JP2009218110A - 固体酸化物形燃料電池サブモジュールおよび固体酸化物形燃料電池モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】従来に比較して、リークにより異なるガス同士が混ざり合うのを抑制でき、安定して発電させやすいＳＯＦＣサブモジュールを提供すること。また、当該ＳＯＦＣサブモジュールを用いたＳＯＦＣモジュールを提供すること。
【解決手段】管内に第１ガスＦが供給される第１電極管１２ａの外周面に、固体電解質層１２ｂが積層されてなる複数本の管状体１２と、複数本の管状体１２を同方向に配列させて一体的に固定するとともに、第２ガスＡが供給される複数個の第２電極体１４ａが、間隙１４ｂを設けて管状体１２の軸方向に配置されてなる第２電極部１４と、第２電極部１４の外周を覆って間隙１４ｂを一つの閉空間とするとともに、間隙１４ｂと外部とを連通させる連通孔１６ａが形成された筒状緻密部材１６とを有するサブモジュール１０とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体酸化物形燃料電池サブモジュールおよび固体酸化物形燃料電池モジュールに関するものである。

近年、燃料電池として、固体電解質（固体酸化物）を用いた固体酸化物形燃料電池（以下、「ＳＯＦＣ」ということがある。）が、盛んに開発されるようになっている。

ＳＯＦＣに用いられる単セルは、平板型と管状型とに大別することができる。平板型セルは、積層することで比較的簡単に集積することができる。これに対して、管状型セルは、そのままの構造で集積することができない。そのため、従来、いわゆる、縦縞型および横縞型と呼ばれる構造のセルが用いられることが多かった。

しかし、縦縞型および横縞型のセルを集積するには、複雑な製造工程が必要となり、小型化も困難である。そのため、例えば、特許文献１では、図１０に示すように、燃料極管の外側面に固体電解質層が積層された複数本の電解質電極接合管１０２を、空気極材料１０４により一体的に固めてＳＯＦＣサブモジュール１００とすることで、製造工程の簡略化、小型化を実現可能としている。

上記ＳＯＦＣサブモジュール１００を用いて発電を行う場合には、燃料ガスｆと空気ａとが混合しないように隔壁１０６ａ、１０６ｂを用いて両ガスが隔てられるとともに、ガスシール部材１０７ａ、１０７ｂを用いて空気領域と燃料ガス領域との境界がシールされる。

そして、電解質電極接合管１０２内に燃料ガスｆを供給するとともに、空気極材料１０４の側面→内部→対向する側面の順に空気ａを流すことで、ＳＯＦＣサブモジュール１００を発電させることができる。

上記ＳＯＦＣサブモジュールは、さらに集積されて使用されることもある。例えば、特許文献２には、上記ＳＯＦＣサブモジュールに燃料ガスマニホールド等を取り付け、これを複数配列して接続したＳＯＦＣモジュールが開示されている。

特開２００４−３３５２７７号公報 特開２００５−１６６４７０号公報

しかしながら、従来技術は、以下の点で改良の余地があった。

すなわち、上記ＳＯＦＣサブモジュール１００では、ほとんど差圧をかけなくても電解質電極接合管１０２内に燃料ガスｆを流すことができる。しかし、その一方、空気極材料１０４内に空気ａを流す場合には、空気ａの供給側（上流側）に比較的大きな差圧をかける必要がある。

そのため、空気ａの供給側におけるガスシール部材１０７ａ、１０７ｂ（図１０中、点線で囲まれた部分）に比較的大きな差圧がかかることになる。したがって、その差圧に耐えうるガスシール部材が必要になる。万一、ガスシール部材が差圧により破損した場合には、燃料ガス領域に空気がリークし、両ガスが混ざり合って発電に支障が生じるおそれがある。

さらに、従来のＳＯＦＣサブモジュール１００では、発電時の発熱により、上流側の空気ａよりも下流側の空気ａが高温になりやすい。そのため、隣り合う電解質電極管１０２同士の間で発電性能にバラツキが生じ、ＳＯＦＣサブモジュール１００全体として安定して発電させるのは難易度が高い。

本発明は、上記問題を鑑みてなされたもので、本発明が解決しようとする課題は、従来に比較して、リークにより異なるガス同士が混ざり合うのを抑制でき、安定して発電させやすいＳＯＦＣサブモジュールを提供することにある。また、当該ＳＯＦＣサブモジュールを用いたＳＯＦＣモジュールを提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明に係るＳＯＦＣサブモジュールは、管内に第１ガスが供給される第１電極管の外周面に、固体電解質層が積層されてなる複数本の管状体と、上記複数本の管状体を同方向に配列させて一体的に固定するとともに、第２ガスが供給される複数個の第２電極体が、間隙を設けて上記管状体の軸方向に配置されてなる第２電極部と、上記第２電極部の外周を覆って上記間隙を一つの閉空間とするとともに、上記間隙と外部とを連通させる連通孔が形成された筒状緻密部材とを有することを要旨とする。

ここで、上記筒状緻密部材は、導電性を有することが好ましい。

また、前記管状体の両端部には、各管状体の第１電極管と導通する一対の集電部材が設けられていることが好ましい。より好ましくは上記集電部材に形成された挿通孔に上記管状体の端部が挿通されていると良い。

