JPH10125346A - 円筒型固体酸化物燃料電池 - Google Patents
円筒型固体酸化物燃料電池Info
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- JPH10125346A JPH10125346A JP8278491A JP27849196A JPH10125346A JP H10125346 A JPH10125346 A JP H10125346A JP 8278491 A JP8278491 A JP 8278491A JP 27849196 A JP27849196 A JP 27849196A JP H10125346 A JPH10125346 A JP H10125346A
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- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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- Y02E60/50—Fuel cells
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- Fuel Cell (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】大きな熱サイクルを受けても単電池の電解質層
や電極層が剥離する恐れがなく、安定して運転できるも
のとする。 【解決手段】一端を封じた Ni-Crよりなる耐熱金属円筒
１２の外周面に、Ni-ZrO2 よりなる燃料電極層１３、Zr
O2よりなる固体電解質層１４、LaMnO3よりなる酸化剤電
極層１５を順次円筒状に積層して単電池１１を形成し、
複数の単電池１１を、２枚の導電性薄板の間に非導電性
シートを挟んで形成したセパレータと交互に積み重ねて
スタックを構成し、単電池１１の円筒の内部に燃料ガス
を、また、単電池１１の外周部に酸化剤ガスを通流して
用いる。
や電極層が剥離する恐れがなく、安定して運転できるも
のとする。 【解決手段】一端を封じた Ni-Crよりなる耐熱金属円筒
１２の外周面に、Ni-ZrO2 よりなる燃料電極層１３、Zr
O2よりなる固体電解質層１４、LaMnO3よりなる酸化剤電
極層１５を順次円筒状に積層して単電池１１を形成し、
複数の単電池１１を、２枚の導電性薄板の間に非導電性
シートを挟んで形成したセパレータと交互に積み重ねて
スタックを構成し、単電池１１の円筒の内部に燃料ガス
を、また、単電池１１の外周部に酸化剤ガスを通流して
用いる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、円筒型固体酸化
物燃料電池のスタック構造に関する。
物燃料電池のスタック構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】図７は、従来より用いられている円筒型
固体酸化物燃料電池のうちで最も技術的に進んでいると
評価されている自立膜型円筒縦縞構造の固体酸化物燃料
電池の単電池の構造を示す斜視図である。この単電池６
１の特徴は、酸化剤電極を兼ねる多孔質の円筒よりなる
カソードチューブ６２の外表面に、電解質層６３および
燃料電極層６４を順次円弧状に形成し、その円弧の切れ
た部分に、カソードチューブ６２の外表面に接し円筒の
長手方向に延伸するインタコネクタ層６５を形成してい
る点にあり、円筒の内部に酸化剤ガスを、また円筒の外
周部に燃料ガスを通流させ、電気化学反応によって、カ
ソードチューブ６２と燃料電極層６４との間、したがっ
てインタコネクタ層６５と燃料電極層６４との間に発生
電圧を得るよう構成している。
固体酸化物燃料電池のうちで最も技術的に進んでいると
評価されている自立膜型円筒縦縞構造の固体酸化物燃料
電池の単電池の構造を示す斜視図である。この単電池６
１の特徴は、酸化剤電極を兼ねる多孔質の円筒よりなる
カソードチューブ６２の外表面に、電解質層６３および
燃料電極層６４を順次円弧状に形成し、その円弧の切れ
た部分に、カソードチューブ６２の外表面に接し円筒の
長手方向に延伸するインタコネクタ層６５を形成してい
る点にあり、円筒の内部に酸化剤ガスを、また円筒の外
周部に燃料ガスを通流させ、電気化学反応によって、カ
ソードチューブ６２と燃料電極層６４との間、したがっ
てインタコネクタ層６５と燃料電極層６４との間に発生
電圧を得るよう構成している。
【０００３】図８は、図７の構成の単電池を組み合わせ
て構成されるスタックの横断面図である。図に見られる
ように、本スタックでは、単電池６１をニッケルフェル
トによって相互に連結することにより並列および直列に
導電接続してブロック６７を構成し、さらにこれらのブ
ロック６７を集合して、所定の電圧、電流が得られるよ
う構成している。すなわち、各ブロック６７において
は、図中の横方向に並ぶ単電池６１を、それぞれの最外
周の燃料電極層６４をニッケルフェルト６６によって相
互に連結することにより並列に導電接続し、また、上下
方向に並ぶ単電池６１を、下段の単電池６１のインタコ
ネクタ層６５と上段の単電池６１の燃料電極層６４をニ
ッケルフェルト６８によって相互に連結することにより
直列に導電接続している。
て構成されるスタックの横断面図である。図に見られる
ように、本スタックでは、単電池６１をニッケルフェル
トによって相互に連結することにより並列および直列に
導電接続してブロック６７を構成し、さらにこれらのブ
ロック６７を集合して、所定の電圧、電流が得られるよ
う構成している。すなわち、各ブロック６７において
は、図中の横方向に並ぶ単電池６１を、それぞれの最外
周の燃料電極層６４をニッケルフェルト６６によって相
互に連結することにより並列に導電接続し、また、上下
方向に並ぶ単電池６１を、下段の単電池６１のインタコ
ネクタ層６５と上段の単電池６１の燃料電極層６４をニ
