JPH11111314A

JPH11111314A - 固体電解質型燃料電池のカソード集電構造及び該集電構造を用いた固体電解質型燃料電池発電モジュール

Info

Publication number: JPH11111314A
Application number: JP9271538A
Authority: JP
Inventors: Shinji Takeuchi; 伸二竹内
Original assignee: Kansai Electric Power Co Inc
Current assignee: Kansai Electric Power Co Inc
Priority date: 1997-10-03
Filing date: 1997-10-03
Publication date: 1999-04-23

Abstract

(57)【要約】【課題】インターコネクタレス方式の固体電解質型燃
料電池の集電効率を高める。【解決手段】外側から順に空気極、固体電解質、燃料
極が円筒状に積層されたインターコネクタレス方式の固
体電解質型燃料電池の空気極電流を取り出すためのカソ
ード集電構造であって、上下方向に延びるように配置さ
れた前記円筒状燃料電池の前記空気極の上端部において
空気極側排ガスと燃料極側排ガスとを仕切る排ガスセパ
レータと、前記円筒状燃料電池に対し軸線方向に密着さ
れ前記排ガスセパレータより上方まで延びたカソード集
電体２１とを備えていることを特徴とするカソード集電
構造。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は固体電解質型燃料電
池（以下「SOFC」ともいう。）に利用するカソード集電
構造及び該カソード集電構造を用いた発電モジュールに
関する。

【０００２】

【従来の技術】固体電解質型燃料電池のセル構造には、
円筒方式及び平板方式等があり、円筒方式のものには単
セルの接続方法の違いから縦縞円筒方式と横縞円筒方式
があった。縦縞円筒方式のものとしては、図１６及び図
１７に示されているように外側から順に燃料極８３、固
体電解質８２、空気極８１が配置され形式のものがあっ
た。これは１本の円筒型の多孔質支持管８４の上に１個
の単セルで構成されている。

【０００３】この形式ではセルの外側には、水素や一酸
化炭素を含む燃料が通され、セルの内側には酸素を含む
空気が通される。内側の空気極８１では以下のように空
気中の酸素が電子を受け取って酸化物イオンとなり、固
体電解質を透過して、外側の燃料極８３に達する。

【０００４】（１／２）Ｏ₂ ＋２ｅ^- → Ｏ^2-（反応式Ａ）この酸化物イオンが燃料極８３において、以下のように
水素及び一酸化炭素と反応して電子を放出して水及び二
酸化炭素を作り出す。

【０００５】Ｈ₂ ＋Ｏ^2- → Ｈ₂Ｏ＋２ｅ^-（反応式Ｂ）ＣＯ＋Ｏ^2- → ＣＯ₂ ＋２ｅ^-（反応式Ｃ）このような電池反応により発生する電気はインターコネ
クタ８５を介して取り出される。即ち、セルの電解質８
２及び燃料極８３は完全な円筒形ではなく、長手方向に
延びる間隙があり、該間隙から、内側の空気極８１で生
じた電気を取り出している。そして、このインターコネ
クタを隣接するセルの燃料極８３に接続することにより
各セルが直列に接続される。そして、図１８に示されて
いるように、直列に接続されたセルを挟むようにして設
置されたプレートの一端がスタックの陽極となり、他端
が陰極となる。即ちこの両端の板が集電体の役割を果た
していた。

【０００６】一般に、円筒方式は、平板方式等に比べて
機械的強度が優れており、熱応力が緩和されやすいと言
われている。しかしながら、固体電解質として使用され
るイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）が高いイオン
伝導率を示すのは約８００℃から約１０００℃の高温で
ある。このような高温での作動のため、円筒方式といえ
ども、異種材料の接合部であるインターコネクタの周り
に、熱膨張率の違いから生ずる熱応力が集中し、クラッ
クが発生し易かった。このクラックから漏れた空気は、
燃料ガスと燃焼してクラック周辺を局部加熱し、セルに
損傷を与えてシステムの寿命を短くしていた。

【０００７】そこで、インターコネクタをなくして、縦
縞方式でも横縞方式でもないセル構造（以下、「インタ
ーコネクタレス方式」ともいう。）が開発された（特開
平７−２６３００１号公報参照）。これは、図１９に示
されているように、内側から順に燃料極９３、電解質９
２及び空気極９１を積層した円筒型の構造をしており、
燃料極の内側には燃料供給用の導電性チューブ９４が挿
入されている。燃料極９３と導電性チューブ９４との間
には導電性フェルト（例えば、ニッケルフェルト等）が
詰められており、燃料極９３と導電性チューブ９４とを
電気的に接続している。図から明らかなように、このセ
ルは、１本の円筒に１個の単セルで構成されている。セ
ルの陽極には空気極９１、セルの陰極には導電性チュー
ブ９４が用いられる。

