JPS61121268A - 高温固体電解質燃料電池装置 - 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】 本発明は、電気化学電池の構成に関する。

高温固体電解質型の燃料電池では、主として安定化ジル
コニアから成る固体電解質の穂い層（〜４０ｇｍ）を使
用して、たとえば−酸化炭素と水素の混合物等の未精製
燃料の化学エネルギーを８００℃以上の温度で直流電気
エネルギーに変換する。固体電解質の導電率を高めて抵
抗損失を少なくするために、上記のような高い温度が必
要となる。

個々の燃料電池は０．５〜１．０ボルトの電圧を発生す
るため、所望の出力電圧及び出力電流を得るためには、
多数の電池を直列及び並列に接続しなｌすればならない
、加えて、燃料電池集合体を適切な動作状態に保持する
ためには、電池の内部で各反応物が隔離され、電極の損
傷を防ぐ必要がある。更に、電池に供給される酸化剤を
動作温度近くにまで予熱しなければならない。

米国特許第４，３９５，４８８号明細書に記載されてい
る燃料電池発電装置は、上記の要求を満足する構造を提
案するものである。係属中の米国特許出願筒３２３，８
４１号に開示された電池相互間の接続方法を採用して、
個々の燃料電池を長さ方向に沿って電気的に直列及び並
列接続して抵抗損失を減少させ所望の出力電圧及び出力
電流を得ることができる。燃料電池の反応剤は、電池の
電極コンパートメント間を気密に密封する方法によって
ではなく、各電極コンパートメントの圧力差を制御する
ことにより隔離されており、使用済みの酸化剤及び燃料
は燃料室で合流して、管状の電池に至る空気供給管の内
部の流入酸化剤の予熱に利用される。

米国特許第４，３９５，４８８号明細書に開示された装
置の設計にはいくつかの欠点が残されている０発電装置
の電池積上げ体の周縁部の個々の電池は、絶縁または封
じ込めのための拘束壁部と接触している。接触の密接度
により、燃料が電気化学的な酸化を受けずに電池と壁の
接触区域に沿って漏れ出す可能性がある、界面に沿った
燃料の漏洩を最少限に抑えるためには、許容誤差の厳密
な管理、注意深い寸法管理及び適切な絶縁支持体を考慮
しなければならない。

個々の燃料電池の配置法としては、他の型式の配置も先
行技術として開示されてはいるが、環状型電池の配置法
についての開示はない、米国特許第３，７１７，５０８
号、第４，１７５，１８５号及び第４，２４８，９４１
号の明細書は、多数の平板形燃料電池を積み重ねた固体
電解質燃料電池に関する。これらの先行特許の設計は、
発電装置列を形成するために環状体ではなく平板体を接
続して使用する設計である。

従って、本発明は、複数の環状電池から成り、各電池が
環状の内側電極及び外側電極と中間に配設された電解質
を有する高温固体電解質燃料電池装置であって、複数の
電池が互いに隣接するほぼ平行な電池面を形成する網状
体の形に配列され、前記電池面がその平らな面を互いに
隣接させかつ前記複数の電池面の電池が隣接する電池面
の電池に対してほぼ直角に配列されており、共通する一
面上に配置された前記複数の電池が前記の平行な隣接す
る電池の長手方向にほぼ沿って電池の外側電極を接合す
る導電性相互接続部により並列電気接続されており、隣
接する面に対して垂直な複数の前記電池面が、１つの電
池の前記外側電極及び前記電解質に前記内側電極の選択
角度部分に沿って延びる導電性の相互接続部を有する不
連続部を設け、その相互接続部をそれと直角なもう１つ
の電池の外側電極の選択軸方向部分に電気接続して、直
列電気接続されていることを特徴とする燃料電池装置に
関する。

