JPS60100378A - 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】 燃料電池は基本的には、水素又は炭化水素燃料とオキシ
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。燃料電池の成る１つの形においては、陰極物質
が壜キシダント用流路を形成し、＠接物質が燃料用流路
を形成し、その陽極物質と陰極物質とを電解質が分離さ
せる。典型的にはガスである燃料とオキシダントが、ｄ
５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どオキシダン１−
からは、ぞ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
は燃料電池それ白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持つ燃料電池の型は、燃料電
池の中で電解質が固体状態であるＪ：うな、固体電解質
燃料電池、又は固体酸化物燃１３１７１２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ｊ３い
ては、燃１′８］どして水素又は高次炭化水素が使用さ
れ、Ａキシダン１〜として酸素又は空気が使用され、こ
の燃料電池の作動温度は７００〜１１００°０（−ある
。

陽（々（負電極）において、水素が酸化物イオンと反応
りると電子を遊離して水を発生し、陰極で酸素が電子と
反応すると効果的に酸化物イオンを生成覆る。それらの
電子は陽極から適切な外部負／Ｉｉｉを通って陰極へ流
れ、酸化物イオンがその電解質を通って移動りることに
より内部的に回路が閉じる。しかしながら、電解質は陰
極と陽極を１１いにｌｔＦＭ　１１１１１りる。従って
、陰４４ｉど陽極での反応【よ次の）ｍりである。

２ 陰４ｍ　ｌ、・２０　−）−２ｃｍ−＋Ｏ＝１１）陽極
　１１２＋σ２→ｌ−１２０＋　２８−　・・・（２）
全体的な電池反応は、 １−１２　＋　１／２０２　→　１１□０　・・・（３
）水素に加えて、３５０℃以上で蒸気に＠づことにより
改質したメタン（Ｃ１％）のような炭化水素から燃料を
引き由りことができ、これは最初に一酸化炭素（Ｃｏ）
と３分子の水素とを発生づる。水素が消費されるにつれ
て、反応の進行が次式により起る。

ＣＯ＋ｔ−１，０−＞　ＣＯ，＋　ｌ−１２−（４）こ
の電池における炭化水素の全体的反応は次式で示される
。

Ｃト１４　＋　２　０２　→　ＣＯ２千　２　Ｈ２ｏ　
＋＋＋　（５）王の変換は電気化学的であるので、カル
ノーザイクルの熱的制限は免れる。従って、燃料１ネル
ギーを電気出力に変換づる際に５０％の範囲の効率が理
論的に１９られる。これは、細道のディーげル１ンジン
をら含む同様な燃料変換を利用した同等の熱機関より１
゛っど高い。

電解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、電解質を横切ってイオン移動と電圧の増大を可
能にづるような媒体を与える。電極（陰極と陽極）は、
燃料電池内で電流を電池の端子へ内部的に移動さぜる流
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（）、７ボル１〜のオーク
であるので、有用な負荷電圧を得るｌζめに個々の電池
を電気的に直列に配置する。相互接続物７・１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
燃オ゛シとＡキシダン１〜ガスをおＵいから隔−１りる
とともに、一方の電池の陽極を隣接りる電池の陰極に電
気的に接続りる。

活性の電気化学的／Ｊ−電気の発生は燃料電池の電解質
部分を横切っＣしか生じないので、電池中に直列の電気
的接続を行なうために陰極と陽極どの間の相！Ｉ接続を
分離りると、燃料電池のその部分は電気を発生しなくな
る。各電池を形成η−る電解Ｙ′ｉ檗而（面ｉに対づる
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
Ｉる゛ことになる。

反応物！！Ｉ（燃料又はオキシダント）が電極を通って
拡散りることも、電池の性１１１をルリ限づる。

燃料とオキシダントは、それぞれの流路内の流りから電
解質を通って反応場所へ直角に拡散しなければならない
。燃料とＡキシクン１〜は電摸を通って電解質へ拡散し
、ガスと電極（陽極又は陰極）と電解質どの三相境界部
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
って低減し、燃わ１流路の下流端又はその近くＣ低電圧
が発生する。

その燃料から多聞の」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
Ｊことは、本来効果的ではない。それは電池電圧の総出
力の点がらち本質的に有効ではないので、この燃料′Ｉ
Ｕｉ池内の燃料の完全な変換はめられない１，１個の電
池の場合も、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、この電池に治って減退する。従っ
て、実際の燃料？Ｉ池は燃料の８０〜９０％Ｉどりしか
ｉｌ’ｉ　ｎ　シない。なぜなら、水糸か燃料刀スの５
％以下になると、イの電池電圧が急激に低下りるからで
ある。燃料が消費されるにつれＣ電池の最大型１．Ｆが
低下づることは、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お１電池はレラミッ
ク支持管を利用し、電極（陽極と陰極）及び電解Ｖりが
での支１．ｌｉ管上に層として形成される。その支１．
ｌＩ管は密閉ハウジング内に閉じこめられ、燃料どＡ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イ）。層の形成次
第で、燃）：；１が支持部の内部を運ばれ、Ａキシダン
トが支持管の外部を運ばれる〈又（よその逆と４Ｔる〉
。実際の燃わ１電池」＝ニラ１〜は、外部ハ・クジング
内に支ｊもされ！ご多くのそのような笛で構成され、マ
ニホルド装置がイれらの質の近くへ燃わ１とオキシダン
トを別々に導く。

