JPH0594830A - 縦縞円筒型固体電解質燃料電池 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 縦縞円筒型固体電解質燃料電池の単位面積当
たりおよび単位体積当たりの出力密度の向上と、熱応力
が生じる電池破壊の防止並びに電池の品質管理や製造方
法の容易化を可能とする。 【構成】 既に確立した従来の製作技術をそのまま利用
して製作可能な大きさの一端閉じた単電池２と両端開口
の円筒軽の少なくとも１本以上の単電池３ａ，３ｂ，
…，３ｎとを接続して１本の単電池アッセンブリー１を
構成するようにしている。そして、この単電池アッセン
ブリー１を構成する各単電池２，３ａ，３ｂ，…，３ｎ
は、好ましくは各々電池面積を異にし、燃焼ガスの供給
口２７から離れる単電池ほど電池面積が大きく形成され
ている。更に単電池アッセンブリー１の内外に設置され
る酸化剤ガス供給管６と燃料ガス供給管５とには、対応
する各単電池２，３ａ，３ｂ，…，３ｎの長さに応じて
各供給管５，６にガス供給穴５ａ，６ａを複数設け、酸
化剤ガス及び燃料ガスを単電池アッセンブリー１の長手
方向に分配して供給するようにしている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、固体電解質燃料電池に
関する。更に詳述すると、本発明は、円筒状の多孔質支
持管の外側に空気極を設置し、更にその上に固体電解
質、インターコネクタ、燃料極を積層し、多孔質支持管
の内側に酸化剤ガスを流すと共に燃料極の周囲に燃料ガ
スを流して発電する縦縞円筒型固体電解質燃料電池に関
する。

【０００２】

【従来の技術】固体電解質燃料電池は電池自身の発電効
率が高い上に、大規模発電プラントとしてボトミングサ
イクルと組合せると、従来の発電プラント以上の高効率
発電システムの構築ができるものと期待でき、その実用
化が急がれている。また、大気汚染ガスの発生が少ない
ことやシステムの小型化が予想されるため、電力消費地
に隣接して長距離の送電によるエネルギーロスを回避で
きる分散電源として活用することもできる。更にこの固
体電解質燃料電池が優れているのは、電力消費地と隣接
しているため、燃料電池から得られる熱を冷暖房に有効
に利用でき、よりエネルギー効率をより高めることがで
きることである。

【０００３】ところで、縦縞円筒型固体電解質燃料電池
の場合、例えば図６及び図７に斜視図で示すような構成
の円筒型燃料電池モジュールが従来より提案されてい
る。この単電池１０１は、図５に示すように、円筒状の
多孔質支持管１１の上に多孔性空気極１２、ち密な固体
電解質１３、多孔性燃料極１５およびち密なインターコ
ネクタ１４の各電池構成材料がこの順番で積層されてい
る。多孔質支持管１１は、図６及び図７に示すように、
先端が閉じられると共に後端が開口された円筒状を成し
後端から酸化剤ガス供給管１０７が挿入され、閉塞され
た多孔性支持管の先端付近まで酸化剤ガス例えば空気な
どが供給されている。また、単電池１０１，１０１，
…，１０１の周囲には、燃料ガス例えば水素などが単電
池１０１の閉塞端付近の燃料ガス供給口１０５から供給
され、単電池１０１に沿って流される。各ガスの未反応
分は単電池１０１の上部に設けられた空間１０６におい
て燃焼し、酸化剤ガスの予熱に使われる。このような構
造をもつ燃料電池では燃料ガスと酸化剤ガスの混合を防
ぐためのガスシールを考える必要はない。

【０００４】更に、この電池１０１は、図７に示すよう
に数本ずつを束にして直列及び並列に電気的に接続さ
れ、スタック（集合電池）として構築される。この際の
各単電池１０１，１０１，…，１０１の接続にはニッケ
ルフェルト１０４，１０４，…，１０４が用いられ、発
生した電気はこれらのニッケルフェルト１０４，…，１
０４を介して、容器の上下に設けられたプラス（＋）側
集電板１０２、マイナス（−）側集電板１０３より外部
に取出される。

