JPS60100377A - 燃料電池 - Google Patents

燃料電池

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JPS60100377A
JPS60100377A JP59214034A JP21403484A JPS60100377A JP S60100377 A JPS60100377 A JP S60100377A JP 59214034 A JP59214034 A JP 59214034A JP 21403484 A JP21403484 A JP 21403484A JP S60100377 A JPS60100377 A JP S60100377A
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JP
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fuel
cathode
core
anode
electrolyte
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JP59214034A
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ロジヤー　ビー．ペツペル
ジヨセフ　テイ．デユセク
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US Government
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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】 燃１１電池は基本的には、水素又は炭化水素燃料とオキ
シダントを接触反応境界内で化学的に化合さけて、直流
電気出力を発生さＵるガルバーニ電気エネルギー変換装
置である。燃料電池の成る１つの形においては、陰極物
質がΔキシダント用流路を形成し、陽極物質が燃わｌ用
流路を形成し、その陽極物質と陰極物質とを電Ｗ？質が
分Ｈさせる。典型的にはガスである燃料とＡキシダン１
〜が、お互いに分離されｌ、：電池の流路を連続的に通
過し、その燃料゛電池から排出された未使用の燃料とオ
キシダントからは、その電池で生した反応生成物と熱と
が除去される。その燃１′８１とＡ：Ｖシグントは供給
物だから、典型的には燃料電池（れ自白の一体部分とし
ては考えられない。
本発明が直接適用ｉｉＪ　ｆｉｌ：性を持つ燃料電池の
型は、燃わ１電池の中で電解質が固体状態であるような
、固体電Ｍ’Ａ燃Ｊ’ｌ　７１２池、又は固体酸化物燃
料電池として知られているものである。この固体酸化物
燃料電池に、ｂいては、燃料として水素又は高次炭化水
素が使用され、オキシダントとして酸素又は空気が使用
され、この燃料電池の作動湿度は７００〜１１００℃で
おる。
陽極（負電極）にＪ３いて、水素が酸化物イオンと反応
りるど電子を遊離して水を発生し、陰極で酸素が電子ど
反応づ°ると効果的に酸化物イオンを生成づる。ぞれら
の電子は陽極から適切な外部負６ｕを通って陰極へ流れ
、酸化物イオンがぞの電解質を通っ（移動することによ
り内部的に回路が閉じる。電解質は電子の流れに対して
陰極と陽極を互いに隔離するが、酸素イオンは陰極から
陽極へ流れることができる。従って、陰極と陽極での反
応は次の通りである。
陽極　１」＋Ｏ→Ｈ２０＋　２０−　・・・（２）全体
的な電池反応は、 ト１□　＋　１／２　０．　−）　ｌ−１２０・・・　
（３）水素に加えて、３５０℃以上で蒸気に暉づ−こと
により改質したメタン（ＣＩ−１，）のような炭化水素
から燃料を引き出すことができ、これは最初に一酸化炭
素（ＣＯ）と３分子の水素とを発生ずる。水素が消費さ
れるにつれて、反応の進行が次式により起る。
