JPH01503096A - 単体コアを備えた固体酸化物燃料電池 - 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】 単体コアを備えた固体酸化物燃料電池 本発明の契約背景 米国政府は、米国エネルギー省と国立アルゴン研究所との間の契約書ＮｏＪ−３ １−１０９−ＥＮＧ−８８の下に本発明の権利を有する。

発明の背景 本発明は一般にエネルギー変換装置、例えば固体酸化物燃料電池に関し、特に、 ガス態反応材を使用し、出力電圧を発生するため高温度にて運転される燃料電池 において、ガス燃料流を方向付けるための間隔を置いて配置された第１線条チャ ンネル群、および酸化ガス流を方向付けるように間隔を置いて配置された第２線 条チャンネル群とを具備した単体（モノリス）固体酸化物燃料電池に関する。

燃料電池は基本的には、燃料である水素または炭化水素を酸化剤と触媒作用の及 ぶ範囲内にて反応させて直流出力を発生する、ガルバーニ・エネルギー変換装置 である。燃料電池の一種では、酸化剤の通路がカソード（正極）材によって、か つ燃料通路が７ノード（負極）材によって画成され、そしてカソード材とアノー ド材とが電解質によって隔離されている。燃料および酸化剤は、典型的には、ガ スとして、互いに独立した電池通路を通して連続的に供給されるとともに、未反 応の燃料および酸化剤は、通常、電池内の反応生成物や発生熱を連行して電池か ら排出される。燃料および酸化剤は、内部供給（１ｎｆｅｅｄ）される場合、通 常、燃料電池それ゛自体の一部とは考えられていない。

本発明による燃料電池は、固体の電解質が用いられている公知の固体電解質また は固体酸化物燃料電池と呼ばれる種類である。固体酸化物燃料電池では、水素ま たは炭化水素が燃料として、かつ酸素または空気が酸化剤として用いられ、そし て燃料電池が７００−１１００℃の温度範囲にて運転される。

アノードでは、水素が酸化物イオンと反応して水を生成するが、この際に電子を 遊離し、他方、カソードでは酸素が前記電子と反応して、効果的に酸化物イオン を形成する。電子はアノードから適当な外部負荷を通ってカソードへ流れ、そし て電池内部では電解質を通しての酸化物イオンの輸送が行われ、かくして回路が 形成される。電解質はカソードおよびアノードを電子の流れに関して互いに絶縁 しているが、しかし酸素イオンはカソードからアノードへ流れるようになってい る。それ故、反応は次のように行われる：カソードでは　１／２０２　＋２　ｅ −−０−”　（１）アノードでは　Ｈ２＋　Ｏ−２→Ｈ２０＋　２　ｅ　−（２ ）全電池反応は　Ｈ２＋　１　／　２０２→Ｈ，０（３）燃料としては、水素そ れ自体の他に、炭化水素、例えばメタンを３５０℃以上の水蒸気に曝すことによ って誘導生成され得るが、この場合、初期には、−酸化炭素と３分子の水素とが 発生し、水素が消費されるにつれて、次式の反応が起こる、即ち、化学平衡が右 へ移行する： ＣＯ＋Ｈ２０→ＣＯｚ＋Ｈ２（４） 電池内における炭化水素の全反応は次式によって表される：ＣＨ４＋２０２−Ｃ Ｏ２＋２Ｈ２０（５）この反応は電気化学的であるので、カルノーサイクルの熱 限界が裏書される。それ故、燃料熱エネルギーの電気出力への変換効率が理論的 には５０％を越える。この変換率は、同様な熱変換を行う等価の熱エンジン（従 来のディーゼル・エンジンをも含めて）と比べて遥かに高い。

電解質は、燃料ガスと酸化剤ガスとを互いに隔離するとともに、イオンを移動さ せる媒体としても役立ち、かつそれを隔てて電圧が発生する。燃料電池内では、 外部の負荷に連結された電池の両端子へ向かう電流の内部運動が起るが、このた めの通路として両電極（アノードおよびカソード）が役立つ。電池ごとに発生す る運転電圧は０．７■の大きさであり、従って、実用の負荷電圧を得るためには 、個々の電池を直列に接続しなければならない。直列接続は、手前の電池のアノ ードを次の電池のカソードに、燃料ガスと酸化ガスとを絶縁する材料でもうて電 気的に接続することを順次行っていくことで達成される。電気化学的な方法では 、燃料電池の電解質部を隔ててのみ電気の活発な発生が行われるので、電池間の 直列接続を行うためにカソードと７ノードとの間の連結が、いかようにしろ分離 された場合、燃料電池のその部分における電気の発生は行われない。電池を画成 する電解質壁面積に対する連結の割合が高い場合は、このような燃料電池のエネ ルギー密度または出力密度を相当に低減することになろう。

反応材（燃料および酸化剤）が電極を通して電解質へ拡散されるが、この拡散に よっても電池の性能が制限される。燃料および酸化剤はそれぞれの通路における 流れから電解質を通って反応部位へ拡散されなければならない、即ち、燃料およ び酸化剤は電極を通して電解質へ拡散され、そしてガス、電極（アノードまたは カソード）および電解質からなる三相界にて、またはその付近にて反応して、電 気化学的変換が起る。燃料ガスの水素分圧が燃料の通路に沿って低下するにつれ て、燃料通路の下流端にて、またはその付近にて発生する電圧は低下する。

燃料から大量のエネルギーを熱的かつ電気的に引き出すことは可能ではあるが、 このようなエネルギーを燃料および酸化剤が完全に消耗する程度にまで引き出す ことは、本来、非効率でもある。それ故、燃料電池において燃料を完全に変換す ることは、電池電圧の全出力にとって本来非効率であることから請求められてい ない。単一電池でも、ガス流シリーズにおける複数個の電池でも、最高理論電圧 は電池に沿って低下する。従って、実際の燃料電池は燃料の８０−９０％しか消 費しないが、その理由は、水素が燃料ガスの５％以下になると、電池電圧が急速 に低下することにある。燃料が消費されるにつれて最大電池電圧が低下すること は、重要な制限要因である。