【０００８】導電性チューブ９４には多数の細孔が設け
られており、導電性チューブ９４に供給された天然ガス
（メタンガスを主成分とする）と水蒸気は、チューブ上
の孔から導電性フェルト９５内に入り、導電性フェルト
９５の触媒作用により、電池反応に寄与する水素及び一
酸化炭素に改質される。尚、このセルにおいては改質が
セル内部で行われるため、改質器を別に設ける必要がな
い。このようにして燃料極９３の内側に発生した水素及
び一酸化炭素と、空気極９１の外側を流れる空気に含ま
れる酸素とが、電池反応（前述の反応式ＡからＣ）に寄
与する。燃料極側の電流は、導電性フェルト９５を介し
て導電性チューブ９４から取り出される。

【０００９】このような構造をとることにより、インタ
ーコネクタを省略することが可能となり、その結果、熱
応力に強いセルを得ることができた。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うに開発されたインターコネクタレス方式のセルには、
以下のような課題が残されていた。即ち、インターコネ
クタレス方式の場合に、如何にして電極を接続し、集電
効果を上げるかについて未だ十分に検討されていなかっ
た。インターコネクタレス方式のセルの集電構造として
は、例えば、図２０に示されているように、複数のセル
を並列に接続してバンドルを構成することが考えられて
いた（特開平７−２６３００１号公報参照）。これは、
セルの内側の燃料極９３に連結された導電性チューブ９
４の端部を燃料分配器で連結して陰極とし、セルの外側
の空気極９１を導電性材料９６で相互に接続して、バン
ドルの側面部に導電性プレート９７を設けたものであ
る。しかし、このように単に空気極間相互を導電性材料
９６で接続するのみでは、導電性プレート９７から離れ
た位置に配置されたセルで生じた電流は、複数のセルを
経由して導電性プレート９７に到達することとなり、集
電効率が低い。

【００１１】また、インターコネクタレス方式の場合、
セルの内側に燃料が流れ、外側に空気が流れる。したが
って、セルの周辺で電極を接続するためには、高温酸化
雰囲気中でセルを接続する必要があり、接触抵抗の増大
や電極の劣化などの困難な問題が生じた。

【００１２】本発明は、このような問題点を解決するた
めになされたもので、円筒型の固体電解質型燃料電池に
使用するカソード集電構造及び該カソード集電構造を使
用した固体電解質型燃料電池発電モジュールを提供する
ことを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明にかかるカソード
集電構造は、外側から順に空気極、固体電解質、燃料極
が円筒状に積層されたインターコネクタレス方式の固体
電解質型燃料電池の空気極電流を取り出すためのカソー
ド集電構造であって、上下方向に延びるように配置され
た前記円筒状燃料電池の前記空気極の上端部において空
気極側排ガスと燃料極側排ガスとを仕切る排ガスセパレ
ータと、前記円筒状燃料電池に対し軸線方向に密着され
前記排ガスセパレータより上方まで延びたカソード集電
体とを備えていることを特徴とする。

【００１４】上記の構成により、空気極電流が隣接する
他のセルを経由しないので、集電効率が向上する。ま
た、高温酸化雰囲気中にある空気極に流れる電流を還元
雰囲気中に引き出すので、空気極側パワーリードの材質
として従来の高導電性金属を使用することができるよう
になる。

【００１５】前記カソード集電体は、燃料電池反応のた
めの高温酸化雰囲気に接触する前記排ガスセパレータよ
り下方の部分が該雰囲気に対する耐性を有する導電性材
料で被覆されていることが望ましい。空気極側の排気中
にあるリード部材は、高温酸化雰囲気中にあるので、こ
のように高温酸化雰囲気中でも酸化しない物質で覆うこ
とにより、カソード集電体の劣化を防止することができ
る。

【００１６】前記カソード集電構造は、好ましくは、前
記カソード集電体と空気極との間に設けられる集電補助
剤を更に備えており、該集電補助剤は、燃料電池反応の
ための高温酸化雰囲気中で安定であり、且つ、運転温度
において空気極の導電率よりも高い導電率を有する物質
で形成されていることが望ましい。

【００１７】また、前記カソード集電構造は、外側の一
部で前記カソード集電体に接触し内側で空気極に接触す
るようにして空気極の周りに設けられる１又は２以上の
集電補助リングを更に備えていることが好ましく、該集
電補助リングは、燃料電池反応のための高温酸化雰囲気
中で安定であり、且つ、運転温度において空気極の導電
率よりも高い導電率を有する物質で形成されていること
が望ましい。