本発明は、更に、複数の環状電池から成り、各電池が環
状の内側電極及び外側電極と中間部に配列された電解質
を有する高温固体電解質燃料電池装置であって１．複数
の電池が互いに隣接するほぼ平行な電池面を形成する網
状体の形に配列され、前記電池面がその平らな面を互い
に隣接させかつ前記複数の電池面の電池が隣接する電池
面の電池に対してほぼ直角に配列されており、共通する
一面上に配置された前記複数の電池が、１つの電池の前
記外側電極及び前記電解質に前記内側電極の選択角度部
分に沿って延びる導電性の相互接続部を有する不連続部
を設け、その相互接続部を前記電池の長手方向にほぼ沿
って延びるもう１つの電池の外側電極に電気接続して、
直列電気接続され、隣接する面に対して垂直な前記の複
数の電池面が該電池の外側電極をもう一つの直角な電池
の外側電極の選択軸方向部分と接合する導電性相互接続
部により並列電気ｖｃ続されていることを特徴とする燃
料電池装置に関する。

環状燃料電池を互いに直角に交差する電池から成る網状
体に配列することにより、上記の制約を克服した環状の
燃料電池発電装置を得ることができる。複数の電池が互
いに平行に水平面上に配置されている。次に交互に直角
にして複数の面を垂直方今装置する。電池の開口端部か
ら供給管が延び、供給管は電池堅 がら空気予熱燃焼質として働く第−室を通って、空気が
供給されるプレナムに入る。管状燃料電池の閉鎖した外
側端部が第二室を形成し、燃料ガスはこの第二室に供給
される。この構造は、反応剤流を一定の制御流として空
気予熱燃焼室に入る前における反応剤の化学的な相互作
用を防止する米国特許第４，８９５゜４６８号明細書の
無シール型設計思想を保持する設計である。

動作時には、燃料は燃料管の外側電極上を通過し、酸化
剤即ち空気（酸素）は電池の内側電極上を通過して、再
反応剤は電気化学的に消費され化学エネルギーが電気エ
ネルギーに変換される。消費されたガス中の残存燃料及
び酸化剤は予熱燃焼第一室で合流して、そこで燃焼反応
を行い供給管に入って来る空気を加熱する。

本発明による新規な管状燃料電池を積上げた構成では、
複数の電池が正方形に配置され、複数の空気供給管が正
方形の各面に直角に延びる。電池積上げ体の周辺部が第
−室となり、空気予熱器として働くとともに空気が供給
されるプレナムとなる。正方形配置のコーナ一部分付近
の燃料電池の長さは正方形の側面の長さの約半分であり
、正方形の中心部付近の燃料電池の長さはコーナ一部分
付近の長さよりも短く、燃料電池積上げ体の中央に中心
ダクトが形成される。この中心ダクトが第二室を形成し
、この第二室内に燃料ガスが供給される。

燃料電池積上げ体に進入する燃料ガスを制御するために
、選択したいくつかの電池の長さを短くして通路を形成
するか、あるいは短い電池によってできた通路に所定の
気孔率の非反応性の管を配置することができる。

上記の型式の燃料電池発電装置を基準単位とし、第一室
及びプレナムのコーカ一部分及び第二室の内部に支持コ
ラムを設けることもできる。支持ビームが、所定高さの
選択支持コラムをまたぐ構造にする。中間部を電気接続
し気体連通にする手段が設けられる。

本発明をより明確に理解できるよう、添付の図面を参照
して、本発明の好ましい実施例について説明する。

米国特許第４，３９５，４８８号明細書の燃料電池発電
装置は、管の軸に沿って燃料電池と燃料電池を電気的に
接続する接続法を開示している。一つの列の複数の電池
のうちの一つが動作不良になると、より多くの電池が並
列にも接続されていない限り列全体の出力損失につなが
る。この発電装置のもう一つの潜在的な欠点は、燃料電
池がまっすぐでなければならず電気接点の信頼性を高め
るためには許容誤差が厳格に管理されていなければなら
ないことであり、管列に沿った電気接点の接着強度によ
って電池束の機械的な結合性能が決まってしまうことで
ある。第１１図に示すように、管束全体について、並列
方向９、直列方向１０まは対角線１１で破損が生じる可
能性がある。

以　　下　　余　　白 第２図に、燃料電池等の電気化学電池の構造を図示しで
あるが、この構造は、平面網目状に配置した複数の高温
固体電気化学環状電池１２及び１３から成る。この網目
構造では、電池は互いに隣接して平行に配置されて平面
を形成している。複数の平面がサンドインチ状に積層さ
れて平面積上げ体が形成される。各電池面は、電池の配
向方向に関して、隣接する電池面の電池に対して８０度
回転させて配列されている。

