JP3207984B2

JP3207984B2 - 発電装置

Info

Publication number: JP3207984B2
Application number: JP25840093A
Authority: JP
Inventors: 真司川崎; 清志奥村
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1993-10-15
Filing date: 1993-10-15
Publication date: 2001-09-10
Anticipated expiration: 2016-09-10
Also published as: JPH07114936A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、発電装置に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】固体電解質型燃料電池（SOFC）の構成材
はすべて固体であり、形状の設計を比較的自由に行える
ので、様々な形状、構造のSOFCが提案されている。これ
らは、平板型と円筒型とに大別される( エネルギー総合
工学13−２，1990) 。これらのSOFCの単電池の起電力
は、開回路において約１Ｖ、電流密度も精々数100mA ／
cm²程度であるため、実際の使用に際しては、単電池の
発電面積を大きくすること、多くの単電池を容易に直
列、並列に接続できるようにすることが重要である。こ
の観点から、単電池とそのスタック( 集合電池) の構造
を検討しなければならない。

【０００３】また、SOFCは、例えば1000℃もの高温で運
転されるものであるため、その排熱を有効に利用してコ
ージェネレーション系を作製できるという利点がある。
しかし、その反面、燃料ガスと酸化ガスとが混合しない
ように、気密にシールする必要がある。それにもかかわ
らず、高温の単電池を安定して気密にシールすることは
困難であった。例えばガスケットや有機樹脂などの気密
性シール部材は、500 ℃位までしか耐えられないからで
ある。

【０００４】最近、平板状単電池について、シール手段
が提案されている（特開平２−278664号公報）。この文
献では、平板状単電池とガス分離板とを交互に積層し、
各単電池の外周又は積層体全外周に溜部を形成し、この
溜部に溶融ガラスを満たしてシールを行う。しかし、こ
の方法では、昇温と降温とを繰り返すと、溶融ガラスが
溶融と凝固とを繰り返すので、シール材の耐久性が低
い。

【０００５】ウエスティングハウス社の円筒型セル（エ
ネルギー総合工学13−２、1990年) においては、構造上
強度のある円筒型単電池を用いることで、セラミックス
の脆弱性を緩和し、さらに単電池の片端を封じた構造に
することでシールレス構造を可能としている。更に、金
属製フェルトを用いて、単電池を直列、並列に容易に接
続できる点で優れている。

【０００６】しかし、こうした発電装置では、円筒状単
電池の一端を封じ、丸底形状の有底部を形成しなければ
ならない。両端が開口した円筒状基体は比較的容易に生
産性よく押出成形できるが、円筒状基体の一端をセラミ
ックス素材で封止し、かつこの封止部に相応の強度を持
たせることは、生産技術上難しい。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】こうした課題を解決す
るために、本出願人は、特願平３─３２８６９８号にお
いて特殊な構造の発電装置を開示した。この発電装置の
要点を述べる。単電池の長さ方向の一端と他端とに酸化
ガス流路が開口した単電池を集合させ、発電装置を構成
する。この発電装置内に、少なくとも燃料ガス室と酸化
ガス室と発電室と燃焼室とを設ける。発電室を発電領域
と予熱領域とに区分する。複数の単電池を、発電室に互
いに所定間隔を置いて配列する。気体の流通を妨げない
構造の耐熱導電体によって、隣り合う単電池を接続す
る。酸化ガス室と予熱領域とを、気密性隔壁によって区
分する。この気密性隔壁と各単電池との間を気密にシー
ルする。酸化ガス室内の酸化ガスが、酸化ガス流路を通
って燃焼室へと流れるように構成する。

【０００８】しかし、発電室内に所定間隔を置いて配列
された複数の単電池の接続抵抗を低くし、発電装置から
取り出せる電力を大きくするためには、単電池全体に圧
力を加える必要がある。また、発電装置を長期間運転す
ると、単電池同士を接続する耐熱導電体が劣化して収縮
し、接触不良が生じうる。この場合にも、単電池全体に
圧力を加えて単電池の間隔を小さくしなければならな
い。また、耐熱導電体の収縮によって、各単電池の位置
が自重によって変わってくることもある。

【０００９】しかし、単電池全体に圧力をかけたり、単
電池に自重が加わると、単電池の端部が気密にシールさ
れているので、単電池が破壊し、単電池のスタック全体
の集電抵抗が増大する。単電池の破壊が著しいと、ガス
漏れも生じうる。

