JPH0447951B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 燃料電池は基本的には、水素又は炭素水素燃料
とオキシダントを接触反応境界内で化学的に化合
させて、直流電気出力を発生させるガルバーニ電
気エネルギー変換装置である。燃料電池の或る１
つの形においては、カソード物質がオキシダント
用流路を形成し、アノード物質が燃料用流路を形
成し、そのアノード物質とカソード物質とを電勝
質が分離させる。典型的にはガスである燃料とオ
キシダントが、お互いに分離された電池の流路を
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
じた反応生成物と熱とが除去される。その燃料と
オキシダントは供給物だから、典型的に燃料電池
それ自身の一体部分としては考えられない。

本発明が直接適用可能性を燃料電池の型は、燃
料電池の中で電勝質が固体状態であるような、固
体電解燃料電池、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
池においては、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、この燃料電池の作用温度は700〜1100
℃である。

アノード（負電極）において、水素が酸化物イ
オンと反応する電子を遊離して水を発生し、カソ
ードで酸素が電子と反応すると効果的に酸化物イ
オンを生成する。それらの電子はアノードから適
切な外部負荷を通つてカソードへ流れ、酸化物イ
オンがその電解質を通つて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
てカソードとアノードを互いに隔離するが、酸素
イオンはカソードからアノードへ流れることがで
きる。従つて、カソードとアノードでの反応は次
の通りである。

カソード １／2O₂＋2e^-→O^-2 ……(1) アノード H₂＋O^-2→H₂O＋2e^- ……(2) 全体的な電池反応は、 H₂＋１／2O₂→H₂O ……(3) 水素に加えて、350℃以上で蒸気に曝すことに
より改質したメタン（CH₄）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する。水
素が消費されにつれて、反応の進行が次式により
起る。

CO＋H₂o→CO₂＋H₂ ……(4) この電池における炭素水素の全体的反応は次式
で示される。

CH₄＋2O₂→CO₂＋2H₂O ……(5) その変換は電気化学的であるので、カルノーサ
イクルの熱的制限は免れる。従つて、燃料熱エネ
ルギーを電気出力に変換する際に50％をこえる範
囲の効率が理論的に得られる。これは、普通のデ
イーゼ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つと高い。

電勝質は燃料とオキシダントガスをお互いから
隔離し、同時に、電勝質を横切つてイオン移動と
電圧の増大を可能にするような媒体を与える。電
極（カソードとアノード）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ボルトのオーダであ
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しなればならない。相互接
続物質により隣接電池間に直列の接続が行なわ
れ、この相互接続物質が燃料とオキシダントガス
をお互いから隔離するとともに、一方の電池のア
ノードを隣接する電池のカソードに電気的に接続
する。活性の電気化学的な電気の発生は燃料電池
の電勝質部分を横切つてしか生じないので、電池
間に直列の電気的接続を行なうためにカソードと
アノードとの間の相互接続を分離すると、燃料電
池のその部分は電気を発生なくなる。各電池を形
成する電解質壁面積に対する相互接続のパーセン
テージが、もし高ければ、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
つて電勝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
の流れから電解質を通つて反応場所へ拡散しなか
ればならない。燃料とオキシダントは電極を通つ
て電解質へ拡散し、ガスと電極（アノード又はカ
ソード）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長さに沿
つて低減し、燃料流路の下流端又はその近くで低
電圧が発生する。

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すことは、本来効果的ではな
い。それは電池電圧の総出力の点からも本質的に
有効ではないので、この燃料電池内の燃料の完全
な変換は求められない。１個の電池の場合にも、
ガス流で連続する何個かの電池の場合も、理論上
の最高電圧は、この電池に沿つて減退する。従つ
て、実際の燃料電池は燃料の80〜90％だけしか消
費しない。なぜなら、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するからで
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、重要な制限事項である。