第３図に示すように、固体電解質燃料電池は外側環状電
極１４と、内側環状電極１８とを有し、中間に固体電解
質１８がある。電池内部の内側電極と隣接して安定化ジ
ルコニアから成る多孔質セラミック支持チューブ２０が
電池のほぼ長手方向に延びている。

再び第２図を参照して説明すると、各環状電池は開口端
部２２を持つ、各電池の他端部２４は閉鎖端部である。

電池の開口端部には供給管２Ｂがあり、反応剤の一方が
供給管から支持チューブ康の内部に供給される。

燃料電池には、第一ガス及び第二ガスの２種のガスが供
給される。一方のガスは水素または一酸化炭素のような
燃料ガスであり、他方のガスは空気のような酸素含有ガ
スである。酸素含有ガスは、電池上で反応させる前に動
作温度（約８００℃）付近にまで加熱しなければならな
い、第一ガスは、供給管２Ｂ及び支持チューブ２０を介
して、電池の内側電極上に送られる。第二ガスは、電池
の外壁である電池の外側電極１４を通って、電池の閉鎖
端部から電池の開口端部に向かう方向に送られる。

多孔質の支持チューブ２０は、第一ガスが通過するチャ
ンネルとして働く。空気は供給管２６を通って流入する
。空気流は各電池内部の閉鎖端部で向きを変えて、酸素
の乏しくなった空気流が電池の開口端部２２から出てゆ
く。

第一ガス及び第二ガスは互いに平行に流れる間に、外側
電極及び内側電極を透過して電気化学的に反応して、電
流及び熱を発生する。通常は、第一ガスが酸素含有ガス
であり、第二ガスが燃料ガスである。

このような配列では、未利用の燃料が発電装置の界面に
沿って電池の中間部から漏洩するのを防止できる。十字
結合した電池チューブでの席擦力により、発電装置の格
子の交差点における電気的な接触を保持しつつ電池相互
間の機械的な一体性能を向上できる。

各電池から発生する約０．５ポルト〜１．０ボルトの直
流を効率良く利用するために、好ましい実施例の個々の
電池は電池面内で並列電気接続され、第３図に示すよう
に各電池面が直列電気接続されている。

電池の電極を接合する金属繊維フェルト帯片２７のよう
な接触手段によって電気接続が行なわれる。係属中の米
国特許第３２３，８４１号明電極と他の電池の相互接続
体２８との接続は、金属繊維フェルト帯片２７によって
行なわれる空気を電池内部に供給する供給管は、電池の
閉鎖内端部から、第−室２３を通って、プレナム３０の
ような空気受容手段に延びている。

空気はプレナム３０に送入され、供給管２６を通って、
電池１２及び１３に入る。第−室２３内において、電池
から排出された、燃料が１０ｚ〜１５χに資化した燃料
排気と、酸素が約１５ｚに資化した酸化物排気とが混合
して、化学的燃焼によって反応を終結する。この燃焼に
より、電池１２及び１３に入る前に供給管２Ｂを通過す
る流入空気が予熱される。燃焼生成物は第一室排気手段
３２を通って排出される。

第二室３４は、電池の閉鎖端部付近に位置しており、燃
料ガスを受容する入口（図示せず）を有する。第二室に
供給された燃料は、電池１２及び１３の外側電極を通過
して、部分的に資化して第−室２９に流入し、第−室で
酸素のａ化した空気と反応した後に放出される。

好ましい配列では電池２２は開口端部を有し、供給管２
６は外方に電池配列体の半径方向周辺部に向かって延び
て好ましくは正方形コラムの形に配列されていて、供給
管が正方形コラムの四つの面から直角に延伸している。

配列体の半径方向周辺部に沿って第−室２３が電池の構
造体の周囲を取囲んでいる。

好ましい実施例においては、第二室３４は、燃料電池配
列構造体の内部に配置される。２種の異なる長さの電池
によって、第二室を形成するのが好ましい、第一の電池
Ｉ２の長さは、正方形コラムの側面のほぼ半分の長さで
あり、第二の電池１３の長さは、第二室の側部の長さと
して所望される長さのほぼ半分に等しい第一の長さか螢
→よりも短いに李キナ幡。