ッケルフェルト６８によって相互に連結することにより
直列に導電接続している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】上記の自立膜型円筒縦
縞構造の燃料電池は、上述のように現段階で最も技術的
に進んだ円筒型固体酸化物燃料電池と評価されている。
しかしながら、この構造の燃料電池においても、急激な
熱サイクルが加わったり過負荷が加わると、円筒状のカ
ソードチューブ６２の外表面に円弧状に形成した電解質
層６３、燃料電極層６４、インタコネクタ層６５が剥離
するという問題があった。剥離を生じる原因は、カソー
ドチューブ６２を形成する材料の熱膨張係数と、電解質
層６３、燃料電極層６４、インタコネクタ層６５を形成
する材料との熱膨張係数が若干異なることにあり、熱サ
イクルが加わると、熱膨張係数の差によって内部応力が
発生し、円弧状に形成された各層の長手方向の端部から
めくれるように剥離する。また過負荷時において分極に
より急激な熱発生が起こると、熱膨張係数の違いから同
様な剥離を生じる。
縞構造の燃料電池は、上述のように現段階で最も技術的
に進んだ円筒型固体酸化物燃料電池と評価されている。
しかしながら、この構造の燃料電池においても、急激な
熱サイクルが加わったり過負荷が加わると、円筒状のカ
ソードチューブ６２の外表面に円弧状に形成した電解質
層６３、燃料電極層６４、インタコネクタ層６５が剥離
するという問題があった。剥離を生じる原因は、カソー
ドチューブ６２を形成する材料の熱膨張係数と、電解質
層６３、燃料電極層６４、インタコネクタ層６５を形成
する材料との熱膨張係数が若干異なることにあり、熱サ
イクルが加わると、熱膨張係数の差によって内部応力が
発生し、円弧状に形成された各層の長手方向の端部から
めくれるように剥離する。また過負荷時において分極に
より急激な熱発生が起こると、熱膨張係数の違いから同
様な剥離を生じる。
【０００５】本発明の目的は、このように大きな熱サイ
クルが生じる場合でも、また過負荷となって急激な熱発
生を起こす場合でも、単電池の電解質層や電極層に剥離
が生じる恐れがなく、安定して運転できる円筒型固体酸
化物燃料電池を提供することにある。
クルが生じる場合でも、また過負荷となって急激な熱発
生を起こす場合でも、単電池の電解質層や電極層に剥離
が生じる恐れがなく、安定して運転できる円筒型固体酸
化物燃料電池を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明においては、 （１）一端が封じられた、例えば耐熱性金属材料よりな
る導電性多孔質円筒の外周面に、例えば Ni-ZrO2サーメ
ットよりなる燃料電極層、例えば ZrO2 よりなる固体電
解質層、例えば LaMnO3 よりなる酸化剤電極層を順次円
筒状に積層して形成される単電池と、例えば端部に耐熱
金属棒を溶接した波形形状の耐熱金属板よりなる二枚の
導電性薄板の間に、例えば耐熱ガラス繊維フェルトより
なる非導電性シートを挟んで形成されるセパレータを、
並置した複数本の単電池とセパレータとを交互に積み重
ねて配設して円筒型固体酸化物燃料電池のスタックを構
成し、単電池の導電性多孔質円筒の内部に水素を含む燃
料ガスを、また単電池の外周部に酸素を含む酸化剤ガス
を通流して用いることとする。
めに、本発明においては、 （１）一端が封じられた、例えば耐熱性金属材料よりな
る導電性多孔質円筒の外周面に、例えば Ni-ZrO2サーメ
ットよりなる燃料電極層、例えば ZrO2 よりなる固体電
解質層、例えば LaMnO3 よりなる酸化剤電極層を順次円
筒状に積層して形成される単電池と、例えば端部に耐熱
金属棒を溶接した波形形状の耐熱金属板よりなる二枚の
導電性薄板の間に、例えば耐熱ガラス繊維フェルトより
なる非導電性シートを挟んで形成されるセパレータを、
並置した複数本の単電池とセパレータとを交互に積み重
ねて配設して円筒型固体酸化物燃料電池のスタックを構
成し、単電池の導電性多孔質円筒の内部に水素を含む燃
料ガスを、また単電池の外周部に酸素を含む酸化剤ガス
を通流して用いることとする。
【０００７】（２）また、一端が封じられた導電性多孔
質材料、例えば LaMnO3 よりなる酸化剤電極円筒の封じ
られた底部と底部近傍の外周面の全面に、導電接続用
の、例えば LaCrO3 よりなるインターコネクタ層を形成
し、かつ、インターコネクタ層に隣接する酸化剤電極円
筒の外周面上に、例えば ZrO2 よりなる固体電解質層
と、例えば Ni-ZrO2サーメットよりなる燃料電極層を順
次円筒状に積層して形成される単電池と、例えば端部に
耐熱金属棒を溶接した波形形状の耐熱金属板よりなる二
枚の導電性薄板の間に、例えば耐熱ガラス繊維フェルト
よりなる非導電性シートを挟んで形成されるセパレータ
を、並置した複数本の単電池とセパレータとを交互に積
み重ねて配設して円筒型固体酸化物燃料電池のスタック
を構成し、単電池の導電性多孔質円筒の内部に酸化剤ガ
スを、また単電池の外周部に燃料ガスを通流して用いる
こととする。
質材料、例えば LaMnO3 よりなる酸化剤電極円筒の封じ
られた底部と底部近傍の外周面の全面に、導電接続用
の、例えば LaCrO3 よりなるインターコネクタ層を形成
し、かつ、インターコネクタ層に隣接する酸化剤電極円
筒の外周面上に、例えば ZrO2 よりなる固体電解質層
と、例えば Ni-ZrO2サーメットよりなる燃料電極層を順
次円筒状に積層して形成される単電池と、例えば端部に
耐熱金属棒を溶接した波形形状の耐熱金属板よりなる二
枚の導電性薄板の間に、例えば耐熱ガラス繊維フェルト
よりなる非導電性シートを挟んで形成されるセパレータ
を、並置した複数本の単電池とセパレータとを交互に積
み重ねて配設して円筒型固体酸化物燃料電池のスタック
を構成し、単電池の導電性多孔質円筒の内部に酸化剤ガ
スを、また単電池の外周部に燃料ガスを通流して用いる
こととする。
【０００８】図７に示した従来例のごとく円筒の外周に
各層を円弧状に形成した単電池の構成においては、各層