提案されている一連の固体酸化物燃料電池はセ
ラミツク支持管を利用し、電極（アノードとカソ
ード五）及び電解質がその支持管上に層として形
成される。その支持管は密閉ハウジグ内に閉じこ
れられ、燃料とオキ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。層の形成次第で、燃料が支持
管の内部を運ばれ、オキシダントが支持管の外部
を運ばれる（又はその逆となる）。実際の燃料電
池ユニツトは、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で安定化させたジ
ルコニア（ZrO₂＋CaO）で形成され、カソード
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（LaMnO₃）を形をとり、電解質はカ
ソードの一部分の上に層をなし、例えばイツトリ
アで安定化させたジルコニア（ZrO₂＋Y₂O₃）で
構成され、アノードは電解質上に層をなし、例え
ばコバルトイツトリアで安定化させたジルコニア
サーメツト又は混合物（Co＋ZrO₂＋Y₂O₃）から
成る。オキシダントはかような構成の管の内部を
流れ、燃料はその管の外部を循環する。隣接電池
と直列接続をなす電池部分では、電解質とアノー
ドの代りに、この位置のカソードの上に隣接電池
のアノードと接触するよ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（LaCrO₃）から成る。

この種の燃料電池を形成するために、支持管は
高度の多孔性をもつて形成されねばらない。40％
の多孔度でもつてさえ、成層をなしたアノードと
カソードは大きな拡散障害を示す。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
いては出力に制限を加えることになる。支持管の
最小寸法は形約１cmであつて、側壁の厚みは約１
mmである。この支持管のコア配置の制限要素は通
路の長さであつて、電流がカソードとアノードと
に沿つて通過し、それによつて大きな電気抵抗損
失を引き起すほどの長さである。これを最小限に
するための１つの努力においてはは、それぞれの
管の長さを短縮し、お互いに端部を重ね、連続す
るそれぞれの管のアノードとカソードとを相互接
続物質で直列に相互接続するようにする。これに
より、燃料及び／又はオキシダントが通過する管
が１本になり、直列に相後接続された個々の管の
総数からなる累積した高電圧が直列接続により生
じる。電流は燃料及び／又はオキシダントの流れ
る方向と一致して、即ち管の形に対して軸方向へ
流れる。

互い違いの構造体（alternate structure）は、
例えば内部アノード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。それによつて、隣
接管はお互いに接線状に積み重ねられ、カソード
とアノードの直列配置を形成する。電流はカソー
ド及びアノード物質に沿つて周方向へ流れなけれ
ばならないので、大きな電気抵抗損失が生じる。

固体酸化物燃料電池に関するもう１つの問題
は、電極物質と相互接続物質と電解質との間、及
びこの構造体に使用される多孔性支持材料間の熱
膨張との収縮の差である。それらの材料の固有の
熱膨脹係数のバランスをとる努力はなされている
けれども、特に、種々の材料による層構造のコア
壁をもつ接触部分においては、熱膨脹係数に僅か
な差があつてさえ問題となる、スタート時の熱の
振幅が非常に大きく（25℃から700〜1000℃の
間）、それより小さい周期的な熱の振幅（700〜
1000℃の間、或いはその電池の出力レベルが変化
する時にはそれ以上となる）がかなり大きくしか
も頻繁なので、熱膨脹差は１つ問題となる。かく
して、複合層構造体は、熱膨脹に差がある時には
差をもつて歪み、それらの層が互いに分離し易く
なる。

そこで、本発明は改良型燃料電池構造体を提供
するものであり、この燃料電池構造体は、電解質
の薄層をカソード物質層とアノード物質層との間
に挾み込んだ複合電解質壁構造体を有し、更に、
相互接続物質と支持物質の薄い複合層をカソード
物質層とアノード物質層との間に挾み込んだ複合
相互接続壁構造体を有している。複数の電解質壁
構造体は通常平面形状を有し、互いに通常平行で
隔置された関係で出来上りコア内に配置される。
複数の相互接続壁構造体は波形で、それぞれは電
解質壁の各隣接対の間を伸長し、燃料とオキシダ
ントガスを通すのに適した独立した複数の平行な
流路からなる配列あるいは階層を形成する。

本発明の基本的目的は、使用する材料の熱膨脹
の差による悪影響を最小限にした改良型の燃料電
池コア構造体を提供することである。すなわち、
個々の相互接続型と隣接電解質壁との間に、隔置
された平行な線状接触が形成され、平行な複数流
路からなる階層はそられの流路を互に交叉させる
ように互い違いに配列され、これによつて、同一
電解質壁の両側の相互接続壁の線状接触は或る間
隔をおいた点状位置で交叉する。これは、電解質
壁と相互接続型との間に、これらの間隔をおいて
点状位置のみで、しつかりした機械的接続をもた
らし、かくして、電解質壁はこれらの接触以外で
は機械的に拘束されることはない。