第一の長さの電池１２が正方形コラムのコーナ一部分付
近に配置され、第二の長さの電池Ｉ３はコラムの中央部
を貫通する第二室を形成する縁部中央付近に配置される
。供給管２６の寸法は、異なる長さの電池を流下する際
にほぼ等しい圧力降下がもたらされる寸法にしである。

上述のようにして複数の電池を所定高さに積み上げて、
モジュール（基準単位）を形成する。モジュール構造体
は、モジュールのコーナ一部分の第−室２９またはプレ
ナム３０の内部及び第二室３４の内部に位置するアルミ
ナ製の鉛直支持部材３Ｂのごとき支持手段と、所定の高
さ位置で選定した複数のコラム３Ｂをまたいでいるアル
ミナ製の支持ビーム３８とから画成される。所望する個
所でモジュールを電気的に接触させ、各モジュールの第
−室と第二室とを気体連通させるために、通常の電気接
続手段及び機械的接続手段が用いられる。電池からの電
力を得るための接触は平面的に行なわれ、一枚の接続板
により電池面への導電接続をするかあるいは接続板群に
より電池面へ導電接続して電池積上げ体の正極端子とし
、電池積上げ体の他方電池面から同様にして他方極部ち
負極電気接触端子をつくる。同一発明者による米国特許
第４，４３１，７１５号の明細書は、電池の電気的接触
手段を教示している。一つのモジュールの最終電池面の
金属集電器を次のモジュールの最初の電池面の金属集電
器に接触させて、各モジュールを電気的に接続する。

積み重ねたモジュールの上部または底部から第二室に燃
料ガスを供給する。積重ねたモジュールの全側面から空
気を供給することができる。

電池の網目構造の内部から外側に向けて浸透する燃料ガ
スの流速は、次第に減速する。

この結果、電極付近は、滞留する時間が長くなるので積
上げ体周縁部の流体密度の低い領域における燃料の消費
は促進され、中心付近　。

における流体密度の高い領域における濃度の高い燃料流
はより高い速度で流下する。

特に、燃料電池発電装置の対角線に沿った方向では、燃
料消費が不均一なる可能性がある。しかしながら、各電
池には均一な電圧が印加されるから、発電装置の対角線
に沿って発電装置のコーナ一部分の方向に燃料が均一に
消費されるように電流がシフトする。

発電装置に変更を加えて、電池モジュール全体での均一
な燃料消費及び均一な電気出力が得られるようにするこ
とができる。たとえば電池４０のような選定した複数の
電池を、電池群の他の大多数の電池よりも短くしておい
て、燃料がより自由により深く浸透する設計にする。管
４２で示すように、所定の気孔率を持つ同じ程度の寸法
の管を空所に挿入することにより、短くした電池により
空所が形成される結果書られる燃料通路へ流入する燃料
の分散度及び量を更に制御することもできる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、従来型の燃料電池の配列を示す概略断面図で
ある。 第２図は１本発明による電気化学電池の構造の断面を示
す平面図である。 第３図は、管状燃料電池の断面図であり、直列電気接続
及び並列電気接続を示す図である。 １２．１３・・・・電池 １４・・・・外側環状電極 １６・・・・内側環状電極 １８・・・・固体電解質 ２０・・・・支持チューブ ２２・・・・開口端部 ２４・・・・閉鎖端部 ２６・・・・供給管 ２９・・・・第−室 ３０・・・・プレナム ３４・・・・第二室