す（型面な支持管はカルシウムで安定化さけたジルコニ
ア（Ｚｒ　０２（−Ｃａ　Ｏ）で形成され、陰極はすＩ
！型的には支持管の外面に適用され、亜マン刀ン酸ラン
タン（ＬａＭｎＯ３）の形をとり、電解質は陰極の一部
分の一トに層をなし、例えばイツトリアで安定化させた
ジルコニア（７ｒＯ２−）−Ｙ２Ｏ３）で構成され、陽
極は電解質の」二に層をなし、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ット又は混合物（Ｃ
Ｏ＋Ｚ　ｒ　Ｏ，’−１−Ｙ２Ｏ３＞から成る。オキシ
ダンｌ−はかような構成の管の内部を流れ、燃わＩはそ
の管の外部を循環づる。隣接電池と直列接続をな１電池
部分では、電解質と陽極の代りに、この位置の陰極の上
に隣接電池の陽極と接触する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仙クロム酸ランタン（Ｌ
ａＣｒＯ，）から成る。

この種の燃料電池を形成づるために、支持管は高度の多
孔性をちって形成されねばならない。

４０％の多孔度でもってさえ、成層をなした陽極と陰極
は大きな拡散障害を示づ。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τ（の１１４小刈法は直径約１ｃ
ｍであって、側壁の厚みは約１ｍｍである。この支持管
の芯装置の制限要素は通路の長さであって、電流が陰極
と陽極どに沿って通過し、てれによって大きな電気抵抗
損失を引き起り（よどの長さである。これを最小限にづ
゛るＩ、：めの１−）の努力においては、それぞれの管
の長さを’）Ｘｉ縮し、Ｊ３１：ｌいに端部を重ね、連
ｙｃ１Ｊるイれぞれの管の陽極と陰極とを相互接続物質
乙−肖列に相互接続層るようにりる。

これにより、燃料及び／又はＡキシダンｌ−が通過する
管が１木になり、直列に相互接続された個々の管の韓故
からなる累積した高電圧が直列接続にＪ、り生じる。電
流は燃ｔ３１及び／又はΔキシダン１〜の流れる方向と
一致して、、即ち笛の形に対しく帖Ｉフ向へ流れる。

互い違いのｙｌｉＴｈ　（木（ａｌｔｅｒｎａｔｅ　５
ｔｒｕｃｔｕｒｅ　）は、例えば内部陽極に接続した管
の弦弧部分で電気的相！ｌ接続がしたｌジされる。それ
によって、隣接管はお互いに接線状に積み重ねられ、陰
極と陽極の直列配買を形成する。電流は陰極及び陽極物
質に沿って周方向へ流れなりれぽならないので、大きな
電気抵抗損失が生じる。

さらに、管状支持体は非生産的ひ重いため、より低温度
で通常作動される液体電解質燃わ１電池等のその他の形
式のエネルギー変換に比べると、出力とエネルギー密度
が悪い。

本発明は、個々に単一性をもたせて形成した小さい多数
の電池１なわ）う流路から４１１″Ｊ成された経鼻のハ
ニカム構造の芯を有し、流路を通して燃料どオキシダン
１−を流してこれらを電気化学的転換させるようにした
改良された固体電解質′？ｌなわち固体酸化物燃￥′！
１ｒｒｉ池を提供す−るものである。

本発明の基本的目的は、１ＩＩｌｉ、陰極、電ＦＲ質Ｊ
３よび相互接続物質の各々活性物質のみからなり、支持
部材のために非活性物質を用いていない、単一性をもつ
ハニカム構造の燃料電池芯を提供づることである。

本発明のより特定した目的は、電ｗ？質物質を挟み込ん
だ陽極物質と陰極物質、或いは相互接続物？＋１を秋み
込んだ陽４気物７１と陰極物質のみから４１す、支）（
１部斗Δのために非活性物？”ｊを用いない、中　ＩＪ
ｌ−Ｑ　ｂ＝）ハニカム４？４造の芯をもつ燃１′８１
電池を提供づることである。

本発明σ月］的はさらに、陽極、陰極、電解質おにび相
ｊｔ　Ｊ８杭物Ｔ１といった特定の活性物質のみからな
る１１１−性をしった燃料電池の芯を提供りることＣあ
る。この芯の壁の上記した各物質からなる部分は融合さ
れて複合構造体となって（１３す、これらの部分は複数
流路が並んで互い違いになった列を作るにうに配列され
、これらのｚ７い）〃いに隣接りる流路を通して燃わ１
とオキシダントが流される。

