JPH034454A - 固体電解質型燃料電池モジュール - Google Patents

固体電解質型燃料電池モジュール

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JPH034454A
JPH034454A JP1137703A JP13770389A JPH034454A JP H034454 A JPH034454 A JP H034454A JP 1137703 A JP1137703 A JP 1137703A JP 13770389 A JP13770389 A JP 13770389A JP H034454 A JPH034454 A JP H034454A
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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】 産業上の利用分野 この発明は、固体電解質を使用した燃料電池のうち、同
心円筒状の2重管の間の空間に複数の燃料電池単体を配
設した構造の固体電解質型燃料電池モジュールに関する
ものである。
従来の技術 固体電解質型燃料電池の出力は直流で各燃料電池単体の
電圧は約1■と低い。また実用上は交流に変換する場合
が多いことから、直流を交流に変換する際の変換効率の
上からも電池電圧が高いことが望ましい。そのため、複
数の燃料電池単体をなんらかの方法で直列に接続すると
ともに、高出力とするため並列にも接続する必要があっ
た。
例えば第3図および第4図は、本出願人の既出願(特願
平1−11433号)中に開示されている固体電解質型
燃料電池モジュールおよび燃料電池単体を示す図であっ
て、第3図に示す固体電解置型燃料電池モジュール1は
、相互間に空間を存して同心円筒状に配設された導電性
材料からなる内部スペーサ管2と外部スペーサ管3との
間に、6個の燃料電池単体4を収納したもので、第4図
に示すように各燃料電池単体4は、円筒形に形成された
固体電解質5の内周に空気電極6を、この固体電解質5
の外周に燃料電極7がそれぞれ形成された3層構造とな
っており、この燃料電池単体4の最外層の燃′I4電極
7と中間層の固体電解質5とには、最内層の空気電極6
に達する深さで軸線と平行なスリット8が形成され、こ
のスリット8内にはインターコネクタ9が、前記空気電
極6と接触し、燃料電極7と非接触状態に設けられてい
る。
そして、このように構成される各燃料電池単体4は、そ
れぞれのインターコネクタ9の先端を、前記内部スペー
サ管2の外周面に導電繊維フェルトゴ0を介して当接さ
せるとともに、各燃料電池単体4の最外層の燃料電極7
を、外部スペーサ管3の内周面に導電II維フェルト1
1を介して当接させて、並列に接続されて固体電解質型
燃料電池モジュール1が形成されている。
そして、この固体電解質型燃料電池モジュール1には、
6本の各燃料電池単体4の空気電極6の内側の酸素また
は空気が供給されるとともに、6本の燃料電池単体4の
各燃料電極7の外側で、かつ外部スペーサ管3の内側の
空間には、水素等の燃料ガスが供給され、固体電解質5
を介した酸化・還元反応が起きて電気が生じ、並列に接
続された各燃料電池単体4に生じた電気は、それぞれ導
電性を有する内部スペーサ管2と外部スペーサ管3とに
集電される構造となっている。
発明が解決しようとする課題 しかし、前述した従来の固体電解質型燃料電池モジュー
ル1の場合のように、燃料ガスが外部スペーサ管3の一
方の端部から供給され、供給された燃料ガスは、外部ス
ペーサ管3の内側の空間を流れて各燃料電池単体4の外
周部に供給され、各燃料電池単体4の外周の燃料電極7
において酸化・還元反応に消費され、また消費されずに
余った燃料ガスは、外部スペーサ管3の他方の端部から
排出されるようになっている。そのため、各燃料電池単
体4に供給される燃料ガスは、外部スペーサ管3の燃料
ガス供給側には濃度の高い燃料ガスが供給されるが、燃
料ガスが外部スペーサ管3内を排出側に流下する途上で
、燃料電池単体4の燃料電極7と接触して燃料ガスが徐
々に消費され、その結果、下流へ行くほどガス濃度が低
下してしまうという問題があり、下流側ではガス濃度が
不足して酸化・還元反応が弱まり、各燃料電池単体4の
出力が低下する等の問題があった。
そのため従来においては、外部スペーサ管3内の上流側
にも充分なガス濃度の燃料ガスが供給されるように、燃
料ガスの供給量を必要以上に増量し、燃料電池の酸化・
還元反応に必要とされる量を大幅に上回る量の燃料ガス
を供給することにより出力低下を防止していたが、燃料
ガスを無駄に消費するという問題があった。
この発明は上記事情に鑑みなされたもので、固体電解質
型′M料電池を構成する各燃料電池単体のそれぞれの全
長に亘って、充分に高濃度でかつ等しい濃度の燃料ガス
、あるいは充分な酸素濃度の空気を供給することのでき
る固体電解質型燃料電池モジュールを提供することを目
的としている。
課題を解決するための手段 上記S題を解決するための手段としてこの発明は、空間