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、複数の環状電池から成り、各電池が環状の内側電極
   及び外側電極と中間に配設された電解質を有する高温固
   体電解質燃料電池装置であって、複数の電池が互いに隣
   接するほぼ平行な電池面を形成する網状体の形に配列さ
   れ、前記電池面がその平らな面を互いに隣接させかつ前
   記複数の電池面の電池が隣接する電池面の電池に対して
   ほぼ直角に配列されており、共通する一面上に配置され
   た前記複数の電池が前記の平行な隣接する電池の長手方
   向にほぼ沿って電池の外側電極を接合する導電性相互接
   続部により並列電気接続されており、隣接する面に対し
   て垂直な複数の前記電池面が、１つの電池の前記外側電
   極及び前記電解質に前記内側電極の選択角度部分に沿っ
   て延びる導電性の相互接続部を有する不連続部を設け、
   その相互接続部をそれと直角なもう１つの電池の外側電
   極の選択軸方向部分に電気接続して、直列電気接続され
   ていることを特徴とする燃料電池装置。 ２、複数の環状電池から成り、各電池が環状の内側電極
   及び外側電極と中間部に配列された電解質を有する高温
   固体電解質燃料電池装置であって、複数の電池が互いに
   隣接するほぼ平行な電池面を形成する網状体の形に配列
   され、前記電池面がその平らな面を互いに隣接させかつ
   前記複数の電池面の電池が隣接する電池面の電池に対し
   てほぼ直角に配列されており、共通する一面上に配置さ
   れた前記複数の電池が、１つの電池の前記外側電極及び
   前記電解質に前記内側電極の選択角度部分に沿って延び
   る導電性の相互接続部を有する不連続部を設け、その相
   互接続部を前記電池の長手方向にほぼ沿って延びるもう
   １つの電池の外側電極に電気接続して、直列電気接続さ
   れ、隣接する面に対して垂直な前記の複数の電池面が該
   電池の外側電極をもう一つの直角な電池の外側電極の選
   択軸方向部分と接合する導電性相互接続部により並列電
   気接続されていることを特徴とする燃料電池装置。 ３、複数の供給管が一端部を通って電池の内部に延びて
   おり、電池の他端部は閉鎖されており、第一室が供給管
   付近に配置され、第二室が電池の閉端部付近に配置され
   、前記第一室が第一ガスを受容する手段を有し、第一ガ
   スの一部は供給管を介して内側電極に送られ、第一ガス
   の残部は供給管を通過して第一室の排気手段に送られ、
   前記第二室が第二ガスを受容する入口を有し、第二ガス
   は外側電極を通過して第一室に送入されて第一室内で第
   一ガスと混合し反応して第一室の排気手段を介して排出
   されることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の
   装置。 ４、供給管が電池の配列体の外側の電池開口端部から延
   びており、電池の配列体の半径方向周辺部に沿って第一
   室が電池の配列体を取囲んでおり、第二室が前記の電池
   の配列体の内部に配置されて電池の閉端部によって境界
   部が形成されるように複数の電池を配列したことを特徴
   とする特許請求の範囲第３項に記載の装置。 ５、複数の電池が正方形コラム形に配置され、前記正方
   形コラムの四面の各々から直角に延びる供給管を持つ実
   質的に同数の電池が配置されていて、前記電池が異なる
   ２様の長さを持ち、第一の長さは前記正方形コラムの一
   側面の長さのほぼ２分の１の長さであり、第一の長さの
   電池は前記正方形コラム形構造体のコーナー付近に配置
   され、正方形の第二室の一側面の長さの２分の１の長さ
   だけ前記第一の長さよりも短い第二の長さの電池が前記
   の正方形コラム形構造体の縁部中央部付近に配置されて
   前記の第一の長さの電池の中間部分を占めていることを
   特徴とする特許請求の範囲第４項に記載の装置。 ６、複数の電池が所定高さに積み上げられており、第一
   室またはプレナムの内部及び第二室の内部に位置する支
   持コラム手段と、所定高さ位置で選択支持コラム手段を
   またいでいる支持ビームと、モジュール間を電気的に接
   続する手段と、接合しているモジュール間において対応
   する第一室及び対応する第二室とを接続する手段とを持
   つモジュールに複数の電池が含まれていることを特徴と
   する特許請求の範囲第４項に記載の装置。 ７、選択した複数の電池が所定長さの短いもので、電池
   の配列体の内部に前記第二ガスがより深く浸透できるよ
   うに構成されていることを特徴とする特許請求の範囲第
   ３項、第４項、第５項または第６項に記載の装置。 ８、選択した短い電池によってできる空所が所定の気孔
   率の管によって占有されていることを特徴とする特許請
   求の範囲第７項に記載の装置。 ９、内側電極の内部に環状の支持チューブが配設されて
   いることを特徴とする特許請求の範囲第１項または第２
   項に記載の装置。