を形成する材料の熱膨張係数が異なると、温度変化とと
もに熱膨張量に差異が生じるので、層間の密着力に抗し
て各層に熱応力が加わる。したがって、過大な熱サイク
ルを受けたり、あるいは過負荷時の熱発生が過大になる
と、熱応力が層間の密着力を上回って層間に剥離が生じ
ることとなり、特に端部においては変化量が大きくなる
ので、剥離が生じ易くなる。これに対して、各層が円筒
状に形成されていれば、温度変化とともに各層の熱膨張
量に差異が生じても、各層は自身に加わる周方向の圧縮
力、あるいは引っ張り張力によって保持され、層間に加
わる応力は周方向に均一に分散されるので、層間の剥離
が生じにくくなる。
各層を円弧状に形成した単電池の構成においては、各層
を形成する材料の熱膨張係数が異なると、温度変化とと
もに熱膨張量に差異が生じるので、層間の密着力に抗し
て各層に熱応力が加わる。したがって、過大な熱サイク
ルを受けたり、あるいは過負荷時の熱発生が過大になる
と、熱応力が層間の密着力を上回って層間に剥離が生じ
ることとなり、特に端部においては変化量が大きくなる
ので、剥離が生じ易くなる。これに対して、各層が円筒
状に形成されていれば、温度変化とともに各層の熱膨張
量に差異が生じても、各層は自身に加わる周方向の圧縮
力、あるいは引っ張り張力によって保持され、層間に加
わる応力は周方向に均一に分散されるので、層間の剥離
が生じにくくなる。
【０００９】したがって、上記（１）のごとく、導電性
多孔質円筒の外周面に、各層を順次円筒状に積層して単
電池を形成することとすれば、大きな熱サイクルを受け
たり、あるいは過負荷時の熱発生が大きくなっても、層
間の剥離が回避され、電池特性の劣化が防止されること
となる。また、上記（２）のごとくに単電池を形成する
こととしても、各層は円筒状に形成されているので、同
様に層間の剥離が回避され、電池特性の劣化が防止され
ることとなる。
多孔質円筒の外周面に、各層を順次円筒状に積層して単
電池を形成することとすれば、大きな熱サイクルを受け
たり、あるいは過負荷時の熱発生が大きくなっても、層
間の剥離が回避され、電池特性の劣化が防止されること
となる。また、上記（２）のごとくに単電池を形成する
こととしても、各層は円筒状に形成されているので、同
様に層間の剥離が回避され、電池特性の劣化が防止され
ることとなる。
【００１０】
【発明の実施の形態】以下に、本発明の円筒型固体酸化
物燃料電池の実施の形態を実施例を挙げて説明する。 ＜実施例１＞図１は、本発明の円筒型固体酸化物燃料電
池の実施例１の円筒型単電池の構成図で、（ａ）は斜視
図、（ｂ）は長手方向の断面図、図２は、実施例１の円
筒型単電池とセパレータとの組み合わせの構成図で、
（ａ）は横断面図、（ｂ）は（ａ）の上方よりみた平面
図、図３は、実施例１のスタックの構成を示す横断面
図、図４は、実施例１のモジュールの構成を示す部分断
面図、図５は、図４のモジュールに組み込まれる円筒型
単電池の取り付け部分の構成図である。
物燃料電池の実施の形態を実施例を挙げて説明する。 ＜実施例１＞図１は、本発明の円筒型固体酸化物燃料電
池の実施例１の円筒型単電池の構成図で、（ａ）は斜視
図、（ｂ）は長手方向の断面図、図２は、実施例１の円
筒型単電池とセパレータとの組み合わせの構成図で、
（ａ）は横断面図、（ｂ）は（ａ）の上方よりみた平面
図、図３は、実施例１のスタックの構成を示す横断面
図、図４は、実施例１のモジュールの構成を示す部分断
面図、図５は、図４のモジュールに組み込まれる円筒型
単電池の取り付け部分の構成図である。
【００１１】図１に示した円筒型の単電池１１の製法は
次の通りである。すなわち、 Ni-Crを用いて押出し成形
法で製作し、一端を同じく Ni-Crで封じて、多孔度30
％、外径20mm、内径10mm、長さ460mm の耐熱金属円筒１
２を形成し、形成した耐熱金属円筒１２の開口端部から
20mm の部分を除く外周表面の全面に、Ni-ZrO2 サーメ
ットを粗に（多孔度30％）フレーム溶射して、厚さ100
μmの燃料電極層１３を形成する。次に、形成した燃料
電極層１３の表面と封じた底部の全面に、プラズマ溶射
法を用いて ZrO2 を緻密に溶射して、厚さ 100μm の固
体電解質層１４を形成する。次いで、形成した固体電解
質層１４の表面の開口端部から80mmの部分と底部から80
mmの部分とを除く長さ300mm の部分の全表面に、LaMnO3
を粗に( 多孔度30％) フレーム溶射して、厚さ100 μm
の酸化剤電極層１５を形成して、円筒型の単電池１１が
製作される。
次の通りである。すなわち、 Ni-Crを用いて押出し成形
法で製作し、一端を同じく Ni-Crで封じて、多孔度30
％、外径20mm、内径10mm、長さ460mm の耐熱金属円筒１
２を形成し、形成した耐熱金属円筒１２の開口端部から
20mm の部分を除く外周表面の全面に、Ni-ZrO2 サーメ
ットを粗に（多孔度30％）フレーム溶射して、厚さ100
μmの燃料電極層１３を形成する。次に、形成した燃料
電極層１３の表面と封じた底部の全面に、プラズマ溶射
法を用いて ZrO2 を緻密に溶射して、厚さ 100μm の固
体電解質層１４を形成する。次いで、形成した固体電解
質層１４の表面の開口端部から80mmの部分と底部から80
mmの部分とを除く長さ300mm の部分の全表面に、LaMnO3
を粗に( 多孔度30％) フレーム溶射して、厚さ100 μm
の酸化剤電極層１５を形成して、円筒型の単電池１１が
製作される。
【００１２】また、図２に示した三層構造のセパレータ
１６の製法は次の通りである。波形にプレス成形した厚
さ１mm、大きさ300 mm×300 mmのNi-Cr 合金板の両面
に、プラズマ溶射法によって LaMnO3 を密に被覆し、厚
さ100 μm の耐酸化性の被覆層を備えた耐熱金属板１７
を形成する。次いで、このようにして形成した二枚の耐
熱金属板１７の間に、厚さ２mmのセラミックフェルト１
８を挟み、さらに耐熱金属板１７の両端に、直径５mm、