【００１０】本発明の課題は、燃料ガスと酸化ガスとが
混合しないように容易に分離でき、長期間安定してシー
ルを行うことができ、単電池の長さ方向の一端を封止す
る必要がない発電装置を提供することである。更に、単
電池全体に圧力をかけても単電池が破壊せず、これによ
り隣り合う単電池の接続抵抗を低くし、発電装置から取
り出せる電力を大きくすることができる発電装置を提供
することである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明においては、固体
酸化物型燃料電池からなる単電池であって、単電池の内
側に酸化ガス流路が形成され、単電池の長さ方向の両端
にそれぞれ前記酸化ガス流路が開口し、単電池の表面に
少なくとも燃料電極膜が形成されている単電池を集合
し、発電装置を構成する。この発電装置内に、少なくと
も燃料ガス室、酸化ガス室、予熱領域及び発電領域から
なる発電室を設ける。互いの空間は気密性隔壁によって
区分される。単電池が予熱領域及び発電領域内に複数個
互いに所定間隔を置いて配列される。気体の流通を妨げ
ない構造の耐熱導電体によって隣り合う単電池が直列接
続及び並列接続される。単電池の予熱領域側の端部と酸
化ガス室の気密性隔壁とが、発電装置の運転時の予熱領
域内温度で弾性を有し変形可能な酸化ガス導入管によっ
て連結されている。単電池と酸化ガス導入管との間及び
気密性隔壁と酸化ガス導入管との間がそれぞれ気密にシ
ールされている。燃料ガス室内の燃料ガスが予熱領域及
び前記発電領域を通過して流れるように構成されてい
る。酸化ガス室内の酸化ガスが酸化ガス導入管の内側空
間及び酸化ガス流路を通って流れるように構成されてい
る。

【００１２】

【作用】本発明によれば、単電池の予熱領域側の端部
と、酸化ガス室を区画する気密性隔壁とが、酸化ガス導
入管によって連結され、単電池と酸化ガス導入管との間
及び気密性隔壁と酸化ガス導入管との間がそれぞれ気密
にシールされている。従って、燃料ガスと酸化ガスとが
混合しないように容易に分離でき、長期間安定してシー
ルを行うことができる。酸化ガス室内の酸化ガスが、酸
化ガス導入管の内側空間及び酸化ガス流路を通って流れ
るように構成されているので、単電池の長さ方向の一端
を封止する必要がない。

【００１３】更に、酸化ガス導入管が変形可能なので、
単電池全体に圧力をかけたときや、単電池が自重によっ
て位置変化したときに、各酸化ガス導入管の位置が変化
しても、この位置変化を、酸化ガス導入管の変形によっ
て吸収、緩和できる。この結果、各酸化ガス導入管に加
わる応力が小さくなるので、単電池が破壊しない。ま
た、気密シール部の破壊を防ぎ、この破壊によるガス漏
れを防止することができる。そして、各酸化ガス導入管
の位置が変化することで、隣り合う単電池の距離を小さ
くでき、接続抵抗を低くし、発電装置から取り出せる電
力を大きくすることができる。

【００１４】

【実施例】最初に、図１〜図７を順次参照しつつ、本発
明の実施例について説明する。図１はセパレータ5Aを示
す斜視図である。セパレータ5Aの平面形状は長方形であ
る。この長方形の長辺の長さと短辺の長さとの比は、２
以上とすることが好ましく、５以上とすると更に好まし
い。

【００１５】平面長方形状の平板状本体５ａの幅方向縁
部の表面に、一対の細長い側壁５ｃが形成されている。
これらの側壁５ｃは、共に四角柱形状であり、セパレー
タ５Ａの長さ方向の一端から他端へと向って延びる。一
対の側壁５ｃの間に、四角柱形状の隔壁５ｂが、長さ方
向の一端から他端へと向って、互いに平行に例えば計３
列形成されている。隔壁５ｂ、側壁５ｃの間に、互いに
平行な酸化ガス流路６が計四列形成されている。各酸化
ガス流路６の両端が開口している。各隔壁５ｂ及び側壁
５ｃの高さは、ほぼ同じに設定されている。図２におい
て、４１は予熱領域を示し、４２は発電領域を示す。

【００１６】セパレータ５Ａは、気密質の電子伝導体か
らなる。更に、セパレータ５Ａは、酸化ガスと燃料ガス
とに対して曝されるので、耐酸化性と耐還元性とを備え
ていなければならない。こうした材料としては、LaCrO₃
セラミックス、酸化ガスにさらされる部分をLaCrO₃セラ
ミックスで被覆したニッケルジルコニアサーメット等を
例示できる。

【００１７】図２は、電池素子部分を燃料電極２の側か
らみた平面図、図３は電池素子部分を空気電極４の側か
らみた平面図、図４は完成した単電池１Ａを幅方向に切
ってみた断面図、図５は単電池１Ａをその長さ方向に切
ってみた断面図である。単電池１Ａについて、好ましい
製造手順を追いながら順次説明する。

【００１８】空気電極４の構成材料は、ドーピングされ
たか、又はドーピングされていないLaMnO₃, CaMnO₃, La
NiO₃, LaCoO₃等を例示でき、ストロンチウムを添加した
LaMnO₃が好ましい。まず、空気電極４とセパレータ５Ａ
との接合体を得る。このためには、あらかじめ気孔率が
20〜35％となるように焼成された空気電極４又はそのグ
リーンシートを、セパレータ５Ａの隔壁５ｂ及び側壁５
ｃと向い合わせる。

【００１９】隔壁５ｂ、側壁５ｃの表面に、接合用のセ
ラミックスペースト層を設ける。セラミックスペースト
層の材質は、空気電極４の材質か、セパレータ５Ａの材
質を使用できる。各隔壁５ｂ、側壁５ｃをそれぞれ、空
気電極４又はそのグリーンシートに当接させた状態で加
熱処理し、空気電極、インターコネクター（セパレー
タ）からなる積層体を得る。