提案された連続固形酸化物燃料電池にはセラミック支持管が用いられていて、こ の支持管上に電極（アノードおよびカソード）と電解質とが層状に形成されてい る。支持管は密封されたハウジング内に閉じ込められるとともに、燃料および酸 化剤がマニホルドを通してハウジング内へ供給され、そして反応生成物がハウジ ングから必要に応じて排出される。積層に応じて、燃料が支持管の内部を、そし て酸化剤が外部をそれぞれ流通されるか、或はその逆にて行われる。実際の燃料 電池ユニットは、外側ハウジング内に収められた多数のこのような支持管からな っており、そしてマニホルドの使用で燃料および酸化剤が分離され、かつこれら 支持管のすぐ近くに導かれることになる。

典型的な支持管はカルシア（ｃａｌｃｉａ）によって安定化されたジルコニア（ ＺｒＯ＋Ｃａ０）で作られるのが良い。カソードは、典型的には支持管の外面上 に形成され、そして亜マンガン酸ランタン（ＬａＭｎＯ）として存在することに なろう。電解質はカソードの一部の上に積層され、例えばイツトリアにより安定 化されたジルコニア（ＺｒＯ＋ＹＯ）からなる。そしてアノードが電解質上に積 層され、例えばニッケルまたはコバルトおよびイツトリアにより安定化されたジ ルコニア（Ｎ１　、　Ｃｏ＋ＺｒＯ＋ＹＯ）のサーメットまたは混合物からなる 。これによって、酸化剤は上記構造管の内部を流れ、他方、燃料は管の外部を循 環することになる。電池の隣接する電池と直列接続すべき部分に対して、連結が この位置において、電解質およびアノードの代りにカソードの上面に積層されて 、隣接電池のアノードと係合することになる。この連結は、例えば、ランタンク ロマイト（ＬａＣｒｏ）で行われるのが良い。

この種の燃料電池を製造するためには、支持管は高度の多孔性を有するように作 られなければならない。積層されたアノードおよびカソードは、４０％の多孔性 で既に大きな拡散障壁を示す。この拡散の喪失は、高い電流密度で非常に急激に 増大して、電流、従って電力の限界を示す。支持管の最小寸法は、直径が約１■ であり、側壁の厚さが約１鰭であった。

この支持管コアを配列した装置を制限する要因は、電流がカソード材およびアノ ード材に沿って通らなければならない電流路の長さであって、これによって電気 抵抗の相当な喪失が誘起される。この要因をできるだけ小さくしようとして、６ 管を長さ方向に短くすると共に、互いに縦につないで積み上げ、そして連続する 各支持管のアノードとカソードとを連結材でもって直列に接続した。この構成に よって、単一管には燃料および／または酸化剤が通るようになり、さらに直列接 続によって、連結された個々の支持管が発生する電圧がすべて累算されて高い電 圧が得られる。この場合、電流は、燃料および／または酸化剤の流れる方向に沿 って、即ち、支持管配置の軸方向に流れる。

別の構成として、例えば内部アノードに連結された支持管のコード様（ｃｏｒｄ ａｌ）アークｅセクシッンにおいて電気接続されたものがあり、これによって、 隣接支持管が互いに接線方向に隣接して積層されて、カソード−アノード直列配 列が構成される。電流は、必然的にカソード材およびアノード材に沿って周方向 に流れることになるので、電気抵抗の相当な喪失が引き起こされる。なお、支持 管は非生産的であり、重量が大きく、このため、他の種のエネルギー変換（低温 度にて一層普通に運転されている液体電解質燃料電池をも含めて）と比較して、 出力密度およびエネルギー密度について損失を受ける。

多くの従来の設計による固体燃料電池においては、酸化剤ガスの供給管は酸化剤 通路内に配置する必要があり、従って、この通路は該供給管を受け入れるに十分 な大きさでなければならない。燃料電池の電力密度は電池サイズと関係があり、 電池サイズの減少によって一層高い電力密度が得られる。成る従来法では、複雑 な分岐管、即ち、マニホルドを有する電池を提案しているが、この場合、材料に ついて、材料層の生の状態において起り得る歪みに原因するオーバレイ（ｏｖｅ ｒｌａｙ）があり、従って、製造の際に非常な注意を要するとともに、ひいては 、また通常、歪みが起りだ際のために、しかもこの欠点の点検や補正が不可能で あるので、若干の余裕を見てユニットのサイズを設定する必要がある。

また別の構成が米国特許Ｎｏ、４，４７６．１９８　（発明の名称：単体（モノ リス）コアを備えた固体酸化物燃料電池：共同発明者ニシジン　ピー、アッカー マンおよびジョン　イー、ヨング）に開示されている。この特許は、電気化学反 応に於いて活性な物質のみからなる単体（モノリス）として形成されたコアを開 示している。これは、電解質およびコアの連結壁が、それぞれ、電解質材の対向 側または連結材の対向側にて積層されたアノード材およびカソード材のみから形 成されることを意味する。これによって、非常に薄い材料層と、その結果として の非常に薄い複合コア壁の利用が可能になる。この薄い複合コア壁は、上記通路 を流れるガス流によって発生される流体圧力、および積層されたコア壁の重量に 原因する機械的応力に耐える十分な構造的一体性を依然として有しながら、小さ な通路を画成するように成形され得る。これによって、サイズの縮小および軽量 化が実現し、燃料電池の電力密度が有利に増大される。

