JP3100988B2 - 燃料セルバッテリ - Google Patents

燃料セルバッテリ

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JP3100988B2 JP03000669A JP66991A JP3100988B2 JP 3100988 B2 JP3100988 B2 JP 3100988B2 JP 03000669 A JP03000669 A JP 03000669A JP 66991 A JP66991 A JP 66991A JP 3100988 B2 JP3100988 B2 JP 3100988B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は請求項１の前段部に記載
の燃料セルバッテリ用ガス・空気供給部材及びその様な
供給部材を備えた燃料セルバッテリに関する。
【０００２】
【従来の技術及びその課題】固体電解質を含んだ燃料セ
ルの電気化学的活性部材は酸素分子がイオン化し、電子
を吸収するカソードと、酸素イオンが水素及び／又は一
酸化炭素と結合して水又は二酸化炭素に変換し、電子を
発生するアノードと、金属酸化物から成り、酸素イオン
を伝導可能な２つの電極を接続するセラミック固体電解
質とを具備する。酸素イオンは高温（略１０００℃）で
のみ、かつ薄層（略１００マイクロメートル）のときの
み有効な拡散により固体電解質を貫通して移動する。温
度が下がれば下がるほど、電解質の層が厚くなればなる
ほど、燃料セルの効率は下がる。このタイプのセラミッ
ク電解質は商業的に利用可能である。将来的には低温、
かつ厚層でも効率的な固体電解質が開発される可能性が
ある。
【０００３】欧州特許第００５５０１１号明細書は空気
及び燃焼性ガス、特に水素及び一酸化炭素から電気エネ
ルギと熱を発生させる複数の管状燃料セルを備えた装置
を開示する。このタイプの燃料セルは多孔性かつ通気性
の支持チューブを備え、該チューブの外面に上記カソー
ド、固体電解質及びアノードが薄く、相互に重ね合った
層の形状で接着される。外側層を形成するアノード及び
電解質層は上記チューブの活性部の全長を越えて延出す
る位置で妨げられる。このストリップはカソード用電気
接触点として設計されている。燃料セルの１端は閉鎖し
ている。空気供給チューブは上記支持チューブ内で該端
に通じている。この供給チューブは熱交換器としても機
能し、該供給チューブを貫流する事前に予め加熱した空
気は電気化学反応中、発散する熱を吸収する。この追加
加熱を該工程中、利用するのが有利である。このタイプ
の燃料セルを有する装置は空気空間とガス空間との間の
シールを必要としないという利点を有する。しかし、残
念ながらその様な燃料セルは複雑で、そのため制作費が
高くなる。
【０００４】固体電解質を有する他のタイプの燃料セル
において、電気化学的活性部材は平坦な形状を形成して
いる。該活性部材は薄層プレートを形成し、このプレー
トの両面に電極が接着され、空気は多孔性支持構造体を
貫通して拡散する必要はない。このタイプの燃料セルは
管状セルより製作費が非常に安価である。しかし、ガス
及び空気空間間のシールに関し重要な問題が発生する。
また、この装置の場合、ガス及び空気は横方向に又は互
いに反対方向に流れ、効率及び熱応力に関し不利益であ
る。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明の基礎をなす課題
は簡単な装置で空気空間をガス空間から遮断することが
でき、ガス及び空気が平行に流れることが可能で、更に
熱膨脹の差異により生じる応力が小さく、平坦なセルを
有する燃料セルバッテリを創作することである。
【０００６】この問題は請求項１の特徴と、独立請求項
９において特徴づけられた供給部材を備えた装置とによ
り特徴づけられたガス及び空気供給部材より解決され
る。
【０００７】本発明によるガス及び空気供給部材は電気
化学的活性プレートと交互に配設されてスタックを形成
し、このスタック内で隣接するプレートのカソード及び