ＣＯ＋　１−１．０−＋Ｇ　Ｏ，＋　８２　・・・（４
）この電池における炭化水素の全体的反応は次式で示さ
れる。
Ｃｌ−１４＋２０．　−Ｊ　ＣＯ２→−２１−１，０・
・・（５）その変換は電気化学的であるので、カルノー
ナイクルの熱的制限は免れる。従って、燃料エネルギー
を電気出力に変換づる際に５０％をこえる範囲の効率が
理論的に４ｑられる。これは、普通のディーげルエンジ
ンをも含む同様な燃料変換を利用した同等の熱機関より
ずっと高い。
電解質は燃料どオキシダントガスをお互いから隔離し、
同時に、電解質を横切ってイオン移動と電圧の増大を可
能にＪるような媒体を与える。電極（陰極と陽極〉は、
燃料電池内で電流を電池の端子へ内部的に移動させる流
路を与え、この端子はさらに外部負荷へ接続される。各
電池を横切る動作電圧は最大０．７ボルトのＡ−ダであ
るので、有用な負荷電圧を得るために個々の電池を電気
的に直列に配置づる。相互接続物質にＪ二り隣１ｇ電池
間に直列の接続が行なわれ、この相ｎ接続物ｖ′１が燃
わ１とＡキシダン］・ガスをおＵいから隔ｔｒｉｌｌ　
＝Ｉるとどもに、一方の電池の陽極を隣接づる電池の、
陰（ａｌに電気的に接続づる。
活性の電気化学的な電気の発生は燃料電池の電ＰＲ賀部
分を横切っ（しか生じないので、電池中に直列の電気的
接続を行なうために陰極と陽極との間の相Ｕ接続を分離
すると、燃料電池のその部分は電気を発生しなくなる。
各電池を形成づる電Ｍ質檗面積に対づる相互接続のパー
センテージが、もし高【〕れば、そのような燃料電池の
エネルギー、即ち出力密度を大きく低下させることにな
る。
反応物質（燃料又はオキシダント）が電極を通って電解
質へ拡散することも、電池の性能を制限する。燃料とオ
キシダントは、それぞれの流路内の流れからｆｆ１ｌｆ
ｉ！質を通って反応場所へ拡散しな【ノればならない。
燃料とオキシダントは電極を通って電解質へ拡散し、ガ
スと電極（陽極又は陰極）と電解質との三相境界部の所
（又はその近くで）反応し、ここで電気化学的変換が生
じる。燃料ガスの水素の分圧は燃料流路の良さに沿って
低減し、燃料流路の下流端又はその近くで低電圧が発生
Ｊる。
その燃料から多量のエネルギーを熱的にかつ電気的に引
き出すことができるけれども、その燃料及びオキシダン
トが完全に消費されてしまう程にエネルギーを引き出づ
ことは、本来効果的ではない。それは電池電圧の総出力
の点からら木質的にイ］効ではないので、この燃料電池
内の燃オ′３１の完全な変換はめられない。１個の電池
の場合し、ガス流？１″連続づる何個かの電池の場合も
、理論上の最高電圧は、この電池に沿って減退づる。従
って、実際の燃料電池は燃料の８０〜９０％だ（）しか
消費しない。なぎなら、水素が燃料ガスの５％以下にな
ると、その電池電圧が急激に低下づるからである。燃料
が消費されるにつれて電池の最大電圧が低下することは
、ｍ要ｆ、に制限事項（゛ある。
提案されている一連の固体酸化物燃料電池はレラミック
支持管を利用し、電極（陽極と陰極）及び電解質がイの
支持管上に層としで形成される。その支持管は密閉ハウ
ジング内に閉じこめられ、燃お１と、ｔ　：ｌ−シダン
トがハウジングへ多岐管で送られ、反応生成物は必要に
応じてハウジングから取出される１１層の形成次第で、
燃料が支持へ・の内部を運ばれ、オキシダントが支持管
の外部を運ばれる（又は王の逆となる）。実際の燃料？
［池ユニットは、外部ハウジング内に支持された多くの
そのような管で構成され、マニホルド装置がそれらの管
の近くへ燃料とオキシダントを別々に導く。
典型的な支持管はカルシウムＣ安定化させたジルコニア
（Ｚｒ０２＋Ｃａ０）で形成され、陰極は典型的には支
持管の外面に適用され、亜マンガン酸ランタン（ＬａＭ
ＩＩＯ，）の形をとり、電解質は陰極の一部分の」二に
層をなし、例えばイツトリアで安定化させたジルコニア
（ＺｒＯ。
＋Ｙ、Ｏ，）で構成され、陽極は電ＦＮ質の上に層をな