【００２０】固体電解質３は、上記の積層体の空気電極
及び空気電極とセパレータの界面を覆う様に形成され
る。形成法としては、溶射法を提案できる。燃料電極２
は、図２に示す様に固体電解質３の表面に形成される。
これにより、図４、図５に示す単電池１Ａを作製でき
る。

【００２１】こうして作製した単電池１Ａの構成につい
て、更に述べる。緻密質の固体電解質３の平面形状は、
セパレータ５Ａの平面形状とほぼ同じである。固体電解
質３の表面には、平面長方形状の燃料電極２が形成され
ている。この燃料電極は、固体電解質の表面で発電に供
される部分のみ形成してもよいし、それ以外の部分にも
形成してもよい。発電部分以外に形成した場合、予熱領
域内にある燃料極は、メタンなどの改質触媒として働
く。固体電解質３の燃料電極２と反対側の表面には、平
面長方形状の空気電極４が形成されている。空気電極４
が存在しない部分では、固体電解質３の周縁に沿って、
一対の細長い突起３ａが形成されている。

【００２２】単電池１Ａにおいては、細長い突起３ａに
よって、空気電極４の幅方向側面４ａと、セパレータ５
Ａの幅方向外壁面５ｇの上部とが覆われる。酸化ガス流
路６と空気電極４の側面４ａとは、いずれも気密質であ
るセパレータ５Ａ及び固体電解質３によって包囲されて
いる。従って、酸化ガス流路６の開口以外から、酸化ガ
スが漏れることはない。各酸化ガス流路６は、単電池１
Ａの長さ方向の両端に開口する。また、単電池１Ａの長
さ方向の両端に、空気電極４の側面が露出する。

【００２３】次に、単電池１Ａを集合してなる発電装置
の構成例について述べる。図６は、こうした発電装置を
単電池の幅方向に切ってみた一部断面図である。図７
は、図６の発電装置を単電池１Ａの長さ方向に切ってみ
た部分断面図である。

【００２４】緻密質材料からなる略直方体形状の缶３０
の相対向する側壁に、貫通孔３０ａと３０ｂとが設けら
れる。缶３０の内部には、図７において右側から順番
に、燃料ガス室３７、酸化ガス室３８、発電室４０、燃
焼領域３９が設けられている。燃料ガス室３７と酸化ガ
ス室３８とは気密性の隔壁３３によって区分され、酸化
ガス室３８と発電室４０とは気密性隔壁３４によって区
分され、発電室４０と燃焼領域３９とは隔壁３６によっ
て区分されている。

【００２５】発電室４０は、予熱領域４１と発電領域４
２とに分けられる。予熱領域４１は隔壁３４側にあり、
発電領域４２は隔壁３６側にある。燃料ガス室３７を供
給管３１が横断し、供給管３１の内部空間が酸化ガス室
３８に連通する。気密性隔壁３４には、貫通孔３４ａと
３４ｂとが形成されている。酸化ガス室３８を供給管３
２が横切っており、各供給管３２の内部空間が燃料ガス
室３７に連通している。各供給管３２の内径は貫通孔３
４ａの径とほぼ同じであり、各供給管３２が貫通孔３４
ａに位置合わせされている。各貫通孔３４ａは予熱領域
４１に面している。

【００２６】理解を容易にするため、図７においては、
一つの単電池１Ａについては断面図を示し、二つの単電
池１Ａについては正面図を示してある。このため、図７
においては、貫通孔３４ｂのうち一つを断面で示し、他
の二つを点線で示してある。各貫通孔３４ｂは、貫通孔
３４ａの間に規則的に設けられている。各貫通孔３４ｂ
の中に、発電装置の運転時の予熱領域４１内温度で変形
可能な酸化ガス導入管５０Ａの一端が挿入され、固定さ
れている。酸化ガス導入管５０Ａの他端が、単電池１Ａ
の端部に固定されている。この結果、各単電池１Ａの予
熱領域４１側の端部と気密性隔壁３４とが、酸化ガス導
入管５０Ａによって連結される。

【００２７】単電池１Ａと酸化ガス導入管５０Ａとの間
が、シール部材５１によって気密にシールされている。
気密性隔壁３４と酸化ガス導入管５０Ａとの間が、シー
ル部材５２によって気密にシールされている。シール部
材５１、５２としては、オーリング、ガスケット及び有
機樹脂からなる群より選択したシール部材が好ましい。

【００２８】この酸化ガス導入管は、発電装置の運転時
の予熱領域４１内温度で弾性を有している。酸化ガス導
入管に弾性を付与するのには、発電装置の運転時の予熱
領域４１内温度で弾性を有する金属又は有機物によって
酸化ガス導入管を形成する。また、酸化ガス導入管を、
硬質金属製の薄板によって形成した場合も、この薄板の
断面が波状、矩形波状等となるように加工すれば、酸化
ガス導入管に弾性を付与することができる。