これら陽極、陰極、電解質および相互接続物３Ｔは、陰
極、陽極おにび相互接続物質に必要な導電性の観ＬＸ、
電Ｗ（窟物質に必要なイオン輸率および電ｒ的分離の観
点、陰極と陽極に必要なガス透過性、Ｊ３Ｊ、び電解質
と相互接続物質に必要なガス不透過性を満たすにうに選
択され、改良される。同様に、複合単一性芯の梠造的一
体１！Ｉ、熱膨張と収縮比、おＪζび結晶的一体性は、
？ａ適効率を与えるのに必要な温度、圧力、ガス流速、
電圧および電流密度どいつだ特定の動作パラメーターに
λ＝Ｉ　ｋ、て設旧される。

本発明の好ましい実施例においては、相互接続層と電解
質層は薄＜　（０，００２〜０．０１ｃｍ　）、これを
挾み込んでいる陰極層と陽極層はこれと同じ厚さかこれ
の５倍の厚さく　０．００２〜０．０５ａｍ）とづる。

本発明の単−外芯は、従来の支持管型燃料電池の５０倍
もの大きい出ノ〕密度をもたらず。これは、対応づる流
路容積に比較して燃わ１どオキシダン！・の活性露出面
積が大きいこと、さらには電流の流路長さが低減して全
体的４Ｔ内部電気抵抗損失が低いことに起因する。この
単−外芯は、活性物質以外の支持構造１本をリベて無く
し、陽極、陰極、電解質および相互接続層は極めて薄く
、燃料電池小母を低減させる。芯の燃料ａ３よびオキシ
ダント流路は小さいので、物質の層は薄く、しかも流路
を横切る小さい距離にわたつ−Ｃ自己克１ｉ’ｊ　ＩＪ
ｌを有している。従来の管型の支持構造体は無くりこと
ができる。さらに、必要とされる電流の流路が比較的短
いため、活性物質をｉＷ層とづることか可能である。こ
の単−外芯段Ｉｔｌ　ＬＪ　、　）１７い支持管を無く
して’ｔＷい活物質を使用づることにＪ、って、拡散損
失を最小にすることが′ｒ：きる。

発明の名称を［固体酸化物燃料電池用の単−芯のｌ！Ｊ
造方法］と称づ゛る、発明者スタンレーコ、イ、ツビッ
クどジ三１ン　ビー、アッノＪ−マンにＪ：る本願ど同
日出願の米国性Ｙ［出願には、８壁の端部方向に、即ら
イの８壁にＪ：り形成される流路と一直線となる方向に
相互接続物質ど電解質ヤとを伯るために、陽極物Ｙ１１
と陰極物質と電ｗｆ賀物ｙ′（と相互接続物質との各々
を反復して順次（Ｊ　Ｐｉさｌることが示されている。

芯の各電解質壁ど相互接続壁はそれぞれ、電解質物質の
両側または相、Ｕ接続物質の両側に積層された陽極物質
と陰極物質からなっている。芯の断面全体にわたつ（各
々別の物質の各付着が別々に同時に作られ、それによっ
て、燃料及びＡ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「平行なガス流を有づる燃料電池芯の一体
向マニボルド構造」と称する、発明省ジョレフ　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芯の平行流路へ導く装置が示さ
れている。

８壁は規定された芯流路の開放端をこえて突出し、隣接
づる上の相互接続壁ど下の相ｎ接続壁との間はぼ中間で
それに平行に配置され、壁の両側でそれらの壁の間にマ
ニホルド室を形成づる。流路を形成づる各電解質壁は、
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、８壁
に混成しかつそれに接続されるようにイ］形される。燃
料とオキシダントガスを芯へ運び、それらの生成物を芯
から放出するために、これらの別個のマニホルド室には
入口接続部と出１コ接続部とがそれぞれ作られている。

発明の名利ｔを「単−交叉流の芯とマニホルド装置どを
イｊりる固体酸化物燃わＩＮ池Ｊと称する、発明者ＬＪ
シト−ビー、ペラベルとジョレフブイ、デー１１りにＪ
、る本願と同日出願の米国特許出願には、燃１目′ＡＥ
路とオキシダントガス流路がＵいに交叉状に伸びく゛い
る単一芯構造体が示され、ぞれににつて、これらのガス
とその反応生成物のための芯金面のマニホルド作用が達
成できる。この芯４／４造休−は、各燃料流路を陽極物
質だけでとり巻き、陰極物質だけで各オキシダント流路
をとり巻くようになっていて、各陽極物質及び各陰極物
質は更に、電解質物質と相互接続物質どの間で、間隔を
おいて位置づる対向側でサンドイツブー状に挾まれる。

これらの複合陽極および陰極壁４Ｍ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、！ＩＩ！型的なものでは、単一共通層であ゛
る）、それによって燃料流路とオキシダン１〜流路がＨ
いに交叉りるにうに配置される。

