JP2816476B2 - 固体電解質型燃料電池モジュール - Google Patents

固体電解質型燃料電池モジュール

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Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 この発明は、固体電解質を使用した燃料電池のうち、
同心円筒状の2重管の間の空間に複数の燃料電池単体を
配設した構造の固体電解質型燃料電池モジュールに関す
るものである。
従来の技術 固体電解質型燃料電池の出力は直流で各燃料電池単体
の電圧は約1Vと低い。また実用上は交流に変換する場合
が多いことから、直流を交流に変換する際の変換効率の
上からも電池電圧が高いことが望ましい。そのため、複
数の燃料電池単体をなんらかの方法で直列に接続すると
ともに、高出力とするため並列にも接続する必要があっ
た。
例えば第3図および第4図は、本出願人の既出願(特
願平1−11433号)中に開示されている固体電解質型燃
料電池モジュールおよび燃料電池単体を示す図であっ
て、第3図に示す固体電解質型燃料電池モジュール1
は、相互間に空間を存して同心円筒状に配設された導電
性材料からなる内部スペーサ管2と外部スペーサ管3と
の間に、6個の燃料電池単体4を収納したもので、第4
図に示すように各燃料電池単体4は、円筒形に形成され
た固体電解質5の内周に空気電極6を、この固体電解質
5の外周に燃料電極7がそれぞれ形成された3層構造と
なっており、この燃料電池単体4の最外層の燃料電極7
と中間層の固体電解質5とには、最内層の空気電極6に
達する深さで軸線と平行なスリット8が形成され、この
スリット8内にはインターコネクタ9が、前記空気電極
6と接触し、燃料電極7と非接触状態に設けられてい
る。
そして、このように構成される各燃料電池単体4は、
それぞれのインターコネクタ9の先端を、前記内部スペ
ーサ管2の外周面に導電繊維フェルト10を介して当接さ
せるとともに、各燃料電池単体4の最外層の燃料電極7
を、外部スペーサ管3の内周面に導電繊維フェルト11を
介して当接させて、並列に接続されて固体電解質型燃料
電池モジュール1が形成されている。
そして、この固体電解質型燃料電池モジュール1に
は、6本の各燃料電池単体4の空気電極6の内側の酸素
または空気が供給されるとともに、6本の燃料電池単体
4の各燃料電極7の外側で、かつ外部スペーサ管3の内
側の空間には、水素等の燃料ガスが供給され、固体電解
質5を介した酸化・還元反応が起きて電気が生じ、並列
に接続された各燃料電池単体4に生じた電気は、それぞ
れ導電性を有する内部スペーサ管2と外部スペーサ管3
とに集電される構造となっている。
発明が解決しようとする課題 しかし、前述した従来の固体電解質型燃料電池モジュ
ール1の場合のように、燃料ガスが外部スペーサ管3の
一方の端部から供給され、供給された燃料ガスは、外部
スペーサ管3の内側の空間を流れて各燃料電池単体4の
外周部に供給され、各燃料電池単体4の外周の燃料電極
7において酸化・還元反応に消費され、また消費されず
に余った燃料ガスは、外部スペーサ管3の他方の端部か
ら排出されるようになっている。そのため、各燃料電池
単体4に供給される燃料ガスは、外部スペーサ管3の燃
料ガス供給側には濃度の高い燃料ガスが供給されるが、
燃料ガスが外部スペース管3内を排出側に流下する途上
で、燃料電池単体4の燃料電極7と接触して燃料ガスが
徐々に消費され、その結果、下流へ行くほどガス濃度が
低下してしまうという問題があり、下流側ではガス濃度
が不足して酸化・還元反応が弱まり、各燃料電池単体4
の出力が低下する等の問題があった。
そのため従来においては、外部スペース管3内の下流
側にも充分なガス濃度の燃料ガスが供給されるように、
燃料ガスの供給量を必要以上に増量し、燃料電池の酸化
・還元反応に必要とされる量を大幅に上回る量の燃料ガ
スを供給することにより出力低下を防止していたが、燃
料ガスを無駄に消費するという問題があった。
この発明は上記事情に鑑みなされたもので、固体電解
質型燃料電池を構成する各燃料電池単体のそれぞれの全
長に亘って、充分に高濃度でかつ等しい濃度の燃料ガ
ス、あるいは充分な酸素濃度の空気を供給することので
きる固体電解質型燃料電池モジュールを提供することを
目的としている。
課題を解決するための手段 上記課題を解決するための手段としてこの発明は、空
間を存して同心円筒状に設けられた内部スペーサ管と外
部スペーサ管との間に、管状の固体電解質の内側に空気
電極または燃料電極を、外側に燃料電極または空気電極
を設けた燃料電池単体を複数個配設した固体電解質型燃
料電池モジュールにおいて、前記内部スペーサ管は、そ
の先端を閉塞されるとともに多数の通気孔を有し、この
内部スペーサ管内に基端側から燃料ガスまたは酸素を供
給する構造としたことを特徴としている。
また、前記内部スペーサ管と外部スペース管とのうち
の少くとも一方が金属製であることを特徴としている。
