気的に接
続された多点接触集電体とを有する燃料電池発電装置に
係るものである。

「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ｓｏｐｃ発電装置の一部を示す破断斜視図、第
２図は第１図の■−■線矢視断面図、第３図は第１図の
■−■線矢視断面図、第４図はＳＯＦＣ発電装置の一部
を示す平面図である。ただし、第１図、第３図では多孔
質隔壁４を図示省略してある． 平板状ＳＯＦＣ素子１は平板状固体電解質隔壁９の一方
の側に空気電極膜１０を設け、他方の側に燃料電極膜８
を設けた構威のものである。空気電極膜１０は、ドーピ
ングされたか、又はドーピングされていないＬａＭｎＯ
ｚ，　ＣａＭｎＯ＋，　ＬａＮｉ０３，　　ＬａＣｏ０
３＋ＬａＣｒＯｓ　　等で製造でき、ストロンチウムを
添加したＬａＭｎＯｓが好ましい．平板状固体電解質隔
膜９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８は、一般にはニッケルージルコニア
サーメット又はコバルトジルコニアサーメットである． 複数の平板状ＳＯＦＣ素子を互いに平行となるように、
空気電極１０同士、燃料電極８同士が対向する状態で多
数配列し、ＳＯＦＣ素子配列体１ｌを形成する。

各ＳＯＦＣ素子ｌの四周は通気性の多孔質隔壁４によっ
てソフトに支持され、位置決めされる。隣接するＳＯＦ
Ｃ素子間では、対向する空気電極１０間に第１の発電室
６Ａが設けられ、対向する燃料電極８間に第２の発電室
６Ｂが設けられ、第１の発電室６Ａと第２の発電室６Ｂ
とは交互に形成される。各ＳＯＦＣ素子配列体１ｌの外
周は多孔質隔壁４によって囲まれ、複数のＳＱＦＣ素子
配列体１１が縦横に配列され、隣接するＳＯＦＧ素子配
列体ｌ１の隙間に燃焼物生威室７が形成される。

゛第１の発電室６Ａ内を導電性酸化ガス供給管２が貫通
し（本例では２本）、各導電性酸化ガス供給管２はそれ
ぞれ複数個の発電室６Ａと燃焼物生或室７とを貫通する
。

また、第２の発電室６Ｂ内を導電性燃料ガス供給管３が
貫通し（本例では２本）、各導電性燃料ガス供給管３は
それぞれ複数個の発電室６Ｂと燃焼物生或室７とを貫通
する． これらの導電性酸化ガス供給管２および導電性燃料ガス
供給管３はそれぞれ多孔質隔壁４によって支持される。

導電性酸化ガス供給管２、導電性燃料ガス供給管３の外
周にはそれぞれ多数の針状集電ブラシ５が固着され、プ
ラシ５の他端は空気電極１０，又は燃料電極８の電極表
面に対して押圧接触される。

針状集電ブラシ５は好ましくは耐熱金属からなり、１０
００゜Ｃ程度の高温で弾性を有するものがよい。この針
状集電プラシ５と素子の周囲に配置されている多孔質隔
壁４によって脆弱な素子を柔軟に支持する。酸化ガス供
給管２、燃料ガス供給管３には、第一の発電室６＾又は
第二の発電室６Ｂの例えば中央付近で酸化ガス供給口２
ａ又は燃料ガス供給口３ａが設けられる． 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、酸化ガス供給口２ａより第一の発
電室６Ａ内に排出され、多方向に分かれて矢印Ａ′のよ
うに放射状に進む．同時に、複数配置された各ＳＯＦＣ
素子配列体１１の発電室６Ａ内へも同様にして酸化ガス
が供給される。

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
ガス供給口３ａより矢印Ｂ′のように第二の発電室６Ｂ
内へと放射状に排出され、多方向に分かれて進む。同時
に複数配置された各ＳＯＦＣ素子配列体１１の発電室６
Ｂ内へも同様にして燃料ガスが供給される。

多孔質隔壁４は、発電室６Ａ．　６Ｂと燃焼物生威室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、燃焼物生威室７からの燃焼生底物の各発電室への逆
流を防ぐ．発電に利用された後の減損した酸化ガスは多
孔質隔壁４を透過し、燃焼物生戒室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を通して燃焼物生威室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内を通過中のそれぞれのガスを予熱する。

第一の発電室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、
第二の発電室６Ｂで燃料と反応すると共に電子を燃料電
極８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、導電性酸化ガス供給管２、導電性燃料
ガス供給管３へと集電される。