長さ460 mmの Ni-Cr合金からなる耐熱金属棒１９を波形
と平行に配して溶接し、セパレータ１６が製作される。
１６の製法は次の通りである。波形にプレス成形した厚
さ１mm、大きさ300 mm×300 mmのNi-Cr 合金板の両面
に、プラズマ溶射法によって LaMnO3 を密に被覆し、厚
さ100 μm の耐酸化性の被覆層を備えた耐熱金属板１７
を形成する。次いで、このようにして形成した二枚の耐
熱金属板１７の間に、厚さ２mmのセラミックフェルト１
８を挟み、さらに耐熱金属板１７の両端に、直径５mm、
長さ460 mmの Ni-Cr合金からなる耐熱金属棒１９を波形
と平行に配して溶接し、セパレータ１６が製作される。
【００１３】上記のごとく製作された単電池１１とセパ
レータ１６は、図２に示したごとく、並置した３本の単
電池１１の長手方向をセパレータ１６の波形と平行に配
し、単電池１１の最外層の LaMnO3 からなる酸化剤電極
層１５をセパレータ１６の表面の LaMnO3 からなる被覆
層に接触させて組み立てられる。本実施例の円筒型固体
酸化物燃料電池においては、単電池１１とセパレータ１
６を、図３のごとく組み立てることによりスタック２１
が構成されている。すなわち、本構成においては、図２
の配置になる３本の単電池１１とセパレータ１６を、交
互に３段積み重ね、両端にセパレータ１６が位置するよ
う配したのち、両端にNi-Cr 合金よりなる締め付け板２
１を置き、二枚の締め付け板２２にボルト２３を連通し
てナット２４で締め付け、単電池１１とセパレータ１６
を密着させてスタック２１を形成している。
レータ１６は、図２に示したごとく、並置した３本の単
電池１１の長手方向をセパレータ１６の波形と平行に配
し、単電池１１の最外層の LaMnO3 からなる酸化剤電極
層１５をセパレータ１６の表面の LaMnO3 からなる被覆
層に接触させて組み立てられる。本実施例の円筒型固体
酸化物燃料電池においては、単電池１１とセパレータ１
６を、図３のごとく組み立てることによりスタック２１
が構成されている。すなわち、本構成においては、図２
の配置になる３本の単電池１１とセパレータ１６を、交
互に３段積み重ね、両端にセパレータ１６が位置するよ
う配したのち、両端にNi-Cr 合金よりなる締め付け板２
１を置き、二枚の締め付け板２２にボルト２３を連通し
てナット２４で締め付け、単電池１１とセパレータ１６
を密着させてスタック２１を形成している。
【００１４】本構成において、同一のセパレータ１６上
に並置された３本の単電池１１は、それぞれの酸化剤電
極層１５が、セパレータ１６を介して互いに並列に導電
接続されており、またそれぞれの耐熱金属円筒１２が、
開口部に隣接する露出部分で図示しない金属線を介して
互いに並列に導電接続されているので、これらの３本の
単電池１１は並列接続の状態にある。一方、積層方向に
隣接する単電池１１の間は、非導電性のセラミックフェ
ルト１８によって電気的に非接続状態になっている。し
たがって、セパレータ１６の両端に溶接接続された耐熱
金属棒１９の間を互いに金属線で接続し、その際の接続
方法を選定することにより、積層方向の単電池１１の間
を並列接続することもでき、また直列接続することもで
きる。
に並置された３本の単電池１１は、それぞれの酸化剤電
極層１５が、セパレータ１６を介して互いに並列に導電
接続されており、またそれぞれの耐熱金属円筒１２が、
開口部に隣接する露出部分で図示しない金属線を介して
互いに並列に導電接続されているので、これらの３本の
単電池１１は並列接続の状態にある。一方、積層方向に
隣接する単電池１１の間は、非導電性のセラミックフェ
ルト１８によって電気的に非接続状態になっている。し
たがって、セパレータ１６の両端に溶接接続された耐熱
金属棒１９の間を互いに金属線で接続し、その際の接続
方法を選定することにより、積層方向の単電池１１の間
を並列接続することもでき、また直列接続することもで
きる。
【００１５】図４は、上記のごとき構成のスタック２１
を函体３２に収納したモジュール３１の構成を示す部分
断面図である。函体３２の内部は、第１隔壁３３と第２
隔壁３４の２つの隔壁により、燃料ガス入口マニホール
ド室３５、燃料ガス出口マニホールド室３６、および電
池室３７の３室に分割され、電池室３７にはスタック２
１が収納される。
を函体３２に収納したモジュール３１の構成を示す部分
断面図である。函体３２の内部は、第１隔壁３３と第２
隔壁３４の２つの隔壁により、燃料ガス入口マニホール
ド室３５、燃料ガス出口マニホールド室３６、および電
池室３７の３室に分割され、電池室３７にはスタック２
１が収納される。
【００１６】スタック２１は、円筒状の単電池１１の長
手方向が鉛直方向となるように置かれ、スタック２１を
構成する各単電池１１の円筒の開口部の上端は、第１隔
壁３３を貫通して燃料ガス出口マニホールド室３６に突
出するよう配されている。燃料ガス出口マニホールド室
３６に突出した単電池１１の円筒部には、図５に示した
ごとき単電池つり下げリング３９が嵌合されており、こ
の単電池つり下げリング３９を第１隔壁３３で支持する
ことにより、単電池１１を電池室３７へ垂下して保持し
ている。
手方向が鉛直方向となるように置かれ、スタック２１を
構成する各単電池１１の円筒の開口部の上端は、第１隔
壁３３を貫通して燃料ガス出口マニホールド室３６に突
出するよう配されている。燃料ガス出口マニホールド室
３６に突出した単電池１１の円筒部には、図５に示した
ごとき単電池つり下げリング３９が嵌合されており、こ
の単電池つり下げリング３９を第１隔壁３３で支持する
ことにより、単電池１１を電池室３７へ垂下して保持し
ている。
【００１７】また、燃料ガス入口マニホールド室３５に
一端を配した、両端に開口部を持つ細管３８が、第２隔
壁３４を貫通して円筒状の単電池１１の上部の開口部よ
り内部の下端近傍へと挿入されている。燃料ガス入口マ
ニホールド室３５に突出した細管３８には、細管つり下
げリング４５が嵌合され、この細管つり下げリング４５