発明の名称を「複合交叉流ガスパターンを有する固体酸
化物燃料電池」と称４る、発明右アンソニイ　ブイ、フ
ライＡす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１−ガスのための平行流および交叉流の
両方をもつ芯構造が示されている。電池の各相互接続壁
は、相互接続物質からなる複数の隔置された小プラグを
有する不活性支持物質のシー１〜として形成されている
。陰極物質と陽極物質は各シー１〜の両側に層として形
成され、相互接続物質のプラグによって電気的に接続さ
れている。波形の各相互接続壁ｔよ、通常平行な電解質
壁の対応する隔置された対の間で、隔置された通常平行
な線状接触領域に沿って接続され、燃料６よびオキシダ
ントガス用の通常平行な複数流路からなる１つの階層を
形成づる。複数の階層はぞの流路を互いに直角にさぼる
ように互い違いに配列される。これによって、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？ｆｌ域のみで接続する。不活性支
１も物質は芯仝休の２−９８重量％とし、必要に応じて
変動さけて、この複合芯壁構造体の熱膨張差を最小とさ
μる。

第１図は本発明の１つの実施例の燃料電池１０を示し、
ハウジング１２内にハニカム芯１４を配置しである。ハ
ウジングは液密に作られ、燃１１”ｌ川の人口７ニホル
ド１６と反応生成物用の出口マニホルド１８を右し、マ
ニホルド１６ど１８は芯１／Ｉ内に形成された燃料流路
２０を介しＵ　Ｅ７．いに連通している。更に、オキシ
ダント川の人１コマニホルド２２がハウジング１２に隣
接して配置され、このマニホルド２２からの供給管２４
により、芯内に形成された流路２６へオキシダントを送
る。流路２６は燃料マニホルド１６にｌｌｊ！ｌ接した
端栓２８により閉じられているが、出口マニホルド１８
に対しては開放されている。燃料流路２０とオキシダン
１−流路２６はＵいに平行に配置され、芯１４内に互い
違いにＦ＃接しで配列されている。芯１４とハウジング
１２との門の環状空間には参照番号２９で示しＩζよう
なセラミック粉末等を充填して、燃料の入口おにび出口
マニホルド１６゜１８の間のガス漏洩を最小にしている
。

第２図は、第１図の燃料電池１０の芯１４についての好
ましい実施例の拡大断面を示Ｊ。燃料用流路２０は流路
の露出壁を形成ザる陰極物質３０のみで作られ、一方、
オキシダント用流路２Ｇは流路の露出壁を形成覆る陰極
物質３２のみで作られている。隣接する電池流路２０と
２６はさらに基本的に、Ｔｉ解質壁部分３６と相互接続
壁部分３８とによって分離されでいる。

電解質壁部分３６は、陰極物質３０と陰極物質３２との
間に電解質物質３７のｉ＃層を右ｉＬでいる。相互接続
壁部分３８は、陽極物質３０と陰極物質３２との間に相
互接続物質３９の薄層を有している。

ガス状燃料は供給源（図示Ｕず）からマニホルド１６へ
運ばれ、芯１４内の流路２０を通って出口マニホルド１
８の方へ流れる。同様に、Ａキシダンｌ−は供給源（図
示けず）からマニホルド２２へ運ばれ、ｔτ２４を介し
て燃わ１マニホル１〜１６にｌ’ａ接した流路２６内の
個所へ流れ、次いでこの流路を通って軸方向に出口マニ
ホルド１８へどｆＡ’ｂれる。所望の純度と流速で芯へ
流入された燃わ１どオキシダン１〜は、芯内で燃わ１と
Ａ：１ニジダン１−どを分離している電解質壁３Ｇを横
切って電気化学的に反応覆る。芯内で消費されなかった
燃料どオキシダン１〜は、出［１マニホルド１８内での
燃焼ににつで反応すなわち化合し、引続いて、他の反応
生成物と共に燃料電池からＩＩＩ出される。

燃料流路のＪＪＩ出端での断面積を若干小さくして、燃
料流路からの未消費燃料が出口マニホルド内へ唱田し、
イこで燃料とオキシダントとの反応が噴用炎どしく効果
的に起るＪ：うにづることが望ましい。このＪ：うに出
口断面積を小さくすることによつ（、陽極流路内部Ｃの
燃料−Δキシダン１〜ｉ（ｉ接反応を誘導することにな
る出口マニホルドからの燃料流路へのオキシダン１−の
逆流の危険を最小とすることもできる。一般に燃料およ
び反応生成物マニホルド１６．１８の間の圧力差は極め
て小さく、流路２０内、づなわちこの流路を通るガスの
ＦＸＥ速も同様に極めて理い。

陽極３０と陰極３７どの間に挾み込んだ′ｆＦＸ解質３
７からなる各電解質壁３６は、流路２０と２６内をそれ
ぞれ運ばれる燃料とオキシダン１〜を電気化学的に化合
させて、電解質を横切って電位を発生さける。これによ
って、温片３１電池１０全体に゛電池″４０を形成する
。さらに、隣接づる相互接続壁（例えば３８ａと３８１
１　＞のどの対の間にでも形成される電解質壁のづべて
に対して、これら電池（例えば４０ａ、　４０１＋　＞
の内部並列的な電気的接続がなされる。−ｈ、相互接続
壁の上方および下方の別個の電池間に配置された各相互
接続壁〈例えば３８１ｒ）は、１つの電池のＩＩ極を隣
接づる電池の陽極と（例えば陰極３２ｄを陽極３０ｃと
）電気的に接続する。これによって、相互接続壁３８１
１の両側の電池（例えば４（）Ｃと４０ｄ　＞の内部直
列接続がもたらされる。