【００１８】集電補助剤や集電補助リングを設けた上記
のような場合には、更に集電効果を上げることができ
る。

【００１９】次に、本発明にかかる固体電解質型燃料電
池発電モジュールは、上記のカソード集電構造を用いた
固体電解質型燃料電池発電モジュールであって、前記固
体電解質型燃料電池を相互に平行に複数配列した固体電
解質型燃料電池発電モジュールにおいて、前記排ガスセ
パレータ板と、前記燃料電池の燃料供給管に燃料を分配
するフュエルディストリビューターと、前記排ガスセパ
レータ板より上の位置で、１又は２以上の燃料供給管に
接続されている燃料極側パワーリードと、前記排ガスセ
パレータ板より上の位置で、１又は２以上のリード部材
に接続された空気極側パワーリードとを備えていること
を特徴とする。

【００２０】本発明にかかる固体電解質型燃料電池発電
モジュールは上記の構成を有するので、集電効率が高
く、また、空気極側パワーリード及び燃料極側パワーリ
ードとも、還元雰囲気中で接続されているので、従来の
高導電性金属材料でパワーリードを構成することがで
き、接触抵抗の増大や電極の劣化の問題からも開放され
る。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照しつつ、本
発明にかかるカソード集電構造及び固体電解質型燃料電
池発電モジュールの好適な実施形態について説明する。

【００２２】カソード集電構造図１は、本発明にかかるカソード集電構造の一実施形態
を示している。図１に示されているように、セルの外側
に配置された空気極に流れる空気極電流は、セルの空気
極に密着したカソード集電体２１から取り出される。カ
ソード集電体２１はセルの長手方向に延びるリード部材
２２を備えている。リード部材２２は銅やニッケルなど
の高導電性金属で形成することができる。リード部材２
２は、空気極側排気と燃料極側排気との混合燃焼を防止
するために設けられた排ガスセパレータ１１（図９参
照）を貫通する。したがって、リード部材２２の一端は
燃料極側の排気中に位置し、他端は空気極側の排気中に
位置する。

【００２３】リード部材２２の空気極側排気中にある部
分は、セルの空気極に接続され、これにより空気極電流
が取り出される。図１の実施形態では、縦方向に並ぶ２
つのセルの間にリード部材２２が挿入されて各セルに接
続されている。リード部材２２が空気極に接続される部
分には、リード部材を被覆する被覆層７６がある。被覆
層７６は、例えば、白金などの高温酸化雰囲気中で安定
であり、しかも導電率が空気極材料よりも高い材料で構
成されている。空気極側の排気中にあるリード部材は、
高温酸化雰囲気中にあるので、リード部材２２を、この
ように高温酸化雰囲気中でも酸化しない物質で覆うこと
により、リード部材の２２の劣化を防止することができ
る。

【００２４】空気極１には集電効果を高めるため、被覆
層７６との間には集電補助剤２３を、更に、空気極１の
周りに一定間隔で、幅数ミリメートルから数十ミリメー
トルの集電補助リング２４をコーティングしておくこと
が好ましい。集電補助剤２３や集電補助リング２４は、
例えば、白金ペーストなどの高温酸化雰囲気中で安定で
あり、しかも導電率が空気極材料よりも高い材料で構成
されている。

【００２５】カソード集電体２１を流れる電流は、セル
上部に多く集まり、セル底部には少ないため、カソード
集電体２１及び集電補助剤２３とも底部に行くほど幅を
狭くすることができ、これにより材料の使用量を抑える
ことができる。リード部材２２の被覆のない部分は、熱
応力に耐えるため撚り線構造とするなど柔軟性を持たせ
ることが望ましい。

【００２６】図１のセルを使用した例では、縦方向に並
ぶセルの間には、カソード集電体２１が取り付けられ、
横方向に並ぶセルの間には、カソードスペーサー２５が
挿入される（図２参照）。カソードスペーサ２５の材質
はセルの空気極と同じものが好ましく、電気的には導通
していなくても良い。

【００２７】発電モジュール次に、上記のカソード集電構造を用いたインターコネク
タレス円筒型固体電解質型燃料電池発電モジュールにつ
いて説明する。

【００２８】（１）燃料をセル上部から供給する形式の
インターコネクタレスセルを用いた場合まず、本発明にかかる固体電解質型燃料電池発電モジュ
ールの一実施形態について、図３及び図４に示されてい
る単セルを使用する場合を例にとって説明する。図３は
固体電解質型燃料電池のセル構造の一例を示している。
このセルは、外側から順に空気極１、電解質２、燃料極
３を積層した円筒形で、セル底部を閉鎖した構造となっ
ている。燃料極３の内側には、燃料供給管４が、セルの
上部側から挿入されている。燃料極３と燃料供給管４と
の間には、導電性フェルト５が詰められており、燃料極
３と燃料供給管４とを電気的に接続している。セルの陰
極には燃料供給管４が用いられ、陽極には空気極１が用
いられる。