し、例えばコバルトクツ１〜リアで安定化させたジルコ
ニアサーメット又は況合物（Ｃ（１−１−ＺｒＯ□＋Ｙ
、０３）から成る。、オキシダン１〜はかような構成の
答の内部を流れ、燃料はその管の外部を循環覆る。隣接
電池と直列接続をな？ｌ電池部分では、電解質と陽極の
代りに、この位冒の陰極の上に隣接電池の陽極と接触η
゛るための相互接続層が形成される。この相互接続層は
例えば亜クロム酸ランタン（ＬａＣｒＯ，）から成る。
この種の燃料電池を形成づるために、支持管は高度の多
孔性をも・）で形成されねばならない。
４０％の多孔度でもっＣさえ、成層をなした陽極と陰極
は大きな拡１ｉｋ障害を示す。電流密度が高くなると拡
散損失は急激に非常に増大し、電流ひいでは出力に制限
を加えることになる。支持管の最小」法は直径約１ＣＩ
１１であって、側壁の厚みは約ｉｎｕ＋＋である。この
支持管の芯装置の制限要素は通路の長さであって、電流
が陰極と陽極とに沿って通過し、イれによって大きな電
気抵抗１１人を引き起りほどの長さである。これを最小
限にりるＩこめの１つの努力においては、それぞれの管
の長さを短縮し、お互いに端部を重ね、連続Ｊるそれぞ
れの管の１ＩｊＪ極と陰極とを相Ω接続物７４　ｒ直夕
１１に相互接続’ｌ’　７．）　、Ｊ：うにする。
これにより、燃料及び／又はオキシダン１−が通過りる
ｔτが１木になり、直列に相互接続されＩ（個々の質の
総数から４にる累積した高電圧が直列接続にＪ：り生じ
る。電流は燃料及び／又はオキシ・タン１−の流れる方
向と一致して、即ち管の形に対して軸方向へ流れる。
Ｈい）ｌいの構造体（ａｌｔｅｒｎａｔｅ　５ｔｒｕｃ
ｔｕｒｅ　）は、例えば内部陽極に接続した管の弦弧部
分で電気的相互接続がもたらされる。それによって、隣
接管はお互いに接線状に積み重ねられ、陰極と同極の直
列配置を形成する。電流は陰極及び陽極物質に沿って周
方向へ流れな【ノればならないので、大きな電気抵抗損
失が生じる。
さらに、管状支持体は非生産的で重いため、より低温度
で通常作動される液体電解質燃料電池等のイの他の形式
のエネルギー変換に比べると、出ノｊとエネルギー密度
が悪い。
固体酸化物燃料電池の従来の多くの設ｈ１においてハ、
オキシダン［・供給管をオキシダン１−流路内に１■め
込まなくてはならないため、この流路は供給管が嵌合し
うるに足りる大きさをもたねばならない。燃料電池の出
力密度は電池用ｄ１に関連するため、電池司法が小さく
なれば、一層高い出力密度をもたらＪことができる。あ
る種の従来の設旧では、電池の複′ｊ１ｔな出入口（な
わちマニホルド装置を提案している。これは物質の上張
りをイｊし、従ってその物質の層の生の状態でのゆがみ
のために、製造に際して非常な泊意を必做どりる。また
許容誤差を与えるためにユニットの寸？１＜を一般に過
大用法とする必要がある。さらにゆがみが生じてしこれ
を直りことはできない。
この発明は、改良された単一構造の芯と、燃料Ｊ３よび
オキシタン１−ガスを芯へ流入させかつガス状反応生成
物を芯から流出さけるマニホルド装置とをイ〕゛りる固
体酸化物燃料電池を提供づるものｃｄうる。
この発明は、燃ｆｉｌとＡキシダンＩ〜ガスを運ぶため
の複数の細長い流路を形成覆る芯を有する固体酸化物基
１゛３１電池に関す−る一ｂのである。燃わ１流路はそ
れぞれ陽極物質から形成され、Ａギシダント流路はイれ
ぞれ陰極物質から形成されている。陽極物質と陽極物質
は、電解質物質によって芯のある領域で互いに隔離され
て、電解質壁を形成し、この電解質壁を横切っで電位が
生ずる。陰極物質と陽極物質は、相互接続物質によって
芯の他の領域で互いに隔離されて、相互接続壁を形成し
、前記の電解質壁Ｃ発生した電位がこの相互接続壁を横
切って直列に一緒に合わされる。好ましい配列では、陽
極流路は陰極流路と交叉覆るように配置される。
この発明はまた、陽極および陰極流路の列へそれぞれ燃
わ１とΔキシタン１〜カスを分流さけるためのマニホル