電解質壁３　（３＋、１．相ｒＬ接続壁３８の間で互い
違いに折ｉ　ｄ、れ（いるのて、燃￥３１とオキシダン
トの流路２０と２（３も同様に、隣接づる相互接続壁の
どの対のＩＩｕにも交互に配置される。芯の側縁部には
、代表的には中性壁４２が用いられ、端部燃料流路２０
ｃに対して境を形成づる。この中１１−壁は隣接相′Ｉ
ｊ、接続壁（例えば３８ａと３８ｂ　）　（７）間に伸
びるｍ　ｌｆｉ！　Ｍど陽極物質のみを有している。

電解質壁３Ｇ内の陽ＨＡ３０ど陰極３２は、それらの両
側に閉じ込め１うれる燃料とＡキシダンｌ−ガスが電気
化学的に化合できるのに必要な程度に多孔？！Ｉのもの
く・ある。一方、電解質３７と相互接続物質３８は不透
過性であり、燃料とオキシダン１−ガスをｎいに完全に
隔＃１５Ｉる動きをする。同様に、電解質壁３Ｇは、電
解質の両側に形成されｌ、二陰極と陽極との間のにうに
、電気的に非伝導１９−Ｃ’あるが、電解質はイオン伝
導性を示す。さらに、陰極と陽極の両方とも導電性であ
る。一方、相互接続壁は、その両側にある電池の陽極と
陰極を互いに直列に接続する。

第１図と第２図に示したタイプの実際の燃料電池におい
ては、多数の、恐らくは５０個を超える直列接続した電
池４０ｃ、　４０ｄ等がもたらされることになる。直列
接続の最外側の相互接続壁（または隣接する陰極または
陽極）は導体４５と４６（第１図と第２図に模式的に図
示しである〉を介して燃Ｆ３＋電池の外部端子５０と５
２へ電気的に接続され、これら端子に蓄積電気出力を与
える。導体４５と４６は、最底部の陽極またはその上に
ある相互接続物質、および最頂部の陰極または相互接続
物質（図示せず）に接続することができる。このように
して、外部端子５０ど５２での総電池電圧は２０〜５　
（１（１ポル１−の範囲のＡ−ダーとなる。導体４５゜
４６は代表的には高温導電性金属から作られるので、導
体の酸化を最小にするために、この導体を燃わ１雰囲気
（酸化雰囲気以外）に置くが、あるいは少量の燃料を導
体上に流すことが望ましい。

本発明においり９（１味あることは、この燃料電池の芯
１／ｌを１１シ一体の剛性を、ｂつ複数の電池４０の列
ど（〕（’　Ｉｆｆることができること、そしてさらに
、この芯を活性な陽極物質３０、陰極物質３２、電解質
物ｇ’ｉ　３７および相互接続物質３３９のみから作る
ことができることである。換８　ｒｌれば、流路２０ど
２（３を支持するために燃わ１電池内には非晶５性物質
は使用されない。各゛活性物質は薄層どイ１つており、
これらの層は一体的に結合Ｊ、たはＩＡｌ；合されて単
一体の芯１４を作る。

−１−記の芯１４にｊ３いては、づ−ぐ晴り合つτ燃わ
１どＡキシグント流路２ｏと２６を形成している。８壁
３６と３８（および４２）は非常に短くあるいはイのス
パンが小さいため、流路自体は小さい断面（恐らくはわ
ずかに数平方ｎ＋ｎ＋）をもつ。壁のスパンが小さいた
め、厚さが合Ｕてわｆかにｉ　１ｌｌＩｎ以下といった
薄い積層物質でも、芯を支持しかつ必要とされるガスお
よび／または反応１１力負荷に耐えるに十分な構造を有
している。

第″２図に示した実施例のｌｌｊ　一体の芯１４は、ラ
ロ互接続壁３８に対する電解質壁３Ｇの面積の比（す゛
な４つも、電池流路の断面積のバーレン１へ）が高電流
密度を作るのに非常にイｊ効な比である。

燃料およびオキシダント流路の閉じ込め容器となる。電
解質壁３６は、相互接続壁３８の隣接する平行な対の間
で、互い違いにＪＪｉり曲げられあるいは折り畳まれて
、相互接続壁の間に交互に逆向きにされｌ〔三角形の燃
料流路２０とオキシダント流路２６を形成し、流路２０
と２６は互いに並ｌυで平行になるように伸び（いる。

図示の例では、相互接続壁３８と電解質壁３６の両方と
も基本的には平らで平面状のｂのであり、各流路の電解
質壁は、どれか１つの相互接続壁にそってその壁の上に
間隔を岡いて配設された角部接合点５５で相互接続壁と
角度をちって接している。各燃料流路２０どＡキシダン
１〜流路２６との間に挾まれた活性電解質壁の表面積の
パーセントは、流路の面積ど比べて極めＣ＾い。

さらに、　角状に配列された流路は−Ｊンバク１〜な形
状をりえる１、ここで再び述べるならば、芯は活性な陽
１４ｉ物質、陰極物質、電解質物質および相互接続物質
の各々掻く薄い層から作られてＩ１３す、芯の支持のｌ
こめに非活性物質を用いていない。