【００２９】燃料供給管４の内側には、水蒸気細管６が
設けられている。水蒸気細管６は、メタンを主成分とす
る燃料（天然ガス等）を水蒸気改質して、燃料電池の燃
料として使用できる水素及び一酸化炭素が多いガスとす
るためのものである。水蒸気細管６は、セル底部側に、
より多くの水蒸気を供給できるようになっている。水蒸
気細管６から供給する水蒸気をセルの底部側ほど多くす
ることによって、導電性フェルト５の上部側から底部側
に至るまでの水蒸気濃度を均一にすることができる。こ
れにより、セル底部においては、水蒸気不足に起因する
炭素の析出を防止でき、セル上部においては、水蒸気の
過剰供給からくる水素及び一酸化炭素の希薄化を防止で
きる。

【００３０】図４は燃料供給管４及び水蒸気細管６の構
造を示している。燃料供給管４の先端及び側面には、燃
料吹き出し用の小さな孔７、１５が設けられている。こ
の側面の孔１５の大きさ、数、及び位置は、燃料極３の
表面に燃料が均等に行き渡るように設けられている。ま
た、この孔１５はセル上部に向かって傾斜して燃料供給
管４に穿孔されており、孔から噴出した燃料ガス（特に
セル底部側の燃料ガス）がセル内で滞留せずにスムーズ
にセルの外側に排気されるようにしている。燃料は、例
えば 0.5 から３ kg/cm²・G 程度の圧力で、燃料供給管
４に供給され、燃料供給管の側面の孔１５及び先端の燃
料噴出口７から吹き出す。

【００３１】燃料供給管４の先端に設けられた燃料噴出
口７の位置には、水蒸気細管６の水蒸気吹出口８が配置
されている。水蒸気細管６の上部端は、燃料供給管４の
上部に開けられた孔に溶接等で固定されている。

【００３２】燃料供給管４からの燃料の噴出にともなっ
て、燃料噴出口７付近は負圧となり、水蒸気吹出口８か
ら水蒸気が引き出される。このようなエゼクター効果に
より水蒸気吹出口８から水蒸気が引き出され、これに対
応して新たな水蒸気が水蒸気導入口９を通して水蒸気細
管６に吸い込まれる。新たな水蒸気には、燃料極側排気
が用いられる。セルの上端には排ガスセパレータ板１１
が取り付けられているので、燃料極側排気のみが水蒸気
導入口９の周囲を流れ、空気極側排気１２は水蒸気導入
口９の周囲を通らない（図３参照）。従って、燃料極側
排気のみが水蒸気細管６に吸い込まれる。その結果、外
部の循環ルートを設けずに、燃料極側排気中の水蒸気を
再び改質用の水蒸気として有効に利用することが可能と
なる。

【００３３】SOFCは、高温で動作するので、熱膨張など
で先端部の燃料噴出口７と水蒸気吹出口８の位置がずれ
ると、エゼクター効果に悪影響を及ぼすため、先端の位
置で数カ所に点溶接等を施して、燃料供給管４と水蒸気
細管６を固定するのが望ましい。また、水蒸気細管６の
揺れ止めのために、図３に示されているように揺れ止め
金具１３を設けることが好ましい。揺れ止め金具１３
は、水蒸気細管に溶接等で固定される。

【００３４】空気極１の材料には、従来からの材料を使
用することができ、例えば、ストロンチウム添加ランタ
ンマンガナイト等を使用することができる。また、電解
質２の材料には、例えば、イットリア安定化ジルコニア
等を使用することができる。燃料極３の材料には、例え
ば、ニッケルジルコニアサーメット等が使用できる。燃
料極３の材料としてはニッケルジルコニアサーメット等
のような、天然ガス等の燃料改質の触媒機能を有する材
料を使用するのが好ましい。燃料供給管４の材料は、導
電性が高く且つ１０００℃の高温でも内部の燃料ガス圧
力に対して十分な強度を有する材料である必要があり、
好ましくは、ニッケル、銅、ステンレス、インコネルな
どの金属材料を用いる。燃料供給管４の材料には、好ま
しくは、燃料を改質する触媒性能を有するものが用いら
れる。水蒸気細管６の材料は、燃料供給管４との熱膨張
率の整合性や溶接時の整合性などから、燃料供給管４と
同じ材料であることが好ましい。

【００３５】このように、燃料供給管４及び水蒸気細管
６は導電性の金属材料で形成されるのに対し、セルはセ
ラミックス材料で形成されるため、熱膨張率が異なり、
起動−停止に伴う温度変化によってズレが生じる。この
ズレを吸収するために、図４に示されているように、燃
料供給管４及び水蒸気細管６の一部に摺動部を設けるの
が好ましい。