を第２隔壁３４で支持することにより、細管３８を単電
池１１の円筒の内部へ垂下し保持している。燃料ガス入
口マニホールド室３５および燃料ガス出口マニホールド
室３６には、それぞれ燃料ガス供給管４１、燃料ガス排
出管４２が設けられている。燃料ガス供給管４０から供
給される燃料ガスは、燃料ガス入口マニホールド室３５
から細管３８の内部に流入し、単電池１１の円筒内部の
下端近傍に位置する細管先端の開口部から出て、単電池
１１の円筒の内側を上方に向かって流れたのち、単電池
１１の開口端部から燃料ガス出口マニホールド室３６へ
導かれ、燃料ガス排出管４１から函体３２の外部へと排
出される。
一端を配した、両端に開口部を持つ細管３８が、第２隔
壁３４を貫通して円筒状の単電池１１の上部の開口部よ
り内部の下端近傍へと挿入されている。燃料ガス入口マ
ニホールド室３５に突出した細管３８には、細管つり下
げリング４５が嵌合され、この細管つり下げリング４５
を第２隔壁３４で支持することにより、細管３８を単電
池１１の円筒の内部へ垂下し保持している。燃料ガス入
口マニホールド室３５および燃料ガス出口マニホールド
室３６には、それぞれ燃料ガス供給管４１、燃料ガス排
出管４２が設けられている。燃料ガス供給管４０から供
給される燃料ガスは、燃料ガス入口マニホールド室３５
から細管３８の内部に流入し、単電池１１の円筒内部の
下端近傍に位置する細管先端の開口部から出て、単電池
１１の円筒の内側を上方に向かって流れたのち、単電池
１１の開口端部から燃料ガス出口マニホールド室３６へ
導かれ、燃料ガス排出管４１から函体３２の外部へと排
出される。
【００１８】また、電池室３７には、一組の酸化剤ガス
供給管４２と酸化剤ガス排出管４３が相対して設けられ
ている。酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給管４２から電池
室３７へと導入され、スタック２１のセパレータ１６と
セパレータ１６との間に配されている単電池１１の各円
筒の外面を流れた後、酸化剤ガス排出管４３から函体３
２の外部へと排出される。
供給管４２と酸化剤ガス排出管４３が相対して設けられ
ている。酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給管４２から電池
室３７へと導入され、スタック２１のセパレータ１６と
セパレータ１６との間に配されている単電池１１の各円
筒の外面を流れた後、酸化剤ガス排出管４３から函体３
２の外部へと排出される。
【００１９】なお、セパレータ１６の端部に溶接された
Ni-Cr合金よりなる耐熱金属棒１９の一端は、第１隔壁
３３を貫通して燃料ガス出口マニホールド室３６に突出
しており、突出部には金属棒つり下げリング４４が嵌合
されている。この金属棒つり下げリング４４を第１隔壁
３３により支持することにより、耐熱金属棒１９、さら
にはセパレータ１６を電池室３７に垂下し保持してい
る。
Ni-Cr合金よりなる耐熱金属棒１９の一端は、第１隔壁
３３を貫通して燃料ガス出口マニホールド室３６に突出
しており、突出部には金属棒つり下げリング４４が嵌合
されている。この金属棒つり下げリング４４を第１隔壁
３３により支持することにより、耐熱金属棒１９、さら
にはセパレータ１６を電池室３７に垂下し保持してい
る。
【００２０】この構造においては、万が一、酸化剤ガス
が、単電池１１の円筒と第１隔壁３３の隙間、あるいは
耐熱金属棒１９と第１隔壁３３の隙間を通って、電池室
３７から上部の燃料ガス出口マニホールド室３６へと侵
入する事態が生じても、侵入した酸化剤ガスは、燃料ガ
ス出口マニホールド室３６へ導かれた排出燃料ガスと反
応して水蒸気となり、排出燃料ガスと共に函体３２の外
部へと排出されるので、燃料ガスで満たされる燃料ガス
入口マニホールド室３５へと侵入する危険性はない。
が、単電池１１の円筒と第１隔壁３３の隙間、あるいは
耐熱金属棒１９と第１隔壁３３の隙間を通って、電池室
３７から上部の燃料ガス出口マニホールド室３６へと侵
入する事態が生じても、侵入した酸化剤ガスは、燃料ガ
ス出口マニホールド室３６へ導かれた排出燃料ガスと反
応して水蒸気となり、排出燃料ガスと共に函体３２の外
部へと排出されるので、燃料ガスで満たされる燃料ガス
入口マニホールド室３５へと侵入する危険性はない。
【００２１】また、本構成のモジュール３１において
は、燃料ガス出口マニホールド室３６に突出した単電池
１１の耐熱金属円筒１２の端部をマイナス端子とし、同
じく燃料ガス出口マニホールド室３６に突出した耐熱金
属棒１９の端部をプラス端子として電気的接続が行われ
る。これらのマイナス端子およびプラス端子を、耐熱金
属材料よりなる接続線で直列あるいは並列接続すること
により、任意の電流、電圧が得られることとなる。な
お、燃料ガス出口マニホールド室３６は還元性雰囲気に
保たれるので、これらの接続線が酸化劣化する恐れはな
い。
は、燃料ガス出口マニホールド室３６に突出した単電池
１１の耐熱金属円筒１２の端部をマイナス端子とし、同
じく燃料ガス出口マニホールド室３６に突出した耐熱金
属棒１９の端部をプラス端子として電気的接続が行われ
る。これらのマイナス端子およびプラス端子を、耐熱金
属材料よりなる接続線で直列あるいは並列接続すること
により、任意の電流、電圧が得られることとなる。な
お、燃料ガス出口マニホールド室３６は還元性雰囲気に
保たれるので、これらの接続線が酸化劣化する恐れはな
い。
【００２２】上記のごとく、耐熱金属円筒１２の外表面
に燃料電極層１３、固体電解質層１４、酸化剤電極層１
５を円筒状に形成した単電池１１を用いて構成したモジ
ュール３１について、室温から1000℃まで昇温し、発電
運転を行った後、再び室温へと降温するサイクルを２５
回繰り返す熱サイクル試験を実施した。その結果によれ
ば、各発電運転段階において電池性能の低下は認められ
ず、また、試験後の分解調査においても、単電池１１の
各層の剥離は認められなかった。すなわち、単電池１１
の燃料電極層１３、固体電解質層１４、酸化剤電極層１