を存して同心円筒状に設けられた内部スペーサ管と外部
スペーサ管との間に、管状の固体電解質の内側に空気電
極または燃料電極を、外側に燃料電極または空気電極を
設けた燃料電池単体を複数個配設した固体電解質型燃料
電池モジュールにおいて、前記内部スペーサ管は、その
先端をwi塞されるとともに多数の通気孔を有し、この
内部スペーサ管内に基端側から燃料ガスまたは酸素を供
給する構造としたことを特徴としている。
また、前記内部スペーサ管と外部スペーサ管とのうちの
少くとも一方が金属製であることを特徴としている。
さらに、前記内部スペーサ管の素材がNiまたはCol
あるいはNiとQoの合金であることを特徴としている
。
作   用 上記のように、先端を閉塞するとともに円筒部分に多数
の通気孔を有する内部スペーサ管の外周面と、外部スペ
ーサ管の内周面との間に複数の燃料電池単体を配設し、
電気的に接続して固体電解質型燃料電池モジュールを構
成する。そして、前記燃料電池単体の外周に燃料電極が
形成されている場合には、燃料ガスを前記内部スペーサ
管内に、その基端側から供給すると、多数の通気孔から
燃料ガスが吹き出して、内部スペーサ管の外周に配設さ
れた各燃料電池単体の全長に亘って、反応に未使用の新
鮮な燃料ガスが均等に供給され、無駄のない燃料ガスの
供給が可能となるとともに、燃料ガスS度のバラツキが
減少し、各燃料電池単体の発電特性が均一化する。
また、内部スペーサ管と外部スペーサ管とのうちの少く
とも一方を金属製とすることによりモジュールを構成す
る各燃料電池単体間の熱伝達が効果的に行われて均熱化
が図れ、発電能力がさらに向上する。
さらに、内部スペーサ管をNiまたはQo、あるいはN
iとCoとの合金で製造すれば、Ni。
Coの触媒作用により、燃料ガスとしてメタン等の炭化
水素と水蒸気とを用いる場合に、改質装置を別途設ける
必要がなくなる。
実  施  例 以下、この発明の固体電解質型燃料電池モジュールの一
実施例を第1図および第2図に基づいて説明する。
固体電解質型燃料電池モジュール21は、同心円筒状に
設けられた内部スペーサ管22と外部スペーサ管23と
、これら両者間に配設され、並列に接続された6個の燃
料電池単体24とから構成されており、前記外部スペー
サ管23は銅等の金属で形成され、また内部スペーサ管
22には、通気性を有するとともに導電性を有する多孔
質管が使用されている。
また、各燃料電池単体24は支持管を用いない自己支持
構造となっており、イツトリア安定化ジルコニア(YS
Z)等を環状に形成した固体電解質25と、この固体電
解質25の内側に形成された空気電極26と、外側に形
成された燃料電極27との311構造となっており、空
気電極26は酸化雰囲気中で導電性があり、ガス透過性
を有する、例えば、ベロアスカイト型ランタン系複合酸
化物を素材とする多孔質体であり、また燃料電極27は
、ニッケル等の金属またはニッケルとジルコニアとのサ
ーメットなどの導電性が高くかつ高気孔率の多孔質体で
形成されている。そして、最外側の燃料電極27とその
内側の固体電解質25との両者には、長手方向に連続す
る1本のスリットが形成され、このスリット内にはイン
ターコネクタ28が、燃料電極27と非接触状態で、か
つ最内側の空気電極26と接触した状態に設けられてい
る。
また、上記のように形成された各燃料電池単体24は、
それぞれのインターコネクタ28の先端を、ニッケルフ
ェルト29を介して前記内部スペーサ管22の外周に接
続するとともに、それぞれの燃料電極27上で、各イン
ターコネクタ28と中心を挾んで対向する位置を、ニッ
ケルフェルト30を介して前記外部スペーサ管23の内
周面に接続して並列に配列されている。
そして、固体電解質型燃料電池モジュール21を構成し
ている各燃料電池単体24の空気電極26の内側の中空
部内には酸素(02)を含んだ空気が供給され、また固
体電解質型燃料電池モジュール21の中心の内部スペー
サ管22の中空部内には燃料ガスの水素(N2)が、所
定の圧力で供給されるようになっており、多孔質体であ
る内部スペーサ管22内に供給された水素ガスは、内部
スペーサ管22の全体に開口している多数の微細な気孔
(図示せず)を経由して外方の外部スペーサ管23との
間の空間に噴出して、各燃料電池単体24の外周にムラ
なく供給されるようになっている。
次に、上記のように構成されるこの実施例の作用を説明
する。
固体電解質型燃料電池モジュール21は、各燃料電池単
体24の空気電極26の内側の空間にそれぞれ酸素ある
いは空気が供給されるとともに、中心の内部スペーサ管
22内に燃料の水素ガスが所定の圧力で供給される。そ
して、多孔質体である内部スペーサ管22内に供給され
た°水素ガスは、内部スペーサ管22の全体に開口して
いる多数の微細な気孔(図示せず)から外方の外部スペ
ーサ管23との間の空間に噴出し、各燃料電池単体24
の燃料電極27の周囲に供給される。その結果、各燃料
電池単体24においては、それぞれの固体電解質25を
介して酸化・還元反応が起きて電流が生じ、各インター