ド装置に関する。芯体はほぼ矩形の平行管構造の六面体
である。２つの対向側面はオキシタン１−流路の開放端
を含み、一方、他の２つの対向側面は第１の対向側面か
ら約９０°回転されており、燃料流路の開放端を含んで
いる。ハウジング構造体がこれらの面を別個に包囲して
別個のマニホルドを形成する。すなわち、新鮮なＡキシ
ダンｌ−をＡキシタント流路の一端へ流入させるための
もの、オキシダン１〜の未使用部分をオキシタン１へ流
路の他端から排出させるためのもの、新鮮な燃料を燃料
流路の一端へ流入させるもの、および反応生成物を燃料
流路の他端から排出させるためのものである。芯の残り
の２つの面（偵面ａ３Ｊ：ひ底面）（ま電気接触子（ご
暉されて、燃料電池芯と外部回路づなわ１５外部負（，
１１との間に電流を運ぶ。
この発明においては、電池マニホル１−がオキシタン１
〜（１ζ給管を不要とＪ゛るために高山ツノ密度が１９
られ、従・）（、電池の流路断面は、オキシタン１−．
１ｋ（よ温片３Ｉガスの流れに対する抵抗をこれらの刀
、スの必要量とバランスさけることによって決めること
ができる。この発明の電池芯の交叉流設泪にＪ、つＣ小
さい電池流路と高出力密度が臂られるだりでなく、流路
のマニホルドも構）盾が曲中でＩ？、　ｆｌが信頼でき
る。
相互接触壁ル）るいは電解質壁での各陰極層および陽Ｍ
ｉ　１ｉＹＩＬよ一般に、用層接触層まｌこは電解質層
Ｊ、りも厚い（０，２・−５ｍｍ％Ｊ　Ｏ，０２〜０，
１ｍｍ）。
各物質（陽（！ｌｌ、ｌ！２極、電解質および相互接続
物質）は別々に生の状態Ｃ（ｊ形でき、未だ生の状態で
適ｌ、ＩＪな順序でｎいに積み爪ねて芯構造を形成する
ことができ、次いで積み重ね層を焼成して、剛１１のあ
る、自己支持性の、用法安定性のある芯体を作ることが
できる。
発明の名称を１”単−芯をイｊづる固体酸化物燃料電池
」と称する、発明者ジョン　ピー、アッカーマンとジョ
ン　イー、ヤングによる本願と同日出願の米国特許出願
には、電気化学的反応において活性な材料だけで成る単
−的に形成された芯が示されている。これは、この芯の
電解質壁と相互接続壁がそれぞれ、電Ｆｌ’ｉ’質物貿
の両側に、或いは相互接続物質の両側に積層された陽極
物質と陰極物質とだけで形成されることを意味する。こ
れは、非常に薄い物質層と非常に薄い複合芯壁との使用
を可能にづる。この薄い複合芯壁は小さい複数の流路を
形成づるように（ｑ形づることができるとともに、流路
を通るカス流により生じる流体圧と、互いに積み車ねた
８壁の■聞による１ｍｍ内的応力に耐えるような十分な
一体構造を有している。これによって、燃Ｉｔ電池のＮ
法と重量とを小さくできるため、燃料電池の出力密度を
効果的に増強する。
発明の名称を［固体酸化物基わｌ電池用の単一芯の製槓
万ｄ１，１ど称りる、発明者スタンレー１ニイ、ツビツ
クとジ”Ｉン　ピー、アッカーマンにＪ、る本願ど同１
１出願の米国特許出願には、８壁の端部方向に、即らイ
の８壁により形成される流路ど一直線となる方向に相互
接続芯型と電Ｍ貿壁とを作るために、陽極物質と陰極物
質と電解７１物′ｒ、１ど相互接続物質との各々を反復
し′（順次１１着させることが示されＣいる。芯の断面
全体に４つたつで各々別の物質が別々に同時に作られ、
でれににって、燃わ１及びＡキシダン１へ用流路の複雑
な形または断面が、規則的または対称的な断面を作るの
と同じ位簡単に作られる。
発明の名称を１°平行なガス流を右づる燃わ１電池芯の
一体的ｌニホルド構造」と称Ｊる、発明者ジョレフ　イ
ー、バーレグにＪ：る本願と同日出願の米国特許出願に
は、燃料とＡ１′：シダントガスを芯の平（ｊ流路へ導
く装置が示されている。
８壁は規定された芯流路の開放端をこえて突出し、隣接
りる土の相互接続壁と下の相互接続壁どの間はぼ中間で
それに平行に配置され、壁の両側でそれらの壁の間にマ
ニホルド室を形成づる。流路を形成づる各電解質壁は、