５を円筒状に形成したことにより、各層の強度が向上し
て剥離の発生が抑制され、電池性能の低下が回避される
ことが確認された。
に燃料電極層１３、固体電解質層１４、酸化剤電極層１
５を円筒状に形成した単電池１１を用いて構成したモジ
ュール３１について、室温から1000℃まで昇温し、発電
運転を行った後、再び室温へと降温するサイクルを２５
回繰り返す熱サイクル試験を実施した。その結果によれ
ば、各発電運転段階において電池性能の低下は認められ
ず、また、試験後の分解調査においても、単電池１１の
各層の剥離は認められなかった。すなわち、単電池１１
の燃料電極層１３、固体電解質層１４、酸化剤電極層１
５を円筒状に形成したことにより、各層の強度が向上し
て剥離の発生が抑制され、電池性能の低下が回避される
ことが確認された。
【００２３】＜実施例２＞図６は、本発明の円筒型固体
酸化物燃料電池の実施例２の円筒型単電池の構成図で、
（ａ）は斜視図、（ｂ）は長手方向の断面図である。本
構成の円筒型の単電池５１の製法は次の通りである。す
なわち、LaMnO3を用いて押出し成形法で製作し、一端を
同じくLaMnO3で封じて、多孔度30％、外径20mm、内径10
mm、長さ460mm の酸化剤電極を兼ねる多孔質円筒５２を
形成する。形成した多孔質円筒５２の開口端部から 20m
m の部分および底部から80mmを除く外周表面の全面に、
プラズマ溶射法を用いて ZrO2 を緻密に溶射して、厚さ
100μm の固体電解質層５４を形成する。次に、底部か
ら80mmまでの底部を含めた外表面に、プラズマ溶射法を
用いてLaCrO3を緻密に溶射して、厚さ 100μm のインタ
コネクタ層５６を形成する。次いで、開口端部から80mm
の部分と底部から80mmの部分とを除く長さ300mm の部分
の全表面に、Ni-ZrO2 サーメットを粗に（多孔度30％）
フレーム溶射して、厚さ100 μm の燃料電極層５３を形
成して円筒型の単電池５１が製作される。
酸化物燃料電池の実施例２の円筒型単電池の構成図で、
（ａ）は斜視図、（ｂ）は長手方向の断面図である。本
構成の円筒型の単電池５１の製法は次の通りである。す
なわち、LaMnO3を用いて押出し成形法で製作し、一端を
同じくLaMnO3で封じて、多孔度30％、外径20mm、内径10
mm、長さ460mm の酸化剤電極を兼ねる多孔質円筒５２を
形成する。形成した多孔質円筒５２の開口端部から 20m
m の部分および底部から80mmを除く外周表面の全面に、
プラズマ溶射法を用いて ZrO2 を緻密に溶射して、厚さ
100μm の固体電解質層５４を形成する。次に、底部か
ら80mmまでの底部を含めた外表面に、プラズマ溶射法を
用いてLaCrO3を緻密に溶射して、厚さ 100μm のインタ
コネクタ層５６を形成する。次いで、開口端部から80mm
の部分と底部から80mmの部分とを除く長さ300mm の部分
の全表面に、Ni-ZrO2 サーメットを粗に（多孔度30％）
フレーム溶射して、厚さ100 μm の燃料電極層５３を形
成して円筒型の単電池５１が製作される。
【００２４】このように構成した単電池５１は、図１に
示した実施例１の単電池１１と類似の形状をなしてお
り、この単電池５１を用いて、実施例１のスタック２
１、モジュール３１と同様の形状のスタック、モジュー
ルが容易に形成されることは図示するまでもなく明らか
である。なお、単電池５１は、実施例１の単電池１１と
異なり、内筒の多孔質円筒５２を酸化剤電極とし、最外
層を燃料電極層５３としているので、円筒の内側に酸化
剤ガスを通流させ、円筒の外側に燃料ガスを通流させる
こととなる。すなわち、構成したモジュールの電池室に
は燃料ガスが通流され、隔壁の上部は酸化剤ガス入口マ
ニホールド室、酸化剤ガス出口マニホールド室として酸
化剤ガスが通流される。したがって、電池室は還元雰囲
気となるので、セパレータを構成する耐熱金属板に耐酸
化用のLaMnO3被覆を施す必要はない。
示した実施例１の単電池１１と類似の形状をなしてお
り、この単電池５１を用いて、実施例１のスタック２
１、モジュール３１と同様の形状のスタック、モジュー
ルが容易に形成されることは図示するまでもなく明らか
である。なお、単電池５１は、実施例１の単電池１１と
異なり、内筒の多孔質円筒５２を酸化剤電極とし、最外
層を燃料電極層５３としているので、円筒の内側に酸化
剤ガスを通流させ、円筒の外側に燃料ガスを通流させる
こととなる。すなわち、構成したモジュールの電池室に
は燃料ガスが通流され、隔壁の上部は酸化剤ガス入口マ
ニホールド室、酸化剤ガス出口マニホールド室として酸
化剤ガスが通流される。したがって、電池室は還元雰囲
気となるので、セパレータを構成する耐熱金属板に耐酸
化用のLaMnO3被覆を施す必要はない。
【００２５】また、単電池５１とセパレータとの間の電
気的接続は、金属酸化を生じる恐れのない還元雰囲気の
電池室の内部で行われる。すなわち、単電池５１の円筒
の底部近傍に形成されたインタコネクタ層５６をプラス
端子とし、セパレータの端部に溶接された耐熱金属棒を
マイナス端子として、金属線を用いて直列あるいは並列
に接続することにより、任意の電流、電圧が得られるこ
ととなる。
気的接続は、金属酸化を生じる恐れのない還元雰囲気の
電池室の内部で行われる。すなわち、単電池５１の円筒
の底部近傍に形成されたインタコネクタ層５６をプラス
端子とし、セパレータの端部に溶接された耐熱金属棒を
マイナス端子として、金属線を用いて直列あるいは並列
に接続することにより、任意の電流、電圧が得られるこ
ととなる。
【００２６】本実施例の構成においても、単電池５１
が、多孔質円筒５２の表面に、固体電解質層５４、燃料
電極層５３、インタコネクタ層５６を円筒状に形成して
構成されているので、形成された各層の強度が高く、熱
サイクルによる剥離が防止され、電池性能の低下が回避
されることとなる。
が、多孔質円筒５２の表面に、固体電解質層５４、燃料
電極層５３、インタコネクタ層５６を円筒状に形成して