米国特許Ｎｏ、４．４７Ｂ、１９７　（発明の名称二平行ガス流を有する燃料電 池コア用の一体的マニホルド構造；単独発明者：ジョセフ　イー、ハーセグ）に は燃料および酸化剤をコア内の平行通路へ方向付けるための手段が開示されてい る。コア壁は、上下にある両連結璧のおよそ中間でこれらと平行に配されて、マ ニホルド・チャンバをこれ等両連結壁の間にて、かつコア壁の対向する両側にて 画成している。ガス流路を画成する各電解質壁は、この壁と融合しかつこの壁に 接続されるように成形されて、これによって、この中間壁の上または下にあるぞ れぞれのマニホルド・チャンバへと、対応する燃料通路および酸化剤通路の方向 が変更される。さらに、これ等独立したマニホルド・チャンバに接続される取り 入れ口および排出口が、それぞれ燃料ガスおよび酸化剤ガスを送給するためと、 並びにそれ等の反応生成物をコアから排出するために、形成されている。

米国特許Ｎｏ、４．４７８，１９８　（発明の名称：単体クロス・フローコアお よびマニホルドを備えた固体酸化物燃料電池；共同発明者：ロジャー　ビー、ポ ーペルおよびジョセフ　ティー。

デュセック）には、互いに交差する方向に延びた燃料および酸化剤ガスの流路を 備えた単体（モノリス）コア構造にして、これによって、これ等ガスおよびその 反応生成物に対して十分な面（ｆａｃｅ）コア・マニホルドの形成された構造体 が開示されている。この構造体では、アノード材のみが各燃料通路を囲繞し、カ ソード材のみが各酸化剤通路を囲繞する。そして各アノード材と各カソード材と が、電解質と連結材との間にて間隔をおいて対向するようにサンドイッチ構造に なっている。これらのアノード壁とカソード壁との複合構造は、さらに交互に積 層されており（通常、独立した電解質または連結材が単一の共通層となっている ）、これによって、燃料通路および酸化剤通路とが互いに交差して配置されてい る。

米国特許出願Ｎｏ、５４４．１７６　（出願日：　１９８３年ｉｏ月１２日：発 明の名称：コンパウンド・クロス・フローガス０パターンを有する固体酸化物燃 料電池：単独発明者：アンソニー　ブイ・フレオリ）には、燃料ガスおよび酸化 剤ガスの平行流路および交差流路との両方を備えたコア構造が記載されている。

電池の各連結壁は、連結材の小さなプラグを間隔を置いて内部に配置した不活性 支持材のシートとして形成されており、なお、カソード材とアノード材とが各シ ートの互いに対向する側にて層として形成されるとともに、上記連結材のプラグ によって共に電気接続されている。波形をした各連結壁は離間したほぼ平行な線 状の接触領域に沿って、対応する一対の離間したほぼ平行な電解質壁の間で、接 続されており、これ等電解質壁は燃料ガスおよび酸化剤ガス用のほぼ平行な流通 路の一層を画成するよう働く。交互になった層は、互いに法線方向に配列された 通路を備えるように配列されている。この場合、隣接する層間の連結壁は、それ 等の間の共通の電解質壁の両側に、間隔を置いて点状の接触領域においてのみ強 固に機械的接続されており、なお、この点状領域は、前記の線状接触領域が互い に交差するところである。上記不活性支持材の量は全コアの２−９８％の範囲内 にて、複合コア壁構造の示差熱膨張をできるだけ小さくするために所要に応じて 変化する。

本発明は、以上に説述した従来のいかなる固体酸化物燃料電池によっても得られ ない種々の利点を提供するものである。

例えば、本発明による固体酸化物燃料電池は僅かに三つの構成要素：（１）一対 の平らなシート；および（２）これ等シートの間に配置されて、かつこれ等と密 に拡散結合されていて、そして平行な細長い複数個のチャンネルを有する一体的 構造を形成する波形シートと、からなっている。この固体酸化物燃料電池のチャ ンネル形成部が波形構造をしていることから、通路を通るガス流によって発生す る流体圧力と、並びに燃料電池の高い運転温度と、さらに複数個の燃料電池が積 層配列されている場合に個々のコア璧の互いに及ぼす重量とがら生じる機械的応 力とに耐えるべき高い強度が得られる。この波形のチャンネル形成構造は、また 、その単位容積当りの高い強度のために、複合コアを極めて薄くすることができ 、これによって、酸素イオンの電解質を通過する伝導路が短くなり、かつその結 果、燃料電池の抵抗が低減される。さらにまた、燃料電池の中心部が活性領域か らなるのみらず、燃料の取り入れマニホルドおよび排出マニホルドも電極材から なる活性領域であることから、燃料電池の全長に沿っての電気化学的反応が可能 で、増大したエネルギー変換効率が得られる。このようにして、最大理論電圧が 燃料電池のほぼ全長に沿って維持され、これは、さらに燃料消費効率を高める。

こうして、本発明は、高度の構造的一体性を存する単体（モノリス）コアを備え 、さらに三つの構成要素のみからなり、かくして製造および組み立てが容易であ り、サイズが小さいために絶縁が容易であり、かつまたそのサイズの小さいこと と軽量なことから出力密度の増大が可能である固体酸化物燃料電池を提供するも のである。

発明の目的および概要 従って、本発明の目的は、高強度、小容積の固体酸化物または電解質燃料電池を 提供することにある。

本発明の他の目的は、直列に電気接続された固体電解質燃料電池群の積層配列で あって、各電池または層が波形シートと偏平シートからなり、これらが複数個の 間隔を置いて配置された線条で平行なガス流通チャンネルを形成するように接着 される燃料電池装置を提供することにある。

本発明のさらに他の目的は、増大された出力密度および一層の高強度を有し、か つ、よりコンパクトな固体電解質燃料電池を提供することにある。

本発明のさらに他の目的は、取り入れマニホルドおよび排出マニホルドと一体化 された、かつ絶縁が容品な単体（モノリス）コアを備えた固体酸化物燃料電池を 提供することにある。