【０００５】この縦縞円筒型固体電解質燃料電池は固体
の電池構成材料のみで構成されており、空気極と燃料極
は主にスラリーディッピング法で、また電解質とインタ
ーコネクタは電気化学蒸着法で作製されている。また、
図６及び図７によって明らかなように多孔質支持管１１
上に電池を構成した円筒構造を取っているために機械的
強度が大きく、電解質膜が２０〜５０μｍの厚さでも熱
衝撃等で破壊されることがなく単位面積当たりの電流密
度を大きくでき、出力の向上が可能であるという利点が
ある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、縦縞円
筒型固体電解質燃料電池にも弱点がある。すなわち、第
一には作製上の問題である。まず、スラリーディッピン
グ法では空気極材料や燃料極材料のスラリー（泥状にし
たセラミックス）に多孔質支持管１１を浸漬するが、そ
の後の支持管のスラリーからの引き上げ時および乾燥時
に泥しょう状のセラミックスが下の方に垂れてしまうの
で均一な膜厚の成膜が難しい。また、高温で金属塩化物
を用いる電気化学蒸着法による電解質やインターコネク
タの作製では装置の耐蝕性も問題となるが、特に、成膜
される部分の面積が大きいと膜厚の制御が極めて難しく
なるなどによって、現在の作製技術では５０ｃｍ程度の
長さのものしか作製することができない。これは、従来
の成膜法では原料が供給される付近で反応が起こりやす
く、供給口から遠ざかったところでは原料ガスの濃度が
希薄になり反応が起こり難いためであり、この原料ガス
の濃度差に応じて膜厚にも差が生じてくる。以上の二点
から一本の電池の長さを実用レベルである１〜２ｍの長
さにするのは困難であり、固体電解質燃料電池の実用化
にとって大きな障壁になっているのが現状である。

【０００７】また、円筒型固体電解質燃料電池の長さを
仮に長くできたとしても、従来の酸化剤ガス・燃料ガス
の供給方法では供給されたガスが電池の端部に流れてい
くに従って、ガスの濃度が希薄になり、大容量電池では
電池面上の長さ方向で取り出せる電流値に差が生じるこ
とにより、電極の過電圧（材料の電池抵抗以外の電圧降
下）が大きくなり、エネルギーの有効利用、電極面積の
有効利用が図れなくなってしまう。即ち、単位体積当た
りの出力密度をあげるために単電池の長さをいくら長く
しても有効に利用できない。したがって、縦縞円筒型固
体電解質燃料電池の開発は世界的にみても二例しかな
く、上述の利点を持ちながらも未だに実用化が図れてい
ないのが現状である。

【０００８】本発明は、作製上の問題点を解消しかつ性
能面で従来のものよりも優れた縦縞円筒型固体電解質燃
料電池を提供し、電力供給源としての早期実用化を促進
することを目的とする。更に、具体的には、本発明は、
単位面積当たり（ｋＷ／ｍ² ）および単位体積当たり
（ｋＷ／ｍ³ ）の出力密度の向上と、熱応力が生じた際
の電池破壊の防止並びに電池の品質管理や製造方法の容
易化を可能とする縦縞円筒型固体電解質燃料電池を提供
することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】かかる目的を達成するた
め、本発明の縦縞円筒型固体電解質燃料電池は、一端が
閉じられ他端が開口された円筒状の多孔質支持管の外側
に燃料極等を積層した単電池と、両端が開口された円筒
状の多孔質支持管の外側に燃料極等を積層した少なくと
も１本以上の単電池とを縦方向に接続して１本の単電池
アッセンブリーを構成し、該単電池アッセンブリーの内
側に挿入される酸化剤ガス供給管によって前記単電池の
閉塞された端部付近から開口端部へ向けて酸化剤ガスを
流す一方、前記単電池の閉塞された端部側から単電池の
周囲に単電池に沿って燃料ガスを流すようにしている。

【００１０】更に、本発明の縦縞円筒型固体電解質燃料
電池において、単電池アッセンブリーを構成する各単電
池は、各々電池面積を異にし、燃料ガスの供給口から離
れる単電池ほど電池面積が大きくなるようにしている。

【００１１】また、本発明の縦縞円筒型固体電解質燃料
電池は、単電池アッセンブリーの内側に酸化剤ガス供給
管を設置すると共に外側にも燃料ガス供給管を設置し、
対応する各単電池の長さに応じて各供給管管にガス供給
口を複数設け、酸化剤ガス及び燃料ガスを単電池アッセ
ンブリーの長手方向に分配して供給するようにしてい
る。

【００１２】

【作用】したがって、現状の作製技術で問題なく作製し
得る長さの単電池を製作し、これを縦方向に接続するこ
とによって実用レベルの長さの単電池アッセンブリーを
得ることができる。しかも、この燃料電池の場合、燃料
ガス及び酸化剤ガスが希薄化する下流側の即ち燃料ガス
の供給口から離れる単電池ほど電流密度が小さくなる
が、発電面積が大きくなるため、出力電流はほぼ均一化
され、電池の過電圧によるエネルギー損失を低減する。