コネクタ28からニッケルフェルト29を介して集電さ
れる内部スペーサ管22が陽極となり、また外周の各燃
料電極27からニッケルフェルト30を介して集電され
る外部スペーサ管23が陰極となって、発生した電流を
取出すことができる。
このとき、内部スペーサ管22内に供給された水素ガス
が、外部スペーサ管23との間の空間に噴出し、噴出し
た各気孔と近接した各燃料電池単体24の表面の各部位
の周囲に拡散する。したがって、各燃料電池単体24の
周囲の空間は、常に新鮮な水素ガスが常に供給されるた
め、他の部位における酸化・還元反応に清貧された燃料
ガスが供給されてガス濃度の低下することがなく、その
結果、各燃料電池単体24の全長に亘って、高濃度の水
素ガスがムラなく供給されるため、固体電解質型燃料電
池モジュール21の各燃料電池単体24の個々の発電特
性が均等化されるとともに、1本毎の燃料電池単体24
の長手方向の発電特性が均一化し、発電効率が向上する
とともに固体電解質型燃料電池モジュールの寿命が延長
する。
また、燃料の水素ガスを、内部スペーサ管22の全体か
ら各燃料電池単体24の燃料電極の周囲に直接供給でき
るので、燃料電池単体24の長手方向に水素ガスを流通
させて供給する場合に比べて、発電に寄与ぜずに排出さ
れる無駄な水素ガスを大幅に削減でき、燃料ガスの利用
効率を向上することができる。
また、この実施例においては外部スペーサ管23を熱伝
導性の高い銅等の金属製としたので、この外部スペーサ
管23を介して各燃料電池単体24間の熱伝達が行なわ
れ、固体電解質型燃料電池モジュール21全体の均熱化
が図れ、発電特性を向上することができる。
なお、この実施例の固体電解質型燃料電池モジュール2
1において、内部スペーサ管22の材質をニッケル(N
i )やコバルト(Go)あるいはニッケルとコバルト
の合金とすれば、燃料ガスとしてメタン等の炭化水素を
用い、この炭化水素と水蒸気等とを内部スペーサ管22
内に同時に供給することにより、この内部スペーサ管2
2が改質反応の触媒にもなるため、従来の固体電解質型
燃料電池モジュールの場合のように燃料ガスの改質装置
を別途設ける必要がなくなる。
発明の詳細 な説明したようにこの発明は、同心円筒状に設けられた
内部スペーサ管と外部スペーサ管との間に、複数の燃料
電池単体を配設した固体電解質型燃料電池モジュールに
おいて、前記内部スペーサ管は、その先端を閉塞される
とともに多数の通気孔を有し、この内部スペーサ管の基
端側から燃料ガスまたは酸素を供給する構造としたので
、内部スペーサ管内を経由して燃料電池単体の外周に供
給される燃料ガスまたは酸素の濃度分布のバラツキが減
少し、各燃料電池単体の発電特性が均一化し、固体電解
質型燃料電池モジュールの発電能力が向上するとともに
、この固体電解質型燃料電池モジュールの寿命を延長す
ることができる。
また、酸化・還元反応に必要なだけ燃料ガスまたは酸素
を供給すればよいことから、無駄な燃料ガスまたは酸素
の量を削減して、燃料ガスまたは酸素の利用効率を大幅
に向上させることができる等の効果を有する。
【図面の簡単な説明】
第1図および第2図はこの発明の一実施例を示すもので
、第1図は固体電解質型燃料電池モジュールの断面正面
図、第2図は第1図の■−■轢断面図、第3図および第
4図は従来例を示すもので、第3図は従来の固体電解質
型燃料電池モジュールの断面正面図、第4図は固体電解
質型燃料電池モジュールを構成している燃料電池単体の
斜視図である。 21・・・固体電解質型燃料電池モジュール、 22・
・・多孔質の内部スペーサ管、 23・・・外部スペー
サ管、 24・・・燃料電池単体、 25・・・固体電
解質、 26・・・空気電極、 27・・・燃料電極、
28・・・インターコネクタ、  29.30・・・ニ
ッケルフェルト。

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)空間を存して同心円筒状に設けられた内部スペー
    サ管と外部スペーサ管との間に、管状の固体電解質の内
    側に空気電極または燃料電極を、外側に燃料電極または
    空気電極を設けた燃料電池単体を複数個配設した固体電
    解質型燃料電池モジュールにおいて、前記内部スペーサ
    管は、その先端を閉塞されるとともに多数の通気孔を有
    し、この内部スペーサ管内に基端側から燃料ガスまたは
    酸素を供給する構造としたことを特徴とする固体電解質
    型燃料電池モジュール。
  2. (2)前記内部スペーサ管と外部スペーサ管とのうちの
    少くとも一方が金属製であることを特徴とする請求項1
    記載の固体電解質型燃料電池モジュール。
  3. (3)前記多孔質の内部スペーサ管の素材が、Niある
    いはCoまたはNiとCoの合金であることを特徴とす
    る請求項1または2記載の固体電解質型燃料電池モジュ
    ール。
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