対応りる燃お１とオキシダントの流路をこの中間壁の」
二又は下のそれぞれのマニホルド室へ再び導くために、
８壁に混成しかつそれに接続されるように角形される。
燃料とΔキシダントガスを芯へ）■び、それらの生成物
を芯から放出づるために、これらの別個のマニホルド室
には入口接続部と出１」接続部とがイれぞれ作られでい
る。
発明の名称を「複合交叉流ガスパターンを４１する固体
酸化物燃料電池」と称づる、発明者アンソニイ　ブイ、
フライＡりににる本願と同日出願の米国特許出願には、
燃料とオキシダントガスのための平行流Ｊ３よび交叉流
の両方を６つ芯構造が示されている。電池の各相互接続
壁は、相互接続物質からなる複数の隔置された小プラグ
を有づる不活性支持物質のシートとして形成されている
。陰極物質と陽極物質は各シートの両側に層として形成
され、相互接続物質のプラグによって電気的に接続され
ている。波形の各相！ｌＪ８続壁は、通出平行な電Ｍ貿
壁の対応づる隔置された対の間Ｃ１隔同された通箔平１
ｒな線状接触領域に沿っｒ：１８続され、燃料おにびオ
キシダント−ガス用の通常平行な複数流２８からなる１
つの階層を形成づる。複数の階層はその流路を互いに直
角にさせるように互い違いに配列される。これによって
、隣接り゛る階層の相互接続壁は、それらの間の共通の
電解質壁の両側に対して、前記線状接触領域がＨいに交
叉する部分の隔置された点状接触領域のみで接続する。
不活性支持物？！口ま芯金棒の２〜９８重量％とし、必
要に応じて変動させ−Ｃ１この複合芯壁構造体の熟成１
１］Ｑ差を最小とさせる。
第１図おＪ：びｔＸＸ２図は、ハウジング１２内に首か
れた芯１１を右りる燃料電池１０を示Ｊ０芯１１は（Ｊ
ぼ矩形の平行管構造体からなる単一体７７ｔ？ンプリー
（゛あり、２組の互いにはぼτ〕０°回転させた対向側
面とこの側面からほぼ９０°に形成しｌこ頂面および底
面とを右している。λ１１側面の間に芯１１を通して流
路１３゜１４が伸びている。芯１１の対向側面に隣接づ
る構造体１５．１７は、隔置されたマニホルド１８．２
０を形成し、これらのマニホルドは芯１１内に形成され
た流路１３を介し−（互いに連通している。さらに、芯
のもう１つの対向側面に隣接づる構造体２１．２３は、
隔置されたマニホルド（図示せず）を形成し、これらの
マニホルドは芯１１内に形成された流路１４を介して互
いに連通している。構造体１７の入口ライン３０は、ガ
ス状燃料をマニホルド２０へ運んで流路１３を通して流
すようになっており、構造体１５の出口ライン３２は、
づべての未消費または残留燃料および反応生成物をマニ
ホルド１８から運び出すようになっている。同様に構造
体２１の入口ライン３４は、オキシダントを芯マニホル
ドへ運ｌνで流路１４を通して流づようになっており、
構造体２３の出口ライン３Ｇは、残留オキシダントを芯
から運び出づようになっている。流路１３，１４は互い
に交叉するように配置されているので、燃料（２０と１
８）用ｉ１３よび７１−　＝ｌシタン１−用の入口お上
ひ出ＩＩマニホルドはＡ７いに交互に隣接して配置され
でいる。
芯１１どン二ホルド４１４造体１５．１７，２１゜２３
のごどき構造部品は引立て結合されてハウジンク１２内
に１ｆｌｉめ込み、これらの構成部品を取囲／νζ・い
る断熱祠３８ににつてこれら構成部品はハウジングから
１；８てられている。また、芯１１と別々なン二ボルド
構造体との間の環状空間は、参照番号３９て示づ−よう
にセラミック糊または同様なシール剤Ｃ゛充填して、燃
１′）１の入口および出口マニホルドの間のカス漏洩を
抑えることが−Ｃさる。
第３図は、第１図の燃料電池１０の芯１１の断面拡大図
を示・」。燃料用流路１３は紙面の平面に伸びる」、う
に図示しＣあり、陽極物７１４０のみから作ｒ）れ、流
路１３の露出壁【よ陽極物質で形成され（いる。一方、
Ａキシダン１へ用流路１４は紙面に対しで直角に沖びる
にうに図示してあり、陰極物７１４２のみから作られ、