【００１３】また、酸化剤ガス及び燃料ガスの供給を単
電池アッセンブリーの長さ方向に分けて行なう場合、稀
薄な酸素及び燃料ガスの拡散抵抗増加による電極の過電
圧損失を少なくし、エネルギーを有効に使うと共に単電
池アッセンブリー一本当たり（特に、下流側（供給ガス
濃度が低い部分））の発電性能を向上させる。

【００１４】

【実施例】以下、本発明の構成を図面に示す実施例に基
づいて詳細に説明する。

【００１５】図１〜図５に本発明の一実施例を示す。こ
の燃料電池の作製上の問題点は前述したように約５０ｃ
ｍ以下の比較的短いものであれば現状の技術で作製でき
るが、それよりも長いものの製作には困難をきたしてい
る点である。そこで、本発明では現状の技術を生かしつ
つ、これらの単電池を長さ方向に接続することで１本当
りの電池の長さを長くしたり短くしたりできるようにし
ている。即ち、図１に示すように、一番下の部分に位置
する単電池２には一方の端部は閉じられているが他方の
端部は開口された円筒型単電池を用い、それよりも上の
単電池３ａ，…，３ｎには両端が開口された同じ直径の
円筒型単電池を１本以上接続することによって１本の単
電池アッセンブリー１を構成している。各単電池２，３
ａ，…，３ｎの接続面は平面出し加工を施しておき、接
続の際にはインターコネクタ１４，１４の方向を同一方
向とする。電気的な接続はこれまでと同様にニッケルフ
ェルトを用いることによって行う。さらに、燃料供給口
２７寄り（供給ガス濃度が高い部分）の円筒電池２を短
く、燃料供給口２７より離れた部位（供給ガス濃度が低
い部分）の円筒電池３ａ，…，３ｎを長く調整すること
で発電面積を調整することにより、供給ガスが稀薄にな
ることによって生ずる電極部分の過電圧をより小さくす
ることができる。

【００１６】この単電池において、１３はその固体電解
質部分であって、例えばイットリア安定化ジルコニアや
イットリア部分安定化ジルコニアなどを電気化学蒸着法
を用いて作られる。１２は空気極であって、例えばスト
ロンチウムまたはカルシウム等を添加したランタンマン
ガナイトやランタンコバルタイト等によりスラリーディ
ッピング法を用いて作られる。１５は燃料極であって、
例えばニッケルジルコニアサーメットによって作られ
る。更に、１４はインターコネクタであって、例えばマ
グネシウムやストロンチウム等を添加したランタンクロ
マイト等で作られている。これらの電池構成物質は、例
えばカルシウムで安定化したジルコニアで作製した多孔
性を有する支持管１１上に図５に示すように積層されて
いる。

【００１７】また、これらの単電池２，３ａ，３ｂ，
…，３ｎの内部には各単電池の長さ（電池面積）に応じ
て必要な数のガス供給口６ａを開けた酸化剤ガス供給管
６が挿入される。ただし、このガス供給管６は、例えば
アルミナのような耐熱性に優れたセラミックス製のもの
であることが望まれる。また、単電池アッセンブリー１
の周囲には、各単電池２，３ａ，３ｂ，…，３ｎの長さ
（電池面積）に応じて必要な数の燃料ガス供給口５ａを
開けた燃料ガス供給管５が４本の単電池アッセンブリー
１の隙間に酸化剤ガス供給管６とは逆方向に挿入されて
いる。また、単電池２と単電池３ａとの間、また他の単
電池３ａ，３ｂ，…，３ｎ同士の間にはそれらを接続す
るための接続部品４が装着されている。この接続部品４
は例えば図４に示すように、短い円筒状を成し、その両
端面に単電池２あるいは３ａ，３ｂ，…，３ｎを嵌め込
むための溝１６が形成してあり、この溝１６に単電池２
あるいは３ａ，３ｂ，…，３ｎが嵌め込まれるように設
けられている。この接続部品４は空気極１２と燃料極１
５とが短絡しないように、電気絶縁性材料で構成されて
いる。