本発明に係るＳＯＦＣモジュールは、上記ＳＯＦＣサブモジュールを複数有することを要旨とする。

ここで、上記ＳＯＦＣモジュールは、複数のＳＯＦＣサブモジュールがその管状体の軸方向と略垂直な方向に配置され、各サブモジュールの間隙同士は筒状絶縁体により連通されていると良い。

本発明に係る電池素子は、管内に第１ガスが供給される第１電極管の外周面に、固体電解質層が積層されてなる複数本の管状体と、上記複数本の管状体を同方向に配列させて一体的に固定するとともに、第２ガスが供給される複数個の第２電極体が、間隙を設けて前記管状体の軸方向に配置されてなる第２電極部とを有することを要旨とする。

本発明に係るＳＯＦＣサブモジュールでは、筒状緻密部材の連通孔を通じて外部から間隙内に相対的に高圧の第２ガスを供給すると、間隙に供給された第２ガスは、その間隙の両側に配置されている各第２電極体内に流入する。流入したガスは、各第２電極体内を下流に向かって流れた後、各第２電極体からほぼ大気圧で排出される。

上記構造によれば、上記間隙内に高い差圧がかかっても、上記間隙は筒状緻密部材により覆われているので、第２ガスはリークし難い。また、差圧の高い間隙と管状体の端部とを比較的離すことができる。そのため、第２ガスと第１ガスとが混ざり合うのを抑制することができる。なお、第１ガスは、わずかな差圧をかければ、容易に管状体内を流すことができる。

また、上記構造によれば、第２電極体の外表面のうち、間隙に面した面が第２ガスの流入面となる。そして、第２電極体に流入した第２ガスは、管状体の軸方向に沿って下流側に流れる。そのため、個々の管状体について見れば、発電時の発熱によって、上流側は温度が低く、下流側ほど温度が高くなるといった温度勾配が発生するものの、隣り合う管状体同士では、温度勾配がほぼ発生しなくなる。したがって、当該サブモジュール全体として、安定した発電が可能になる。

他にも、筒状緻密部材により、管状体や第２電極部が覆われているため、筒状緻密部材が保護シェルとして機能し、機械的強度が向上する。そのため、外部からの力により、管状体や第２電極部が破壊され難くなる。

ここで、筒状緻密部材が導電性を有する場合には、別部材により第２電極部の集電を行う必要がなくなるため、電池構造を簡略化することが可能になる。さらに、第２電極体の外表面と接触することで、面で集電することができるので、集電効率を高めることが可能になる。

また、管状体の両端部に、各管状体の第１電極管と導通する一対の集電部材が設けられている場合には、各第１電極管の集電を効率良く行うことができる。また、筒状緻密部材から排出された第２ガスと管状体に導入する第１ガスとの境界として集電部材を機能させることができ、両ガスが混合する危険性をより低くすることができる。

この際、上記集電部材に形成された挿通孔に上記管状体の端部が挿通されている場合には、集電を簡易に行うことが可能になる。

本発明に係るＳＯＦＣモジュールは、上述したＳＯＦＣサブモジュールを用いているので、発電制御を行いやすく、信頼性も向上する。

また、複数のＳＯＦＣサブモジュールがその管状体の軸方向と略垂直な方向に配置され、各サブモジュールの間隙同士が絶縁性筒体により連通されている場合には、一度に各サブモジュールに対して第２ガスを供給することができ、ガス供給系統を簡略化できる等の利点がある。

本発明に係る電子素子は、上記構成の管状体と第２電極部とを有するため、上述したＳＯＦＣモジュールの製造に好適に用いることができる。

以下、本発明の一実施形態に係るＳＯＦＣサブモジュール（以下、「本サブモジュール」ということがある。）、ＳＯＦＣモジュール（以下、「本モジュール」ということがある。）等について詳細に説明する。

１．本サブモジュール

図１は、本サブモジュールの一例を模式的に示した分解斜視図である。図２は、本サブモジュールの一例を模式的に示した斜視図である。図３は、図１に示した本サブモジュールの断面図である。

図１〜３に示すように、本サブモジュール１０は、複数本の管状体１２と、第２電極部１４と、筒状緻密部材１６とを少なくとも有している。本サブモジュール１０は、さらに、集電部材１８等を有していても良い。

図４は、図１に示した管状体の端部の断面の一部を拡大して示した図である。図４に示すように、管状体１２は、第１電極管１２ａと、固体電解質層１２ｂとを有している。

第１電極管１２ａは、第１電極材料より管状に形成された多孔質体である。第１電極管１２ａは、第１電極としての機能を有するとともに支持管としての機能も兼ね備えている。

第１電極管１２ａの管内には、第１ガスＦが供給される。第１電極管１２ａは、具体的には、燃料極材料より形成された燃料極管、または、空気極材料より形成された空気極管の何れか一方である。

したがって、第１電極管１２ａが燃料極管である場合には、第１ガスＦとして、水素、一酸化炭素、メタン、都市ガス（１３Ａ）などの燃料ガスが選択される。一方、第１電極管１２ａが空気極管である場合には、第１ガスＦとして、空気、酸素などの酸化剤ガスが選択される。