【００２９】隔壁３６には、単電池挿通孔３６ａが、所
定間隔を置いて規則的に設けられている。各単電池挿通
孔３６ａの寸法は、単電池１Ａの幅方向寸法よりも若干
大きくなっている。各単電池１Ａの燃焼領域３９側の端
部が、単電池挿通孔３６ａに挿通される。単電池挿通孔
３６ａの内周面と単電池１Ａの外周との間には、単電池
挿通孔３６ａの全内周面に亘って、若干の隙間がある。
この隙間に、気体の流通を妨げない緩衝材１３が充填さ
れている。緩衝材13としては、例えば、アルミナフェル
ト等のセラミックスフェルト材が好ましい。

【００３０】ここで、単電池１Ａのスタックに圧力をか
けたときや、単電池１Ａが自重によって位置変化したと
きに、この位置変化を、単電池挿通孔３６ａの内周面と
単電池１Ａの外周との間の隙間によって、吸収できるよ
うにする。また、隔壁３６は、必ずしも必要ない。

【００３１】発電領域４２においては、缶３０上に集電
板４５が設置され、集電板４５の上に集電材層４４が設
けられている。単電池１Ａは、本実施例では、上下方向
と左右方向とに、それぞれ一定間隔を置いて延びるよう
に配置されている。ただし、図６においては、図面の寸
法上の制約から、こうした集合電池のうち下方の３列の
みを図示し、かつ左側の２列のみを図示した。むろん、
こうした集合電池中に含まれる単電池１Ａの個数は、適
宜選択できるものである。

【００３２】発電室４０において最下端の単電池１Ａ
は、集電材層４４の上に載置される。集電材層４４は、
単電池１Ａの形状や変形に追随させるため、弾性と可塑
性とを有するものがよい。最下端の単電池１Ａ上に、所
定間隔を置いて順次他の単電池１Ａを配置し、上下の単
電池１Ａの燃料電極２と平板状本体５ａとを対向させ
る。これらの間に、略平板形状の耐熱導電体４３Ｂを挿
入し、上下方向に隣り合った単電池１Ａの燃料電極２と
平板状本体５ａとを電気的に接続する。図６において左
右方向に隣り合う単電池１Ａの間に、細長い耐熱導電体
４３Ａを挿入する。これにより、単電池１Ａのセパレー
タ５Ａ同士を電気的に接続する。各耐熱導電体４３Ａと
４３Ｂとは、接触しないようにする。

【００３３】予熱領域４１においては、上下方向、左右
方向に隣り合う各単電池１Ａの間の空間に、通気性断熱
材３５を充填する。通気性断熱材３５は、単電池１Ａの
膨脹と収縮とに対応するため、変形可能な耐熱性材料で
形成するのが好ましい。こうした材料としては、セラミ
ックスファイバーを編んで作製したセラミックスフェル
ト材や、多数の開気孔を有するセラミックス多孔体が好
ましい。これらの断熱材３５は、単電池１Ａの支持材料
としても機能する。

【００３４】この発電装置の動作を説明する。燃料ガス
は、貫通孔３０ａから燃料ガス室３７内に矢印Ｅのよう
に供給され、供給管３２内に矢印Ｆのように送り込まれ
る。次いで、この燃料ガスは、供給管３２、貫通孔３４
ａを通過し、予熱領域４１を通過し、更に発電領域４２
を流れ、矢印Ｇのように緩衝材１３を通過し、燃焼領域
３９に入る。

【００３５】酸化ガスは、矢印Ａのように供給管３１内
を通過し、酸化ガス室３８内に入り、次いで、矢印Ｂで
示すように、酸化ガス導入管５０Ａの内側空間５０ａに
入る。次いで、この酸化ガスは、内側空間５０ａ、酸化
ガス流路６を矢印Ｃのように順次通過し、矢印Ｄのよう
に燃焼領域３９内に流出する。燃焼領域３９において、
減損した燃料ガスと減損した酸化ガスとが燃焼される。
貫通孔３０ｂから、矢印Ｈのように、燃焼排ガスが排出
される。

【００３６】発電装置の動作時には、空気電極４と固体
電解質３との界面で酸化ガスが酸素イオン等を生じ、こ
れらの酸素イオン等が固体電解質３を通って燃料電極２
へと移動し、燃料ガスと反応すると共に電子を燃料電極
２へと放出する。そして、正極である空気電極４と負極
である燃料電極２との間に電位差が生ずる。こうした単
電池を前記したように直列接続、並列接続し、最終的に
集電板４５から電力を取り出す。

【００３７】本実施例によれば、以下の効果を奏しう
る。（１）単電池１Ａが平板状であるので、例えば、現在最
も実用性が高いと言われるSOFCである円筒型SOFC（特開
昭57−11356 号公報等）にくらべて、格段に発電面積を
大きくでき、単位体積当りの発電量を増大させることが
できる。（２）セパレータ５Ａに隔壁５ｂが設けられ、各隔壁５
ｂが空気電極４に連結されている。これにより、空気電
極４から隔壁５ｂを通る電流経路が発生するので、空気
電極４内を膜と平行に流れる距離が格段に短縮される。
この結果、特に空気電極４内における内部抵抗が低減さ
れるので、単電池出力が向上する。