本発明のもう１つの目的は、電池のコアにある
流路の積み重ねた階層配列への燃料とオキシダン
トガスの分流装置を提供することであり、この場
合の各階層の複数流路は互いに平行をなすが、互
い違いの階層にある流路は互いに交叉する。

本発明のもう１つの目的は、相互接続壁構造体
を提供することであり、この構造体は、不活性支
持物質とこの支持物質を通して伸びる相互接続物
質からなる多数の小プラグのマトリツクスとから
なる連続層によつて、また、支持物質層をサンド
イツチ状に挾み込みかつ相互接続物質のプラグに
より電気的に接続されているアノード物質とカソ
ード物質の薄層によつて形成される。前記不活性
支持物質層は、相互接続壁の厚みの２〜98％とす
ることによつて、その壁の熱膨脹を調節し、それ
によつて予想される熱膨脹差による悪影響を最小
限にする。

本発明の一層詳細な目的は、燃料電池の組立て
技術を提供することである。すなわち、電解質構
造体は各々、カソード物質と電解質とアノード物
質とを互いに積層して形成される。相互接続壁構
造体は各々、相互接続物質からなるプラグを詰込
んた不活性支持物質をカソード物質とアノード物
質とともに積層し形成される。相互接続構造体は
襞を付けられあるいは折り畳まれ、平たい電解質
壁構造体上に載置されて第１の電池階層を形成
し、更に同じような電池階層を互いに重ねて多階
層の電池組立体を形成する。次にその組立体を加
熱してそれらの物質を一緒に融合し、剛直な寸法
の安定したコアを形成する。流路が互いに交叉す
るように互い違いに電池階層を配置することによ
り、隣接する電池階層の電解質壁構造体と相互接
続壁構造体との間は、間隔をおいて位置する点状
融合接触領域のみで接続されるようにして、熱膨
脹の差による悪影響を最小限にする。

発明の名称を「単一コアを有する固体酸化物燃
料電池」と称する、発明者ジヨン ピー．アツカ
ーマンとジヨン 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一的に形成されたコア
が示されている。これは、このコアの電解質壁と
相互接続壁がそれぞれ、電解質物質の両側に、或
いは相互接続物質の両側に積層されたアノード物
質とカソード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
合コア壁との使用を可能にする。この薄い複合コ
ア壁は小さい複数の流路を形成するように付形す
ることができるとともに、流路を通るガス流によ
り生じる流体圧と、互いに積み重ねたコア壁の重
量による機械的応力とに耐えるような十分な一体
構造を有している。これによつて、燃料電池の寸
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「固体酸化物燃料電池用の単一コ
アの製造方法」と称する、発明者スタンレーエ
イ．ツビツクとジヨン ピー．アツカーマンによ
る本願と同日出願の米国特許出願には、コア壁の
端部方向に、即ちそのコア壁により形成される流
路を一直線となる方向に相互接続コア壁と電解質
壁とを作るために、アノード物質とカソード物質
と電解質物質と相互接続物質との各々を反復して
順次付着させることが示されている。コアの断面
全体にわたつて各々別の物質の各付着が別々に同
時に作ら、それによつて、燃料及びオキシダント
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「平行なガス流を有する燃料電池
コアの一体的マニホルド構造」と称する、発明者
ジヨセフ イー．ハーセグによる本願と同日出願
の米国特許出願には、燃料とオキシダントガスを
コアの平行流路へ導く装置が示されている。コア
壁か規定されたコア流路の開放端をこえて突出
し、隣接する上の相互接続壁と下の相互接続壁と
の間ほ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する。流
路形成する各電解質壁は、対応する燃料とオキシ
ダントの流路をこの中間壁の上又は下のそれぞれ
のマニホルド室へ再び導くために、コア壁に混成
しかつそれに接続されるように付形される。燃料
とオキシダントガスをコアへ運び、それらの生成
物をコアから放出するために、それらの別個のマ
ニホルド室には入口接続部と出口接続部とがそれ
ぞれ作られている。