構成されているので、形成された各層の強度が高く、熱
サイクルによる剥離が防止され、電池性能の低下が回避
されることとなる。
【００２７】
【発明の効果】上述のごとく、本発明によれば、 （１）一端が封じられた、例えば耐熱性金属材料よりな
る導電性多孔質円筒の外周面に、例えば Ni-ZrO2サーメ
ットよりなる燃料電極層、例えば ZrO2 よりなる固体電
解質層、例えば LaMnO3 よりなる酸化剤電極層を順次円
筒状に積層して形成される単電池と、例えば端部に耐熱
金属棒を溶接した波形形状の耐熱金属板よりなる二枚の
導電性薄板の間に、例えば耐熱ガラス繊維フェルトより
なる非導電性シートを挟んで形成されるセパレータを、
並置した複数本の単電池とセパレータとを交互に積み重
ねて配設して円筒型固体酸化物燃料電池のスタックを構
成し、単電池の導電性多孔質円筒の内部に水素を含む燃
料ガスを、また単電池の外周部に酸素を含む酸化剤ガス
を通流して用いることとしたので、大きな熱サイクルが
生じる場合でも、また過負荷となって急激な熱発生を起
こす場合でも、単電池の電解質層や電極層に剥離が生じ
る恐れがなく、安定して運転できる円筒型固体酸化物燃
料電池が得られることとなった。
る導電性多孔質円筒の外周面に、例えば Ni-ZrO2サーメ
ットよりなる燃料電極層、例えば ZrO2 よりなる固体電
解質層、例えば LaMnO3 よりなる酸化剤電極層を順次円
筒状に積層して形成される単電池と、例えば端部に耐熱
金属棒を溶接した波形形状の耐熱金属板よりなる二枚の
導電性薄板の間に、例えば耐熱ガラス繊維フェルトより
なる非導電性シートを挟んで形成されるセパレータを、
並置した複数本の単電池とセパレータとを交互に積み重
ねて配設して円筒型固体酸化物燃料電池のスタックを構
成し、単電池の導電性多孔質円筒の内部に水素を含む燃
料ガスを、また単電池の外周部に酸素を含む酸化剤ガス
を通流して用いることとしたので、大きな熱サイクルが
生じる場合でも、また過負荷となって急激な熱発生を起
こす場合でも、単電池の電解質層や電極層に剥離が生じ
る恐れがなく、安定して運転できる円筒型固体酸化物燃
料電池が得られることとなった。
【００２８】（２）また、一端が封じられた導電性多孔
質材料、例えば LaMnO3 よりなる酸化剤電極円筒の封じ
られた底部と底部近傍の外周面の全面に、導電接続用
の、例えば LaCrO3 よりなるインターコネクタ層を形成
し、かつ、インターコネクタ層に隣接する酸化剤電極円
筒の外周面上に、例えば ZrO2 よりなる固体電解質層
と、例えば Ni-ZrO2サーメットよりなる燃料電極層を順
次円筒状に積層して形成される単電池と、例えば端部に
耐熱金属棒を溶接した波形形状の耐熱金属板よりなる二
枚の導電性薄板の間に、例えば耐熱ガラス繊維フェルト
よりなる非導電性シートを挟んで形成されるセパレータ
を、並置した複数本の単電池とセパレータとを交互に積
み重ねて配設して円筒型固体酸化物燃料電池のスタック
を構成し、単電池の導電性多孔質円筒の内部に酸化剤ガ
スを、また単電池の外周部に燃料ガスを通流して用いる
こととすれば、大きな熱サイクルが生じる場合でも、ま
た過負荷となって急激な熱発生を起こす場合でも、単電
池の電解質層や電極層に剥離が生じる恐れがなく、安定
して運転できる円筒型固体酸化物燃料電池として好適で
ある。
質材料、例えば LaMnO3 よりなる酸化剤電極円筒の封じ
られた底部と底部近傍の外周面の全面に、導電接続用
の、例えば LaCrO3 よりなるインターコネクタ層を形成
し、かつ、インターコネクタ層に隣接する酸化剤電極円
筒の外周面上に、例えば ZrO2 よりなる固体電解質層
と、例えば Ni-ZrO2サーメットよりなる燃料電極層を順
次円筒状に積層して形成される単電池と、例えば端部に
耐熱金属棒を溶接した波形形状の耐熱金属板よりなる二
枚の導電性薄板の間に、例えば耐熱ガラス繊維フェルト
よりなる非導電性シートを挟んで形成されるセパレータ
を、並置した複数本の単電池とセパレータとを交互に積
み重ねて配設して円筒型固体酸化物燃料電池のスタック
を構成し、単電池の導電性多孔質円筒の内部に酸化剤ガ
スを、また単電池の外周部に燃料ガスを通流して用いる
こととすれば、大きな熱サイクルが生じる場合でも、ま
た過負荷となって急激な熱発生を起こす場合でも、単電
池の電解質層や電極層に剥離が生じる恐れがなく、安定
して運転できる円筒型固体酸化物燃料電池として好適で
ある。
【図１】本発明の実施例１の単電池の構成図で、（ａ）
は斜視図、（ｂ）は長手方向の断面図
は斜視図、（ｂ）は長手方向の断面図
【図２】本発明の実施例１の単電池とセパレータとの組
み合わせの構成図で、（ａ）は横断面図、（ｂ）は
（ａ）の上方よりみた平面図
み合わせの構成図で、（ａ）は横断面図、（ｂ）は
（ａ）の上方よりみた平面図
【図３】本発明の実施例１のスタックの構成を示す横断
面図
面図
【図４】本発明の実施例１のモジュールの構成を示す部
分断面図
分断面図
【図５】本発明の実施例１の単電池のつりさげ構成を示
す斜視図
す斜視図
【図６】本発明の実施例２の単電池の構成図で、（ａ）
は斜視図、（ｂ）は長手方向の断面図
は斜視図、（ｂ）は長手方向の断面図
【図７】従来の円筒型固体酸化物燃料電池の単電池の構
造を示す斜視図
造を示す斜視図
【図８】従来の円筒型固体酸化物燃料電池のスタックの
横断面図
横断面図
【符号の説明】１１ 単電池 １２ 耐熱金属円筒 １３ 燃料電極層 １４ 固体電解質層 １５ 酸化剤電極層１６ セパレータ １７ 耐熱金属板 １８ セラミックフェルト １９ 耐熱金属棒２１ スタック ２２ 締め付け板 ２３ ボルト ２４ ナット３１ モジュール ３２ 函体 ３３ 第１隔壁 ３４ 第２隔壁 ３５ 燃料ガス入口マニホールド室 ３６ 燃料ガス出口マニホールド室 ３７ 電池室 ３８ 細管 ３９ 単電池つり下げリング ４０ 燃料ガス供給管 ４１ 燃料ガス排出管 ４２ 酸化剤ガス供給管 ４３ 酸化剤ガス排出管 ４４ 金属棒つり下げリング ４５ 細管つり下げリング５１ 単電池 ５２ 多孔質円筒 ５３ 燃料電極層 ５４ 固体電解質層 ５６ インタコネクタ層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 ＦＩ Ｈ０１Ｍ 8/12 Ｈ０１Ｍ 8/12