【００３６】次に、図３及び図４を参照しつつ、燃料等
の流路について説明する。天然ガス等の燃料は、セル上
部から燃料供給管４を通って、セル下部に設けられたエ
ゼクター部（先端部）に向かう。エゼクター部に到達す
るまでに燃料の一部は、燃料供給管４の側面に設けられ
た孔１５から導電性フェルト５内に吹き出す。エゼクタ
ー部に到達した燃料は燃料噴出口７から噴出する。この
際のエゼクター効果により水蒸気導入口９から吸い込ま
れた水蒸気が、水蒸気吹出口８から放出される。エゼク
ター部から出た燃料及び水蒸気は、導電性フェルト５内
に入り、改質される。一方、セルの外側には、酸素を含
む空気が流れており、酸素が電子を受け取ってイオン化
して（反応式Ａ）電解質中を透過し、燃料極３に到達す
る。燃料極側では、酸化物イオンが、電子を放出しつつ
導電性フェルト５内の水素及び一酸化炭素と反応する
（反応式Ｂ及びＣ）。この反応により生じた水蒸気及び
二酸化炭素は、導電性フェルト５内をセル上部に向けて
流れる。そして、反応式Ｂにより生じた水蒸気は再び改
質反応に寄与する。セルの上部には、排ガスセパレータ
板１１が設けられており、導電性フェルト５から出た水
蒸気等は空気と混ざらずに燃料極側排気となる。この燃
料極側排気の一部はセル上部の水蒸気導入口９から取り
込まれて改質用の水蒸気として、セル下部に向けて流れ
る。

【００３７】次に、セルの接続について説明する。セル
間の接続は、図２の紙面において、縦方向には図１に示
されているカソード集電体２１を介して、横方向にはカ
ソードスペーサ２５を介して複数のセルを接続して行
き、１つのバンドルを構成する。カソードスペーサ２５
は、その上部にセルとセルの間を流れる空気が排出する
ための間隙を作るようセル上端よりやや低い位置まで延
びている。

【００３８】図５はバンドル構造の１例を示している。
ここでは、縦方向に２本、横方向に３本の計６本のセル
を接続したバンドル構造が示されている。空気は、底部
の空気室セパレータ板２６の孔を通ってセルに供給さ
れ、外側の空気極に沿ってセル上部に上がって行く。空
気極側排気とセルの内側から出てきた燃料極側排気は、
排ガスセパレータ板１１によって混合燃焼しないように
分離される。排ガスセパレータ板１１には、カソード集
電体２１を通すための貫通孔２７が設けられている。

【００３９】バンドルとバンドルの間にはバンドルスペ
ーサ２８を設置し、バンドル間を電気的に絶縁すると共
に、その上方は空気極側排気の通り道となるように排ガ
スセパレータ板１１との間に間隙を設ける。したがっ
て、セルとセルの間の空気極側排気は、図６に示すよう
に該図の紙面における横方向にはバンドルスペーサ２８
の上部から、縦方向にはカソードスペーサ２５の上部か
ら外に排出される。

【００４０】図６は、図５に示されているバンドルを縦
方向に４組接続してスタック化した場合の平面図を示し
ている。上記のようにして並列に接続された６本のセル
が各バンドルを構成している。各バンドル間にはバンド
ルスペーサ２８があり、この状態ではバンドル１から４
の相互間は絶縁されている。

【００４１】図７はバンドルからの電極の取り出し方を
示している。燃料極側（陰極）については、燃料供給管
４が集電体となる。従って、燃料極（陰極）側は、燃料
供給管４から燃料極側パワーリード２９を介して電気を
取り出すことができる。空気極（陽極）側は、カソード
集電体２１から空気極側パワーリード３０を介して電気
を取り出す。燃料極側パワーリード２９を６本の燃料供
給管４に接続することにより、セルの陰極は、並列に接
続されて等電位となる。また、空気極側パワーリード３
０によって３本のカソード集電体２１を接続することに
よりセルの陽極も並列に接続されて等電位となる。

【００４２】各燃料供給管４と燃料極側パワーリード２
９、及び各カソード集電体２１と空気極側パワーリード
３０は、接触抵抗が大きくならないよう溶接やボルト締
め等でしっかり固定する。それぞれのパワーリードは撚
り線構造等を用いて柔軟性を持たせるのが望ましい。

【００４３】バンドル間の電気接続は、図８に示されて
いるように隣り合ったバンドルの空気極側パワーリード
３０と燃料極側パワーリード２９を溶接やボルト締め等
で接続することによって行い、このようにして各バンド
ルを電気的に直列に繋いでいく。パワーリードの接続
は、セルに排ガスセパレータ板１１を被せた後に行う。

【００４４】図９はスタック構造の一例を示している。
これは図５に示されているバンドルを縦方向に４組直列
に接続したものである。燃料は、フュエルディストリビ
ューター３１からフレキシブル絶縁ジョイント３２及び
燃料供給管４を通してセル内部に送られる。スタック相
互の間はパーテーションボード３３によって仕切られ
る。見易さのため、この図からは空気極側パワーリード
及び燃料極側パワーリード（パワーリードアセンブリ）
を省略している。