発明の名称を「単一交叉流のコアとマニホルド
装置とを有する固体酸化燃料電池」と称する、発
明者ロジヤー ビー．ペツペルとジヨセフ テ
イ．デユセクにより本願と同日出願の米国特許出
願には、燃料流路とオキシダントガス流路が互い
に交叉状に伸びている単一コア構造体が示され、
それによつて、これらのガスとその反応生成物の
ためのコア全面のマニホルド作用が達成できる。
このコア構造体は、各燃料流路をアノード物質だ
けでとり巻き、カソード物質だけで各オキシダン
ト流をとり巻くようになつていて、各アノード物
質及び各カソード物質は、更に、電解質物質と相
互接続物質との間で、間隔をおいて位置する対向
側でサンドイツチ状に挾まれる。これらの複合ア
ノードおよびカソード壁構造体は更に、互いに互
い違いに積み重ねられ（別個の電解質物質又は相
互接続物質は、典型的なものでは、単一共通層で
ある）、それによつて燃料流路とオキシダント流
路が互いに交叉されるように配置される。

第１，２図は本発明の燃料電池１０を示し、そ
のコア１１が絶縁体１２の内部にあつて、その絶
縁体により包囲されている。コア１１は中心電極
部分１５と、或る間隔をおいて位置する端部マニ
ホルド部分１６，１７，１８，１９とを有する。
流路２０，２２は、マニホルド部分１６，１８と
の間をコア１１の中心電極部分１５を通つて伸長
し、流路２１，２３は、マニホルド部分１７と１
９との間をコアの中心電極部分を通つて伸長す
る。

特に、個々の流路２０，２２は互いに平行をな
し、流路２１，２３も互いに平行をなす。流路２
０，２２は流路２１，２３に対して交叉する。図
示の例においては、流路２０，２２と２１，２３
は、一般に間隔をおいて位置する平行な電解質壁
２４（第４図参照）と、電解質壁２４の隣接する
対の間を伸びる波形に折り畳まれた相互接続壁２
６，２７との間に形成される。流路２０（及び２
１）は各々その相互接続壁２６（及び２７）の上
方にあり、流路２２（及び２３）は各々その同じ
相互接続壁の下方に位置する。コアの流路配列に
おいて、流路２０，２２の各組合せは１つの階層
２８を形成し、流路２１，２３の各組合せは１つ
の階層２９を形成する。流路２０，２１，２２，
２３の各々は、ガスの流れに方向にみた時、ほぼ
放物線の形を有する。

図示の燃料電池においては、コアの中心電極部
分１５にある互い違いに配置された階層（流路２
０，２２については２８、および流路２１，２３
については２９）は、互いに上下に積み重ねら
れ、かつ互いに横方向に同一の広がりを有する。
しかしながら、入口マニホルド部分１６における
流路の流れ方向の各階層２８（及び２９）は中心
電極部分１５をこえて突出し、他方の階層２９
（及び２８）は中心コア部分の辺縁の位置で終わ
つている。かくして、マニホルド部分１６（及び
１７）での階層２８（及び２９）は、通常他方の
階層２９（及び２８）が占める距離だけ、互いに
間隔を置いて配置される。流路の開放端近くで、
かつそれぞれの階層を形成するで電解質壁２４の
隣接対の間に形成されたこれらの空間は、ガスを
流路へ分流する手段として働く。

マニホルド配置の構造に関していえば、相互接
続壁２６（及び２７）の上に位置する各階層の電
解質壁２４は、電極部分１５とマニホルド部分１
６（及び１７）との間の近くで終わつており、そ
の相互接続壁２６（及び２７）の下に位置する各
階層の電解質壁２４は、このマニホルド部分の幅
を横切つて約半分の位置まで、流路の方向の一直
線上に電極部分をこえて伸長する。その後、その
電解質壁２４は隣接する同一型の階層の上側まで
空間を横切り、そしてこの隣接階層の相互接続壁
に接触し、この隣接階層の一部となる。こによつ
て、流路２０と２２（２１と２３）に対して横断
方向へ伸長する２個の分離したマニホルド室３０
と３２（３１と３３）が形成される。電解質壁の
下に位置する部屋３３（及び３１）は、直後露出
した相互接続壁２６（及び２７）にある縦溝を介
して、その下の階層の上部流路２０（及び２１）
に開口する。一方、電解質壁の上にある部屋３２
（及び３３）は、直接露出した相互接続壁にある
縦溝を介してその上の階層の下部流路２２（及び
２３）に開口する。