流路１４の露出壁（、Ｌ陰極物資で形成されている。
各陽極４０と各１（λ極４２はさらに、隔置された両側
で、電解質物質４４と相互接続物質／１７どの間に挾ま
れている。これらの複合陽極壁構造体と複合陰極壁構造
体はさらに互いに互い）ｋいに積み重ねられ（別個の電
解質物質４４まＩζは相互接続物質４７は代表的には単
一の共通層である）、これによつＣ燃料Ｊ５Ｊ：び′Ａ
ｉシグント流路は互いに交叉して配置される。
かくして一方では、陽極４０は、電解質物質４４の薄層
によって陰極４２から隔離され、電解￥１壁７１５を形
成する。これににつて゛電池パが形成され、燃お１とΔ
キシダン１−の存在下ではこれらの電極４０．４２！間
で電解質壁４５を横切り（電圧が発生づる。この電圧発
生は、陽極流路２０内の燃料と陰極流路２６内のオキシ
ダントが電［４４４を介して電気化学的に化合覆る際に
起る。電圧は、陽極と陰極の各電極組合Ｕ物（りなわち
電解質壁４５）に対しては小さく、一般に１．０ボルト
以下であり、これらの電極から外部電流が引扱かれる時
にはこの電圧は低下りる。
他方、陽極４０と陰極４２は、相７１接続物貿／Ｉ７の
一般に幼い層にＪ：って隔離され、相互接続壁／Ｉ８を
形成覆る。相互接続壁４８は燃料Ｊ３よびＡ１：シダン
トカスを互いに隔離りる雛きをし、また、１つの電池の
陽極電極と隣接電池の陰極型１４ｊとを電気的に接続す
る働きをする。これによ−）Ｔ、、隣接ηる複数の電池
で一連の回路が作られ、個１（の電池の別個の小電圧を
順次蓄積する。
図示した形式の実際の燃ｌＰｌ′Ｅｉ池においでは、多
くの、恐らくは数百側を超える直列接続の陽極−陰１〜
電池用合せ体が提供される。芯１１の最外側の相Ｕ接続
部（りなわち隣接電極）は導電体を介しく燃ｔｌ電池の
外部端子５０．５１に電気的に接続され、これらの端子
で蓄積電気出力をりえる。第１図から第３図にＪ３いて
は、端子５０ど１′５１の間はそれぞれ導電体５２と５
３で接続され、最−し底部の相互接続または陰極４２と
最ム１〔１部の相互接続または陽極４０はぞれぞれ接触
子５４と５５で接続される。このような様式で、外部端
子５０と５１　Ｆの燃ｉ１’１電池総電圧は、設計次第
で、２０〜４００ポル１−の間のＡ−グーにもなる。
燃料電池芯１１の好ましい実施例にａ′３いては、芯の
壁は活性な陽極、陰極、電解質おＪ：び相り接続物質の
みで作られており、支持のために非活性物質は用いられ
ていない。互いに隣接して燃料およびオキシダント流路
１３．１４を形成する各活性物質層は非常に短く、づな
わちスパンが小さく、流路自体は非常に小さい断面積を
もつく恐らく数平゛方ミリメートル程度である）。
流路１３．１４は矩形の形状として図示しているが、円
形、六角形、三角形等の所望形状とすることができる。
かくして陽極物質４０は、燃料流路１３と電解質物質４
／ｌおよび相互接続物質４７の各層どの間に薄層６０を
右りる。一方、陰極４２は、オキシダント流路１４と電
解質物質４４および相互接続物質４７の各層との間に薄
層６２を有づる。１１ｉｌ極４０のウェブまＩこは壁７
０、あるいは陰極４２のウェブまたは壁７２は、各ノＺ
１μＪ極Ｆｍ　６０間または陰極層６２間を横断しＣｄ
３す、イれぞれ陽極物資または陰極物Ｖ［のみからイヌ
ってＪ３す、オキシダン１−または燃料の流れの中に直
接設置される。これらの壁７０または７２は、７ｈ解賀
壁４５と相互接続壁４８を作っている。電極層６０と６
２との間のスパンを横切っ−（発生した電流を運ぶ働き
をする。
これらの壁７０ど７２はまた、隣接電解質壁４５ど相互
接続壁４８の電極ｌｉｖ層６０と（３２を構造的に接続
しＣ１芯が受けるかも知れない圧力や機械的荷１０に対
して芯を支えるようにりる。
づべ（の活１１芯物質（陽極、陰極、電解質および相Ｕ
接続物質）は一体向に結合ま１＝はｌ）１；合させて、
！ｌｌｉ　４１６造の芯１１を作る。しかしながら、芯
１１は実際には、いくつかの従来の方法を採用Ｃきる順
