JP2003045455A

JP2003045455A - 高温固体酸化物型燃料電池

Info

Publication number: JP2003045455A
Application number: JP2001225313A
Authority: JP
Inventors: Shigeyoshi Kobayashi; 成嘉小林; Shinichi Inage; 真一稲毛; Hiromi Koizumi; 浩美小泉; Akinori Hayashi; 林　　明典; Katsuyuki Yamazaki; 勝幸山崎
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2001-07-26
Filing date: 2001-07-26
Publication date: 2003-02-14

Abstract

(57)【要約】【課題】各セルを夫々単独で交換可能とする。【解決手段】電解質の円筒状部材と、該円筒状部材の内
側及び外側で夫々設けられた電極材とを有する単セルを
備えた高温個体酸化物型燃料電池であって、前記円筒状
部材の一方の側に該単セルを支持する支持部材を設け、
夫々の電極材から前記一方の側に配線を導く。【効果】各セルを夫々単独で交換可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高温固体酸化物型
燃料電池に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の燃料電池では、インターコネクト
方式の電流取り出し構造が採用され、複数の電池セルが
各インターコネクト部で相互に接触したモジュール構造
となっている。そのため、接触部分の抵抗を低減するた
めに、外部から何らかの力が加えられ、接触に伴う電気
抵抗の低減が図られている。

【０００３】また、インターコネクト方式でない場合に
は、各セルごとに正負両極からの電流取り出し線を設け
なければならず、円筒形セルでは、取り出し部、特に外
表面からの取り出し部は燃料或いは空気供給用ヘッダー
部のシールが必要となる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】インターコネクト方式
の燃料電池モジュール構造では、図１に示すように、モ
ジュールごとに１つの連携した構造物として取り扱う必
要があり、モジュール内の１つが不良となった場合、モ
ジュール全体を交換しなければならず、しかも外部から
の力が加えられているため、起動時などのように急激な
温度変化が加わる場合には、セル単体の内部温度分布に
伴い発生する熱応力に、外部からの力によって発生する
応力が重ね合わされ、複雑な応力発生となり、大きな応
力が発生しないようなゆっくりとした温度上昇が必要と
なる。

【０００５】一方、円筒形セルのモジュールの場合、図
２に示すように、円筒形セルを燃料或いは空気供給用ヘ
ッダーへ設置する際、強度的な面でのサポートと、燃料
或いは空気を漏らさないためのシール性が要求され、取
付部を接着剤でシールをかねた接合を行うことになり、
セラミックスと金属との接合のため、不良セルを単独で
取り替えるためにはこの接合部を分離しなければならな
いが、再利用可能な状態での分離ができず、モジュール
全体の交換が必要となる。

【０００６】このように、外部からの力による応力の発
生がないようにインターコネクト方式の構造にしないこ
とや、また、各セルごとに電流取り出し構造を備え、単
独での交換が可能な、急速起動時にも応力の発生が小さ
な、信頼性の高い高温固体酸化物型燃料電池を提供する
ことが望まれる。

【０００７】本発明の目的は、各セルを夫々単独で交換
可能な高温固体酸化物型燃料電池を提供することにあ
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の高温固体酸化物
型燃料電池は、電解質の円筒状部材と、該円筒状部材の
内側及び外側で夫々設けられた電極材とを有する単セル
を備えた高温固体酸化物型燃料電池であって、前記円筒
状部材の一方の側に該単セルを支持する支持部材を設
け、夫々の電極材から前記一方の側に配線を導くことを
特徴とする。

【０００９】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態によれば、円
筒形状単セルの一端に金属製の鞘部材とセル電解質チュ
ーブとを接合することにより、この鞘部材部分でセルを
支持し、同時に燃料、あるいは空気ヘッダー部とのシー
ル部とすることで、外部からの力による応力発生のな
い、単セルでの交換が可能な、急速起動の可能な高温固
体酸化物型燃料電池を提供することができる。

【００１０】上記の構造では、鞘部材と電池固定部とは
ネジ構造とし、電池外表面からの電流取り出し部を上記
鞘部材の電気的絶縁部を通して外部に接続、あるいは固
定部側の周囲を電気的に絶縁するなどにより、各セルを
電気的に独立した状態でモジュールを構成することがで
き、単セルごとの交換による低コスト、かつ信頼性の高
い電池モジュール構造が可能となる。