【００３８】（３）上記のように、各隔壁５ｂが平板
状の電池素子に対して接合されているので、単電池１Ａ
が、マルチチャンネル構造、即ち、小さな４角筒状部を
幾つか合体させたような構造になる。従って、単電池の
構造強度が大きく、単電池のレベルで見ても、集合電池
のレベルで見ても、信頼性が高くなった。（４）各単電池１Ａの保持と位置決めとを、気体の流通
を妨げない耐熱導電体４３Ａ、４３Ｂと、緩衝材１３と
によりソフトに行っている。これにより、単電池１Ａが
熱膨張しても、単電池１Ａにかかる応力が一層小さくな
る。

【００３９】（５）単電池１Ａにおいては、酸化ガス
流路６の一端が封じられておらず、その両端が開口して
いる。しかも、セパレータ５Ａ、空気電極４が、いずれ
も押し出し成形等によって比較的容易に成形可能な形を
している。このため、生産技術の点からは、単電池１Ａ
が非常に有利である。

【００４０】（６）本実施例の発電装置においては、
単電池１Ａと酸化ガス導入管５０Ａとの間及び気密性隔
壁３４と酸化ガス導入管５０Ａとの間を、それぞれ気密
にシールしている。隔壁３６側では、燃料ガスを流すた
めに、気密シールは施さない。この際、発電領域４２で
は、1000℃程度の高温となる。そこで、隔壁３４と発電
領域４２との間に断熱材３５を配置し、予熱領域４１を
形成したわけである。

【００４１】むろん、予熱領域４１内では隔壁３４へと
近づくにつれて急速に温度が下がる。隔壁３４において
上述のような気密シールを行うには、このシール部分の
温度を、発電領域４２内よりもかなり低温に、好ましく
は500 ℃以下にしなければならない。更に、350 ℃以下
では、樹脂製シール材の選択種が広がる。しかし、100
℃以下にするには、予熱領域を長くする必要が生じ、単
位体積当たりの発電量が減る。従って、予熱領域４１の
温度は、100 ℃〜350 ℃が最も好ましい範囲である。こ
の一方、燃料ガス及び酸化ガスは、予熱領域４１を通過
する間に、共に予熱されることになる。

【００４２】（７）酸化ガスは、燃焼領域３９におい
て、既に減損した水蒸気等の多い廃燃料ガスと接触す
る。従って、局部的で急激な燃焼と発熱とが発生するこ
とはない。従って、これに伴なって単電池端部で亀裂が
生ずるおそれはない。

【００４３】（８）更に、酸化ガス導入管５０Ａを、
予熱領域４１内の異常発熱によって変形する材料で形成
することができ、この場合は、以下の効果を奏すること
ができる。即ち、本例の集合電池を、例えば１０００°
Ｃの高温で長時間作動させたときに、一つの単電池１Ａ
にクラックが生じた場合、そのクラックで酸化ガスの漏
れが生じ、異常発熱を起こしうる。この異常発熱を放置
すると、その周辺の温度が上昇し続けるため、更に新た
なクラック等を引き起こし、事故につながる可能性があ
る。

【００４４】この際、缶３０内には多数の単電池１Ａが
存在しており、各単電池１Ａが発熱しているので、一部
分の異常発熱を検出することは困難である。集合電池の
一部分のみの異常発熱を検出するには、缶３０内のあら
ゆる箇所に温度計を設置し，監視しなければならないの
で、多額の投資、稼働費用が必要になる。また、異常発
熱をもし検出できたとしても、多数の単電池１Ａの中
で、異常が生じている単電池１Ａを特定することは不可
能に近い。従って、缶３０内の全部に対して一律に、ガ
スの供給を停止し、稼働を停止しなければならないの
で、非常に損失が大きくなる。

【００４５】この点、酸化ガス導入管を、予熱領域４１
内の異常発熱によって変形する材料で形成すれば、この
異常発熱によって酸化ガス導入管が変形して閉塞し、酸
化ガスの流れが停止する。これにより、酸化ガスの漏れ
が防止され、異常発熱が缶３０内の他の部分に波及しな
い。むろん、缶３０内のあらゆる箇所に温度計を設置す
る必要はなく、これらの温度計を監視する必要もないの
で、多額の投資、稼働費用を要しない。

【００４６】しかも、酸化ガス導入管は、異常発熱によ
って初めて閉塞し、酸化ガスの通路を閉塞するのであ
り、異常発熱部分から離れた酸化ガス導入管は、弾性な
いし塑性は有しているものの、閉塞はしない。従って、
異常発熱部分で酸化ガスの供給を停止しつつも、その他
の部分では酸化ガスの供給は阻害されず、発電が行われ
る。

【００４７】この場合、酸化ガス導入管を構成する材料
は、予熱領域４１における正常な温度領域を越えた異常
発熱に反応して、軟化又は溶解する材料でなければなら
ない。この材料は、好ましくは、酸化ガス導入管の周囲
温度を、前記した好適温度１００°Ｃ〜３５０°Ｃから
選択したとき、この周囲温度で弾性又は塑性を有し、こ
の周囲温度よりも２００°Ｃ以上高い温度で軟化又は溶
解する。