第３３図は芯１１４の！１い違い構造を示しており、電
解質Ａ３！　１３Ｇ　ｌ；ｌザインカ−１または他の繰
返し形状のＪ、う４「波形をし−Ｃおり、通富平らな平
行な相Ｅｉ接続壁１３８の対応づる対の間に伸びている
。電解質壁は交互に折曲げられているので、燃料流路１
２０Ｊ、ＩＪ：びＡ：１−シダント流路１２６が同様に
陽（伽物ｙＨ３ｏまたは陰極物′ｆＪ１３２のみが露出
づるＪ、うに形成され、４１１７２接続！！！１３８の
間に交ひに配列される。かくして、各電解質壁１３Ｇは
、電解質物質１３７を挾み込んでいる陽極物質１３０ど
陰４６ｉ物貿１３２どをイ４し、各相互接続壁１３８は
、（１！ｊ接続物貿１３９を挾み込んでいる陽極物質１
；（０ど１〃極物質１３２どを右している。Ａキシダン
１〜供給管１２４はオキシダント流路１２６内に伸びて
いる。

第２図と第３図とかられかるように、好ましい芯は繰返
しの規則性をもつ電池配列を備え、ハニカム形状となっ
ている。芯１４および１１４の各実施例にｄ５いては、
電ＴＩＮ賀壁３６（および１３６〉と相互接続壁３８（
および１３８）との間の接合点５５（および１５５）は
、互い違いにづなりら互いに横方向にずれ−Ｃいる。か
ような配列の１つの利点は、隣接する１Ｑ４０ｄと４０
ｃの直列に接続されたそれぞれ陰極３２（ｌど陽極３０
ｃとの間に相互接続壁（例えば３８１１　）の広い面積
を与えることであり、づべての電流がこの相互接続物質
を横切る場合に高い電流密度を低減さける傾向がおる。

しかしながら、１つの欠点は、相互接続壁の中間点にあ
る接合点５５（および１５５）が、互いに連続的に積み
ｍねた多数の電池の重さの！こめだけで壁を機械的に曲
げたり歪まけたりりる傾向があることである。これを克
服するために、第４図に示した芯２１４では、燃い１−
オキシダント流路２２０と２２（つは互い違いに配列さ
れでいるが、接合点２５５は互いに対向して一列ｌ、：
並ｌυでいる。電解質ｖ２３Ｇは、前記実施例と同様に
、４１１Ｚｉ接続壁２３８の間でかつこれと角度をらっ
Ｃ交Ｕに１１７曲げ１うれている。さらに、各電解′ｉ
＋ｉ１へ２３（逼は、電解質２３７を挾み込んでいる陽
極２３０ど陰極２３２を有し、各相互接続壁２３８は相
ｎ２接続物質２３９を挾み込／υだ陽極２３０と陰極２
３２を有している。また、オキシダント供給管２２４は
各オキシダント流路２２Ｇ内に配８すされている。

しかしながら、電解質壁と相互接続壁の形と配列は、出
力の比較的高い密度の出力を与える１＝め以外には、さ
ほど車装でない。しかしながら後述りるｊ、うに、設ｎ
１上の選択は、芯の製造方法にＪ：り影響を受１）る。

従って、相互接続壁（３３，１３Ｇ、また【よ２３Ｇ）
は実質的に平行である必要はなく、角度をつけて段状に
したり波形にＪることができ、電解質壁も角度をつ（）
たり・、段状にしたり、あるいは実質的に互いに平行に
しζ、ダイヤモンド状Ｉａ造や六角形状構造くいずれも
図示せず）とりることもでさる。

Ｑ？ましい実施例に＆ｊいては、大略幅１ｍ、高さ１ｍ
の本発明（従って作った１つの燃料電池は、各々が恐ら
く故平方ｍｍ１１度の小断面をもつ別個の芯流路をｉｏ
、ｏｏｏ〜１５，０００個も有づることになる。電解質
壁３６（および１３６または２３６）は、電解質３７（
および１３７または２３７　）　、陽極３０（および１
３０または２３ｏ）および陰極３２（おにび１３２また
は２３２）の各々非常に薄い層から作られる。この場合
、電ｌ！ｌ？質の厚さは０．００２〜０．０１ｃｍの範
囲、好ましくは０，０２〜０．０’０５ｃｍ（７）　ｆ
ｌｕ　ＩＩＩどし、陽極と陰極のＪ９ざは０．００２〜
０．０５ｃｍ　、　ｊ）７まシ＜　＋ｔ　Ｏ，００５〜
０，０２Ｃ１ｌｌとづる。従って複合電解質壁の厚さは
（ｊ、００６〜０．１１ｃｍ　、好ましくは０．０１２
〜０．０４５ｃｍの範囲となる。相互接続壁３Ｅ３（Ｊ
５よび１３８または２３８）も対応づる厚さとづること
ができ、この場合、陽極と陰極の厚さは電解質壁におけ
ると同様とし、相互接続物質３つ（および１３９または
２３９）の厚さは電解質３７と同様とＪる。がようなＪ
＋１−（本の芯構造は、これらの壁厚とした場合で６十
分な椙ｊ：５的一体性と安定性を備え、低コストで＾容
ｆｆｌ電力密度を与える。これは、８壁を剛直に保持す
るのに非活性支持４ｉ造を用いないという事実にＪ、−
）て、一層内上さＵるであろう。