本発明のさらに他の目的は、僅か三つの構成要素からなる固体酸化物燃料電池用 のコアを提供することにある。

本発明のさらに他の目的は、積層配列された固体酸化物燃料電池の製造および組 み立てを容易にすることにある。

本発明は、固体電解質燃料電池の全長に沿ってエネルギーを変換するための一体 的剛性組立物を企図するものである。

この燃料電池は、積層配列された場合に、隣接の電池を電気的に直列接続するた めの連結体を形成するほぼ偏平なシートを含み、さらに該連結シートの一表面に 接着される波形シートを有する。この波形シートは、薄いアノード層、カソード 層およびこれ等の間に配列された電解質層とからなっている。

波形シートは、それが一体化される連結シートと共に、間隔を置いて配列された 複数個の細長い線条の内チャンネルを形成し、また直ぐ隣接する電池の連結シー トと共に、複数個の外チャンネルを形成する。これら内、外チャンネルは平行で あり、アノード−電極−カソード構成の波形シートによりて分離されている。波 形シートの対向端にはそれぞれ第１末端波形部および第２末端波形部が設けられ 、これらは内チャンネルと連続的に結合し、取り入れマニホルドおよび排出マニ ホルドを燃料電池のそれぞれの端部に形成している。燃料ガスおよび酸化剤ガス はそれぞれ、波形シートの対向する両端に平行に間隔を置いて配列されたチャン ネル内を流れ、かくして燃料ガスおよび酸化剤ガスが分離される。

図面の簡単な説明 本発明の特徴は添付の請求の範囲において明らかにされているが、本発明それ自 体、並びに上述した以外の本発明の目的および利点は、添付の図面を参照しなが ら以下に詳述する実施例の記載から最も良く理解されるであろう。なお、全図面 を通じて同じ構成要素には同一の符号を付す。

第１図は、各々が単体コアを備えた複数個の固体酸化物燃料電池が積層配列され た構造の本発明による燃料電池装置の分解斜視図； ′Ｍ２図は、本発明に係る単体コアを有する固体酸化物燃料電池（素子）の一部 を図解した一部破断斜視図：第３図は、第２図に示した固体酸化物燃料電池の一 部についての部分破断平面図； 第４図は、該固体酸化物燃料電池の第３図における４−４線に沿った端面図； 第５図は該固体酸化物燃料電池の第３図における５−５線に沿った端面図； ｊｉ６図は該固体酸化物燃料電池の第３図における６−６線に沿った横断面図； 第７図は該固体酸化物燃料電池の第３図における７−７線に沿った断面図；およ び ｊｉ！８図は本発明による固体酸化物燃料電池の単体コアの部分断面図である。

好ましい実施例の詳細な記載 第１図には、本発明による単体（モノリス）コア１２を有する固体酸化物燃料電 池１０が示されている。

燃料電池１０の単体コア１２は、複数個の積み重ねたコア層１４からなり、各コ ア層は、最上層１２ｇと最下層１２ｄとを除いて、上下に隣接する層と互いに接 面している。最上層１２ｍと最下層１２ｄとは単体コア１２の上下面を限定し、 それぞれ第１導電体１６ａおよびｊｉ！２導電体１８ａと接続している。第１導 電体１６ａおよび第２導電体１８ｇは、外部回路、例えば、直流ポテンシャル源 １５に接続している。直流ポテンシャル源１５は、単体コア１２を形成する積層 配列されたコア層から直流出力電圧を引き出す働きをする。単体°　コア１２の 個々のコア層１４は、以下に述べるように直列接続されている。最上コア層１２ ａは直流ポテンシャル源１５の“−°端子に、最下コア層１２ｄは“十′端子に 接続されている。このような構成で、単体コア１２を形成する積層配列されたコ ア層１４から直流電圧出力が得られる。

単体コア１２はさらに、第１のガス取り入れ用側面対１２ｂ、１２ｃおよび第２ のガス排出用側面対とを備えるが、後者は、第１図では単体コアの後方部にある ので見えない。単体コア１２はほぼ六角柱をなしており、即ち、各コア層１４は 同じ六角形断面を有している。本発明の固体酸化物燃料電池は、この形状に制限 されるものではなく、他のほとんどいかなる形状であっても、機能し得る。

取り入れ用側面１２ｂ、１２Ｃの各々および排出用側面の各々は、はぼ長方形を なし、積層配列されたコア層１４の隣接する側縁によって画成されている。取り 入れ用側面１２ｂ。

１２ｃは、それぞれ燃料取り入れ用ハウジング２６および酸化剤取り入れ用ハウ ジング３２を受け入れるようになっている。同様にして、第１図において左側に 見える単体コアの排出用側面は、それにぴったり係合接面する燃料排出用ハウジ ング２８を受け入れるようになっており、他方、右側の排出用側面は、それにぴ ったり係合接面する酸化剤排出用ハウジング３０を受け入れるようになっている 。燃料および酸化剤それぞれの取り入れおよび排出用の各ハウジングはほぼ長方 形であって、その周縁に４個のパネルを有し、これ等はハウジングの背面、即ち 、内側に凹空間を画成すべく配置されている。例えば、酸化剤排出用ハウジング ３０は、その内部に凹空間を画成すべく配置されたパネル３０ｂ、３０ｃ、３０ ｄおよび３０ｅを備える。酸化剤排出用ハウジング３０の凹部は、単体コア１２ の酸化剤排出側面上にぴったりと係合配置されるようになっており、これにより 、酸化剤排出用ハウジングは、単体コアのこの側面を閉塞する。