【００１１】本発明は、高温固体酸化物型燃料電池の構
造、特に、円筒形電池セル、及びモジュール構造に関
し、セル単体での交換が可能なモジュールを提供するこ
とにあり、本モジュールを温水器，ファンヒーター，ガ
スタービン、あるいは固体高分子形燃料電池などと組み
合わせることで熱・電気，電気・電気、あるいは電気・
化学反応物などのハイブリッド出力が得られ、分散型発
電システムに好適な特性が達成できる。

【００１２】図３は、本発明による高温固体酸化物型燃
料電池の単セル基本構造を示したものである。図３にお
いて、参照番号１は単セル全体を示す。

【００１３】単セル１は、円筒形状で、部分安定化ジル
コニアＹＳＺを材料とする電解質チューブ５の内外面に
夫々電極を備えている。つまり、電解質チューブ５の内
面に、ニッケルをベースとする燃料極側電極２０を設
け、電解質チューブ５の外面に、Ｌａ／Ｓｒ／ＭｎＯ₃
系などの空気極側電極１０が設置されている。このよう
に、電解質との間に界面を形成している。

【００１４】電解質，燃料、および空気極電極で構成さ
れる電気化学反応場で発生した電流は、それぞれの電極
に接続された電流取出部１１，２１から外部へ取り出さ
れる。これらの電流取り出しは各電極とその接続部１
２，２２で電極内の電荷を取り出し部へ移動させること
になる。これらの電流取出部１１，２１は、銀線，Ｎｉ
−Ｃｒ線，Ｎｉ線あるいはNimonic 線などのワイアーで
あったり、これら素材のメッキ，溶射，蒸着などによっ
て形成することができる。

【００１５】電解質チューブ５の一端では、鞘部材３０
が接合部３３で電解質チューブの外側に接合されてい
る。この鞘部材３０はセラミックス，金属製のどちらで
も良く、セラミックスの場合には直接、鞘部材３０の電
流取り出し口からリード線である電流取出線１６で取り
出すことができる。また、金属製鞘部材の場合には、鞘
部に絶縁加工、例えばセラミックスチューブ、あるいは
セラミックス溶射などの絶縁部１３により電気的に絶縁
させ、その空間をセラミックス系の接着剤で充填するこ
とで、シールの問題もなく取り出すことができる。金属
鞘部材としては、セラミックスと熱膨張率が近い低熱膨
張率の金属材料、例えば、コバール，４２アロイなどが
適している。また、鞘部材３０と電解質チューブ５との
接合には、セラミックス同士の場合にはセラミックス系
の接着剤，金属／セラミックスの場合にはセラミックス
系接着剤、あるいは高温ロー付け，拡散接合などの方法
がある。

【００１６】単セル１は、鞘部材３０によりセル支持板
３２に取り付けられるが、流入燃料２３と酸化剤となる
空気の流れ１４とを分離するため、セル支持板３２と鞘
部材３０との間でシールを行うことになり、図３のよう
にネジ部３１を設けることでその機能を実現することが
できる。

【００１７】このような構造とすることで、単セル１が
壊れた場合、壊れた単セル１のみを交換することがで
き、モジュール全体を交換する場合に比べ、保守費用を
安いものにすることができる。しかも、電解質チューブ
５の内側に燃料を供給し、外側に空気を供給して運転す
る場合、流入燃料２３から空気の流れ１４へ燃料が漏れ
ることを防止でき、直接燃焼による局所的な高温部発生
防止、および燃料の無駄使いを防止することができ、信
頼性も確保できる。

【００１８】以上のように、電解質の円筒状部材と、該
円筒状部材の内側及び外側で夫々設けられた電極材とを
有する単セルを備えた高温固体酸化物型燃料電池であっ
て、前記円筒状部材の一方の側に該単セルを支持する支
持部材を設け、夫々の電極材から前記一方の側に配線を
導くことにより、各セルを夫々単独で交換可能な高温固
体酸化物型燃料電池を提供することができる。

【００１９】図４は、図３に示す基本構造で、電解質チ
ューブ５の出口側を閉止プラグ９で塞いだ構造であり、
単セル１の内部には燃料を供給する燃料導入管６７が挿
入されている。供給された流入燃料２３は一度、電池出
口側まで供給された後、電気化学反応を進めながら、再
び入り口側へ戻り、未反応燃料２４として電池外部へ放
出される。このような構造に於いても、本実施例の鞘部
材３０による効果が得られる。