燃料極材料としては、例えば、Ｎｉ、ＮｉＯ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｒｕ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｐｄ、これら元素を２種以上含有する合金などの触媒を用いることができる。好ましくは、Ｎｉ、ＮｉＯ、Ｃｏ、Ｃｕなどである。より好ましくは、他の金属と比べ安価であり、燃料ガスとの反応性が良いなどの観点から、Ｎｉ、ＮｉＯなどである。また、触媒と固体電解質との複合材料を用いることもできる。この場合、固体電解質としては、例えば、Ｙ_２Ｏ_３、Ｓｃ_２Ｏ_３などで安定化されたジルコニア（ＹＳＺ、ＳｃＳＺなど）、ＣｅＯ_２、Ｙ_２Ｏ_３などの第二元素の酸化物を含むスカンジア安定化ジルコニア（ＳｃＣｅＳＺ、ＳｃＹＳＺなど）、Ｓｍ_２Ｏ_３、Ｇｄ_２Ｏ_３などの酸化物を含むＣｅＯ_２（ＳＤＣ、ＧＤＣなど）、ＬａＳｒＧａＭｇＯ_３（ＬＳＧＭ）などが挙げられる。触媒と固体電解質との混合比（重量％）は、８０：２０〜３０：７０の範囲が好ましい。より好ましくは、７０：３０〜４０：６０の範囲であると良い。

一方、空気極材料としては、例えば、ＬａＳｒＭｎＯ_３、ＬａＣａＭｎＯ_３、ＬａＭｇＭｎＯ_３、ＬａＳｒＣｏＯ_３、ＬａＣａＣｏＯ_３、ＬａＳｒＦｅＯ_３、ＬａＳｒＣｏＦｅＯ_３、ＬａＳｒＮｉＯ_３、ＬａＮｉＦｅＯ_３、ＳｍＳｒＣｏＯ_３などの遷移金属ペロブスカイト型酸化物を用いることができる。また、遷移金属ペロブスカイト型酸化物と固体電解質との複合材料を用いることもできる。この場合、固体電解質としては、例えば、ＹＳＺ、ＳｃＳＺ、ＳｃＣｅＳＺ、ＳｃＹＳＺ、ＳＤＣ、ＧＤＣ、ＬＳＧＭなどが挙げられる。遷移金属ペロブスカイト型酸化物と固体電解質との混合比（重量％）は、９０：１０〜５０：５０の範囲が好ましい。より好ましくは、９０：１０〜８０：２０の範囲であると良い。

第１電極管１２ａは、例えば、各種材料粉末を所定比率で混合し、これにメチルセルロース、ポリビニルアルコール、ポリビニルブチラール、ポリメチルメタクリレートなどの結合剤、炭素粉末などの気孔生成剤などを加えて水で練り、得られた塑性物を押し出し成形法などを用いて、所定の管径、管長さ、管厚みの管状成形体とし、これを組成に応じた最適な温度で焼成するなどして製造することができる。

固体電解質層１２ｂは、固体電解質材料より薄膜状に形成された緻密質体であり、第１電極管１２ａの外周面に沿って積層されている。固体電解質材料としては、例えば、ＹＳＺ、ＳｃＳＺ、ＳｃＣｅＳＺ、ＳｃＹＳＺ、ＳＤＣ、ＧＤＣ、ＬＳＧＭなどが挙げられる。

固体電解質層１２ｂは、図１〜３に示すように、第２電極部１４の両外側まで張り出すように第１電極管１２ｂ上に積層されている。これにより、第１電極管１２ａと第２電極部１４との短絡を簡易に防止可能とされている。この際、固体電解質層１２ｂは、第１電極管１２ａの両端部側の外表面が露出するように第１電極管１２ａ上に積層されていることが好ましい。これにより、集電部材１８と容易に接触させて導通することができ、集電を簡易に行うことが可能になるからである。

固体電解質層１２ｂは、第１電極管１２ａ（焼結体）またはその前駆体である管状成形体（未焼成体）の所定位置に固体電解質材料を含むスラリーを付着させた後、これを組成に応じた最適な温度で焼成するなどして形成することができる。なお、管状成形体に固体電解質材料を含むスラリーを付着させて焼成（共焼結法）した場合には、電池製造コストを抑制しやすくなる。

固体電解質材料を含むスラリーを付着させる方法としては、具体的には、例えば、焼成時に消失しうる物質（ポリマーなど）を用いて、第１電極管１２ａ等の端部を密栓したり、固体電解質層１２ｂを形成しない部位にマスクを施したりした後、固体電解質材料を含むスラリー中に第１電極管１２ａ等を浸漬して引き抜くディッピング法や、スプレー法、ハケ塗り法、ロールコート法などを用いて、第１電極管１２ａ等に固体電解質材料を含むスラリーを塗布する方法などを例示することができる。

なお、本サブモジュール１０は、同種の材料よりなる管状体１２を複数本備えていても良いし、異なる材料よりなる管状体１２を複数本備えていても良い。

第２電極部１４は、複数個の第２電極体１４ａを備えている。なお、図１〜３では、最小単位である２個の第２電極体１４ａを備えている場合を例示しているが、これに限定されるものではない。本サブモジュール１０は、必要とされる出力などを考慮して、２個以上の第２電極体１４ａを有していても良い。第２電極部１４は、第２ガスＡの給排性などの観点から、好ましくは、偶数個の第２電極体１４ａを有していると良い。