アノードが電気接続する。電極は非常に薄いフィルムで
数マイクロメートルの厚さしかないので、電極面に沿う
電気伝導は高電気抵抗と関連している。電気抵抗損失を
少なくする為には、電極面の全面に亘って電子供給及び
放出用の接触点を分配することが必要である。接触点間
の最適距離はなかんづく電極の導電率及び電極の厚さに
依存する。そのような接触点を有する電気導電構造体は
従属項２から５においてより詳細に特徴づけられてい
る。請求項６から８は供給部材の幾何学形状に関し、従
って全体としてのスタックの形状に関する。
【０００８】従属項１０から１６は本発明による燃料セ
ルバッテリの種々の有利な実施例に関する。本発明は下
記利点を有する。環状形状の為に各セル又は各層には１
つのシールしか必要とされない。ガス・空気供給部材及
び電気化学的活性プレートは別体の部品として製作さ
れ、セルを２つの部品の機能を組み合わせたユニットと
して製作する場合より簡単である。２部品及び回転対称
の設計では熱膨脹が妨げられないので、固有の応力は低
い。
【０００９】
【実施例】添付図面を参照して本発明についてより詳細
に説明する。燃料セルバッテリ１はスタック状に連続的
に接続したかなり大量の同様なセルを備える。図１はそ
のような１つのセルを示す。スタックは特別な端部部材
３，４により両端で閉鎖している。セルは電気導電構造
体５と２つの電気化学的活性プレート６とを備えたガス
・空気供給部材２を具備し、これらのプレートは隣接す
るセルと共用する。また、セルは異なる態様に、即ち電
気化学的活性プレート６を中央部品として、供給部材２
をセルを構成する唯１つの部品として備えることができ
る。
【００１０】セルは軸対称、例えば円形又は多角形を形
成する。供給部材２は供給される空気の熱交換器１０と
して機能する板状中空部材を備える。電極反応で放出さ
れる熱は空気により部分的に吸収される。反応熱の残り
はガスにより運ばれる。また、熱交換器１０はガス空間
１１と空気空間１２との間の仕切を形成する。ガスはセ
ルの対称軸と同軸な中央管状部材１３を貫通して供給さ
れる。ガス用開口部１４は圧縮部材として設計すること
ができるので、全てのセルに対するガスの供給は均一と
なる。ガス空間１１の周部は多孔性かつ通気性のガス透
過性壁１５により閉鎖している。空気は半径方向の供給
チューブ１６を貫通して熱交換器１０に供給され、中央
管状部材１３にある空気空間１２に流入する。図面に示
すように、ガス及び空気は電気化学的活性プレート６の
２側に平行流が形成可能なように供給される。熱交換器
内のひれ部１０ａ又はその他の部材は熱伝導を促進する
ことができる。供給チューブ１６は供給部材２の外部を
形成する円筒状壁部材１７に接続する。
【００１１】セルの２つのチャンバー部１１，１２内
に、図１に部分図のみが図示されている電気導電構造体
５が配設されている。これらの構造体は接触部材５ａを
介してアノード６ａ及びカソード６ｂに接続する。これ
らの接続は拡散溶接又ははんだづけにより構造的接続と
して形成することができる。接触部材５ａは弾性を有
し、例えば熱膨脹により歪みが発生しても軸方向及び半
径方向に可撓的に反応可能である。また、電気導電構造
体５は電気伝導性の熱交換器１０と電気接触する。この
結果、隣接する電気化学的活性プレート６のアノード６
ａ及びカソート６ｂ間は電気接続される。また、構造体
５は電極６ａ，６ｂ及び熱交換器１０間の熱伝導を促進
することができる。
【００１２】接触要素５ａは電気化学的活性プレート６
に向かって押圧される。これらのプレート６は非常に薄
い（略１５０マイクロメートル）ので、上記２側の接触
点を全て図１に示すように対で配設すれば有利である。
【００１３】図１の実施例と対照的に変形実施例におい
ては、電気導電構造体５は熱交換器１０の全面に亘って
間隔をおいて電気接触を行うことは不必要である。構造
体５が電気伝導に関し凝集性を有する場合、電気接続を
行うには単一の接触点で十分である。また、熱交換器１
０は追加の電気導体によりブリッジすることができる。