【００２０】図５は、図３の単セル構造において、鞘部
材取り付け端の反対側電解質チューブ端部を斜めにカッ
トした構造を示している。このようにすることで電解質
チューブ５の内面側、すなわち燃料極側電極２０への電
流取出部２１と電極との接続部における接触状態を確実
なもの、あるいはその状態を確認することができ接触抵
抗などによる性能低下を防止することができる。

【００２１】インターコネクト方式の燃料電池モジュー
ル構造では、図１の円筒型セルタイプ固体電解質型燃料
電池１０１に示すように、セル集合体１０２，集電板１
０５，集電棒１０８，押付手段１０９,吊りロッド１０
０,インターコネクター１１０を備えている。このよう
な構造では、モジュールごとに１つの連携した構造物と
して取り扱う必要があり、モジュール内の１つが不良と
なった場合、モジュール全体を交換しなければならず、
しかも外部からの力が加えられているため、起動時など
のように急激な温度変化が加わる場合には、セル単体の
内部温度分布に伴い発生する熱応力に、外部からの力に
よって発生する応力が重ね合わされ、複雑な応力発生と
なり、大きな応力が発生しないようなゆっくりとした温
度上昇が必要となる。

【００２２】一方、円筒形セルのモジュールの場合、図
２に示すように、単セル１１１，マニホールド１１２，
容器１１３を備え、燃焼用触媒１１４，流入空気１１５
により動作し、排気ガス１１６を排気する。このような
場合には、円筒形セルを燃料或いは空気供給用ヘッダー
へ設置する際、強度的な面でのサポートと、燃料或いは
空気を漏らさないためのシール性が要求され、取付部を
接着剤でシールをかねた接合を行うことになり、セラミ
ックスと金属との接合のため、不良セルを単独で取り替
えるためにはこの接合部を分離しなければならないが、
再利用可能な状態での分離ができず、モジュール全体の
交換が必要となる。

【００２３】（実施例１）図６は本発明の実施例２を示
す。セラミックスなどの絶縁板４９の上に、導電部５６
が印刷技術などにより設置され、単セルからの電流取出
線１６，電流取出部２１をこの導電部５６に同図のよう
に最外周の単セルを直列、それ以外の単セル１をまた別
の直列に接続することで、これら二つの直列シリーズ単
セル群を並列的にも、直列的にも出力することができ
る。

【００２４】（実施例２）図７は本発明の実施例３を示
す。複数の単セル１は鞘部材３０で導電部パターンを設
置された絶縁板４９を介在させてセル支持板３２に取り
付けられ、その単セル入口７は燃料ヘッダー２８に連通
し、各単セルは空気整流板５０の開口部を通り、単セル
出口８の下流には燃料と空気とを混合させ、その出口で
燃焼させる起動兼アフターバーナー用ノズル４５が設け
られている。このノズルの下流には予熱空気１８を予熱
するための空気予熱器が取り付けられ、起動時には、燃
料配管から燃料ヘッダー２８に供給された燃料と空気配
管から単セル入口７近傍に供給された空気が空気の流れ
１４のようにこのノズル内で混合し、その出口で外部か
らのエネルギで着火され、高温の燃焼ガスにより空気を
予熱することで、単セル温度を電池反応開始温度以上に
上昇させる。電池反応が始まる温度になるまでに、流入
燃料２３は燃料加湿器２６で加湿され、電池反応部の温
度上昇により、その部分に設置された部分改質器２７で
一部改質された燃料２９として燃料ヘッダー２８へ供給
される。燃料ヘッダー２８へ供給された改質された燃料
２９は、単セル入口７から単セル出口８へ向かって電解
質チューブ５の内側を流れ、空気極側電極１０，燃料極
側電極２０で構成される電池部で電気化学反応により電
流を発生し、燃料の一部は未反応のまま単セル出口８か
ら電池外へ流出する。この未反応燃料２４は、単セル１
の外側を流れる空気の流れ１４の残存酸素と反応し、起
動兼アフターバーナー用ノズル４５の出口部で直接燃焼
し、空気温度を上昇させる。この高温ガスから空気予熱
器１８はエネルギーを回収し、回収したエネルギーで電
池反応を維持するための予熱空気として雰囲気温度を維
持する。当然、電池反応部からの熱損失による温度低下
を防止するため、電池全体は断熱材４０で囲われ、その
周囲を強度部材としての電池モジュール容器５５で覆わ
れている。

【００２５】空気予熱器１８を通過した燃焼ガスは、空
気に熱を与えた後も、まだ雰囲気温度よりも十分高い温
度であり、この排気ガス４６から熱を回収し、利用する
ことは十分に可能である。