燃１３１電池芯１４（おＪ、び１１４または２１４）は
いくつかの既知技術によって作られることができる。別
１１Ｊ、ｌの物！１（を柔らかい状態′ｒ：薄層として
押出し、これらの薄層を互いに重ねるようにしてムよい
１．これは、例えば芯流路が伸びる方向と同じ））向に
押出づことによって、はぼ＆Ａ柊的な芯形状に形作るこ
とができる。あるいは、最終形状の＋ｉｌ′Ｊの芯形状
に押出してから、これを互いに積み（Ｉ′！ねてしＪ：
い。また、陰極と陽極を薄層としで押出し、電解質物質
と相互接続物質の一層的い層をフープ・キトストにＪこ
り作り、次にこれを陰極と陽極の」−に重ね合ｌてもに
い。

薄゛層を４７．いにスクリーン印刷で重ねてもにい。

まＩこ、陽極、陰極、電解質あるいは相互接続層をペー
スト、スラリーま）〔はインキとして作り、上述したよ
うにして必要な厚さに積層してもよい。例えば、内側の
電池短絡をなくし、しかもなお相互接続壁を横切って直
列に陽極と陰極を接続させるために、層内に裂（ブ目ま
たは間隙を作らねばならない領域では、プリント技術ま
たはマスキングによって行なうことがＣきる。複合層は
平らに作ることができ、未だ柔らがいうちに機械的に釘
形し、次いで互いに梢み重ねることができる。最終的に
は、がくしてイ」形した壁構造１本を炉などで焼結ある
いは熱硬化させて、それらに自己支持性および司法安定
性を−したける。

ｎｉ　５ａ図と第５図は、電解質壁３３Ｇと相互接続壁
３３８の両方のための活性物質の３層形成を説明するも
のであり、複合層を互いに接続さゼて釘形することがで
き（第５図参照）、芯３１４は３次元形状をもつものと
Ｊる。陽極物質３３０と陽極物質３３２は接合点３５５
で互いに重ね合せ、ｒｒｉ解質物質３３７と相互接続物
質３３９との間に２（Ｆｉ厘層を形成りる。しかしなが
ら、陰極物２１も陰極物質も一般に相互接続物質おにび
、／または電解買物ｘｑ　１．１とに構造的な拐貿では
ないため、第（３ａ　、　（３ｂ　ｄ３Ｊ：び６ｃ図に
示したごとき実施例が好ましい。−Ｊなわら、相互接続
物質４３９と電Ｍ質物質４３７のみを用いて芯形状を作
り、接合点４５５で両省が７：１いに直接接触づるよう
にし、次に陰極物１”ｉ／１３２ど陽極物質４３０を加
え′Ｃ最終的な芯形状をイ′することか望ましい。これ
は、キャリア・ガスまＩ、：は溶剤とともにこれらの物
質を沈着ＪることにＪ、す、おＪ、び／またはかような
混合物をチトンネル４２０ａど４２６ａ　（第（３ｂ図
）内で逆洗（１＋ａｃｋ　ｗａｓｈｉｎｇ）　ｉること
ににッて流路４２０ど４２ｆｉ　（第６図）を形成ηる
ことができる。ての後、溶剤を蒸発さけてｌ１ｊＪ極物
貿おＪ、び／または陰極物質の助層の背後へ除去する。

そしてさらに、この複合芯を焼結さＵて寸法安定性と強
度をイ」ツノさせる。

°これらの層をｈ　′ＩＪ’剛極、陰極、電解貿電解び
相互接続物質は、熟成１１差による分離問題を最小限に
づるように、各膨張係数をできるだけ近づ（）るように
調和をはかる。これらの物質の層が非常に幼いという事
実はこの問題を低減させることになろう。また、陰極物
質と陽極物質を電解質物質かまたは相互接続物質のどち
らかに対して重ね合Ｖ１あるいは電解質壁と相互接続壁
との間の接合点を横切る場合には陰極物質同士または陽
極物質同士を重ね合μＣ１陰極物貿と陽極物質を融合さ
せることによって、芯の配列構造を強固に保持づる。融
合は、柔らかい積層物質を一緒に焼結させることによっ
てなされ、これによって再び８配列構造を強固にしかつ
用法安定性をもたせることができる。