【００４５】図１０は、フレキシブル絶縁ジョイント３
２と燃料供給管４との接続を拡大して示したものであ
る。燃料供給管４とフュエルディストリビューター３１
とはフレキシブル絶縁ジョイント３２によって繋げられ
る。図１０に示されているようにフレキシブル絶縁ジョ
イント３２は相互にネジ締めによって繋げることができ
る。フレキシブル絶縁ジョイント３２を柔軟な構造にす
れば、セル及び発電モジュール内の各部の熱応力や膨張
率が異なっていても、それによる摺動を吸収することが
できる。また、フレキシブル絶縁ジョイント３２は、セ
ラミックスやテフロン等の絶縁性材料で形成されてお
り、燃料供給管４とフュエルディストリビューター３１
との間を電気的に絶縁することができる。

【００４６】図９に示されているスタックを更に直列に
接続して構成した発電モジュールの一実施形態を図１１
に示す。発電モジュールには、下側から順に空気室３
４、電池反応室３５、燃料極排ガス室３６、フュエルデ
ィストリビューター３１が設けられている。空気室３４
と電池反応室３５との間は空気室セパレータ板２６で仕
切られており、電池反応室３５と燃料極排ガス室３６と
の間は排ガスセパレータ板１１で仕切られている。更
に、フュエルディストリビューター３１と燃料極排ガス
室３６との間にはフュエルディストリビューター３１を
支持するためのトッププレート３７が取り付けられてい
る。

【００４７】空気室３４に入った空気は、空気室セパレ
ータ板２６に設けられた孔から上方に向けて吹きだし、
電池反応室３５において電池反応に寄与した後、空気極
側排気として排出される。一方、天然ガス等の燃料は、
フュエルディストリビューター３１によって、各セルに
分配され、フレキシブル絶縁ジョイント３２を介して各
セルの燃料供給管４に供給されて電池反応室３５に入
る。燃料は電池反応室３５において改質及び電池反応に
寄与した後、燃料極側排気として燃料極排ガス室３６に
入る。この一部が水蒸気導入口９から吸い込まれて再び
改質反応に寄与する。その他の燃料極側排気は燃料極排
ガス室３６の外に排出される。

【００４８】燃料極排ガス室３６と電池反応室３５の間
では、差圧コントロールによって、燃料極排ガス室３６
と電池反応室３５のガス圧力差をなくするようにするの
が好ましい。圧力差をなくすことによって、排ガスセパ
レータ板１１とセルの間からのガスリークによる混合燃
焼を抑えることができ、排ガスセパレータ板１１とセル
上部との間に特別なシールを行わずに済む。更に、セル
上部にまで上がってきた燃料極側排気中の可燃性ガス
は、電池反応によって殆ど消費されているので微妙なリ
ークは許容される。

【００４９】（２）燃料をセル下部から供給する形式の
インターコネクタレスセルを用いた場合次に、本発明にかかる固体電解質型燃料電池発電モジュ
ールの一実施形態について、図１２に示されている単セ
ルを使用する場合を例にとって説明する。図１２は固体
電解質型燃料電池のセル構造の一例を示している。この
セルは、外側から順に空気極、固体電解質、燃料極が配
置された円筒形セルである。円筒形の空気極５１、電解
質５２、燃料極５３が同軸で内側に積層されており、燃
料極５３の内側には、天然ガス及び水蒸気を供給するた
めの導電性チューブ５４が挿入されている。導電性チュ
ーブ５４と燃料極５３との間には、導電性フェルト５５
（例えば、ニッケルフェルト等）が詰められており、燃
料極５３と導電性チューブ５４とを電気的に接続してい
る。セルの陽極には空気極５１、陰極には導電性チュー
ブ５４が用いられる。

【００５０】導電性チューブ５４は、一部が断面十字の
二重構造になっており、内側に天然ガスが供給され、外
側には水蒸気が供給される。導電性チューブ５４に供給
された天然ガス及び水蒸気は、導電性チューブ５４に設
けられた多数の細孔から外側に向けて吹き出して導電性
フェルト５５内に入る。ここで、天然ガス（メタンを主
成分とする）と水蒸気は、電池反応に寄与する燃料に改
質される。

【００５１】一方、セルの外側には、空気が供給されて
おり、空気中の酸素は空気極５１で電子を受け取ってイ
オン化する（反応式Ａ）。空気極５１で発生した酸化物
イオンは、電解質５２中を通って燃料極５３に到達す
る。燃料極５３においては、電解質５２中を通って供給
される酸化物イオンと、改質により生成された水素及び
一酸化炭素とが反応して電子を放出する（反応式Ｂ及び
Ｃ）。

【００５２】H₂の電池反応により燃料極５３で発生した
H₂O（水蒸気）と、改質及びCOの電池反応（反応式Ｃ）
によりできたCO₂と、未反応のまま残ったH₂は、セルの
上部からセル外に排出される。尚、改質によりできた燃
料COは、ほぼ全部が電池反応（反応式Ｃ）に寄与するた
め、排気中に殆ど含まれない。