【００２６】本実施例によれば、起動用のバーナーを別
置することなく、単セル１をバーナーとして兼用するた
め、構造をシンプルにすることにより、低コストで信頼
性の高い電池モジュールを得ることができる。

【００２７】（実施例３）図８は、本発明の実施例５を
示す。給湯器は燃焼用空気を供給するファン６０とこの
ファン６０からの空気と燃焼用ノズル６６に供給される
燃料により、燃焼ノズル６６後流の燃焼領域７０で高温
の燃焼ガス７１を生成し、この高温の燃焼ガス７１によ
り熱交換器６８内に供給された給水６４を加熱し、温水
６５として外部に供給する装置である。なお、イグナイ
ター６３を備えている。この給湯機内に複数の単セル１
から構成される電池モジュール２を給湯器の燃焼用ノズ
ル６６の下流に設置し、ノズルの下流に形成される燃焼
領域７０からの高温燃焼ガス７１で電池反応温度以上に
昇温し、この燃焼ガス中の残存酸素を利用し、単セル１
を備えた電池モジュール２に燃料導入管６７を介して供
給された流入燃料２３とで電池として作動し、電気出力
を外部に提供することができる。電池に供給された流入
燃料２３はすべて電池で消費されるより過剰に供給する
ことで、電池部での入熱と反応生成物、ここでは水、あ
るいは一部都市ガス中のメタンが改質された状態で給湯
器燃料ヘッダー６２へ供給されることで、熱の回収，水
分の存在，改質燃料による反応時の吸熱量低下などによ
り、燃焼効率の向上とＮＯｘ低減効果が得られる。ま
た、本図には示してないが、電池で得られた電気出力を
燃焼用空気供給ファンの電源として利用することで、外
部電源の不要な給湯器として、電源供給設備のないとこ
ろでも稼働することが可能となる。

【００２８】（実施例４）図９は、本発明の実施例７を
示す。ファンヒーターは、ファン７３を駆動するファン
駆動用モータ７２を備え、燃焼用空気を供給するファン
７３とこのファン７３からの空気の一部と燃焼用ノズル
６６に供給される燃料により、燃焼ノズル後流の燃焼領
域７０で高温の燃焼ガス７１を生成し、この高温ガスに
よりファン７３により外部から吸い込まれ低温の空気６
９と混合し、ファン７３から温風７４として供給する装
置である。このファンヒーター内に複数の単セル１から
構成される電池モジュール２を燃焼用ノズル６６の下流
に設置し、ノズルの下流に形成される燃焼領域７０から
の高温の燃焼ガス７１で電池反応温度以上に昇温し、こ
の燃焼ガス中の残存酸素を利用し、電池モジュール２に
供給された流入燃料２３とで電池として作動し、電気出
力を外部に提供することができる。電池に供給された流
入燃料２３はすべて電池で消費されるより過剰に供給す
ることで、電池部での入熱と反応生成物、ここでは水、
あるいは一部都市ガス中のメタンが改質された状態で給
湯器の燃料ヘッダー６２へ供給されることで、熱の回
収，水分の存在，改質燃料による反応時の吸熱量低下な
どにより、燃焼効率の向上とNOx低減効果が得られる。
また、本図には示してないが、電池で得られた電気出力
を燃焼用空気供給ファンの電源として利用することで、
外部電源の不要なファンヒーターとして、電源供給設備
のないところでも稼働することが可能となる。

【００２９】（実施例５）図１０は、本発明の実施例８
を示す。ガスタービン用燃焼器は、圧縮機で加圧された
燃焼用空気６１を燃焼器内筒８２と燃焼器外筒８３との
間をとおり、バーナーへ供給し、この部分で燃料と混合
しながら燃焼する拡散燃焼、あるいは予め燃料と空気と
を混合した上で燃焼する予混合燃焼法などで高温ガスを
生成し、この高温高圧ガスである燃焼ガス７１をタービ
ンへ供給し、仕事を行わせ動力を得るために設置されて
いる。このガスタービン内に複数の単セル１で構成され
る電池モジュール２をパイロットバーナー８１の下流に
設置し、圧縮機からの高圧の燃焼用空気６１をパイロッ
トバーナー８１で電池作動温度以上に昇温させ、電池モ
ジュール２へ供給し、流入燃料２３を燃焼器外筒８３の
外部から部分改質器２７の改質部へ供給し、一部改質さ
れた燃料を燃料ヘッダー２８へ供給し、先の予熱空気１
８が空気整流板５０の開口部から単セル１に沿って流
れ、単セル１内部に供給された燃料と電気化学反応で電
流を発生することになる。