そして、導電性酸化ガス供給管２を正極、導電性燃料ガ
ス供給管３を負極とし、これらの間に負荷を接続して電
力を取り出す。

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． （１）平板状ＳＯＦＣ素子の発電効率を上げるためには
、寸法を大きくして発電面積を増大させる必要がある．
しかし、平板状ｓｏｐｃ素子の寸法を大きくすると、温
度勾配、電流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、熱応力が大きくなって亀裂が発生する
という問題があった． 即ち、燃料ガス導入部付近では、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Ｃ０１水蒸気等が含まれており、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、平板状ｓｏｐｃ素子の寸法が大きくなるに
つれて一層激しくなる． これに対し、本発明では、第一の発電室６Ａを貫通する
導電性酸化ガス供給管２の第１の発電室６Ａの略中央付
近に酸化ガス供給口２ａを設け、第２の発電室６Ｂを貫
通する導電性燃料ガス供給管３の第２の発電室６Ｂの略
中央付近に燃料ガス供給口３ａを設け、これらの各発電
室の略中央付近に設けられた供給口より排出されたガス
が、特に第４図に示すように発電室６Ａ．　６Ｂ内を放
射状に進むので、発電室内をガスが横断する従来例に比
べ、各供給口から燃焼物生戒室７までの通過距離は非常
に短かい。従って、高温部と低温部との間の伝熱抵抗が
小さくなり各ガス供給口２ａｔ　３ａ付近から燃焼物生
戒室７へと至る温度勾配を小さくでき、熱応力を小さく
すると共に発電効率の均一化、向上を可能としうる。

（２）空気電極１０、燃料電極８の電極表面にほぼ全面
に亘って針状集電体５が押圧接触されているので、電極
膜に垂直の方向へと集電され、比抵抗の大きな電極膜内
の電流の通過距離を短くできるので電圧損失が低く、従
って発電効率が飛躍的に向上する． （３）更に脆弱なＳＯＰＣ素子を全面に亘って可撓性針
状集電体で柔軟に小さな力で均一に両面から支持する構
造であるため、ｓｏｐｃ素子に過大な応力が発生するを
防ぎ、集合体の構造体としての信頼性が高まる． （４）酸化ガス、燃料ガスはいずれも電池室内のほぼ中
央部で放出され、排ガスは素子集合体の四周から放出さ
れる構造のため、ＳＯＦＣ素子の間をシールするために
固定する必要がない。このためにｓｏｐｃ素子には固定
に起因する応力の発生がなく構造体としての信頼性が向
上する。

（５）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。

これに対し、本発明では、針状集電体５が弾性を有し、
かつ空気電極ｌＯ、燃料電極８表面にほぼ全面に亘って
押圧接触されることから、接触面積大で、集電体１本あ
たりの荷重負担が小さく、押圧力を小さくできる．よっ
て、上記弾性と相まって、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．（６）長尺
のガス供給管２，３が複数の発電室を貫通しているので
一本の導電性ガス供給管２，３へと酸化ガス又は燃料ガ
スを送り込むだけで、多数の第１あるいは第２の発電室
６＾．　６Ｂ内へ同時に酸化ガス又は燃料ガスを供給す
ることができ、一つの発電室ごとに酸化ガス供給管、燃
料ガス供給管を別個に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）上述の例では、好ましくは耐熱金属等の導電性ガ
ス供給管２．３から直接集電したが、ガス供給管本体部
分を非導電性の耐熱物、例えばセラξツクス等で作製し
、耐熱金属等の導電体からなる導電性被膜をガス供給管
本体部分の外周に施して二重構造のガス供給管を作威し
、この二重構造の管を第一の発電室６Ａ、第二の発電室
６Ｂ内に貫通させ、導電性被膜部分と空気電極表面又は
燃料電極表面とを針状集電体５によって上述したように
電気的に接続してもよい。

導電性又は非導電性の酸化ガス供給管又は燃料ガス供給
管を、上述の例においては、各発電室６＾．　６Ｂ毎に
それぞれ２本毎配置したが、この本数を１本又は３本以
上としてもよい。また、発電室６Ａ，　６Ｂ内をそれぞ
れ貫通するガス供給管において、酸化ガス供給口、燃料
ガス供給口の配置個数、寸法、形状、位置は任意に変更
できる．又ガス流方向も必ずしも並行流でなくてよく第
５図に示すように、酸化ガス流と燃料ガス流とを直交さ
せてもよい。

なお、各ｓｏｐｃ素子配列体１１を構或するＳＯＦＣ素
子の数は種々変更でき、またＳＯＦＣ素子配列体１１の
個数も種々変更できる。

（ｂ）第ｌ図〜第５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。

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ξツクス、セラミック被覆金属等で製造してもよい
。

（ｃ）　　多孔質隔壁４が発電室の四周全てを必ずしも
囲む必要はなく、例えば対向する二周のみに配置される
場合でもよく、更には多孔室隔壁４を用いず導電性ガス
供給管２，３を固定し、針状集電体５を介して各ｓｏｐ
ｃ素子ｌを直接支持してもよい． 即ち、第６図に示すように、各ＳＯＦＣ素子配列体ｌ１
を縦横に配列し、各ｓｏｐｃ素子は導電性ガス供給管２
．３、針状集電体５を介して支持し、全体を気密容器２
０内に収容してよい。