側壁３８（及び３９）は、部屋３２（及び３
３）の開放側を閉鎖し、側壁４０（及び４１）は
部屋３０，３２（及び３１，３３）の開放端を閉
鎖する。独立したダクト４６，４７は、流路およ
びマニホルド室の近くの電解質壁を交叉する方向
へ伸長する。２本の独立したダクト４６，４７は
マニホルド室３２，３３とそれぞれ連絡し、１本
の垂直ダクト４９は両マニホルド室３０，３１と
連絡し、その各々の連絡は、ダクト４６，４７，
４９及び適切な側壁４０，４１にある適切な開口
（図示せず）を通して行なわれる。燃料とオキシ
ダントガスを燃料電池へ運ぶために、ダクト４
６，４７は流入管５０に接続し、ダクト４９は流
入管５２に接続する。

図示の燃料電池においては、１の階層の相互接
続壁２６（及び２７）の上側に位置する流路２０
（及び２１）の全部は燃料ガスを通すために使用
され、その階層の相互接続壁の下側に位置する流
路２２（及び２３）の全部はオキシダントガスを
通すためのものである。流路２０，２１はアノー
ド電極物質６０（第４図）だけで形成され、これ
が燃料を受入れるように作動する流路の露出壁を
形成し、一方、流路２２，２３はカソード電極物
質６２だけで形成され、これがオキシダントを受
入れるように作動する流路の露出壁を形成する。
アノード物質６０は、電解質物質６４の薄板即ち
薄層により、コア内の或る位置（電解質壁２４）
でカソード物質６２から分離され、電解質壁２４
すなわち“電池”を形成する。燃料とオキシダン
トが存在する時、これらの電極６０と６２との間
でこの電解質壁２４を横切つて電位が生じる。こ
の電位は、アノード流路２０，２１内の燃料とカ
ソード流路２２，２３内のオキシダントと電解質
６４を横切つて電気化学的に化合する時に生じ
る。電圧は、カソードとアノードの各電極組合せ
物（即ち電解質壁２４）に対しては小さく、一般
に1.0ボルト如何であり、これらの電極から外部
電流が引抜かれる時にはこの電圧は低下する。

コア内の他の位置（相互接続壁２６，２７）で
は、アノード物質６０とカソード物質６２とは、
不活性支持物質６６の薄層即ち薄板により分離さ
れ、相互接続物質から成る複数個の小さなプラグ
６８が支持物質を通つて伸長し、これはアノード
６０とカソード６２のカンドイツチ層を電気的に
接続する。相互接続物質の小さなプラグ６８は、
相互接続２６，２７の全体面積にわたつて均一な
マトリツクス状に配置される。これらの最後接続
壁２６，２７は、燃料とオキシダントガスを互い
に隔離し、又、１個の電池のアノード電極６０と
それに隣接する電池のカソード電極６２とを電気
的に接続させる働きをする。これによつて、隣接
電池との直列回路が作られ、それによつて、個々
の電池の小さな電圧が次第に蓄積する。

電解質壁２４のアノード６０とカソード６２と
は、その両側に閉じ込められた燃料とオキシダン
トガスとが電気化学的に化合できるのに必要に程
度に多孔性であり、一方、電解質６４と相互接続
壁２６，２７（不活性支持物質６６と相互接続プ
ラグ６８の両方）は不透過性であつて、燃料とオ
キシダントガスを互いに物理的に隔離する働きを
する。同様に、電解質６４は、その両側に配置さ
れたアノード６０とカソード６２との間のよう
に、電子的に非伝導性であるが、燃料とオキシダ
ントとが存在する時は、電解質はアノードとカソ
ードとの間にイオン伝導性をもたらす。更に、ア
ノード６０とカソード６２は両方とも導電性であ
る。他方、各相互接続壁はその両側にあるアノー
ド６０とカソード６２とを電子的に接続し、隣接
電池が互いに直接接続したようにみせかけ、同時
に酸素イオンの移動を遮断する。