【００１８】上述のように構成された単電池アッセンブ
リー１は所定本数が集められてスタックを構成し、それ
が燃料電池ケーシング１０内に収容されて酸化剤ガス供
給管６や燃料ガス供給管５を配置してモジュールを構成
している。そして、ニッケルフェルト１７によって隣な
る単電池アッセンブリー１同士が互いに電気的に接続さ
れ空気極集電板１８や燃料極集電板１９を介して電気が
出力される。ここで、燃料電池ケーシング１０は、床板
７と仕切り板８及び天井壁板９によって、燃料ガス導入
室２０と、反応室２１と酸化剤ガス加熱室２２及び酸化
剤ガス供給室２３との４室に区画されている。床板７に
は燃料ガス供給用の穴２７が開けられており、更にそれ
らの縁に、燃料ガス供給管５を嵌め込むための突起２８
が設けられている。仕切り板８には、単電池アッセンブ
リー１の多孔性支持管１１の端部を貫通させると共に反
応室２１内で消費されなかった未反応ガス（燃料ガス）
を酸化剤ガス加熱室２２内に導入するための連通孔２９
が設けられている。更に、天井壁板９には酸化剤ガス供
給管６を貫通させるための孔３０が設けられ、酸化剤ガ
ス供給室２３内の酸化剤ガスを酸化剤ガス供給管６を介
して各単電池アッセンブリー１内に供給するように設け
られている。

【００１９】以上のように構成された燃料電池は次のよ
うに組立てられる。まず、床板７の突起２８部分に燃料
ガス供給管５を嵌め込み、側壁や各集電板１８，１９な
どを組立てて蓋のない箱状態のケーシングを作る。続い
て一端が閉塞された単電池２を所定の位置に置いた後に
ニッケルフェルト１７を各単電池２，２，…，２間に詰
め込む。その後、電池接続部品４，４，…，４を各単電
池２，…，２に取付ける。このとき、各電池接続部品
４，…，４の溝１６の部分にはシール材（図示省略）を
充填し、酸化剤ガスあるいは燃料ガスが電池接続部品４
と単電池２との間の隙間を透過しないように設けられて
いる。更に両端開口の単電池３ａ，３ａ，…，３ａを上
から電池接続部品４の溝１６内に挿入し、かつニッケル
フェルト１７を各単電池３ａ，３ａ，…，３ａ間に詰め
込む。必要であればこの組立を繰返して単電池アッセン
ブリー１の一本当たりの長さを長くすればよい。最後
に、仕切り板８、天井壁板９をセットしてから酸化剤ガ
ス供給管６を単電池アッセンブリー１内に挿入し燃料電
池ケーシング１０を構成する。

【００２０】この燃料電池において、下部の燃料ガス導
入室２０に送られてきた燃料ガス、例えばある程度加熱
された水素は床板７上に突出した燃料ガス供給管５を通
って各単電池アッセンブリー１の周囲に送り込まれる。
また一方、酸化剤ガス、例えば空気は一番上部の酸化剤
ガス供給室２３に入りここで酸化剤ガス加熱室２２から
の熱を受けて加熱された後に酸化剤ガス供給管６を通っ
て各単電池アッセンブリー１内に送り込まれる。これら
の供給された燃料ガス及び酸化剤ガスによって発電が行
われる。尚、酸化剤ガス（空気）の加熱は、反応室２１
から連通孔２９を通って酸化剤ガス加熱室２２に流入し
た燃料ガス及び酸化剤ガスの未利用分が燃焼するときに
発生する熱によって行なわれる。

【００２１】尚、上述の実施例は本発明の好適な実施の
一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の
要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能であ
る。例えば、本実施例では縦に組み上げられた各単電池
をそれぞれ横に並列接続した場合について主に説明した
が特にこれに限定されるものではなく、各単電池や縦方
向に電気的に接続（直列接続）することも可能であり、
この場合は大電流を取り出すことができる。即ち、電池
接続部品４，４，…，４で絶縁されてしまう各単電池
２，３ａ，３ｂ，…，３ｎをニッケルフェルトによって
接続し、単電池アッセンサリー１を電気的に単一の電池
とする。また、本実施例では酸化剤ガスと燃料ガスの供
給を多数のガス供給口５ａ，６ａを有する管５，６を利
用して数箇所から分配しているが特にこれに限定される
ものではなく、燃料ガス供給口２７から離れるに従って
単電池の電池面積を増大させている場合には、１箇所か
ら供給することも可能である。この場合、燃料ガス供給
口２７から離れる単電池ほど電流密度が小さくなるが発
電面積増大によって出力電流そのものは低下しないの
で、過電圧となることがない。更に、酸化剤ガス供給管
６と燃料ガス供給管５のガス供給口６ａ，５ａを各ガス
濃度が薄くなる上側ほど多くしてガス濃度を均一化する
場合には、単電池アッセンブリー１を構成する各単電池
の長さは同じにしてもよい。