第２電極体１４ａは、第２電極材料より形成された通気性のある多孔質体である。第２電極体１４ａ内には、第２ガスが供給される。

第２電極体１４ａは、第１電極管１２ａとは異なる電極種を構成する。つまり、第１電極管１２ａが燃料極管である場合には、第２電極体１４ａは、空気極材料より形成され、空気極として機能する。したがって、この場合には、第２ガスＡとして、空気、酸素などの酸化剤ガスが選択される。

一方、第１電極管１２ａが空気極管である場合には、第２電極体１４ａは、燃料極材料より形成され、燃料極として機能する。したがって、この場合には、第２ガスＡとして、水素、一酸化炭素、メタン、都市ガス（１３Ａ）などの燃料ガスが選択される。

空気極材料、燃料極材料としては、例えば、ともに、第１電極管１２ａで説明した材料と同様の材料を挙げることができる。第２電極部１４は、同種の材料よりなる第２電極体１４ａを複数個備えていても良いし、異なる材料よりなる第２電極体１４ａを複数個備えていても良い。

なお、本モジュールとしては、高い性能が得られる、製造が容易であるなどの観点から、第１電極管１２ａは燃料極管、第２電極体１４ａは空気極体であることが好ましい。

第２電極体１４ａは、複数本の管状体１２を同方向に配列させて一体的に固定している。すなわち、第２電極体１４ａ中、各管状体１２は、管状体１２の軸方向と略垂直方向に、互いの軸方向が略平行となるように配列されている。また、各管状体１２同士は、互いの外表面同士が接触しないように離間されて配列されている。そして、第２電極体１４ａは、各管状体１２の配列を保持したまま、各管状体１２の外表面の間に形成された隙間を埋めるようにして各管状体１２同士を固めている。なお、図示はしないが、各管状体１２の軸方向の通気性を確保することができれば、第２電極体１４ａ中において、各管状体１２同士は離間されていなくても良い。

また、第２電極部１４の両端部にある第２電極体１４ａは、その外表面から、各管状体１２の両端部を突出させた状態で各管状体１２を一体的に固定している。

なお、図１〜３では、第２電極体１４ａ中に各管状体１２が３行×３列の配列で保持されている場合を例示しているが、この配列に特に限定されるものではない。第２電極体１４ａ中に各管状体１２が複数行×複数列、単数行×複数列、複数列×単数行配列で保持されていても良い。

第２電極体１４ａの外形は、立方体、直方体などの略方形状、円柱状などを例示することができる。好ましくは、製造性、筒状緻密部材による集電性、モジュール作製時の集積性などの観点から、立方体、直方体などの略方形状であると良い。

ここで、第２電極部１４では、各第２電極体１４ａは、管状体１２の軸方向に沿って所定の間隙１４ｂを設けて固体電解質層１２ｂ上に配置されている。間隙１４ｂは、第２ガスＡを充満させる空間を形成するためのものである。したがって、間隙１４ｂの容積は、第２ガスＡを充満させることができれば特に限定されるものではない。

また、図１〜３の場合、間隙１４ｂには外部から第２ガスＡが供給される。もっとも、第２電極部１４が第２電極体１４ａを２個以上有する場合、例えば、第２電極体１４ａを４個、６個…と有しているときには、間隙１４ｂが複数生じることになる。そのため、外部から供給された第２ガスＡが充満する間隙１４ｂと、第２電極体１４ａを流れて排出された第２ガスＡが充満する間隙１４ｂとが交互に生じることになる。詳しくは、後述する（図５、図６）。

以上のような管状体１２と第２電極部１４とから構成される電池素子２０を製造する方法としては、例えば、以下のような方法を例示することができる。

すなわち、第２電極材料に、必要に応じてポリマー材料（例えば、ポリメチルメタクリレートなど）を添加し、これと水等とを混合して、粘土状の塑性物とする。

次いで、金型などを用いて、上記塑性物を押し出し成形することにより、管状体１２を挿入可能な挿入孔を有する成形体を複数形成する。

次いで、得られた各成形体の挿通孔内に、管状体１２を挿通する。この際、各成形体同士は、所定の間隙１４ｂが形成されるように固体電解質層１２ｂ上に配置する。これを第２電極材料の組成に応じた最適な温度で焼成する。これにより電池素子２０を得ることができる。

また、以下のような方法によっても良い。すなわち、上記成形体を第２電極材料の組成に応じた最適な温度で焼成することにより、予め第２電極体１４ａを複数形成する。

次いで、得られた各第２電極体１４ａの挿通孔内に、管状体１２を挿通する。この際、上記挿通孔の内周面および／または管状体１２の所定の位置に第２電極材料および／または固体電解質材料を含むコンタクト材料を塗布しておく。また、各第２電極体１４ａ同士は、所定の間隙１４ｂが形成されるように配置する。その後、コンタクト材料の組成に応じた最適な温度で焼成する。これにより電池素子２０を得ることができる。

さらにまた、以下のような方法によっても良い。すなわち、配列固定した管状体１２の外周を、樹脂などよりなる複数の容器で覆う。この際、各容器同士は、所定の間隙１４ｂが形成されるように配置する。