燃料および酸化剤それぞれの取り入れおよび排出用の各ハウジングは、また、そ の内部にガスがそこを通過するための燃料流通チャンネルを備えている。かくし て、燃料取り入れ用ハウジング２６は、取り入れチャンネル２６ａを備え、他方 、酸化剤取り入れ用ハウジング３２も取り入れチャンネル３２ａを有する。同じ ように、燃料排出用ハウジング２８は排出チャンネル２８ａを備え、酸化剤排出 用ハウジング３０も排出チャンネル３０ｍを備える。これ等各ハウジングそれぞ れのチャンネルまたは孔は、燃料ガスまたは酸化剤ガスが単体コア１２へ人出す るのを許容する。即ち、燃料ガスは燃料取り入れ用ハウジング２６の取り入れチ ャンネル２６ａを自由に流れて、また酸化剤は酸化剤取り入れ用ハウジング３２ の取り入れチャンネル３２ａを自由に流れて、単体コア１２へ供給される。同様 にして、燃料ガスは燃料排出用ハウジング２８の排出チャンネル２８ａを通って 、また酸化剤ガスは酸化剤排出用ハウジング３０の排出チャンネル３０ａを通っ て、単体コア１２から排出される。このようにして、単体コア１２の各コア層１ ４へ導入された燃料ガスおよび酸化剤ガスは、そこにて電気化学反応を起し、そ の結果エネルギーを発生する。そして、未反応副生物は単体コア１２から、さら に固体酸化物燃料電池１０からも排出される。

上述の燃料および酸化剤それぞれの取り入れ用ハウジングおよび排出用ハウジン グを取り付けた単体コア１２を収容する絶縁性の容器４０が配置されている。こ の絶縁性容器４０は、剛性のジルコニア、シリカ、またはアルミナ−ベース材料 から作られるのが好ましい。絶縁性容器４０は、上から見て八角形の外形を有し 、複数個の側壁４２，４４．４６，４８．５０．５２．５４および５６からなっ ている。絶縁性容器４０は、さらに底面パネル５８および上面パネル（第１図で は簡略化のため図示せず）を備える。底面パネル５８および上面パネルは、それ ぞれ上述のほぼ八角形である側壁の下縁および上縁にぴったりと取り付けられて おり、かくして、絶縁性容器４０は完全な密封構造となっていて、その中に積層 固体酸化物燃料電池１０が収納されている。積層固体酸化物燃料電池１０は、こ のように絶縁性容器内に完全密封されることによって、高い運転温度、例えば、 ７００℃−１１００℃が容易に保持され、従って、燃料電池の効率的な運転が可 能となる。

絶縁性容器４０の側壁４６は、燃料取り入れ孔４６ａを備え、また側壁４８は酸 化剤取り入れ孔４８ａを備える。同様にして絶縁性容器の側壁５０および５２は 、それぞれ燃料排出孔５０ａおよび酸化剤排出孔５２ａを有する。そして、燃料 取り入れ孔４６ａは取り入れチャンネル２６ａを、および酸化剤取り入れ孔４８ ａは取り入れチャンネル３２ａを、受は入れるようになっている。同様にして、 燃料排出孔５０ａは排出チャンネル２８ａを、および酸化剤排出孔５２ａは、排 出チャンネル３０ａを受け入れるようになっている。このようにして、燃料ガス および酸化剤ガスが固体酸化物燃料電池１０の単体コア１２へ自由に流出入する ことが可能である。

第１図から理解できるように、対面する側壁対５４および５６並びに側壁対４２ および４４には孔が作られていない。

他方、側壁４２はスロット４２ａを備え、その下端は底面パネル５８にある線条 スロット５８ｇに直結連通している。両スロット４２ｇおよび５８Ｍは、整列す ると、単体コア１２の最下層１２ｄに接続された第２導電体１８ａと第２外端子 １８とからなるほぼＬ字形のユニットをぴったりと受け入れるようになっている 。こうして第２外端子１８および単体コア１２から延びる第２導電体１８ｇを収 容することによって、絶縁性容器４０は固体酸化物燃料電池１０の単体コア１２ をピッタリと収容するように配置される。各側壁４６，４８゜５０および５２の 内面は、長さおよび幅においてそれぞれの側壁とほぼ等しく延びるほぼ長方形の 切除部を有する。これにより、上述の側壁の各切除内面はそれぞれの燃料取り入 れ／排出用ハウジングまたは酸化剤取り入れ／排出用ハウジングをぴったりと受 け入れるようになっている。即ち、側壁４６および４８の各切除内面は燃料取り 入れ用ハウジング２６および酸化剤取り入れ用ハウジング３２をぴったりと受け 入れるようになっている。同様にして、側壁５０および５２の各内面は燃料排出 用ハウジング２８および酸化剤排出用ハウジング３０をぴったりと受け入れるよ うになっている。好ましい実施例においては、絶縁性容器４０は、はぼ平面状の 上面パネルおよび底面パネルと前述の種々の側壁との組み合せからなる一体構造 からなっており、上記パネルは、従来の手段、例えば適当な接着剤または結合手 段によって側壁に確実に結合される。

第２図は、第１図に示した積層配列された固体酸化物燃料電池１０の個々のコア 層１４を形成する固体酸化物燃料電池（素子）２０の部分破断斜視図で、第３図 は同様の平面図である。さらに同じ電池の種々の断面図および端面図が第４−７ 図に示されている。

固体酸化物燃料電池（素子）２０はほぼ偏平な層に形成され上側の波形部６６と 下側の連結層６２とからなっている。

図示された実施例の固体酸化物燃料電池２０は、その長軸の各端において、それ ぞれ対になつた隣接縁を有する六角形をなしている。第３図は固体酸化物燃料電 池の一端部しか図示していないが、同様な構造は他の端部にも存在する。固体酸 化物燃料電池２０の上側の波形部６６は、対向する端に配置された一対の偏向波 形部７２、および間隔を置いて平行に配置された複数個の条溝部６６ａと軟部６ ６ｂとからなる中間部からなっている。条溝部６６ａおよび軟部６６ｂは、固体 酸化物燃料電池のほぼ全長にわたり延び、そして上記の両端部の間に配置されて いる。上側波形部６６の各端における隣接縁部は、下側偏平縁７４および上側偏 平縁７５とを有し、これ等は中間にある傾斜縁７４ａによって結合されている。