次的様式で、別個の月利ぐ作られる。従って、陽極流路
おにび陰極流路の別々の列は柔らかｒ：Ｊ、だ生の状態
で押出し成形することができ、−プ」、電解質物質４４
や相互接触物質４７の一層博い層はｊ−ブ・キトストす
ることがひきる。次に、これらの物質がまた柔らかく生
の段階にあるとき、これらの物質を適当な位置と配位で
再び互いに積み重ね、隣接の陽極および陰極流路の列は
、電Ｗ？貿または相互接続層のどちらかを挾み込む。最
後に、積み重ねた芯構造体を約１５００〜１８ｏＯ°Ｃ
の調度で１〜２時間以上、場合によっては２０〜４０時
間近くまでＡ−ダン等（図示せず）の中で焼結あるいは
熱硬化させ、それによって、イの芯構造体に自己支持性
および用法安定性を与える。
図示の芯１１では、燃オ′」およびオキシダン１への流
路１３，１４は交叉状に配置されているので、燃料とオ
キシダントは互いに交叉して流れる。この交叉流配列は
、流路の対向両開］」端の直接的かつ有効なマニホルド
作用を可能にし、マニホルド１８．２０等を芯の対向両
側面のほぼ全体に広げさせることができる。燃料とオキ
シダントガスは、必要な純度と流速で芯へ流れ、残りの
未消費燃料と反応生成物とオキシダン１−は、代表的に
は、出１コマニホルドの中でまたは特殊な燃料温く図示
けず）の中で燃焼され、そこで、燃料の全ての利用可１
ｉ１１ネルギーが完全に利用されるかおＪ、び／または
燃焼される。一般には、燃Ｉｆ　Ａ’ｊよびオキシダン
トの入口と出口との間〈例えば燃わレーホルド２０ど１
８の間）の圧力外は極めＵ　（ｉ（＜　、流路１３，１
４内のあるいはイこを通るガスの速瓜も同様に低速であ
る。
劃Ｗ　ｉ！ｉ　’Ｊ？／Ｉ　Ｅ５の陽極Ｊ５Ｊζび陰極
は、イの両側に閉じ込められＩ、：燃料とオキシダント
ガスとが電気化学的に化合ぐきるのに必要な程度に多孔
性であり、　方、電解質物質４４と相互接続物ｙｉ　／
＋　７とは不透過１（ＩＣあって、燃料どｉ　：ｔシラ
ン１〜をｎいに物即的に隔離する動きを覆る。同様に、
電解ｒ＋壁４５は、その両側に形成された陰極と陽極ど
の間のＪ、うに、電子的に非伝導性であるが、この電解
質は燃料どオキシダン１〜との間にイオンｌｚ１”Ｐ性
をもたらし、さらに、陰極と陽極はどしに導電性である
。一方、相互接続壁は、互いに直列にその壁の両側にあ
る電池の陽極と陰極とを電子的に接続し、同時にＭ索イ
オンの移動を遮Ｉ！ｌｉ！ｌる。
電解質４４（第３図参照）は参照番号６／１の個所で下
方へ折曲げられ（あるいは図示していないが、上方へ折
曲げられ）、陽極物質または陰極物質の端面を包み込む
。（のＪこうにしなければ、これらの物？１はマニホル
ド内の空気と燃料に直接呼されることになる。かような
包み込みは、これらの物質が未だ生の状態のどきになさ
れ、（電解質またはその均等物質が＜１い場合に）多孔
質電極物貿の両側の燃料どオキシダントガスを互いに分
離する必要があろう。
１つの好ましい実施例においては、この発明により形成
した電池はｉｏ、ｏｏｏ〜１５，０００もの独立の芯流
路を右し、その流路の各々の断面は比較的小さく数平方
ｍｍ程度である。電解質層ａ３よび相互接続層は厚みが
０．００２〜（１、０１ｃ　ｍの範囲にあり、０．００
２〜０．００５ｃｍの厚みが好ましい。陽極及び陰極層
は各々の厚みが０．００２〜０．０５に　ｍの範囲Ｃあ
−）（、（１，Ｏｆｌ、’＋〜（１，４１２ｃｍの庁み
か’Ｉｆ３１ニジい。電解１１Ｗｊ間のウェブ壁７０，
７２の長さは０．＋１０２−０，２ｃｍ　Ｃあり、これ
らつ１ブ壁間の間隔（、Ｌ同し距１ｉ！ｌ　’Ｔ：ある
。各ウェブ壁は厚さか０、＋１０２−・０．賀；ｌｎの
Δ−グーである。かような一体向芯＋ｆ４　ｉ責Ｌｌ：
、これらの壁の厚みをもってさえ、十分４ｆ椙造上の一
体性と十分な刈払の安定性とをノＪえると考えられる。
出力密度（，１、非活性な支持構造体を電池内に使用し
ていないｆＣめ、向Ｊ−覆る。