次いで、上記各容器内に、第２電極材料を含むスラリーを流し込み、配列された管状体１２同士の隙間に当該スラリーを充填する。

次いで、容器内部に充填された当該スラリーを乾燥させ、第２電極材料の組成に応じた最適な温度で焼成する。この際、容器を付けたまま焼成しても良いし、取り外しても焼成しても良く、特に限定されるものではない。なお、樹脂製の容器を付けたまま焼成した場合には、焼成時の昇温時に容器自体は消失する。これにより電池素子２０を得ることができる。

上述した電池素子２０は、筒状緻密部材１６内に収容されている。筒状緻密部材１６は、第２電極部１４の外周を少なくとも覆っている。もっとも、第２電極部１４の両外側、すなわち、管状体１２の両端部の外周を覆っていても構わない。筒状緻密部材１６は、図に示すように角筒状であっても良いし、円筒状などであっても良い。第２電極体１４ａの外形に応じて適宜決定することができる。

筒状緻密部材１６により第２電極部１４の外表面が覆われることで、間隙１４ｂは、一つの閉空間とされている。また、筒状緻密部材１６には、間隙１４ｂと外部とを連通させる連通孔１６ａが形成されている。連通孔１６ａは、間隙１４ｂ一つに対し、少なくとも一つ以上形成することができる。なお、連通孔１６ａの位置、大きさ、開口形状は、特に限定されるものではない。

筒状緻密部材１６の連通孔１６ａより第２ガスＡを供給すると、間隙１４ｂの両側に配置されている各第２電極体１４ａの外表面のうち、間隙１４ｂに面した流入面から第２ガスＡが各第２電極体１４ａ内に流入する。流入した第２ガスＡは、各第２電極体１４ａ内を管状体１２に沿って外側（下流）に向かって流れ、第２電極体１４ａの外表面のうち、流入面と対向する排出面から排出される。このように、筒状緻密部材１６により、間隙１４ｂから管状体１２の軸方向に沿って第２ガスのガス流路が形成されることになる。

筒状緻密部材１６は、第２ガスＡを第２電極体１４ａ内に流すため、基本的には、各第２電極体１４ａの外表面にガス密に接している。この際、筒状緻密部材１６と各第２電極体１４ａとの間には、ガスシール部材（不図示）が介在されていても構わない。ガスシール部材（不図示）を設けた場合には、筒状緻密部材１６と各第２電極体１４ａとの間を通じて第２ガスＡがリークし難くなり、第２電極体１４ａ内に確実に第２ガスＡを流しやすくなる。

なお、高圧の第２ガスＡが間隙１４ｂに供給されると、差圧により間隙１４近傍の上記ガスシール部材（不図示）が破損することも考えられる。しかし、上記ガスシール部材（不図示）の下流側は、相対的にガス圧が低いので、下流側まで破損することはないと考えられる。仮に、筒状緻密部材１６と各第２電極体１４ａとの間を通じて第２ガスＡがリークしたとしても、第１ガスＡと混合する危険性は低く、従来に比べ、安全性が高いといえる。

筒状緻密部材１６の材質としては、各種の導電性材料、絶縁性材料、これらの組み合わせによる材料を用いることができる。導電性材料としては、例えば、フェライト系ステンレス鋼、オーステナイト系ステンレス鋼、ニッケル系合金、金属箔等の金属や、導電性セラミックスなどが挙げられる。絶縁性材料としては、ＭｇＯ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＺｒＯ_２等のセラミックス、耐熱ガラス等のガラスなどが挙げられる。

筒状緻密部材１６が導電性を有する場合には、別部材により第２電極部１４の集電を行う必要がなくなるため、電池構造を簡略化することができる。さらに、第２電極体１４ａの外表面と接触して集電することができるので、集電効率を高めることができる。なお、筒状緻密部材１６と各第２電極体１４ａとの間に上記ガスシール部材（不図示）を介在させる場合には、上記ガスシール部材（不図示）として、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｇ、Ｎｉなどの金属ペースト、導電性セラミックスペースト、あるいは、これらの混合物など、導電性を有するシール材料を用いれば良い。

筒状緻密部材１６が導電性を有する場合、筒状緻密部材１６は、全体が導電性を有していても良いし、各第２電極体１４ａの外表面と導通できれば、一部が導電性を有していても良い。一部が導電性を有する態様としては、例えば、管状体１２の軸方向に沿って筒状緻密部材１６の一部分を導電性材料にて構成し、残りの部分を絶縁性材料で構成する態様や、筒状緻密部材１６を絶縁性材料で構成し、筒状緻密部材１６の内周面に各第２電極体１４ａと導通する配線パターン等を形成するなどの態様を例示することができる。

一方、筒状緻密部材１６が導電性を有していない場合には、筒状緻密質部材１６の内側に各第２電極体１４ａに接する集電部材を設け、この集電部材から筒状緻密部材１６の外側に取り出し電極を設けるなどすれば良い。

筒状緻密部材１６は、集電効率、製造性などの観点から、好ましくは、全面が導電性を有していると良い。

本サブモジュール１０は、図１〜３に示すような一対の集電部材１８を有していても良い。図１〜３に示すように、一対の集電部材１８は、板状に形成されており、各管状体１２の両端部に設けられている。また、集電部材１８は、筒状緻密部材１６と離間させて設けられている。集電部材１８と筒状緻密部材１６との間の隙間は、筒状緻密部材１６から排出された第２ガスＡを排出するガス流路として機能する。集電部材１８には、各管状体１２の端部を挿通する挿通孔１８ａが形成されている。そして、挿通孔１８ａに挿通された各管状体１２の第１電極管１２ａと集電部材１８とは接触しており、これにより、集電を行うことができるようになっている。