【００４８】この材料は、好ましくは、金属、有機物、
ガラス、金属とセラミックスとの複合材料、有機物とセ
ラミックスとの複合材料及びガラスとセラミックスとの
複合材料からなる群より選ばれる。この金属としては、
アルミニウム（融点６５９°Ｃ）、亜鉛（融点４２０°
Ｃ）、すず（同２３２°Ｃ）、鉛（同３２７°Ｃ）、
金、銅、銀等の低融点金属、及びこれらの合金がある。

【００４９】この有機物としては、テフロン（約３００
°Ｃ〜４００°Ｃで軟化する。）、ポリプロピレン（１
００°Ｃ以上で軟化する。）、ビニール、シリコンゴ
ム、その他熱可塑性のプラスチックを使用できる。これ
には、ポリアミド、ポリアセタール、ポリカーボネー
ト、ポリエチレンフタレート、ポリサルホン、ポリエー
テルイミド、ＡＢＳ樹脂、ＡＳ樹脂、ＡＣＳ樹脂、超高
分子量ポリエチレン、メタクリル樹脂等を例示できる。
上記のガラスとしては、Ｎａ₂Ｏ─ＣａＯ─ＳｉＯ
₂系、ＰｂＯ─Ｂ₂Ｏ₃─Ａｌ₂Ｏ₃─ＳｉＯ₂系、Ｎ
ａ₂Ｏ─Ｂ₂Ｏ₃─Ａｌ₂Ｏ₃─ＳｉＯ₂系等のガラス
を例示できる。

【００５０】なお、酸化ガス導入管をこうした材料で形
成する構成は、後述する各実施例においても採用でき
る。また、酸化ガス導入管の一部分のみを、上記した、
異常発熱により変形する材料で形成することもできる。
この場合には、酸化ガス導入管の残りの部分は、セラミ
ックスや硬質金属で形成することができる。

【００５１】上記の例では、酸化ガス導入管５０Ａの端
部を貫通孔３４ｂ内に挿入した。しかし、この代りに酸
化ガス導入管５０Ａの末端面を気密性隔壁３４に当接さ
せ、両者の間を気密にシールしてもよい。むろんこの場
合には、酸化ガス導入管５０Ａの内側空間５０ａを貫通
孔３４ｂに連通させる。また、各単電池１Ａを、それぞ
れ垂直方向に立てることもできる。

【００５２】また、図８に概略的に示すように、酸化ガ
ス及び燃料ガスの供給形態を変更することができる。図
７に示したものと同じ部材には同じ符号を付け、その説
明は省略する。缶３０の内部には、図８において右側か
ら順番に、酸化ガス室３８、燃料ガス室３７、発電室４
０、燃焼領域３９が設けられている。酸化ガス室３８と
燃料ガス室３７とは、気密性隔壁５４によって区分さ
れ、燃料ガス室３７と発電室４０とは隔壁５５によって
区分される。隔壁５５は多孔質であってもよい。

【００５３】予熱領域４１は隔壁５５側にある。酸化ガ
ス室３８を供給管３２が横断し、供給管３２の内部空間
が燃料ガス室３７に連通する。隔壁５５には、貫通孔５
５ａと５５ｂとがそれぞれ交互に規則的に形成されてい
る。気密性隔壁５４には、貫通孔５４ａが規則的に形成
されている。各貫通孔５４ａの中に、発電装置の運転時
の予熱領域４１内温度で変形可能な酸化ガス導入管５０
Ｂの一端が挿入され、固定されている。

【００５４】各酸化ガス導入管５０Ｂは、それぞれ燃料
ガス室３７を横断し、隔壁５５の貫通孔５５ｂを貫通す
る。酸化ガス導入管５０Ｂの他端が、単電池１Ａの端部
に固定されている。この結果、各単電池１Ａの予熱領域
４１側の端部と気密性隔壁５４とが、酸化ガス導入管５
０Ｂによって連結される。

【００５５】単電池１Ａと酸化ガス導入管５０Ｂとの間
が、シール部材５１によって気密にシールされている。
気密性隔壁５４と酸化ガス導入管５０Ｂとの間が、シー
ル部材５２によって気密にシールされている。

【００５６】燃料ガスは、供給管３２から燃料ガス室３
７内に矢印Ｅのように供給され、貫通孔５５ａを矢印Ｆ
のように通過し、予熱領域４１、発電領域４２を流れ、
矢印Ｇのように緩衝材１３を通過し、燃焼領域３９に入
る。

【００５７】酸化ガスは、矢印Ａのように貫通孔３０ａ
を通って酸化ガス室３８内に入り、次いで、矢印Ｂで示
すように、酸化ガス導入管５０Ｂの内側空間５０ａに入
る。次いで、この酸化ガスは、内側空間５０ａ、酸化ガ
ス流路６を矢印Ｃのように順次通過し、矢印Ｄのように
燃焼領域３９内に流出する。

【００５８】単電池１Ａにおいては、酸化ガス流路６に
は何も障害物を設けていない。しかし、予熱領域４１に
おいては、酸化ガスを発電のために消費してはいない。
そこで、図９に示すように、予熱領域４１内において、
通気性の断熱材２８を充填することができる。こうした
断熱材２８としては、セラミックス多孔体、セラミック
スファイバー等が好ましい。通気性の断熱材２８を予熱
領域４１内で酸化ガス流路６に充填することにより、発
電領域４２内の高熱を効果的に吸収して断熱効果を上
げ、気密シール部分の温度を一層引き下げることができ
る。これと共に、熱を吸収した断熱材２８を酸化ガスが
通過する間に、酸化ガスを一層効果的に予熱できる。即
ち、断熱材２８が一種の熱交換作用を発揮する。