Claims (5)
- 【請求項１】一端が封じられた導電性多孔質円筒の外周
面に燃料電極層、固体電解質層、酸化剤電極層を順次円
筒状に積層してなる単電池を複数本並置して、これと、
二枚の導電性薄板の間に非導電性シートを挟んでなるセ
パレータとを交互に積み重ねて配設して形成されたスタ
ックを備え、単電池の導電性多孔質円筒の内部に水素を
含む燃料ガスを、また単電池の外周部に酸素を含む酸化
剤ガスを通流して用いることを特徴とする円筒型固体酸
化物燃料電池。 - 【請求項２】前記の単電池の導電性多孔質円筒が耐熱金
属材料よりなり、燃料電極層が Ni-ZrO2サーメットより
なり、固体電解質層が ZrO2 よりなり、酸化剤電極層が
LaMnO3 よりなることを特徴とする請求項１に記載の円
筒型固体酸化物燃料電池。 - 【請求項３】一端が封じられた導電性多孔質材料よりな
る酸化剤電極円筒の封じられた底部と底部近傍の外周面
の全面に導電接続用のインターコネクタ層を形成し、か
つインターコネクタ層に隣接する酸化剤電極円筒の外周
面に固体電解質層と燃料電極層を順次円筒状に積層して
なる単電池を複数本並置して、これと、二枚の導電性薄
板の間に非導電性シートを挟んでなるセパレータとを交
互に積み重ねて配設して形成されたスタックを備え、単
電池の導電性多孔質円筒の内部に酸化剤ガスを、また単
電池の外周部に燃料ガスを通流して用いることを特徴と
する円筒型固体酸化物燃料電池。 - 【請求項４】前記の単電池の酸化剤電極円筒を形成する
導電性多孔質材料がLaMnO3 であり、かつ、固体電解質
層が ZrO2 よりなり、燃料電極層が Ni-ZrO2サーメット
よりなり、インターコネクタ層が LaCrO3 よりなること
を特徴とする請求項３に記載の円筒型固体酸化物燃料電
池。 - 【請求項５】前記セパレータの導電性薄板が、端部に耐
熱金属棒を溶接した波形形状の耐熱金属板よりなり、非
導電性シートが耐熱ガラス繊維フェルトよりなることを
特徴とする請求項１、２、３または４に記載の円筒型固
体酸化物燃料電池。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8278491A JPH10125346A (ja) | 1996-10-22 | 1996-10-22 | 円筒型固体酸化物燃料電池 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8278491A JPH10125346A (ja) | 1996-10-22 | 1996-10-22 | 円筒型固体酸化物燃料電池 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH10125346A true JPH10125346A (ja) | 1998-05-15 |
Family
ID=17598070
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP8278491A Pending JPH10125346A (ja) | 1996-10-22 | 1996-10-22 | 円筒型固体酸化物燃料電池 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH10125346A (ja) |
Cited By (13)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002289249A (ja) * | 2001-03-22 | 2002-10-04 | National Institute Of Advanced Industrial & Technology | 固体電解質型燃料電池スタック構造体 |
| NL1019397C2 (nl) * | 2001-11-19 | 2003-06-13 | Willem Jan Oosterkamp | Brandstofcelstapel in een drukvat. |
| KR100437498B1 (ko) * | 2002-02-04 | 2004-06-25 | 한국에너지기술연구원 | 연료극 지지체식 원통형 고체산화물 연료전지 스택과 그제조 방법 |
| EP1482590A1 (en) * | 2003-05-30 | 2004-12-01 | Sanyo Electric Biomedical Co., Ltd. | Solid oxide fuel cell, solid oxide fuel cell assembly, solid oxide fuel cell module, and solid oxide fuel cell power generator |
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| JP2005150077A (ja) * | 2003-10-22 | 2005-06-09 | Kyocera Corp | 燃料電池 |
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| KR100747863B1 (ko) | 2006-07-21 | 2007-08-08 | 현대자동차주식회사 | 원통형 연료전지 조립체 및 그 제조 방법 |
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-
1996
- 1996-10-22 JP JP8278491A patent/JPH10125346A/ja active Pending
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