それらの層をな覆陽極、陰極、電解貿および相互接続物
質は、熱膨張差による分離問題を最小限にりるＪ、うに
、各熱膨張係数をできるだ（フ近イ・］りるようにｇ＋
、ｑ和をはかる。これらの物質の層が非常に助いという
事実Ｉ５１この問題を低減させることになろう。
典型的な陰極物質は亜マンガン酸ランタン（ｌ　ａ　Ｍ
ｎ　Ｏ３）　’ｒあり、電解質はイツトリアで安定化さ
Ｕたジル］　ニノ’　（Ｚ　ｒ　Ｏ，＋Ｙ２Ｏ３）　Ｆ
あり、陽極はコバルトイソ１−リアで安定化さ１！たジ
ルコニアサーメット又は混合物（Ｃ０−１−７ｒＯ２＋
Ｙ２Ｏ３）である。相互接続物質は例えば亜りＬ１ム酸
ランタン（Ｌａ　Ｃｒ　Ｏヨ）から成り、上記した亜マ
ンガン酸ランタン（１−ａ　ｆｖｌ　ｎ　０３）と亜ク
ロム酸ランタン＜ＬａＣｒ０３）とは適当にドープ処理
して導電性を得るｊ、うにづる。
上述した構造は燃料電池の構造と【ノて説明したが、流
路の両端を別個のマニホルドどりることににつてこの装
置を電気分解ジルとして作動させることもできる。りな
わら、蒸気を燃わ１流路の一端へ供給し、空気をオキシ
ダント流路の対応端へ供給し、かつ外部端子を介してこ
の装置へ電位を印加づることによって、゛電気分解を起
さけることができる。この電気分解にＪ、す、燃料流路
の出］］喘に水素ガスと蒸気をｂたらし、Ａキシダン１
〜流路の出口端に酸素富化空気をもたら１ようにできる
。
【図面の簡単な説明】
第１図はこの発明の燃Ｉｔ電池の分解斜視図である。 第２図は燃料電池の組立状態を第１図２−２線に沿つ’
ＣＩ、ｌＪ断（）た断面図Ｃある。 第３図は第２図の一部の拡大図である。 １０・・・燃料電池、１１・・・芯、１３．１４・・・
流路、１５．１７，２１．２３・・・マニホルド構造体
、１８．２０・・・７ニホルド、３０・・・入口ライン
、３２・・・出１］１ライン、４０・・・陽極物質、４
２・・・陰極物質、４／Ｉ・・・電ｌ！ｌ′１′貿物質
、４５・・・電解質壁、４７・・・４ｔｌ　Ｚ７．接続
物質、４８・・・相互接続壁、５０、Ｅ）ｉ・・・外部
端子、６０・・・陽極層、６２・・・陰極層、７０．７
２・・・ウェブ。 特ｈ′［出願人　アメリカ合衆国 式　理　人　尾　股　行　雄

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. １、複数の電ｍ胃壁と相互接続壁とからなる列を有する
    芯を備えた、燃料とオキシダントとを電気化学的に化合
    させて電気出力を発生させる燃料電池であって；　前記
    各電解質壁は電解質物質の前層を挾み込んでいる陰極物
    質と陽極物質のｅ層からなり；　前記各相互接続壁は相
    ζＥ１ｍ続物Ｔ！１の薄層を挾み込んでいる陰極物質と
    陽極物質の岬層からなり；　前記電解質壁ど相ｒ？接続
    壁とは間隔を置いて互い違いに配列１ノ、合壁の陰極層
    同士および陽極層同士はｎいに対向しで隣接さぜ；　陰
    極物質おにび陰極物質からなる隔置された複数のつ」、
    ブを１）ｒ１記電解″ｉ１壁ど相互接続壁との各隣接対
    の銅比づる物￥４の層の間にこれらの層と゛交叉りるＪ
    、うに伸長さけで、前記ウェブの間に複数の芯流路を形
    成し；　陽極物質からなる内面を有する各芯流路は燃料
    用流路とし、陰極物質からなる内面をイ１づる６芯流路
    はＡキシダント用流路とし；　前記各燃料用流路８３　
    Ｊ：びオキシダ、ント用流路を通してぞれぞれ燃料おＪ
    ：びオキシダントを流プためのマニホルドと、電気出力
    を外部回路へ接続づるための外部端子とを備えているこ
    とを特徴とづる燃料電池。
JP59214034A 1983-10-12 1984-10-12 燃料電池 Pending JPS60100377A (ja)

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