固体酸化物燃料電池２０の単体コア６４の下側連結層６２は、その各端部に隣接 して間隔を置いて平行に配置された軟部６２ａを有している。末端畝部６２ａは 内側へ単体コア６４の上側波形部６６に向かって延び、これ等末端畝部の間の凹 領域が固体酸化物燃料電池の上側波形部６６の下面の条溝部と整列し、かつ連続 になっている。

燃料ガスは、燃料電池の上側波形部６６の下側偏平縁７４に直ぐ隣接しかつ上方 で単体コア６４へ導入される。導入された燃料ガスは末端偏向波形部７２の軟部 ７２ｂと隣接畝部７２ｂとの間、即ち、条溝部７２ａに導かれて、そこを流れる 。ここで留意すべきことは、第６図に示したように、下側連結層６２と形状も輪 郭も同じである上側連結層６０が、上側波形部６６の直ぐ上に位置し、そして上 側波形部６６の軟部６６ｂに固く接着されていることである。このようにして、 燃料ガスの単体コア６４への導入は、末端偏向波形部７２の条溝部７２ａに限定 されて行われる。末端偏向波形部７２の条溝部７２ａおよび軟部７２ｂのそれぞ れは、上側波形部６６の対応する条溝部６６ａおよび軟部６６ｂと整列し、かつ 連続している。かくして、末端偏向波形部７２の条溝部および軟部が上側波形部 ６６の中間部と互いに整列しかつ連続しているので、燃料は末端偏向波形部７２ のチャンネル８８に入り（第４図参照）、上側波形部６６の中間部における対応 する燃料チャンネル８８内へ流れることになる（第６図参照）酸化剤ガスは、上 側偏平縁７５に直ぐ隣接しかつその下方で単体コア６４へ導入される。次いで、 酸化剤ガスは、間隔を置いて平行に配列された複数個の酸化剤チャンネル９０（ 第５図）に導かれる。後者は、下側連結層６２内の末端畝部６２ａにより形成さ れる。各末端畝部６２ａは、波形部６６の下側の間隔を置いて平行に配列された それぞれのチャンネルに隣接して位置し、これにより、単体コア６４の末端部に おける酸化剤チャンネル９０へ導入された酸化剤ガスは、第３図において流動方 向を矢印で示すように、上側波形部６６の中間部、即ち、主要部の対応する各酸 化剤チャンネル９０内へ流入することになる。なお、第３図では、酸化剤ガスの 流動方向を部分的に鎖線で示しである。同様な末端数列（図示せず）が、下側連 結層６２の対向末端部にも配置されており、単体コア６４の中間部における酸化 剤チャンネル９０から酸化剤ガスを受け取って、対向末端部から酸化剤ガスが排 出されるように構成されている。同様にして、上側波形部６６の対向端部（第３ 図には図示せず）は、未消費の燃料を各燃料チャンネル８８から受け取り、排出 するための末端偏向波形延長部を備えている。

第４．５．６および７図に示されたように、下側°連結層６２における末端畝部 ６２ａの深さ、および末端偏向波形延長部７２における条溝部７２ａの深さは、 単体コア６４の深さの半分であり、また、燃料電池の上側波形部６６における条 溝部６６ａの深さの半分である。単体コア６４の各末端における燃料ガスおよび 酸化剤ガスそれぞれの取り入れチャンネルおよび排出チャンネルの相対深さは、 末端偏向波形延長部７２における条溝部７２ａと、下側連結層６２における末端 畝部６２ａとの重複配置から生じるものである。このように、燃料および酸化剤 それぞれの取り入れチャンネルおよび排出チャンネルを重複させながらそれ等と 密に離間して分離することによって、固体酸化物燃料電池２０の体積は最小化さ れ、それに伴って燃料電池出力密度の増大が実現される。

第３図に示すように、固体酸化物燃料電池２０の側縁のほぼ全長に沿って第１シ ール７８および第２シール８２が延びており、これによって、酸化剤ガスおよび 燃料ガスはそれぞれのチャンネル内に確実に封じられることになる。第３シール ８０は、固体酸化物燃料電池２０の平面図においてほぼ横方向に、そして酸化剤 ガスおよび燃料ガスそれぞれの取り入れおよび排出流路間の分離が行われるよう に配置されている。

第１．第２および第３の各シール７ｇ、８２．８０は固体酸化物燃料電池の単体 コア６４と、その絶縁性容器４０との間にぴったり納められている。第６図に示 したように、上側波形部６６の第１側方シール・フランジ６８は、上側連結層６ ０と接着されるように、また、第２側方シール・フランジ７０は、下側連結層６ ２と接着されるようになっている。このようにして、酸化剤ガスおよび燃料ガス の流動は単体コア６４内のそれぞれのチャンネルに制限される。上述の接着は、 被接着材料を生の状態で組み立てて、次いで組立体を高温度にて焼結することに よって実行される。