【００１４】燃料セルバッテリ１の全てのセルがトラク
ション部材３０によりクランプされる。隣接する中央管
状部材１３のフランジ１３ａ，１３ｂは少なくとも１つ
の開口を上記管状部材１３内に備える電気化学的活性プ
レートの環状領域と、シーリングリング２０とにより分
離される。例えば、セラミックフェルトから形成するこ
とができる該リング２０はガスが空気空間１２に流入す
るのを防止する。
【００１５】供給部材２の円筒状壁部材１７は隣接する
セル隙間間に配設され、この隙間は電気絶縁材料から形
成されたリング１８により覆われる。これらのリング１
８は緩く接着され、壁部材１７がセルの軸方向の動きを
阻害しないように十分な遊びを持たせるように配設され
ている。しかし、この遊びは少量の空気しか割れ目を通
過できぬように、僅かなものでなければならない。
【００１６】壁部材１７と熱交換器１０との間の環状空
間５０内で、使用されたがまだ燃料を含んだガスが空気
空間１２から放出される空気に触れて燃焼することがで
きる。
【００１７】端部部材３，４は供給部材２の１側にほぼ
対応する。下方端部部材３は燃料セルバッテリ１のハウ
ジングのベースを形成する。図示の実施例の上方端部部
材４は弾性ベロー１９を介してハウジング壁の上方部４
０に電気接続する。環状電気絶縁器４１はハウジング壁
の上方部４０を下方端部部材３に接続する。上方部４０
は燃料セルバッテリ１の陽極を形成し、ハウジングのベ
ース３は陰極を形成する。両極は円で囲んだプラス及び
マイナスの記号で図１に示されている。
【００１８】空気は口４２を、ガスは口４３を通過して
燃料セルバッテリ１に供給される。廃ガスは口４４を通
過して装置から排出される。熱い廃ガスは喚熱器（図示
せず）内の新鮮な空気を予熱するのに使用される。ま
た、ガスはバッテリ１に供給される前に予熱するのが有
利である。図１の矢印は空気Ｌ、ガスＧ、及び廃ガスＡ
の流れの方向を示す。
【００１９】セルのスタックをクランプするトラクショ
ン部材３０はハウジング外に装着された圧縮ばね３１を
介して例えば締めることができる。装置全体はシーリン
グリング２０が降伏してもスタックは幾らか阻害されず
に引き締まることができ、従ってシールを維持するよう
に設計されている。トラクション部材３０はシーリング
リング３３を介してカバープレート３２によりセルのス
タックを押圧する。ハウジングのベースに配設されたト
ラクション部材３０の通路にはガスが大気に逃げるのを
防止するための弾性ベロー４５が設けられている。
【００２０】理論的には、燃料セルバッテリの設計は空
気を内部から中心に、ガスを周部から供給するように変
更可能である。しかし、セルのスタックの周部を押圧す
るシーリングリングは本発明を具体化する装置の場合よ
り非常に大きいことが必要になるので、この方法は有利
ではない。
【００２１】図２の(a) 及び図２の(b) は電気導電構造
体５をワイヤからどのように形成できるかを２つの例を
参照して図示する。接触部材５ａはワイヤメッシュに取
り付けられ、コルゲート状ワイヤ部５ａ′（図２の(a)
）または複数のループが単一ワイヤに設けられる場合
ワイヤループ５ａ″（図２の(b) ）の態様で形成され
る。また、図２の(a) は電気化学的活性プレート６の一
部を示す。アノード６ａ上の矢印は接触部材５ａ′に向
かって移動する電子ｅの流れを示す。
【００２２】図３は流れガイド機能を有する電気導電構
造体５の詳細図を示す。図４において、破線曲線はその
ような流れガイド構造体５がガス空間１１にどのように
配設できるかを示す。螺旋状に構成するとガスと電極と
の最適な相互作用を可能とする。図４の電気導電構造体
５は図３に示す実施例の変形例であり、図１に示す設計
に対応する。これらの電気導電構造体５はシートメタル
から形成された薄いストリップから構成され、このスト
リップの舌状部はＳ字状接触部材５ａを形成するように
湾曲している。
【００２３】また、空気空間１２には流れガイド機能を
有する電気導電構造体５を設けることができる。勿論、
電子伝導機能を有していない流れガイド部材を設けるこ