かような単一体燃料電池芯１４は、非活性物質の支持部
材の上に電池の活性物質を積層するような燃料電池構造
と比べて、かなり軽量となる。さらに、活性物質のみか
らなる単一体芯壁は非常に薄＜（厚さ１ｍｍ以下）′！
ｌることができ、電解質、陰極、陽極または相互接続物
質の個々の層もそれに比例して一層薄くなる。さらに、
燃ｔ１１用Ｊ３Ｊ、ぴＡ−１シダント用の多くの独立流
路をわずかに故事）’ｊｍ…といった小断面積でっくる
ことが−Ｃ−さ、これにＪ、って、非活性物資の支持管
をもつ従来の芯構造に比較して、閉じ込めら１また流路
容積に対りる活性電解質壁面積の比を増大さＵ゛ること
ができる。小さい燃料およびオキシダン！〜ガス流路は
極く短い壁スパンしが有１、　ｆ−いないため、薄い８
壁はガス圧や櫟械的歪みに耐えるに十分な強度をもって
づる。さらに、この知い壁スパンは、抵抗損失を最小に
するに必要な電流流路の長さを低減さＩる。この電流流
路抵抗の低減は電圧降下をより小さくし、単一体芯にＪ
、る効果を増大させる。この単一体燃別電池芯にス＝Ｉ
−Ｊる容積出力とエネルギー密度効率は、非晶（？ｌ物
貿の支持管をもつ芯構造のそれらと比較しく、実７１的
に増大し、劇的な増加が可能である。なμ”ｔＫらば、
芯重量のＪべては事実上活性電池物質のみがらなり、非
活性支持管物質を含；１．ないからである。

典型的な陰極物質は亜マンガン酸ランタン（Ｌａ−Ｍｎ
Ｏ，）であり、電解質はイツトリアで安定化させたジル
コニア（Ｚ　ｒ　Ｏ，＋Ｙ、Ｏ，）であり、陽極はコバ
ルトイットリ）７で安定化さけたシルコニアサ−メツ１
〜又は混合物（ｃｏ十ｚｒｏ、＋Ｙ２０．）である。相
互接続物質は例えば亜クロム酸ランタン（Ｌａ　Ｃｒ　
Ｏ，）から成り、上記した亜マンガン酸ランタン（Ｌａ
ＭｎＯ，）と亜クロム酸ランタン（Ｌ　ａ　Ｃ，ｒ　Ｏ
，）とは適当にドープ処理して導電性を冑るＪ：うにす
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の好ましい実施例の燃料電池の断面図で
あり、簡略化のために模式的に示しており、部分的に図
示を省略］ノである。 第２図は第１図２−２線に沿う拡大断面図である。 第３図、第４図、第５図おＪ：び第６図は、本発明の他
の実施例を示す、第２図と同様な断面図ｒある。 第５ａ図、第６８図ａ５よび第６ｂ図は、それぞれ第５
図および第６図の燃料電池を形成づる物質層の部分断面
図であり、異なる製造工程での状態を示しくいる。 １０・・・燃３′ソ１電池、１２・・・ハウジング、１
４゜１１４、２１４．３１４．４１４・・・ハウジング
、１６・・・燃料式１コマニ小ルド、１８・・・燃料出
ロマニボルド、２０、　１２０．２２０．４２０・・・
燃料流路、２２・・・オキシタン１−人ロマニホル１〜
．２４　、１２４．２２４・・・オキシタン１へ供給管
、２６．　１２６．２２６．４２６・・・オキシタン１
−流路、ご３０．１３０．２３０．３３０．４３０・・
・陽極物質、３２　、１３２．２３２．３３２．４３２
・・・陰極物質、３６　、１３（ｉ、　２３［ｉ・・・
電解質壁、３７，１３７゜２３７、３３７．４３７・・
・電解質物質、３　Ｆ３　、１３８．２３８・・・相’
！ｊ、ＪＨ続ら！　、　３９　、１３９．２３９．３３
９．４３９・・・相！ｊ接続物質、４５．４６・・・導
体、５０．５２・・・外部端子、５５　、１５５．２５
５．３５５．４５５・・・接合点。 特ｒ１出願人　アメリカ合衆国 代　（Ｉｌｊ　人　尾　股　行　維 Ｆｔ’ｇ、４ Ｆｔ’ｇ、　５ａ Ｆｔ”ｇ、５

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、複数の電解質壁と相互接続壁との列を有りる芯を備
   えｌこ、燃料とオキシダントとを電気化学的に化合させ
   て電気出力を発生さＵる燃料電池であつＣ；　前記各電
   解質壁は電解質物質の薄層を挾み込／ｖでいる陰極物質
   と＠接物質の薄層からなり；　前記各相互接続壁は相互
   接続物７１の１９層を挾み込んでいる陰極物質ど陽極物
   質の薄層からなり；　前記電解質壁の個々の部分は隣接
   覆る前記相互接続壁の個々の部分の間に配列されて、内
   側面が陽極物質のみｅ作られた燃わ１川陽極流路と内側
   面が陰極物１１のみ（・作られたΔキシグント用陰極流
   路とが各々’／Ｅい違いに配列されてなる複数の芯流路
   を形成しており：　燃料Ｊ５よびオニ１ニジダン１〜を
   それぞれ前記陽極流路Ｊ５よび陰殉流路を通して流づた
   めのマニホルドと、前記陽極物質および陰極物質から電
   −見出力を取出りための端子とを備えてＪ３す；　前記
   電解質壁と相互接続壁は不活性物質を実質的に含んでい
   ないことを特徴とづる燃料電池。