なお、集電部材１８を用いない場合には、各管状体１２の第１電極管１２ａを導電線（不図示）等により接続するなどして集電を行えば良い。この場合、第１ガスＦの供給および排気は、第１ガス供給・排出パイプ（不図示）を各管状体１２の端部にそれぞれ接続するなどすれば良い。また、導電性を有する第１ガス供給・排出マニホールド（不図示）に各管状体１２の端部を挿通し、第１ガスＦの供給・排出を行い、当該マニホールドを通じて集電を行うこともできる。

また、集電部材１８の挿通孔１８ａと、挿通孔１８ａに端部が挿通された各管状体１２とは、両者の隙間を埋めるように、ガスシール部材（不図示）によりガスシールされていると良い。なお、ガスシール部材は、各管状体１２の端部表面と挿通孔１８ａとの内周面との間や、各管状体１２の端面と挿通孔１８ａとの間などに設けることができる。このようにした場合には、筒状緻密部材１６から排出された第２ガスＡと第１ガスＦとが一層混合し難くなる。なお、上記ガスシール部材には、従来のように相対的に高い差圧がかからないため、ガスシール部材を設けても当該ガスシール部材が差圧により破壊し難い。

上記ガスシール部材は、導電性、絶縁性の何れであっても良い。導電性材料としては、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｇ、Ｎｉなどの金属ペースト、導電性セラミックスペースト、あるいは、これらの混合物など、絶縁性材料としては、ＭｇＯ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＺｒＯ_２等のセラミックス、あるいは、ガラスペーストなどを例示することができる。

次に、上記本サブモジュール１０の作用について説明する。

図３に示すように、本サブモジュール１０では、第１ガス供給マニホールド（図３では不図示）等を用いて各管状体１２の一方端部より管内に第１ガスＦを供給すると、第１ガスＦは、発電により使用されながら下流に向かって流れ、未使用の第１ガスＦは、各管状体１２の他方端部より外部に排出される。なお、第１ガスＦを管内に流す際には、それほど高い差圧は必要ない。

一方、第２ガス供給パイプや第２ガス供給ガスマニホールド（図４では不図示）等を用いて、筒状緻密部材１６の連通孔１６ａから間隙１４ｂ内に相対的に高圧の第２ガスＡを供給すると、間隙１４ｂ内に第２ガスＡが充満する。間隙１４ｂ内に充満した第２ガスＡは、間隙１４ｂの両側の配置されている第２電極体１４ａの流入面から第２電極体１４ａ内に流入する。第２電極体１４ａ内に流入した第２ガスＡは、発電により使用されながら、各管状体１２の軸方向に沿って下流に流れ、未使用の第２ガスＡは、第２電極体１４ａの排出面から排出される。

なお、集電は、筒状緻密部材１６および集電部材１８によって行うことが可能である。

次に、本サブモジュール１０の変形例を示す。図５は、本サブモジュールの他の一例を模式的に示した分解斜視図である。図６は、本サブモジュールの他の一例を模式的に示した斜視図である。

図５、６に示すように、本サブモジュール１０’は、４個の第２電極体１４ａ、３つの間隙１４ｂを有している。そのため、これら間隙１４ｂの数に対応して、筒状緻密質部材１６には、３つの連通孔１６ａが形成されている。

連通孔１６ａが複数ある場合、基本的には、筒状緻密部材１６の一方端部側に形成された連通孔１６ａと、この連通孔１６ａから一つ置きに形成されている連通孔１６ａに対して第２ガスＡが供給される。一方、第２ガスＡが供給されない残りの連通孔１６ａに対応する間隙１４ｂには、この間隙１４ｂの両側に配置されている第２電極体１４ａから排気された第２ガスＡが充満することになる。そのため、第２ガスＡが供給されない連通孔１６ａからは、発電に使用されなかった第２ガスＡが排出される。

つまり、本サブモジュール１０’の場合、中央の連通孔１６ａの両隣りに配置されている連通孔１６ａに第２ガスＡが供給されることになる。また、中央の連通孔１６ａに対応する間隙１４ｂには、この間隙１４ｂの両側に配置されている第２電極体１４ａから排気された第２ガスＡが充満し、中央の連通孔１６ａからは、発電に使用されなかった第２ガスＡが排出されることになる。

このように、第２電極体１４ａを２個以上の偶数個有する場合には、電池の集積度を上げることができる。

また、図７に、本サブモジュールのさらなる変形例を示す。図７は、本サブモジュールの別の他の一例を模式的に示した断面図である。

図７に示すように、本サブモジュール１０”は、上述した電池素子２０を、間隙１４ｂが連なるように電気的に接続し、この複数の電池素子２０の第２電極部の最外周を一つの筒状緻密部材（不図示）により覆って、連なった間隙１４ｂを一つの閉空間としたものである。