第８図には、上側および下側の連結層６０および６２間に配置された波形の単体 コア６４の一部断面を示す。図示されるように、上述した各構造は多層状になっ ている。即ち、波形単体コア６４は、上側のアノード層９２、下側のカソード層 ９６、およびこれ等の間に配置された中間電解質層９４とからなっている。同様 に、上側連結層６０は、下側のアノード層６０ａ１上側のカソード層６０ｃおよ び中間電解質層６０ｂとからなっている。また同様に、下側連結層６２は、上側 のカソード層６２Ｃ１下側のアノード層６２ａ、および中間電解質層６２ｂとか らなっている。かくして、各燃料チャンネル８８は、波形単体コア６４のアノー ド層９２と、上側連結層６０のアノード層６０ａとの間に形成されており、また 各酸化剤チャンネル９０は、波形単体コア６４のカソード層９６と、下側連結層 ６２のカソード層６２ｃとの間に形成されている。波形単体コア６４の電解質層 ９４は、電子の流れに関してアノード９２とカソード９６とを互いに絶縁するが 、しかし酸化剤チャンネル９０内にて生成される酸素イオンがカソードからアノ ードへ流れるのを許容するようになっている。電子はアノード９２から上側連結 層６０を経て、第１図に示したような適当な導電体を通して直流ポテンシャル源 １５へ流れ、かくして、燃料電池から直流出力電圧が発生する。カソード材料と しては、ストロンチウムでドーピングされたマンガン酸ランタン（Ｌａ（Ｓｒ） ＭｎＯ）が好ましい。電解質材料としては、イツトリアまたはカルシアによって 安定化されたジルコニアが好ましく、他方、アノード層はニッケルまたはコバル トジルコニア・サーメットで作成されるのが好ましい。

固体酸化物燃料電池の運転は、酸化剤ガスの存在下で噴射導入された燃料を燃焼 させることによって開始される。この燃焼は、典型的には、当業者によって周知 の従来法によって開始される。燃料の燃焼が開始され、固体酸化物燃料電池の温 度が７００−１１００℃の温度範囲に上昇した後、燃料の燃焼が終了し、燃料電 池運転温度は電力の発生による種々の燃料電池構成材の内部抵抗加熱によって維 持される。７００−１１００℃範囲の温度においては、燃料電池構成材の抵抗性 は、燃料電池の触媒領域内にて水素または炭化水素燃料と酸化剤ガスの化合を伴 う電気化学反応の開始を許容する程度に十分に低く、かくして直流電気出力が得 られる。固体酸化物燃料電池を通る酸化剤ガス流は、燃料電池の運転温度を制御 するために調節される。連結層の導電特性は、本発明による固体酸化物燃料電池 が積層配列されることを可能にするもので、この積層配列では、各燃料電池は、 所望の直流出力電圧が得られるように直列接続される。本発明は、本発明による 固体酸化物燃料電池の１００個以上もの多数を上述のように積層配列して、所望 の直流出力電圧が得られることを期待している。

以上、小型、高強度で、電気抵抗が低く、シかも出力密度の高い単体コアを有す る固体酸化物燃料電池について述べた。

燃料電池の単体コアは、上側および下側再連結層の間に配置され、かつ両連結層 に接着された中間波形層からなる。この中間層の波形構造は、コアの対向する取 り入れ端および排出端において間隔を置いて配列された複数個の畝と組み合せた ことにより、燃料ガスおよび酸化剤ガスが、該中間層の波形構造によって分離さ れたチャンネルを通って流れることを可能にする。この中間波形層およびほぼ偏 平な上側および下側再連結層は多層構造になっており、各々はアノード層、カソ ード層、およびそれ等の間に配列された電解質層とからなっている。このような 構成において、酸素イオンは酸化剤ガスから中間層のカソードおよび電解質を経 てアノードへ流れ、そして電子は上側連結層と下側連結層間に形成された外部回 路を流れて、直流電圧が外部回路に発生し、かくして、燃料電池の電力出力が得 られることになる。この固体酸化物燃料電池はまたコンパクトなサイズを有し、 そのため絶縁性のカバーや容器によって周囲から絶縁することが容易であり、こ れにより燃料電池の運転温度は一層容易に保持され、かつ直流出力電圧が一層効 率的に発生される。

以上、本発明の実施例について詳述したが、当業者にとっては、本発明から逸脱 しない限りにおいてその一層広い観点において変更および改変が可能であること は明白である。それ故、これ等変更および改変の全ては、本発明の精神および範 囲内にあるものとして、添付した請求の範囲に含まれるべきである。前述の説明 および添付の図面は、説明の目的のみのものであって、制限的なものではない。

本発明の正当な範囲は、先行技術を考慮して次に添付の請求の範囲により画定さ れるべきものである。

Ｆ’／Ｃ：、ご Ｆ’ｌＧ、６ 国際調査報告

Claims (22)