【００３０】電池モジュール２に供給される燃料は、電
池反応に必要な燃料流量以上に供給されることから、未
反応の燃料２４は単セル出口８に設置された起動兼アフ
ターバーナー用ノズル４５で予熱された空気と混合し、
その下流部で燃焼し、高温の燃焼ガス７１となってター
ビンへ供給され、外部へ動力を提供する。

【００３１】本実施例によれば、電池での電気出力とそ
の高温排ガスをガスタービンで動力に変換できることか
ら、熱効率，信頼性とも高い発電システムを提供するこ
とができる。

【００３２】（実施例６）図１１は、本発明の実施例９
を示す。再生熱交換器付きガスタービン発電システムで
は、圧縮機８４で加圧された燃焼用空気は圧縮機８４を
でた後、再生熱交換器８７へ供給され、この熱交換器で
タービン８５からの高温排気ガスとの熱交換で６００℃
以上に昇温され、燃焼器へ燃焼用の予熱空気１８として
バーナー部へ供給され、さらに昇温されてた後、この高
温高圧の燃焼ガス７１がタービン８５へ供給され、発電
機８６で電力を得ている。このようなガスタービン燃焼
器内に複数の単セル１で構成される電池モジュール２を
前記バーナーの代わりに設置し、再生熱交換器８７へ供
給されるタービン排気ガス温度が低く、燃焼器へ戻され
る予熱空気１８の温度が電池作動温度より低い間は、電
池モジュール２は燃焼バーナーとして作動する。この際
の電池モジュール２の動作は、外部から供給された流入
燃料２３を単セル出口８に設置された起動兼アフターバ
ーナー用ノズル４５内へ噴出し、圧縮機８４からの空気
と混合し、その下流部に燃焼領域７０を形成し、高温の
燃焼ガス７１をタービン８５へ供給することになる。予
熱空気１８の温度が電池作動温度以上になれば、その後
の動作は図９と同様となる。

【００３３】本実施例によれば、燃焼器バーナーを電池
モジュール２で兼用することができ、低コストで熱効
率，信頼性とも高い発電システムを提供することができ
る。

【００３４】（実施例７）図１２は、本発明の実施例１
０を示す。外部改質形の燃料電池発電システムでは、改
質装置９０内に起動用のバーナー９１を設置し、この起
動用バーナー９１で改質触媒部９２を作動温度条件まで
加熱し、その後、バーナーを停止し、改質用の流入燃料
２３を供給し、改質反応により温度維持を行っている。
なお、起動用燃料９４を供給する系統も備えている。

【００３５】本実施例では、電池モジュール２を構成す
る単セル１の径を小さくすることで、急速にセル温度を
上昇させてもセルが熱応力により破損することがなく、
非常に短い時間で電池を作動することが可能であること
から、外部側の改質装置９０の上流に電池モジュール２
を設置し、この電池モジュール２を急速起動し、その高
温の排気ガス４６で外部側の改質触媒部９２を作動温度
まで加熱し、それ以後は外部改質装置への排気ガス供給
をバイパス９５させ、流入燃料２３を改質触媒部９２へ
供給し、改質ガス９３を電池へ供給し、改質反応に伴う
発熱で温度を維持し、自立した運転を行うことができ
る。

【００３６】本実施例によれば、外部改質形燃料電池発
電システムにおいて、急速起動が可能になり、電力の需
要にあわせた燃料電池ＯＮ−ＯＦＦによる運転が可能と
なる。

【００３７】以上のような、実施例によれば、円筒形状
単セルの一端に金属製の鞘材とセル電解質チューブとを
接合することにより、この鞘部材でセルを支持し、同時
に燃料、あるいは空気ヘッダー部とのシール部とするこ
とで、外部からの力による応力発生のない、単セルでの
交換が可能な、急速起動の可能な高温固体酸化物型燃料
電池モジュールを提供することができ、単セルが壊れた
場合、壊れた単セルのみを交換することができ、モジュ
ール全体を交換する場合に比べ、保守費用を安いものに
することができる。しかも、電解質チューブ５の内側に
燃料を供給し、外側に空気を供給して運転する場合、流
入燃料２３から空気の流れ１４へ燃料が漏れることを防
止でき、直接燃焼による局所的な高温部発生防止により
信頼性の向上も確保できる。