【００５３】セルの先端側（上部）では電池反応（反応
式Ａ及びＢ）によって生じた水蒸気が再び改質反応に寄
与するため、セルの基端側（底部）から先端側（上部）
間で均一に水蒸気を供給すると、先端側では過剰とな
り、基端側では不足する。導電性チューブ５４の基端側
の一部のみを二重構造とすることにより燃料濃度を均一
にして電池性能を高めることができる。

【００５４】図１３は、このようなセルを使用した固体
電解質型燃料電池発電モジュールを示している。セル５
６はケーシング５７内に収納されている。ケーシング５
７の上端付近（上部）には、セル５６の上方にある燃料
極排ガス室５８と、セルの下端付近（底部）から上端付
近（上部）までにわたってセルの周りに存在する電池反
応室５９とを分離する排ガスセパレータ板６０が設けら
れている。

【００５５】図１３に示されているように、ケーシング
５７の上部には燃料極側排気口６１が設けられており、
更にケーシング５７の側壁には、セル５６の直ぐ下方の
高さに、空気供給口６２、排ガスセパレータ板６０の直
ぐ下方に空気極側排気口６３が設けられている。空気供
給口６２から入った空気は、空気室セパレータ板６４の
空気吹出口から上方に向けて吹き出される。空気中の酸
素は電池反応室５９で電池反応に寄与して消費され、残
った酸素は空気中の他の成分と共に空気極側排気口６３
から発電モジュール６５の外に排出される。

【００５６】一方、天然ガス供給路６６、水蒸気供給路
６７から供給された天然ガス及び水蒸気は、フュエルデ
ィストリビューター６８によって各セル５６に分配さ
れ、各セル５６内で改質された後、電池反応に寄与す
る。その後、電池反応に寄与しなかった水素、電池反応
によりできた水蒸気、及び改質によりできた二酸化炭素
は、セル５６の上端から燃料極排ガス室５８に入り燃料
極側排気口６１からケーシング５７の外に排出される。

【００５７】燃料極側排気の一部は、ポンプ６９及び流
量調整器７０を介して水蒸気供給路６７に再循環され
る。燃料極側排気には多量の純粋な水蒸気が含まれてい
るので、燃料極側排気の一部をそのまま水蒸気供給路６
７に戻している。

【００５８】図１４は図１２に示されているセルを複数
本束ねた基本バンドル構造を示している。各セルの導電
性チューブ５４はフレキシブルジョイント７１を介して
フュエルディストリビュータ６８に連結されている。フ
レキシブルジョイント７１及びフュエルディストリビュ
ータ６８は、例えば、鉄、銅、ニッケル、ステンレス、
インコネル等の導電性材料で形成されており、各セルの
陰極である導電性チューブ５４が電気的に並列に接続さ
れている。フュエルディストリビュータ７２の基端側に
は絶縁ジョイント７２が施されている。導電性チューブ
の先端側からは燃料極側パワーリード７３が引き出され
ている。

【００５９】セルとセルの間には図１に示されているカ
ソード集電体２１が挿入されており、空気極側パワーリ
ード７４に接続されている。各空気極側パワーリード７
４は、隣接するバンドルの燃料極側パワーリード７３に
接続されている。従って、この実施形態では、各バンド
ルの６本のセルが並列に接続され、各バンドル間は直列
に接続されていることになる。

【００６０】図１５は、図１４に示されているバンドル
構造を複数配置してスタック化したものを示している。
スタックは各バンドルの空気極側パワーリード７４と燃
料極側パワーリード７３とを直列に接続して構成されて
いる。この図では見易さの点から排ガスセパレータ板６
０を省略している。図１５に示されているスタックを複
数配置して、図１３に示されている発電モジュールが構
成される。

【００６１】

【発明の効果】本発明にかかるカソード集電構造及び該
カソード集電構造を用いた固体電解質型燃料電池発電モ
ジュールは上記のような構成を有するので、以下の効果
を有する。

【００６２】本発明にかかるカソード集電構造は、セル
の電流が隣接する他のセルを経由しないので集電効率が
高く、また、高温酸化雰囲気中にある空気極に流れる電
流を還元雰囲気中に引き出すので、空気極側パワーリー
ドの材質として従来の高導電性金属を使用することがで
きるようになる。

【００６３】また、カソード集電体と空気極との間に集
電補助剤又は集電補助リングをコーティングすれば、更
に集電効果を上げることができる。

【００６４】次に、本発明にかかる固体電解質型燃料電
池発電モジュールは上記の効果を有するカソード集電構
造を利用しているので、集電効率が高く、また、空気極
側パワーリード及び燃料極側パワーリードとも、還元雰
囲気中で接続されているので、従来の高導電性金属材料
でパワーリードを構成することができ、接触抵抗の増大
や電極の劣化の問題からも開放される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかるカソード集電構造の一実施形態
を示す斜視図である。