さらに、前記内部スペーサ管の素材がNiまたはCo、あ
るいはNiとCoの合金であることを特徴としている。
作用 上記のように、先端を閉塞するとともに円筒部分に多
数の通気孔を有する内部スペーサ管の外周面と、外部ス
ペーサ管の内周面との間に複数の燃料電池単体を配設
し、電気的に接続して固体電解質型燃料電池モジュール
を構成する。そして、前記燃料電池単体の外周に燃料電
極が形成されている場合には、燃料ガスを前記内部スペ
ーサ管内に、その基端側から供給すると、多数の通気孔
から燃料ガスが吹き出して、内部スペーサ管の外周に配
設された各燃料電池単体の全長に亘って、反応に未使用
の新鮮な燃料ガスが均等に供給され、無駄のない燃料ガ
スの供給が可能となるとともに、燃料ガス濃度のバラツ
キが減少し、各燃料電池単体の発電特性が均一化する。
また、内部スペーサ管と外部スペーサ管とのうちの少
くとも一方を金属製とすることによりモジュールを構成
する各燃料電池単体間の熱伝達が効果的に行われて均熱
化が図れ、発電能力がさらに向上する。
さらに、内部スペーサ管をNiまたはCo、あるいはNiと
Coとの合金で製造すれば、Ni,Coの触媒作用により、燃
料ガスとしてメタン等の炭化水素と水蒸気とを用いる場
合に、改質装置を別途設ける必要がなくなる。
実 施 例 以下、この発明の固体電解質型燃料電池モジュールの
一実施例を第1図および第2図に基づいて説明する。
固体電解質型燃料電池モジュール21は、同心円筒状に
設けられた内部スペーサ管22と外部スペーサ管23と、こ
れら両者間に配設され、並列に接続された6個の燃料電
池単体24とから構成されており、前記外部スペーサ管23
は銅等の金属で形成され、また内部スペーサ管22には、
通気性を有するとともに導電性を有する多孔質管が使用
されている。
また、各燃料電池単体24は支持管を用いない自己支持
構造となっており、イットリア安定化ジルコニア(YS
Z)等を環状に形成した固体電解質25と、この固体電解
質25の内側に形成された空気電極26と、外側に形成され
た燃料電極27との3層構造となっており、空気電極26は
酸化雰囲気中で導電性があり、ガス透過性を有する、例
えば、ペロブスカイト型ランタン系複合酸化物を素材と
する多孔質体であり、また燃料電極27は、ニッケル等の
金属またはニッケルとジルコニアとのサーメットなどの
導電性が高くかつ高気孔率の多孔質体で形成されてい
る。そして、最外側の燃料電極27とその内側の固体電解
質25との両者には、長手方向に連続する1本のスリット
が形成され、このスリット内にはインターコネクタ28
が、燃料電極27と非接触状態で、かつ最内側の空気電極
26と接触した状態に設けられている。
また、上記のように形成された各燃料電池単体24は、
それぞれのインターコネクタ28の先端を、ニッケルフェ
ルト29を介して前記内部スペーサ管22の外周に接続する
とともに、それぞれの燃料電極27上で、各インターコネ
クタ28と中心を挾んで対向する位置を、ニッケルフェル
ト30を介して前記外部スペーサ管23の内周面に接続して
並列に配列されている。
そして、固体電解質型燃料電池モジュール21を構成し
ている各燃料電池単体24の空気電極26の内側の中空部内
には酸素(O2)を含んだ空気が供給され、また固体電解
質型燃料電池モジュール21の中心の内部スペーサ管22の
中空部内には燃料ガスの水素(H2)が、所定の圧力で供
給されるようになっており、多孔質体である内部スペー
サ管22内に供給された水素ガスは、内部スペーサ管22の
全体に開口している多数の微細な気孔(図示せず)を経
由して外方の外部スペーサ管23との間の空間に噴出し
て、各燃料電池単体24の外周にムラなく供給されるよう
になっている。
次に、上記のように構成されるこの実施例の作用を説
明する。
固体電解質型燃料電池モジュール21は、各燃料電池単
体24の空気電極26の内側の空間にそれぞれ酸素あるいは
空気が供給されるとともに、中心の内部スペーサ管22内
に燃料の水素ガスが所定の圧力で供給される。そして、
多孔質体である内部スペーサ管22内に供給された水素ガ
スは、内部スペーサ管22の全体に開口している多数の微
細な気孔(図示せず)から外方の外部スペーサ管23との
間の空間に噴出し、各燃料電池単体24の燃料電極27の周
囲に供給される。その結果、各燃料電池単体24において
は、それぞれの固体電解質25を介して酸化・還元反応が
起きて電流が生じ、各インターコネクタ28からニッケル
フェルト29を介して集電される内部スペーサ管22が陽極
となり、また外周の各燃料電極27からニッケルフェルト
30を介して集電される外部スペーサ管23が陰極となっ
て、発生した電流を取出すことができる。
このとき、内部スペーサ管22内に供給された水素ガス
が、外部スペーサ管23との間の空間に噴出し、噴出した
各気孔と近接した各燃料電池単体24の表面の各部位の周
囲に拡散する。したがって、各燃料電池単体24の周囲の
空間は、常に新鮮な水素ガスが常に供給されるため、他
の部位における酸化・還元反応に消費された燃料ガスが