【００３８】また、起動用のバーナーを別置することな
く、単セルをバーナーとして兼用するため、構造をシン
プルにすることにより、低コストで信頼性の高い電池モ
ジュールを得ることができる。

【００３９】また、本実施例を給湯器，ファンヒータな
どへ適用した場合、熱効率の向上と電池で得られた電気
出力を燃焼用空気供給ファンの電源として利用すること
で、外部電源の不要な給湯器，ファンヒーターとして、
電源供給設備のないところでも稼働することが可能とな
る。

【００４０】また、本実施例をガスタービン燃焼器へ適
用した場合、設備をほとんど変えることなく、熱効率，
信頼性の高い発電システムを提供できる。

【００４１】また、本実施例を外部改質型燃料電池発電
システムへ適用した場合、急速起動が可能になり、電力
の需要にあわせた燃料電池ＯＮ−ＯＦＦによる運転が可
能となる。

【００４２】従って、本実施例によると、インターコネ
クト方式の構造ではないため、外部からの力による応力
の発生はなく、また、各セルごとに電流取り出し構造を
備え、単独での交換が可能な、急速起動時にも応力の発
生が小さな、信頼性の高い高温固体酸化物型燃料電池を
提供することができる。

【００４３】

【発明の効果】本発明によると、各セルを夫々単独で交
換可能な高温固体酸化物型燃料電池を提供することでき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】インターコネクト方式の高温固体酸化物型燃料
電池のスタック構造。

【図２】インターコネクトレス方式のスタック構造。

【図３】本発明の一実施例による高温固体酸化物型燃料
電池単セルの基本構造。

【図４】本発明の一実施例による高温固体酸化物型燃料
電池単セルの片端閉止の基本構造。

【図５】本発明の一実施例による先端斜めカットの高温
固体酸化物型燃料電池単セルの基本構造。

【図６】本発明の一実施例による電池スタックモジュー
ルの電気回路構成例。

【図７】本発明の一実施例による電池スタックモジュー
ルの構造例。

【図８】本発明の一実施例による熱，電気併給給湯器の
構成例。

【図９】本発明の一実施例による熱，電気併給ファンヒ
ータの構成例。

【図１０】本発明の一実施例による高温固体酸化物型燃
料電池内蔵の燃焼器構造例。

【図１１】本発明の一実施例による再生熱交型ガスター
ビンの燃料電池内蔵燃焼器構造例。

【図１２】本発明の一実施例による外部改質型燃料電池
システムの構成例。

【符号の説明】

１，１１１…単セル、２…電池モジュール、５…電解質
チューブ、６…斜めカット部、７…単セル入口、８…単
セル出口、９…閉止プラグ、１０…空気極側電極、１
１，２１…電流取出部、１２，２２…接続部、１３…絶
縁部、１４…空気の流れ、１６…電流取出線、１７，１
１５…流入空気、１８…予熱空気、２０…燃料極側電
極、２３…流入燃料、２４，２９…燃料、２７…部分改
質器、２８…燃料ヘッダー、３０…鞘部材、３１…ネジ
部、３２…セル支持板、３３…接合部、４０…断熱材、
４５…起動兼アフターバーナー用ノズル、４６…排気ガ
ス、４９…絶縁板、５０…空気整流板、５５…電池モジ
ュール容器、５６…導電部、５７…導電部ターミナル
部、６０…ファン、６１…燃焼用空気、６２…燃料ヘッ
ダー、６３…イグナイター、６４…給水、６５…温水、
６６…燃焼用ノズル、６７…燃料導入管、６８…熱交換
器、６９…空気、７０…燃焼領域、７１…燃焼ガス、７
２…ファン駆動用モータ、７３…ファン、７４…温風、
８１…パイロットバーナー、８２…燃焼器内筒、８３…
燃焼器外筒、８４…圧縮機、８５…タービン、８６…発
電機、８７…再生熱交換器、９０…改質装置、９１…バ
ーナー、９２…改質触媒部、９３…改質ガス、９４…起
動用燃料、９５…バイパス、100…吊りロッド、１０１
…円筒型セルタイプ固体電解質型燃料電池、１０２…セ
ル集合体、１０５…集電板、１０８…集電棒、１０９…
押付手段、１１０…インターコネクター、１１２…マニ
ホールド、１１３…容器、１１４…燃焼用触媒。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｈ０１Ｍ 8/12 Ｈ０１Ｍ 8/12 (72)発明者小泉浩美茨城県日立市大みか町七丁目２番１号株式会社日立製作所電力・電機開発研究所内 (72)発明者林明典茨城県日立市大みか町七丁目２番１号株式会社日立製作所電力・電機開発研究所内 (72)発明者山崎勝幸東京都千代田区神田駿河台四丁目６番地株式会社日立製作所内Ｆターム(参考） 5H026 AA06 CV02 CV03 5H027 AA06 BA02 BC00 CC00 DD02 DD06