かくして、図示の実施例においては、主パイプ
６２とダクト４９は、気体燃料をアノードとして
作用する流路２０，２１を通して流れるように、
マニホルド室３０，３１へ運び、主パイプ５０と
ダクト４６，４７は、オキシダントを、カソード
として作用する流路２２，２３を通つて流れるよ
うに、マニホルド室３２，３３へ運ぶ。流路２
０，２２から全ての未消費の即ち残りの燃料及び
反応生成物とオキシダントとは、マニホルド室１
８へ排出され、流路２１，２３からの全ての未消
費の即ち残りの燃料及び反応生成物とオキシダン
トは、マニホルド室１９へ排出される。これらの
生成物はダクト７０，７２により燃料電池から排
出される。

多くの恐らくは数百個をこえる直列接続のアノ
ード−カソード電池組合せ体がこのようにして提
供される。コア１１の最も外側の相互接続部（即
ち隣接電極）は導電体を介して燃料電池の外部端
子７４，７５に電気的に接続し、それらの端子に
蓄積電気出力を与える。第３図には、端子７４と
７５との間を接続する導電体７６，７７と、接触
端子８０の所の最上位電極と、接触子８１の所の
最下位電極とを概略的に示している。接触子８
０，８１は、接触子の酸化を最小限にすために、
還元雰囲気を与える燃料流路内に配置するのが好
ましい。更に、各接触子８０，８１は、多くの細
い針毛突起即ち接点を有するブラシ状の形とする
ことが好ましく（第４図参照）、これらの多数の
突起が最上位及び最下位燃料流路２０，２１の電
極６０と接触し、同時に、熱膨脹差が生じたとき
でも多数の突起と流路表面とが浮揚状態で接触で
きる。典型的なものでは、導電体が各接触子８０
（及び８１）を母線８２（及び８３）に接続し、
導電体７６（及び７７）がその母線を端子７４
（及び７５）に接続する。

本発明の燃料電池のコア１１の好ましい実施例
においては、各波形相互接続壁２６（及び２７）
は、通常平行な隔置された電解質壁２４の対の間
の間隔をおいて位置する通常平行な線状接触領域
８８（及び８９、第４図）に沿つて接続される。
これによつて、燃料とオキシダントガス用の通常
平行な流路２０，２１（及び２２，２３）の階層
２８（及び２９）を形成する。交互に並んだ階層
２８，２９は、互いに直角をなして配置された流
路をもつように配列される。隣接階層の相互接続
壁２６（及び２７）がそれらの間にある共通の電
解質壁２４の相対する両側にしつかりと機械的接
続がなされるのは、間隔をおいて位置する点状接
触領域９０（第３図）の個所だけであり、そこで
は前述のような線状接触領域が互いに交叉する。

又、支持物質６６は、アノード活物質６０、カ
ソード活物質６２、電解質物質６４及び相互接続
物質６８の重量だけを考えれば、コアの２〜98重
量パーセントを構成する。燃料とオキシダントの
流路を形成するアノード活物質、カソード活物
質、電解質物質の各層は非常に薄く、相互接続壁
の支持物質６６はこれと同一厚みか、或いはこの
20倍もの厚さにすることができる。これによつ
て、コアの膨脹特性が相互接続壁２６（及び２
７）と支持物質６６とにより調節されるように
し、それによつてこれら薄い物質層の剥離を最小
限にする。

又、線接触領域８８と８９とな気密状に融合さ
せる必要はなく、事実、物理的に間〓をもたせ即
ち分離させるか、或いはガス透過性にすることも
できる。各相互接続壁の交叉部分である点状接触
領域９０におけるように、電解質壁２４の４点固
定により、電解質壁は事実上それによつて両者間
に懸架されて、それ以外は制限されることはな
い。これは、相互接続壁がコアの熱膨張特性を調
節するという事実と共に、電解質壁２４における
熱による歪みを減少させる。これらのガス透過性
線状接触領域８８，８９を横切つてガスが移動す
ることができる。なぜなら、それは燃料またはオ
キシダントのような同種のガスを伴うだけであつ
て、燃料電池の操作に悪影響を与えるものではな
いからである。