【図２】図１に示されているカソード集電構造を用いて
隣接するセルを接続した状態を示す平面図である。

【図３】図１に示されているカソード集電構造を利用で
きるセルの一例を示す断面図である。

【図４】図３に示されているセルの燃料供給管及び水蒸
気細管を示す図である。

【図５】図１に示されているカソード集電構造及び図３
に示されているセルで構成したバンドルの一例を示す斜
視図である。

【図６】図５に示されているバンドルを複数並べた状態
を示す平面図である。

【図７】図１に示されているカソード集電構造を用いて
図３に示されているセルの電極を接続する構造を示す斜
視図である。

【図８】図５に示されているバンドル間の電極接続を示
す斜視図である。

【図９】図５に示されているバンドルを複数並べて構成
したスタックの一例を示す斜視図である。

【図１０】図９に示されているフレキシブル絶縁ジョイ
ントを拡大して示した斜視図である。

【図１１】本発明にかかる固体電解質型燃料電池発電モ
ジュールの一実施形態を示す断面図である。

【図１２】図１に示されているカソード集電構造を利用
できるセルの他の一例を示す断面図である。

【図１３】本発明にかかる固体電解質型燃料電池発電モ
ジュールの他の実施形態を示す断面図である。

【図１４】図１に示されているカソード集電構造及び図
１２に示されているセルを用いて構成したバンドルの一
例を示す斜視図である。

【図１５】図１４に示されているバンドルを複数並べて
構成したスタックの一例を示す斜視図である。

【図１６】従来の縦縞円筒方式の固体電解質型燃料電池
を示す斜視図である。

【図１７】図１６に示されているセルの設置状態を示す
斜視図である。

【図１８】従来の縦縞円筒方式のセルにおける電極の接
続構造を示す平面図である。

【図１９】インターコネクタレス方式の固体電解質型燃
料電池を示す斜視図である。

【図２０】インターコネクタレス方式のセルの従来の電
極接続構造を示す平面図である。

【符号の説明】

１、５１、８１、９１空気極２、５２、８２、９２電解質３、５３、８３、９３燃料極４燃料供給管５、５５、９５導電性フェルト６水蒸気細管１１、６０排ガスセパレータ板２１カソード集電体２２リード部材２３集電補助剤２４集電補助リング７６被覆層２５カソードスペーサ２９、７３燃料極側パワーリード３０、７４空気極側パワーリード３５、５９電池反応室３６、５８燃料極側排ガス室

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】外側から順に空気極、固体電解質、燃料
極が円筒状に積層されたインターコネクタレス方式の固
体電解質型燃料電池の空気極電流を取り出すためのカソ
ード集電構造であって、上下方向に延びるように配置された前記円筒状燃料電池
の前記空気極の上端部において空気極側排ガスと燃料極
側排ガスとを仕切る排ガスセパレータと、前記円筒状燃
料電池に対し軸線方向に密着され前記排ガスセパレータ
より上方まで延びたカソード集電体とを備えていること
を特徴とするカソード集電構造。
【請求項２】前記カソード集電体が、燃料電池反応の
ための高温酸化雰囲気に接触する前記排ガスセパレータ
より下方の部分が該雰囲気に対する耐性を有する導電性
材料で被覆されていることを特徴とする請求項１記載の
カソード集電構造。
【請求項３】前記カソード集電体と空気極との間に設
けられる集電補助剤を更に備えており、該集電補助剤は、燃料電池反応のための高温酸化雰囲気
中で安定であり、且つ、運転温度において空気極の導電
率よりも高い導電率を有する物質で形成されていること
を特徴とする請求項１又は２記載のカソード集電構造。
【請求項４】外側の一部で前記カソード集電体に接触
し内側で空気極に接触するようにして空気極の周りに設
けられる１又は２以上の集電補助リングを更に備えてお
り、該集電補助リングは、燃料電池反応のための高温酸化雰
囲気中で安定であり、且つ、運転温度において空気極の
導電率よりも高い導電率を有する物質で形成されている
ことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のカ
ソード集電構造。
【請求項５】請求項１から４のいずれかに記載された
カソード集電構造を用いた固体電解質型燃料電池発電モ
ジュールであって、前記固体電解質型燃料電池を相互に
平行に複数配列した固体電解質型燃料電池発電モジュー
ルにおいて、前記排ガスセパレータ板と、前記燃料電池の燃料供給管に燃料を分配するフュエルデ
ィストリビューターと、前記排ガスセパレータ板より上の位置で、１又は２以上
の燃料供給管に接続されている燃料極側パワーリード
と、前記排ガスセパレータ板より上の位置で、１又は２以上
のリード部材に接続された空気極側パワーリードとを備
えていることを特徴とする固体電解質型燃料電池発電モ
ジュール。