とも可能である。
【００２４】図５はセルの詳細図を示し、該セルにおい
て使用済ガスはトロイドダクト５１内で引き上げられ、
全てのセルに接続した少なくとも１つのヘッダ５２に沿
ってバッテリ１から分離して排出される。このガスは供
給ガスに部分的に追加され、かつ／又は装置１外で燃焼
される。
【００２５】燃料セルバッテリ１の操作中、半径方向の
温度傾度は熱応力に帰着する。電気化学的活性プレート
６が図６の(a) 及び図６の(b) に図示のように僅かに円
錐状又は波状に形成されているならば、これらの応力は
プレート６の変形により消散することができる。
【００２６】図１に示す燃料セルバッテリ１の場合、セ
ルスタックをあまり固くクランプすると電気化学的活性
プレート６に損傷を与える危険性がある。この不利益は
例えば、図７の(a) に示すスペーサリング６０により除
去することができる。勿論、リング６０は他の装置によ
り代替することができる。例えば、リング１８（図１）
はこの目的の為に使用でき、又は図７の(b) に示すよう
に、スペーサは供給要素２の非ルーズ部品６０′とする
こともできる。スペーサ６０は電気絶縁材料から構成し
なければならないか、又は絶縁分離層６１を隣接する供
給要素２間に設けなければならない。
【００２７】隣接する供給要素２間のスペーサ装置はシ
ーリングリング２０が所定の限度で圧縮され得るように
する。従って、スペーサ装置６０とシーリングリング２
０の寸法を好適な寸法にすると、電気化学的活性プレー
ト６に作用する値からはプレート６に割れ又は破損が発
生しないよう十分に小さくすることができる。
【００２８】図７の(b) は電気化学的活性プレート６の
シールクランプでさえ有害でないシーリングリング２
０′の変形例を図示する。この実施例において、プレー
ト６の中央孔の内縁は溝付きシーリングリング２０′に
より収容される。この実施例において、空気及びガスの
チャンバ間に、より信頼性のあるシールも確保される。
【図面の簡単な説明】
【図１】燃料セルバッテリの縦断面図。
【図２】(a) は電気化学的活性プレートと接触する電気
導電構造体を示す図。(b) は電気導電構造体の変形例を
示す図。
【図３】流れガイド機能をも果たす電気導電構造体の詳
細図。
【図４】燃料セルバッテリの他の部品を備える供給部材
の詳細図。
【図５】使用済ガス用ヘッダを備えたセルの横断面図。
【図６】(a) は円錐状プレートを示す図。(b) はコルゲ
ート状プレートを示す図。
【図７】(a) は供給要素間のスペーサ装置を備えた本発
明による燃料セルバッテリの中央部を示す図。(b) は供
給要素間のスペーサ装置を備えた本発明による燃料セル
バッテリの中央部を示す図。
【符号の説明】
１ 燃料セルバッテリ ２ ガス・空気供給部材 ３ 端部部材 ４ 端部部材 ５ 電気導電構造体 ５ａ 接触部材 ５ａ′ コルゲート状ワイヤ部 ５ａ″ ワイヤループ ６ 電気化学的活性プレート ６ａ アノード ６ｂ カソード １０ 熱交換器 １１ ガス空間 １２ 空気空間 １３ 中央管状部材 １３ａ フランジ １３ｂ フランジ １４ 開口部 １５ ガス透過性壁 １６ 供給チューブ １７ 円筒状壁部材 １８ リング １９ 弾性ベロー ２０ シールリングリング ３０ トラクション部材 ３１ 圧縮ばね ３２ カバープレート ３３ シーリングリング ４１ 電気絶縁器 ４２ 口 ４３ 口 ４４ 口 ５０ 環状空間 ５１ トロイドダクト ５２ ヘッダ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01M 8/00 - 8/24

Claims (9)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 酸素イオンを伝導し、両面に電極反応及
    び電気伝導に好適な材料をコーティングした層状形態の
    固体電解質からなる電気化学的活性プレート（６）を備
    えた燃料セルバッテリのためのガス・空気供給部材
    （２）において、 空気用熱交換器（１０）として機能する少なくとも略軸