すなわち、図７では、複数の電池素子２０が同方向に配列されており、各電池素子２０同士は、隣接する電池素子２０の第２電極体１４ｂの部分まで延設された集電部材１８と、隣接する第２電極体１４ｂとが、ガス密に電気的に接続（この場合、直列接続）されている。また、集電部材１８の延設部分と、その集電部材１８を有する電池素子２０の第２電極体１４ｂとの間は、緻密な絶縁部材１９を介在させることで、短絡が生じないようにされている。

このように複数の電池素子２０を電気的に接続し、これら複数の電池素子２０全体を一つの筒状緻密部材（不図示）にて覆った場合には、集積性を向上させることができる。

２．本モジュール
本モジュールは、上述した本サブモジュールを複数個有している。各サブモジュールは、互いに直列に接続されていても良いし、並列に接続されていても良い。

図８は、本モジュールの一例を模式的に示した図である。本モジュール３０は、各サブモジュール１０が、その管状体１２の軸方向と略垂直な方向に所定の間隔で配置されている。なお、図８では、４個のサブモジュール１０を同方向に一列に並べた例を示しているが、各モジュールの個数、配列は特に限定されるものではない。本モジュール３０は、管状体１２の軸方向と略垂直な方向に、複数行×複数列、単数行×複数列、複数列×単数行配列されていても良い。また、本モジュール３０が有するサブモジュール１０は、対向する一対の連通孔１６を有している。

本モジュール３０は、各サブモジュール１０間に筒状絶縁体３２を有している。筒状絶縁体３２は、各サブモジュール１０の連通孔１６に接続されている。これにより、各サブモジュール１０の各間隙１４ｂ同士がひと繋がりに連通される。なお、筒状絶縁体３２は、絶縁性であることから、各サブモジュール１０間の筒状緻密部材１６が導電性を有する場合に、筒状緻密部材１６同士が互いに接触して短絡してしまうことはない。

上記本モジュール３０によれば、最も端に位置する一つのサブモジュール１０の連通孔１６に、第２ガスＡを供給する第２ガス供給パイプ３４等を接続し、第２ガスＡを供給すれば、反対側の端に位置するサブモジュール１０まで一度に第２ガスＡを供給することができる。

一方、本モジュール３０の各サブモジュール１０が有する各管状体１２に第１ガスＡを供給するには、例えば、図８に示すような第１ガス供給マニホールド３６等を用いることができる。

すなわち、第１ガス供給マニホールド３６は、一端面が開口した中空本体部３６ａと、第１ガス供給源（不図示）に接続された第１ガス導入管３６ｂとを有している。したがって、第１ガス導入管３６ｂから中空本体部３６ａ内に第１ガスＦを導入すれば、中空本体部３６ａ内に第１ガスＦを充満させることができる。なお、第１ガス供給マニホールド３６の材質としては、例えば、フェライト系ステンレス鋼、オーステナイト系ステンレス鋼、ニッケル系合金などの導電性材料を用いることができる。この場合、サブモジュール１０の集電部材１８と、第１ガス供給マニホールド３６とは電気的に絶縁される。

第１ガス供給マニホールド３６では、中空本体部３６ａの開口に、支持部材３８が嵌合される。支持部材３８は、略板状に形成されており、段部３８ａを有する開口部３８ｂを複数備えている。支持部材３８は、各サブモジュール１０の集電部材１８を、集電部材１８の周縁を段部３８ａに係止させつつ嵌合させることができる。支持部材３８の材質としては、例えば、ＭｇＯ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＺｒＯ_２等のセラミックスなどの絶縁性材料を好適に用いることができる。なお、集電部材１８と支持部材３８との絶縁性を確保することができれば、集電部材１８、あるいは、支持部材３８の表面を絶縁処理した導電性材料で作製することも可能である。この場合は、支持部材３８と第１ガス供給マニホールド３６とは一体化されていても良い。

したがって、本モジュール３０に、支持部材３８を介して第１ガス供給マニホールド３６を接続すれば、第１ガス導入管３６ｂから中空本体部３６ａ内に導入された第１ガスＦは、中空本体部３６ａ内に充満し、各管状体１２の管内に供給される。

また、本モジュール３０の各サブモジュール１０が有する各管状体１２から第１ガスＡを排出するには、例えば、図８に示すような第１ガス排出マニホールド４０等を用いることができる。

すなわち、第１ガス排出マニホールド４０は、一端面が開口した中空本体部４０ａと、第１ガス排出管４０ｂとを有している。したがって、各管状体１２から排出されて中空本体部４０ａ内に充満した第１ガスＦを、第１ガス排出管４０ｂから外部へ排出することができる。なお、第１ガス排出マニホールド４０の材質としては、例えば、フェライト系ステンレス鋼、オーステナイト系ステンレス鋼、ニッケル系合金などの導電性材料を好適に用いることができる。この場合、サブモジュール１０の集電部材１８と、第１ガス排出マニホールド４０とは電気的に絶縁される。

第１ガス排出マニホールド４０では、中空本体部４０ａの開口に、上述した支持部材３８が嵌合される。支持部材３８は、各サブモジュール１０の集電部材１８を、集電部材１８の周縁を段部３８ａに係止させつつ嵌合させることができる。

したがって、本モジュール３０に、支持部材３８を介して第１ガス排出マニホールド４０を接続すれば、各サブモジュール１０の管状体１２から中空本体部４０ａに排出された第１ガスＦは、中空本体部４０ａ内に充満し、第１ガス排出管４０ｂから外部へ排出される。