多孔質隔壁４の他、素子と柔軟に接触する支持用又はフ
ロー用バッフルを更に組み込んでもよい． （ｄ）第１図では各単電池ｌ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、また所定角度傾けて
もよい。

（ｅ）上記の例では、平板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支持板を用い、この上にＳＯＦＧ素
子を形成してもよい。

かかる多孔質導電性基体は、例えばＳｒをドーブしたＬ
ａＭｎＯｓで製造できる。

平板状ＳＯＰＣ素子の平面形状も正方形、長方形に限ら
ず、三角形、六角形、円形等であってもよい。

又、板状ＳＯＦＣ素子の板状形態としは、平面以外に波
形、円錐、角錐、球面状等でも勿論良い．（発明の効果
） 本発明に係る燃料電池発電装置によれば、第一の発電室
内の好ましくは中央付近に開口した酸化ガス供給口を通
して酸化ガスを供給し、かつ第二の発電室内の好ましく
は中央付近に開口した燃料ガス供給口を通して燃料ガス
を供給しているので、これらの各ガス供給口より排出さ
れたそれぞれのガスが各発電室内を放射状に進むので、
発電室内をガスが横断する従来例にくらべ、各ガス供給
口から燃焼物生威室までのガスの通過距離が非常に短か
い．従って、温度勾配を小さくできるため、燃料電池素
子にかかる熱応力を小さくして亀裂の発生を防止できる
と共に、発電効率の均一化、向上が可能となる． 又、隣接電池素子間の密封拘束を必要とせず、そのため
素子の拘束に起因する応力の発生を避けられるので、電
池の信頼性が向上する。

また、空気電極、燃料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、各電極膜に垂直
の方向へと集電され、電極膜の内部抵抗による電圧損失
が低く、発電効率が飛躍的に向上し、更に、電池素子を
両面から多点接触集電体によって柔軟に支持しているた
め、応力による素子の損傷が著しく減少する。

【図面の簡単な説明】

第１図はＳＯＦＣ発電装置の一部分を示す破断斜視図、 第２図は第１図のＵ−１１線矢視断面図、第３図は第１
図の■一■線矢視断面図、第４図はｓｏｐｃ発電装置の
一部分を示す平面図、第５図は他のｓｏｐｃ発電装置の
一部分を示す破断斜視図、 第６図は他のＳＯＦＣ発電装置全体の配列を示す平面図
である。 ｌ・・・ＳＯＦＣ素子 ２・・・導電性酸化ガス供給管 ２ａ・・・酸化ガス供給口 ３・・・導電性燃料ガス供給管 ３ａ・・・燃料ガス供給口 ４・・・多孔質隔壁 ５・・・針状集電体（ブラシ状集電体）６＾・・・第一
の発電室　　　　６Ｂ・・・第二の発電室７・・・燃焼
物生威室　　　　８・・・燃料電極膜９・・・平板状固
体電解質隔壁 ｌＯ・・・空気電極膜　　　　　１１・・・ＳＯＦＣ素
子配列体Ａ，　Ａ’　，　Ａ’・・・酸化ガスの流れＢ
，　Ｂ’　，　Ｂ’・・・燃料ガスの流れ第３図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、イオン導電性を有する板状固体電解質隔壁とこの板
   状固体電解質隔壁の一方の側に設けられた空気電極と前
   記板状固体電解質隔壁の他方の側に設けられた燃料電極
   とを少なくとも有する板状燃料電池素子を、隣接する前
   記板状燃料電池素子の前記空気電極同士を互いに離隔さ
   せて対向させ、かつ隣接する前記板状燃料電池素子の前
   記燃料電極同士を互いに離隔させて対向させた状態で複
   数個配列してなる板状燃料電池素子配列体と； 隣接する前記板状燃料電池素子の互いに対向する前記空
   気電極間に形成された第一の発電室と； この第一の発電室内に開口した酸化ガス供給口を有し、
   この酸化ガス供給口を通して前記第一の発電室へと酸化
   ガスを供給する酸化ガス供給管と； 前記空気電極の電極表面にほぼ全面に亘って接触しかつ
   前記酸化ガス供給管へと電気的に接続された多点接触集
   電体と； 隣接する前記板状燃料電池素子の互いに対向する前記燃
   料電極間に形成された第二の発電室と； この第二の発電室内に開口した燃料ガス供給口を有し、
   この燃料ガス供給口を通して前記第二の発電室へと燃料
   ガスを供給する燃料ガス供給管と； 前記燃料電極の電極表面にほぼ全面に亘って接触しかつ
   前記燃料ガス供給管へと電気的に接続された多点接触集
   電体とを有する燃料電池発電装置。