供給されてガス濃度の低下することがなく、その結果、
各燃料電池単体24の全長に亘って、高濃度の水素ガスが
ムラなく供給されるため、固体電解質型燃料電池モジュ
ール21の各燃料電池単体24の個々の発電特性が均等化さ
れるとともに、1本毎の燃料電池単体24の長手方向の発
電特性が均一化し、発電効率が向上するとともに固体電
解質型燃料電池モジュールの寿命が延長する。
また、燃料の水素ガスを、内部スペーサ管22の全体か
ら各燃料電池単体24の燃料電極の周囲に直接供給できる
ので、燃料電池単体24の長手方向に水素ガスを流通させ
て供給する場合に比べて、発電に寄与せずに排出される
無駄な水素ガスを大幅に削減でき、燃料ガスの利用効率
を向上することができる。
また、この実施例においては外部スペーサ管23を熱伝
導性の高い銅等の金属製としたので、この外部スペーサ
管23を介して各燃料電池単体24間の熱伝達が行なわれ、
固体電解質型燃料電池モジュール21全体の均熱化が図
れ、発電特性を向上することができる。
なお、この実施例の固体電解質型燃料電池モジュール
21において、内部スペーサ管22の材質をニッケル(Ni)
やコバルト(Co)あるいはニッケルとコバルトの合金と
すれば、燃料ガスとしてメタン等の炭化水素を用い、こ
の炭化水素と水蒸気等とを内部スペーサ管22内に同時に
供給することにより、この内部スペーサ管22が改質反応
の触媒にもなるため、従来の固体電解質型燃料電池モジ
ュールの場合のように燃料ガスの改質装置を別途設ける
必要がなくなる。
発明の効果 以上説明したようにこの発明は、同心円筒状に設けら
れた内部スペーサ管と外部スペーサ管との間に、複数の
燃料電池単体を配設した固体電解質型燃料電池モジュー
ルにおいて、前記内部スペーサ管は、その先端を閉塞さ
れるとともに多数の通気孔を有し、この内部スペーサ管
の基端側から燃料ガスまたは酸素を供給する構造とした
ので、内部スペーサ管内を経由して燃料電池単体の外周
に供給される燃料ガスまたは酸素の濃度分布のバラツキ
が減少し、各燃料電池単体の発電特性が均一化し、固体
電解質型燃料電池モジュールの発電能力が向上するとと
もに、この固体電解質型燃料電池モジュールの寿命を延
長することができる。
また、酸化・還元反応に必要なだけ燃料ガスまたは酸
素を供給すればよいことから、無駄な燃料ガスまたは酸
素の量を削減して、燃料ガスまたは酸素の利用効率を大
幅に向上させることができる等の効果を有する。
【図面の簡単な説明】
第1図および第2図はこの発明の一実施例を示すもの
で、第1図は固体電解質型燃料電池モジュールの断面正
面図、第2図は第1図のII−II線断面図、第3図および
第4図は従来例を示すもので、第3図は従来の固体電解
質型燃料電池モジュールの断面正面図、第4図は固体電
解質型燃料電池モジュールを構成している燃料電池単体
の斜視図である。 21……固体電解質型燃料電池モジュール、22……多孔質
の内部スペーサ管、23……外部スペーサ管、24……燃料
電池単体、25……固体電解質、26……空気電極、27……
燃料電極、28……インターコネクタ、29,30……ニッケ
ルフェルト。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 長谷川 正一 東京都江東区木場1丁目5番1号 藤倉 電線株式会社内 (72)発明者 丹 正之 東京都江東区木場1丁目5番1号 藤倉 電線株式会社内 (72)発明者 永田 雅克 東京都江東区木場1丁目5番1号 藤倉 電線株式会社内 (56)参考文献 特開 平3−4451(JP,A) 特開 昭57−113561(JP,A) 特開 昭61−109262(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01M 8/00 - 8/02 H01M 8/08 - 8/24

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】空間を存して同心円筒状に設けられた内部
    スペーサ管と外部スペーサ管との間に、管状の固体電解
    質の内側に空気電極または燃料電極を、外側に燃料電極
    または空気電極を設けた燃料電池単体を複数個配設した
    固体電解質型燃料電池モジュールにおいて、前記内部ス
    ペーサ管は、その先端を閉塞されるとともに多数の通気
    孔を有し、この内部スペーサ管内に基端側から燃料ガス
    または酸素を供給する構造としたことを特徴とする固体
    電解質型燃料電池モジュール。
  2. 【請求項2】前記内部スペーサ管と外部スペーサ管との
    うちの少くとも一方が金属製であることを特徴とする請
    求項1記載の固体電解質型燃料電池モジュール。
  3. 【請求項3】前記多孔質の内部スペーサ管の素材が、Ni
    あるいはCoまたはNiとCoの合金であることを特徴とする
    請求項1または2記載の固体電解質型燃料電池モジュー
    ル。
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