なお、本モジュール３０を直列に接続する場合には、図８に示すように、筒状緻密部材１６と集電部材１８とを導電性部材４２（例えば、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｇなどよりなる金属線、金属板、金属箔等）を用いて電気的に接続すれば良い。また、本モジュール３０を並列に接続する場合（不図示）には、筒状緻密部材１６同士、集電部材１８同士を上記導電性部材４２を用いて、もしくは、直接接触（接合）させ、電気的に接続すれば良い。なお、この場合には、筒状絶縁体３２は、不要である。

図９は、本モジュールをさらに集積した複合モジュールの一例を示した図である。図９では、複合モジュール５０は、第１ガス供給マニホールド３６を介して、モジュール３０が積層されている。つまり、複合モジュール５０は、隣り合うモジュール３０同士で第１ガス供給マニホールド３６を共有している。このようにした場合には、集積度を上げたときでも、マニホールド体積を小さくすることができることから、全体として小型化を図りやすくなる。

また、複合モジュール５０は、その全体を収容容器５２内に入れても良い。このようにした場合には、熱利用のための第２ガスＡを回収することが可能になる。

以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は、上記実施の形態に何ら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で種々の改変が可能である。

本発明の一実施形態に係るＳＯＦＣサブモジュールの一例を模式的に示した分解斜視図である。 本発明の一実施形態に係るＳＯＦＣサブモジュールの一例を模式的に示した斜視図である。 図１に示したＳＯＦＣサブモジュールの断面図である。 図１に示した管状体の端部の断面の一部を拡大して示した図である。 本発明の一実施形態に係るＳＯＦＣサブモジュールの他の一例を模式的に示した分解斜視図である。 本発明の一実施形態に係るＳＯＦＣサブモジュールの他の一例を模式的に示した斜視図である。 本発明の一実施形態に係るＳＯＦＣサブモジュールの別の他の一例を模式的に示した断面図である。 本発明の一実施形態に係るＳＯＦＣモジュールの一例を模式的に示した斜視図である。 本発明の一実施形態に係るＳＯＦＣモジュールをさらに集積した複合モジュールの一例を示した図である。 従来のＳＯＦＣサブモジュールの構造を模式的に示した図である。

符号の説明

１０ ＳＯＦＣサブモジュール
１０’ ＳＯＦＣサブモジュール
１０” ＳＯＦＣサブモジュール
１２ 管状体
１２ａ 第１電極管
１２ｂ 固体電解質層
１４ 第２電極部
１４ａ 第２電極体
１４ｂ 間隙
１６ 筒状緻密部材
１６ａ 連通孔
１８ 集電部材
１８ａ 挿通孔
１９ 絶縁部材
２０ 電池素子
３０ 本モジュール
３２ 筒状絶縁体
３４ 第２ガス供給パイプ
３６ 第１ガス供給マニホールド
３６ａ 中空本体部
３６ｂ 第１ガス導入管
３８ 支持部材
３８ａ 段部
３８ｂ 開口部
４０ 第１ガス排出マニホールド
４０ａ 中空本体部
４０ｂ 第１ガス排出管
４２ 導電性部材
５０ 複合モジュール
５２ 収容容器
Ｆ 第１ガス
Ａ 第２ガス
１００ ＳＯＦＣサブモジュール
１０２ 電解質電極接合管
１０４ 空気極材料
１０６ａ 隔壁
１０６ｂ 隔壁
１０７ａ ガスシール部材
１０７ｂ ガスシール部材
ｆ 燃料ガス
ａ 空気

Claims (7)

1. 管内に第１ガスが供給される第１電極管の外周面に、固体電解質層が積層されてなる複数本の管状体と、
   前記複数本の管状体を同方向に配列させて一体的に固定するとともに、第２ガスが供給される複数個の第２電極体が、間隙を設けて前記管状体の軸方向に配置されてなる第２電極部と、
   前記第２電極部の外周を覆って前記間隙を一つの閉空間とするとともに、前記間隙と外部とを連通させる連通孔が形成された筒状緻密部材と、
   を有することを特徴とする固体酸化物形燃料電池サブモジュール。
2. 前記筒状緻密部材は、導電性を有することを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池サブモジュール。
3. 前記管状体の両端部には、各管状体の第１電極管と導通する一対の集電部材が設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の固体酸化物形燃料電池サブモジュール。
4. 前記集電部材に形成された挿通孔に前記管状体の端部が挿通されていることを特徴とする請求項３に記載の固体酸化物形燃料電池サブモジュール。
5. 請求項１から４の何れかに記載の固体酸化物形燃料電池サブモジュールを複数有することを特徴とする固体酸化物形燃料電池モジュール。
6. 複数の固体酸化物形燃料電池サブモジュールがその管状体の軸方向と略垂直な方向に配置され、各サブモジュールの間隙同士が筒状絶縁体により連通されていることを特徴とする請求項５に記載の固体酸化物形燃料電池モジュール。
7. 管内に第１ガスが供給される第１電極管の外周面に、固体電解質層が積層されてなる複数本の管状体と、
   前記複数本の管状体を同方向に配列させて一体的に固定するとともに、第２ガスが供給される複数個の第２電極体が、間隙を設けて前記管状体の軸方向に配置されてなる第２電極部とを有することを特徴とする電池素子。

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