【００５９】また、図１０に示すようなセパレータ５Ｂ
を用いることもできる。セパレータ５Ｂでは、セパレー
タの幅方向の両縁部の表面に、一対の側壁５ｃが互いに
平行に形成されている。発電領域４２においては、一対
の側壁５ｃの内側に、例えば計３列の四角柱状の隔壁５
ｄが、セパレータの長さ方向に向って互いに平行に形成
されている。発電部分では、酸化ガス流路６が、互いに
平行に４列設けられている。

【００６０】予熱領域４１においては、酸化ガス流路が
複雑に屈曲している。まず、単電池の予熱部分の入口側
からみると、セパレータ５Ｂの幅方向に延びる四角柱形
状の隔壁５ｆが、セパレータ５Ｂの一端から発電領域の
方へと向って、計３列形成されている。各隔壁５ｆは、
互いに対して平行であり、かつセパレータ５Ｂの長さ方
向に対して垂直である。各隔壁５ｆの一端は、一対の側
壁５ｃのうちのいずれかと一体化しており、その他端
は、側壁５ｃと若干の隙間を残している。三列の隔壁５
ｆの間に酸化ガス流路６Ａが形成される。

【００６１】隔壁５ｆと５ｄとの間には、計４個の直方
体状の隔壁５ｅが形成されている。計４個の幅の小さい
隔壁５ｅは、セパレータ５Ｂの幅方向へと向って一列に
並び、このうちの二つはそれぞれ側壁５ｃに一体化して
いる。隔壁５ｅの間には、短かい酸化ガス流路６Ｂが、
計３箇所に形成されている。

【００６２】本実施例では、予熱領域４１において、酸
化ガス流路が蛇行し、屈曲しているので、酸化ガス流路
が直線状の場合にくらべて、酸化ガスの流過距離がかな
り長くなる。従って、酸化ガスの予熱を効果的に行え
る。

【００６３】図１１は、他の単電池１Ｂを幅方向に切っ
てみた、図４と同様の断面図である。このうち、固体電
解質３、燃料電極２の構成、製造法は上記と同様であ
る。セパレータ５Ｃの平板状本体５ａの幅方向の両縁
に、それぞれ側壁５ｃが設けられる。また空気電極４Ａ
には複数列の隔壁４ｂが設けられる。これらを接合する
ことによって、側壁５ｃと隔壁４ｂとの間、隣り合う隔
壁４ｂの間には、それぞれ酸化ガス流路６が形成され
る。こうした幅方向断面を有する単電池１Ｂの、他の部
分の構成は、単電池１Ａの構成と同じにすることができ
る。

【００６４】次に、長さ方向の両端が開口した円筒型SO
FC単電池の集合化に対して、本発明を適用した実施例に
ついて説明する。図１２は、本実施例に係る発電装置の
一部分を各単電池１１の長さ方向に切って見た断面図、
図１３はこの発電装置の一部分を各単電池１１の幅方向
に切って見た断面図である。図６、図７に示したものと
同じ構成部分には同一符号を付し、その説明は省略する
ことがある。

【００６５】多孔質の空気電極材料によって、円筒状の
空気電極基体１４が形成されており、空気電極基体１４
の内側に、円柱形状を持つ酸化ガス流路６Ｃが形成され
ている。酸化ガス流路６Ｃは、単電池１１の長さ方向の
両端に開口する。発電領域４２内においては、各単電池
１１が、図１３に示すような幅方向断面形状を有する。
即ち、空気電極基体１４の外側表面に、一部を残して固
体電解質２３が形成されている。固体電解質２３が存在
しない領域では、インターコネクター１５が形成され、
これら両者が空気電極１４の表面を覆っている。

【００６６】固体電解質２３の表面には、燃料電極１２
が形成され、インターコネクター１５の表面には、接続
端子１７が形成されている。単電池１１は、図１３にお
いて上下方向と左右方向とに向って配列されている。た
だし、図面の寸法上の制約から、図１２においては下側
の単電池１１を３個図示し、図１３においては、下側及
び左側の単電池１１を２列×２列のみを示した。

【００６７】図１３において左右方向に隣り合った単電
池１１の燃料電極１２同士を、耐熱導電体４３Ｃで接続
する。これと共に、上下方向に隣り合った単電池１１の
燃料電極１２と接続端子１７とを、耐熱導電体４３Ｄで
接続する。図１３において最も下側の単電池１１は集電
板４５に接続される。

【００６８】発電領域４２では、上述のように、インタ
ーコネクター１５、接続端子１７、燃料電極１２が設け
られているが、予熱領域４１ではこれらを設ける必要が
ない。そこで、本実施例では、空気電極基体１４の全表
面を、固体電解質２３で覆った。そして、インターコネ
クター１５と固体電解質２３との間に切れ目がないよう
にした。