    対称の板状中空部材はガス空間（１１）と空気空間（１
    ２）との間の境界を形成し、管状部材（１３）は対称軸
    に沿って前記熱交換器（１０）の中央領域を貫通し、該
    管状部材（１３）はフランジ状端部（１３ａ，１３ｂ）
    を有し、更に空気流は周部から中央に向かって前記熱交
    換器（１０）を貫流し、ガス流は前記中央管状部材（１
    ３）を介して前記ガス空間に流入するように形成されて
    いることを特徴とするガス・空気供給部材。
  2. 【請求項２】 隣接する空気空間（１２）及びガス空間
    （１１）に電気導電構造体（５）が配設され、該構造体
    には接触部材（５ａ）が設けられ、該構造体は電気化学
    的活性プレート（６）の表面と電気接続し、２つの隣接
    する空間（１１，１２）内の該構造体（５）は互いに電
    気接続することを特徴とする請求項１に記載のガス・空
    気供給部材（２）。
  3. 【請求項３】 前記熱交換器（１０）は電気伝導性を有
    し、空気空間側及びガス空間側の表面は電気導電構造体
    （５）と電気接触することを特徴とする請求項２に記載
    のガス・空気供給部材（２）。
  4. 【請求項４】 前記電気導電構造体（５）はガス又は空
    気流の方向を与えるように機能することを特徴とする請
    求項２から３のいずれか１に記載のガス・空気供給部材
    （２）。
  5. 【請求項５】 燃料セルバッテリであって、 同軸状に隔置され且つ積み重ねられた関係で配置され
    た、複数の電気化学的活性プレートと、 該プレートと交互に配置された、複数のガス・空気供給
    部材とを有し、 該ガス・空気供給部材の少なくとも一つは、一対の該電
    気化学的活性プレートに平行に且つ該一対の電気化学的
    活性プレートの間で隔置された板状中空部材を有するこ
    とにより、該一対の電気化学的活性プレートの一つに露
    出されたガス空 間と該一対の電気化学的活性プレートの
    他の一つに露出された空気空間とを画定し、 該ガス・空気供給部材の少なくとも一つは更に管状部材
    を有し、該管状部材は該板状中空部材を貫通して同軸状
    に延在して該管状部材を通るガス流を導き、且つ該管状
    部材は該ガス空間と連通して該ガス空間を通るガスの流
    れを生じさせ、 該燃料セルバッテリは更に、該中空部材の各々に空気の
    流れを、隣接するガス空間内でのガスの流れと向流状態
    で通過させる手段を有し、これにより該中空部材から熱
    が除去される、該燃料セルバッテリ。
  6. 【請求項６】 前記電気導電構造体（５）は電気伝導構
    造接続により電気化学的活性プレート（６）に接続され
    ることを特徴とする請求項５に記載の燃料セルバッテリ
    （１）。
  7. 【請求項７】 前記スタックの周部に、使用されたが依
    然として燃料を含んでいるガス燃焼用環状空間（５０）
    が配設されていることを特徴とする請求項５あるいは６
    に記載の燃料セルバッテリ（１）。
  8. 【請求項８】 前記ガス空間（１１）は周部に配設され
    た使用済ガスを排出する為の環状室（５１）により囲ま
    れたことを特徴とする請求項５あるいは６に記載の燃料
    セルバッテリ（１）。
  9. 【請求項９】 スペーサリング（６０）あるいはリング
    （１８）は隣接する供給部材（２）間に間隔を形成する
    為にシールリング（２０）に対し同軸状に設けられる請
    求項５から８のいずれか１に記載の燃料セルバッテリ
    （１）。
JP03000669A 1990-01-09 1991-01-08 燃料セルバッテリ Expired - Fee Related JP3100988B2 (ja)

Applications Claiming Priority (2)

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