【００２２】

【発明の効果】以上の説明より明らかなように、本発明
は、一端閉じた単電池に両端開口の単電池を１本以上接
続して１本の単電池アッセンブリーを構成するようにし
ているので、従来の製作技術をそのまま利用しつつ電池
の大容量を可能にする。即ち、従来の製造技術を用い
て大容量燃料電池の作製が可能となり、新たに製造に関
する開発を行なわなくてもよい。設定する条件、つま
り場所や必要となる容量、敷地面積などによって必要な
長さを設定でき、小さいものから大きなものまで大きさ
に関する自由度が広がる。５０ｃｍ程度のものを製造
するという従来技術の導入によって品質管理やその他製
造、運搬等が容易である。更に、ニッケルフェルトに
よる接続を変えれば、長さ方向には一本の電池であって
も電気的には複数の電池として組合わせることも可能と
なり、高い電圧を得ることができる。単電池を前記
の様に分割すれば、分割された電池を直列に接続したそ
れぞれの部分の電流値が一定である必要性が生じてくる
ため、予想される供給ガスの濃度にあわせて最適面積が
設定することもできるために、上側（供給ガス濃度が低
い部分）の円筒型電池の分極によるエネルギーロスも最
小限に抑えることができる。以上のことから、コスト面
での利点が大きく実用化の促進を図り得ることが期待で
きる点にある。

【００２３】更に、本発明において、ガス供給管にも電
池の長さを考慮した改良を加えた場合、電池の発電性能
を向上させることが可能になるなど従来の問題点を解決
した縦縞円筒型固体電解質燃料電池が提供可能となり、
電力供給源としての性能向上への寄与並びに普及の促進
を加速するものとして期待できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の縦縞円筒型固体電解質燃料電池の一例
を説明する縦断面図である。

【図２】本発明の燃料電池の構造を説明する図で、
（Ａ）は単電池アッセンブリーの斜視図、（Ｂ）は燃料
電池モジュールを部分断面して示す斜視図である。

【図３】本発明の燃料電池の分解斜視図である。

【図４】単電池接続用部品の説明図で、（Ａ）は縦断面
図、（Ｂ）は平面図である。

【図５】縦縞円筒型固体電解質燃料電池の単電池の構造
を示す斜視図である。

【図６】従来の縦縞円筒型固体電解質燃料電池の単電池
を示す斜視図である。

【図７】従来の燃料電池のスタックを説明する図で、
（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は横断面図である。

【符号の説明】

１ 単電池アッセンブリー ２ 閉塞単電池 ３ 両端開口単電池 ４ 接続部品 ５ 燃料ガス供給管 ５ａ 燃料ガス供給口 ６ 酸化剤ガス供給管 ６ａ 酸化剤ガス供給口

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 一端が閉じられ他端が開口された円筒状
   の多孔質支持管の外側に燃料極等を積層した単電池と、
   両端が開口された円筒状の多孔質支持管の外側に燃料極
   等を積層した少なくとも１本以上の単電池とを縦方向に
   接続して１本の単電池アッセンブリーを構成し、該単電
   池アッセンブリーの内側に挿入される酸化剤ガス供給管
   によって前記単電池の閉塞された端部近傍から開口端部
   へ向けて酸化剤ガスを流す一方、前記単電池の閉塞され
   た端部側から単電池の周囲に単電池に沿って燃料ガスを
   流すことを特徴とする縦縞円筒型固体電解質燃料電池。
2. 【請求項２】 前記単電池アッセンブリーを構成する各
   単電池は各々電池面積を異にし、燃料ガスの供給口から
   離れる単電池ほど電池面積が大きく形成されていること
   を特徴とする請求項１記載の縦縞円筒型固体電解質燃料
   電池。
3. 【請求項３】 前記単電池アッセンブリーの内方に酸化
   剤ガス供給管を設置すると共に外方に燃料ガス供給管を
   設置し、対応する各単電池の長さに応じて各供給管にガ
   ス供給口を複数設け、酸化剤ガス及び燃料ガスを単電池
   アッセンブリーの長手方向に分配して供給することを特
   徴とする請求項１または２記載の縦縞円筒型固体電解質
   燃料電池。