【特許請求の範囲】
1. １．流動する燃料ガスを流動する酸化剤ガスと高温度にて電気化学的に反応させ て、直流出力電圧を発生する固体酸化物燃料電池であって： 全長に沿って細長く延びる複数個の波形を有する、薄くほぼ偏平でかつ薄いアノ ード材層、カソード材層および上記両層間に配置された薄い電解質層とからなる 導電性シートにして、上記波形は上記導電性シートの対向する第１面および第２ 面にそれぞれ間隔を置いて平行に配列された第１および第２ガスチャンネル列を 形成し、上記導電性シートはさらに、該シートの第１縁部において、燃料ガスを 上記第１ガスチャンネル列へ、そして酸化剤ガスを上記第２ガスチャンネル列へ と導くための燃料ガスおよび酸化剤ガスの取り入れ手段と、該シートの上記第１ 縁部と対向する第２縁部において、未反応の燃料ガスおよび酸化剤ガスをそれぞ れ上記固体酸化物燃料電池の外部へ導くための燃料ガスおよび酸化剤ガスの排出 手段と、を有する導電性シートと； 上記導電性シートの直ぐ上下にそれぞれ配置され、かつ上記波形に接着されて、 上記第１および第２ガスチャンネル列内に上記燃料ガスおよび酸化剤ガスをそれ ぞれ封じ込め、かつ上記第１および第２ガスチャンネル列内を流れる未反応の燃 料ガスおよび酸化剤ガスを上記固体酸化物燃料電池の外部に導く第１および第２ 導電性連結層にして、直流出力電圧をそれらの間に発生させる第１および第２導 電性連結層と；からなる固体酸化物燃料電池。
2. ２．上記導電性シートの上記細長い波形が、第１中間波形部と第２および第３末 端波形部とからなり、各末端波形部がそれぞれ上記中間波形部の末端と連結し、 かつ上記中間波形部と角皮をなして連続することを特徴とする請求の範囲第１項 に記載の固体酸化物燃料電池。
3. ３．上記連結層の一つが、間隔を置いて平行に配列された第１リブ列および第２ リブ列を備え、各リブは上記第２および第３末端波形部と協働して、上記燃料ガ スおよび酸化剤ガスそれぞれの取り入れ手段および排出手段を形成することを特 徴とする請求の範囲第２項に記載の固体酸化物燃料電池。
4. ４．上記間隔を置いて平行に配列された第１リブ列および第２リブ列が、それぞ れ上記第２および第３末端波形部それぞれに対してほぼ横方向に整列することを 特徴とする請求の範囲第３項に記載の固体酸化物燃料電池。
5. ５．上記燃料ガスおよび酸化剤ガスそれぞれの取り入れ手段および排出手段の各 々が、さらに燃料ガスおよび酸化剤ガスをそれぞれ上記第１ガスチャンネルおよ び第２ガスチャンネルヘと偏向し導くためのそれぞれの偏向手段を備えることを 特徴とする請求の範囲第４項に記載の固体酸化物燃料電池。
6. ６．上記第２および第３末端波形部が、上記間隔を置いて配列された第１および 第２リブ列と協働して、それぞれ上記燃料ガスおよび酸化剤ガスの取り入れ手段 および排出手段に複数個のガス取り入れチャンネルおよびガス排出チャンネルを 形成することを特徴とする請求の範囲第５項に記載の固体酸化物燃料電池。
7. ７．上記ガス取り入れチャンネルおよびガス排出チャンネルが上記第１ガスチャ ンネルおよび第２ガスチャンネルと比較して深さがほぼ半分であることを特徴と する請求φ範囲第６項に記載の固体酸化物燃料電池。
8. ８．上記導電性シートが、さらに該シートの第３および第４の対向する縁部に配 置された第１シール・フランジおよび第２シール・フランジを備え、各々が上記 第１連結層および第２連結層と気密に係合することを特徴とする請求の範囲第１ 項に記載の固体酸化物燃料電池。
9. ９．さらに上記第１連結層と第２連結層の間に接続された外部回路を有し、上記 直流出力電圧が上記外部回路にて発生されることを特徴とする請求の範囲第１項 に記載の固体酸化物燃料電池。
10. １０．上記第１連結層および第２連結層がそれぞれアノード層、カソード層およ び電解質層からなり、上記電解質層がアノード層とカソード層との間に配置され ることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の固体酸化物燃料電池。
11. １１．上記波形シートのアノード層が上記第１連結層のアノード層に接着されて 電気接続されるとともに、上記波形シートのカソード層が上記第２連結層のカソ ード層に接着されて電気接続されることを特徴とする請求の範囲第１０項に記載 の固体酸化物燃料電池。
12. １２．上記波形シート並びに上記第１および第２連結層のアノード層がニッケル またはコバルト・ジルコニアサーメットで形成されることを特徴とする請求の範 囲第１１項に記載の固体酸化物燃料電池。
13. １３．上記波形シート並びに上記第１および第２連結層のカソード層がストロン チウムでドーピングされたマンガン酸ランタン、またはマグネシウムでドーピン グされたランタンクロマイトで形成されることを特徴とする請求の範囲第１１項 に記載の固体酸化物燃料電池。
14. １４．上記波形シート並びに上記第１および第２連結層の電解質層がイットリア により安定化されたジルコニアで形成されることを特徴とする請求の範囲第１１ 項に記載の固体酸化物燃料電池。
15. １５．上記固体酸化物燃料電池の外周に密接するように配置された絶縁性容器を さらに備えることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の固体酸化物燃料電池。
16. １６．複数個の導電性シートと第１連結層および第２連結層とが積層配列されて なることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の固体酸化物燃料電池。
17. １７．上記積層配列された固体酸化物燃料電池の外周と密接して配置された絶縁 性容器をさらに備えることを特徴とする請求の範囲第１６項に記載の固体酸化物 燃料電池。
18. １８．上記絶縁性容器が、互いに結合された複数個のセクシヨンからなる連続し た側壁と、該連続側壁の上縁および下縁とそれぞれ接面結合する上面パネルおよ び底面パネルとからなることを特徴とする請求の範囲第１７項に記載の固体酸化 物燃料電池。
19. １９．上記燃料ガスおよび酸化剤ガスの取り入れ口および排出口の上側にそれぞ れ配置され、ガス流通路を有する第１取り入れ用ハウジング対および第２排出用 ハウジング対をさらに備えることを特徴とする請求の範囲第１８項に記載の固体 酸化物燃料電池。
20. ２０．上記取り入れ用ハウジング内および排出用ハウジング内それぞれの上記各 ガス流通路が、各ハウジングと接する上記絶縁性容器の側壁の隣接する各セクシ ョンを通って延びることを特徴とする請求の範囲第１９項に記載の固体酸化物燃 料電池。
21. ２１．上記絶縁性容器がジルコニア、シリカまたはアルミナで形成されることを 特徴とする請求の範囲第１７項に記載の固体酸化物燃料電池。
22. ２２．上記絶縁性容器と上記積層配列された固体酸化物燃料電池群との間に複数 個のシールが配置されたことを特徴とする請求の範囲第１７項に記載の固体酸化 物燃料電池。