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】安定化ジルコニア等を電解質としその両面
にＬａ／Ｓｒ／ＭｎＯ₃ 系，Ｎｉ系などの電極材などか
ら構成される高温固体酸化物型燃料電池において、円筒状の電解質チューブの一端に前記燃料電池の燃料あ
るいは空気をシールするための鞘材を取り付け、この鞘
材により燃料電池を支持するとともに、この鞘材部を通
して円筒外面側の電極からの電流を取り出すことによ
り、燃料電池単セルを個別に取り外し可能な構造とした
ことを特徴とする高温固体酸化物型燃料電池。
【請求項２】請求項１記載の高温固体酸化物型燃料電池
において、前記単セルを複数を集合させ、該単セルの鞘部材で該単
セルを固定するセル支持板の上に回路基板を兼ねたセラ
ミックスなどの絶縁板に、直列あるいは並列、または直
列と並列を組み合わせた導電部に該単セルからの電流取
り出し線を接続し、このセル支持板と密封された空間で
構成される燃料あるいは空気ヘッダーに該単セルの内部
が連通し、該単セルの交換が可能なモジュール構造とし
たことを特徴とする高温固体酸化物型燃料電池。
【請求項３】請求項２に記載の高温固体酸化物型燃料電
池において、前記モジュール構造では、鞘部材で燃料あるいは空気ヘ
ッダーに連通した入り口部を有する単セルの出口部に、
単セルから流出する電池反応に利用されなかった燃料、
あるいは空気中酸素を燃料電池反応用に供給された未利
用の空気中酸素あるいは燃料と反応させるノズル部分を
設け、さらにこの下流に電池反応抵抗に伴う損失による
発生熱、および反応に使われなかった燃料と空気との燃
焼による発熱で高温となった燃焼ガスから熱を回収する
ための熱交換器を設け、燃料電池起動時にこの熱交換器
に空気を、同時に単セルに燃料を供給し、両者を電池出
口部で燃焼させることにより高温ガスを生成し、この熱
を熱交換器で回収することにより空気を予熱し、この空
気を単セルに供給することで電池温度を電池反応開始温
度以上に加熱することにより電池本体を起動用バーナー
として兼用することを特徴とする高温固体酸化物型燃料
電池。
【請求項４】燃料の直接燃焼により高温ガスを発生し、
この高温ガスから熱を得ることで温水を生成する給湯器
において、安定化ジルコニア等を電解質としその両面にＬａ／Ｓｒ
／ＭｎＯ₃ 系，Ｎｉ系などの電極材などから構成される
高温固体酸化物型燃料電池であって、円筒状の電解質チ
ューブの一端に前記燃料電池の燃料あるいは空気をシー
ルするための鞘材を取り付け、この鞘材により燃料電池
を支持するとともに、この鞘材部を通して円筒外面側の
電極からの電流を取り出すことにより、燃料電池単セル
を個別に取り外し可能な構造とした高温固体酸化物型燃
料電池をこの高温ガスを生成する燃料バーナー出口に設
置し、この高温ガスで電池を作動温度以上に昇温し、この高温
ガス中の残存酸素を電池に供給することにより電池から
電気出力を得ることを特徴とする給湯器。
【請求項５】請求項４に記載した給湯器おいて、該単セ
ルに給湯器用燃料を供給し、電池反応に利用した後、給
湯器バーナーで燃焼させることを特徴とした給湯器。
【請求項６】燃料を直接燃焼して空気を加熱し、暖房用
として供給するファンヒーターにおいて、安定化ジルコニア等を電解質としその両面にＬａ／Ｓｒ
／ＭｎＯ₃ 系，Ｎｉ系などの電極材などから構成される
高温固体酸化物型燃料電池であって、円筒状の電解質チ
ューブの一端に前記燃料電池の燃料あるいは空気をシー
ルするための鞘材を取り付け、この鞘材により燃料電池
を支持するとともに、この鞘材部を通して円筒外面側の
電極からの電流を取り出すことにより、燃料電池単セル
を個別に取り外し可能な構造とした高温固体酸化物型燃
料電池を、この燃焼バーナー出口に設置し、この高温ガ
スで電池を作動温度以上に保持し、ガス中の残存酸素を
電池に供給することを特徴としたファンヒーター。