１つの好ましい実施例では、本発明に従つて形
成された電池は多くの独立のコア流路を有し、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。電解質層は厚みが0.002〜0.01cmの範囲
にあり、0.002〜0.005cmの厚みが好ましい。アノ
ード及びカソード層は各々の厚みが0.002〜0.05
cmの範囲であつて、0.005〜0.02cmの厚みが好ま
しい。相互接続層は0.05〜0.25cmの範囲の厚みで
ある。各相互接続プラグほ直径が0.001〜0.1cmで
あり、マトリツクスの中心間隔は0.1〜1.0cmであ
る。隣接電解質壁２４間のスペースは0.02〜0.5
cmであり、相互接続壁と電解質壁との接触の隣り
合う線領域の間の間隔は同じ距離である。かよう
な一体的コア構造は、これらの壁の厚みをもつて
さえ、十分な構造上の一体性と十分な寸法の安定
性とを与えると考えられる。

それらの層をなすアノード６０、カソード６
２、電解質６４、相互接続物質６８及び支持物質
６６は、熱膨張差による分離問題を最小限にする
ように、各熱膨張係数をできるだけ近づけるよう
に調和をはかる。

典型的なカソード物質は亜マンガン酸ランタン
（LaMnO₃）であり、電解質はイツトリアで安定
化させたジルコニ（ZrO₂＋Y₂O₃）であり、アノ
ードはコバルトイツトリアで安定化させたジルコ
ニアサーメツト又は混合物（Co＋ZrO₂＋Y₂O₃）
である。相互接続物質は例えば亜クロム酸ランタ
ン（LaCrO₃）から成り、上記し亜マンガン酸ラ
ンタン（LaMnO₃）と亜クロム酸ランタン
（LaCrO₃）とは適当にドープ処理して導電性を得
るようにする。支持物質は、値段が手頃なカルシ
アで安定化させたジルコニア（CaO＋ZrO₂）か、
或いはもつと高価なイツトリアで安定化させたジ
ルコニアとすることができる。イツトリアで安定
化させたジルコニアは電解質層に対いて熱膨張係
数を厳密に調和させるために好ましい。

全ての活性コア物質（アノード、カソード、電
解質、相互接続物質）と、支持物質とはこのよう
に一体的に結合又は融着されて単一構造のコア１
１にする。しかしながら、コア１１は実際には、
いくつかの従来の方法を採用できる順次的様式
で、別個の材料から作られる。従つて、アノード
６０、カソード６２及び電解質６４の別個の層は
テープ成形され、柔らかでまた生の状態のときに
互いに積層し、電解質壁２４を形成する。同様
に、相互接続壁２６，２７は押出成形又はテープ
成形されたアノード層、カソード層及び支持層で
形成され、相互接続プラグは、適切な間隔をおい
てマトリツクス位置の所で支持層を通してプレス
され、これも又、生の柔らかい段階で互いに積層
される。次に、これらの別個の壁を付形し、そし
て適切な位置で、適切な方向に、互いに積層され
る。この点について、相互接続壁を付形する際に
フイラー材（図示せず）を使用することもでき、
相互接続壁をこのフイラー材の上と下に配置し襞
を作り、これを電解質壁の上において１つの階層
を形成することもできる。同様な構造の階層を複
数個形成して、それを互いに積み重ねる。最後
に、積み重ねたコア構造体を約1500〜1800℃の温
度で１〜２時間以上、場合によつては20〜40時間
近くまでオーブン等（図示せず）の中で焼結ある
いは熱硬化させ、それによつて、そのコア構造体
に自己支持性および寸法安定性を与える。また、
これによつて、フイラー材を焼失させ、あるいは
蒸発させて、形成しようとする各通路に空〓を残
すことができる。

図示のコア１１では、燃料及びオキシダントの
流路２０，２２（及び２１，２３）は各階層28
（及び２９）に平行な流れを生じるように配置さ
れ、また、交互になす階層２８，２９に対して
は、交叉流を生じるように配置される。これは、
電池の階層の積み重ね全体にわたつて位置の蓄積
をもたらしながら、流路の全長にわたる直接的か
つ有効な利用を可能にする。燃料とオキシダント
のガスは、必要な純度でしかも必要な流速でコア
へ流れ、残りの未消費の燃料と反応生成物とオキ
シダントは、典型的なものでは、出口マニホルド
１８，１９の中で、或いは特殊な燃焼器（図示せ
ず）の中で燃焼され、そこで、燃料の全ての利用
可能エネルギーが完全に利用され及び／又は燃焼
される。一般に、燃料又はオキシダントの入口と
出口との間（例えば、燃料の流入室３０，３１と
出口マニホルド１９，１８との間）の圧力差は極
めて低く、流路２０，２１内の、或いはそこを通
るガスの速度も同様に低速である。この燃料電池
は燃料とオキシダントが互いに単一方向から流れ
るようになつているけれども、本発明によつてガ
ス流の方向は重要な要素ではない。従つて、マニ
ホルド１６，１７で詳しく示されたような同様の
マニホルドをマニホルド１８，１９にも使用する
ことによつて、例えばオキシダント流を逆にし、
各階層での燃料とオキシダントの流れが向流とな
つて、各階層間では交叉流となるようにすること
もできる。

上記した燃料電池構造体では、入口端部のみ
が、平行な流路２０，２２（及び２１，２３）に
対してそれぞれ別個のマニホルドを有するように
示されているけれども、流路の出口端部に対して
別個のマニホルドを形成することもできる。かく
して、この燃料電池は、上記を燃料流路の一端へ
入流させ、空気をオキシダント流路の対応端へ流
入させ、かつ外部端部を介してこの装置への電位
を印加することによつて、電気分解セルとして作
動させることもできる。この電気分解により、燃
料流路の出口端に水素ガスと蒸気をもたらし、オ
キシダント流露の出口端に酸素富化空気をもたら
すようにできる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の好ましい実施例に従つて形成
された燃料電池の斜視図であつて、図面を明瞭に
するために一部切除して示されている。第２図は
第１図の２−２線に沿つて見た拡大断面図であつ
て、本発明の構造の詳細を示す。第３図は第１図
に類似した斜視図であつて第１図を幾分拡大した
ものであり、燃料電池のコア構造体の部分だけを
示す。第４図は第３図の４−４線からみた時の拡
大断面図である。第５図は第４図の５−５線に沿
つてみた時の部分正面図である。 １０……燃料電池、１１……コア、１２……絶
縁体、１５……中心電極部分、１６，１７，１
８，１９……マニホルド部分、２０，２１，２
２，２３……流路、２４……電解質壁、２６，２
７……相互接続壁、２８，２９……階層、３０，
３１，３２，３３……マニホルド室、３８，３
９，４０，４１……側壁、４６，４７，４９……
ダクト、５０，５２……入流管、６０……アノー
ド物質、６２……カソード物質、６４……電解
質、６６……支持物質、６８……プラグ、８８，
８９……線状接触領域、９０……点状接触領域。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 複数の流路を形成するように配列された複数
   の電解質壁と相互接続壁とを有するコアを備えた
   燃料電池であつて；前記各電解質壁は電解質物質
   を挾み込んでいるカソード物質とアノード物質と
   を有し；前記各相互接続壁は不活性支持物質と該
   支持物質を通つて伸びる相互接続物質からなる多
   数の隔置された小プラグとを挾み込んでいるカソ
   ード物質とアノード物質とを有し、該カソード物
   質とアノード物質とは該プラグによつて電気的に
   接続されており；前記の壁は、アノード物質のみ
   が燃料用流路の１つのセツトを形成し、カソード
   物質のみがオキシダント用流路のもう１つのセツ
   トを形成するように配列されており；前記各相互
   接続壁は、ほぼ平行な電解質壁の隣接する対の間
   に波形に伸びかつ隔置されたほぼ平行な線状接触
   領域に沿つて互いに近接しており、燃料およびオ
   キシダントガス用のほぼ平行な交互に隣接した複
   数流路からなる１つの階層を形成し；複数の前記
   階層はそれらの流路を互いに交叉させるように互
   い違いに配列され；これによつて、隣接する階層
   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互いに交叉する
   部分の隔置された点状接触領域のみで接続するよ
   うにしたことを特徴とする燃料電池。