【請求項７】請求項６に記載したファンヒーターにおい
て、該単セルにファンヒーター用燃料を供給し、電池反
応に利用した後、ファンヒーターバーナーで燃焼させる
ことを特徴としたファンヒーター。
【請求項８】安定化ジルコニア等を電解質としその両面
にＬａ／Ｓｒ／ＭｎＯ₃ 系，Ｎｉ系などの電極材などか
ら構成される高温固体酸化物型燃料電池であって、円筒
状の電解質チューブの一端に前記燃料電池の燃料あるい
は空気をシールするための鞘材を取り付け、この鞘材に
より燃料電池を支持するとともに、この鞘材部を通して
円筒外面側の電極からの電流を取り出すことにより、燃
料電池単セルを個別に取り外し可能な構造とした高温固
体酸化物型燃料電池を、ガスタービン用燃焼器に内蔵
し、その上流側にガスタービン起動用のパイロットバー
ナーを設け、ガスタービンが起動した後、燃焼ガス温度
が電池作動温度以上で該単セル燃料の１部を供給し、パ
イロットバーナーからの高温ガス中の残存酸素と燃料と
で電池反応により電気出力を得、この電池からの未反応
燃料の直接燃焼と電池内損失による発生熱をパイロット
バーナーからの燃焼ガスに供給し、タービンを駆動させ
て出力を得ることを特徴とする燃料電池とガスタービン
のハイブリッド発電システム。
【請求項９】請求項８に記載した燃料電池とガスタービ
ンのハイブリッド発電システムにおいて、タービン出口に燃焼排ガスと燃焼用空気との熱交換器を
設け、この熱交換器で昇温された空気をタービン入り口
の燃焼器に供給し、燃料電池を起動用バーナーとして兼
用することを特徴とした燃料電池−ガスタービンハイブ
リッド発電システム。
【請求項１０】請求項１に記載した高温固体酸化物型燃
料電池において、該鞘部材を取り付けた反対側のセル出
口部を斜めにカットし、内側電極からの電流取り出し部
をこの部分としたことを特徴とする高温固体酸化物型燃
料電池。
【請求項１１】請求項４に記載した給湯器において、電
池で発生した電気を送風器，ファン駆動用の電源とし、
起動時には別置きのバッテリーを使用し、電池作動以後
は電池を電源とし、その一部をバッテリー補給用に使用
することを特徴とした給湯器。
【請求項１２】請求項６に記載したファンヒーターにお
いて、電池で発生した電気を送風器，ファン駆動用の電
源とし、起動時には別置きのバッテリーを使用し、電池
作動以後は電池を電源とし、その一部をバッテリー補給
用にも使用することを特徴としたファンヒーター。
【請求項１３】安定化ジルコニア等を電解質としその両
面にＬａ／Ｓｒ／ＭｎＯ₃ 系，Ｎｉ系などの電極材など
から構成される高温固体酸化物型燃料電池であって、円
筒状の電解質チューブの一端に前記燃料電池の燃料ある
いは空気をシールするための鞘材を取り付け、この鞘材
により燃料電池を支持するとともに、この鞘材部を通し
て円筒外面側の電極からの電流を取り出すことにより、
燃料電池単セルを個別に取り外し可能な構造とした高温
固体酸化物型燃料電池を、固体高分子形燃料電池システ
ムの改質器上流側に設置し、外部改質形電池システムの
起動を上記高温固体酸化物型燃料電池が受け持ち、この
電池からの排ガスで改質器を作動温度に保持し、同時に
発電された電気で改質器に必要な空気，冷却水供給用ポ
ンプを駆動することを特徴とした外部改質形燃料電池発
電システム。
【請求項１４】電解質の円筒状部材と、該円筒状部材の
内側及び外側で夫々設けられた電極材とを有する単セル
を備えた高温固体酸化物型燃料電池であって、前記円筒状部材の一方の側に該単セルを支持する支持部
材を設け、夫々の電極材から前記一方の側に配線を導くことを特徴
とする高温固体酸化物型燃料電池。
【請求項１５】電解質の円筒状部材と、該円筒状部材の
内側及び外側で夫々設けられた電極材とを有する燃料電
池用単セルであって、前記円筒状部材の一方の側に該単セルを支持する支持部
材を設け、夫々の電極材から前記一方の側に配線を導くことを特徴
とする燃料電池用単セル。