【００６９】他の部分については、図６、図７に示す発
電装置と同様である。即ち、各貫通孔３４ｂの中に、酸
化ガス導入管５０Ａの一端が挿入され、固定されてい
る。酸化ガス導入管５０Ａの他端が、単電池１Ａの端部
に固定されている。単電池１Ａと酸化ガス導入管５０Ａ
との間が、シール部材５１によって気密にシールされて
いる。気密性隔壁３４と酸化ガス導入管５０Ａとの間
が、シール部材５２によって気密にシールされている。
予熱領域４１においては、上下方向、左右方向に隣り合
う各単電池１Ａの間の空間に、通気性断熱材３５を充填
する。こうした発電装置によっても、前述した（４）、
（５）、（６）、（７）の効果を奏することができる。

【００７０】また、ジルコニア等からなる円筒状の多孔
質基体の表面に、空気電極をその全周に亘って設けるこ
ともできる。気体の流通を妨げない耐熱導電体は、耐熱
金属繊維を編んで作ったフェルト状物質とするか、多数
の開気孔を有するスポンジ状物質とするのが好ましい。
これらの材質としては、ニッケルが好ましい。上記のス
ポンジ状物質を作製するには、例えば、耐熱金属粉末と
発泡剤とバインダーとを混練し、成形、焼成すればよ
い。

【００７１】次に、作動実験の結果について述べる。図
１〜図７において述べた発電装置を製造した。酸化ガス
導入管５０Ａは、テフロンによって形成した。耐熱導電
体はニッケルフェルトで形成し、断熱材３５はアルミナ
で形成した。酸化ガス導入管５０Ａ付近の温度は約１０
０°Ｃであった。

【００７２】単電池１Ａのスタックに２ｋｇｆ／ｃｍ²
の荷重を負荷した。発電温度は１０００°Ｃとし、燃料
ガスとして水素を使用し、酸化ガスとして空気を使用し
た。電流密度３００ｍＡ／ｃｍ²で発電を実施し、単電
池当たりの端子電圧を測定した。そして１０時間経過す
るごとに端子電圧を測定した。最初の端子電圧と比較し
て、劣化した割合を、端子電圧の劣化率として、図１４
のグラフＫに示した。

【００７３】一方、上記と同様の発電装置を製造した。
ただし、図７において、酸化ガス導入管５０Ａは使用し
なかった。この代わり、単電池１Ａの端面を、隔壁３４
に、気密性シール材によって直接接着し、気密なシール
状態とした。この発電装置について、上記と同様の測定
を行った。この結果を、図１４のグラフＬに示す。

【００７４】グラフＫから判るように、本発明例では、
１５０時間連続運転しても、単電池の端子電圧は劣化し
ない。これは、酸化ガス導入管５０Ａが、その弾性によ
って単電池の位置変化を吸収し、単電池の破壊を防止し
たこと、単電池の位置変化により、隣り合う単電池の接
続抵抗の増大が防止されたことによる。

【００７５】グラフＬから判るように、比較例では、１
００時間経過すると、単電池当たりの端子電圧が２０％
以上も劣化している。これは、単電池１Ａが隔壁に固定
されており、その位置が変化しないため、隣り合う単電
池の接続抵抗が増大したためである。

【００７６】

【発明の効果】本発明の発電装置によれば、燃料ガスと
酸化ガスとが混合しないように容易に分離でき、長期間
安定してシールを行うことができ、単電池の長さ方向の
一端を封止する必要がない。

【００７７】更に、酸化ガス導入管が変形可能なので、
単電池全体に圧力をかけたときや、単電池が自重によっ
て位置変化したときに、各酸化ガス導入管の位置が変化
しても、この位置変化を、酸化ガス導入管の変形によっ
て吸収、緩和できる。この結果、各酸化ガス導入管に加
わる応力が小さくなるので、単電池が破壊しない。そし
て、各酸化ガス導入管の位置が変化することで、隣り合
う単電池の距離を小さくでき、接続抵抗を低くし、発電
装置から取り出せる電力を大きくすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】セパレータ５Ａの斜視図である。

【図２】電池素子部分を燃料電極２側から見た平面図で
ある。

【図３】電池素子部分を空気電極４側から見た平面図で
ある。

【図４】単電池１Ａを幅方向に切って見た断面図であ
る。

【図５】単電池１Ａを長さ方向に切って見た断面図であ
る。

【図６】発電装置の一部分を単電池１Ａの幅方向に切っ
て見た断面図である。

【図７】図６の発電装置の一部分を単電池１Ａの長さ方
向に切って見た一部断面図である。

【図８】他の発電装置の一部分を、単電池１Ａの長さ方
向に切って見た一部断面図である。

【図９】通気性の断熱材２８を、セパレータ５Ａの酸化
ガス流路６内に充填した状態を示す斜視図である。

【図１０】セパレータ５Ｂを示す斜視図である。

【図１１】他の単電池１Ｂをその幅方向に切って見た断
面図である。

【図１２】単電池１１を集合化した発電装置の一部分
を、単電池１１の長さ方向に切って見た断面図である。

【図１３】図１２の発電装置の一部分を、単電池１１の
幅方向に切って見た断面図である。

【図１４】本発明例及び比較例の発電装置について作動
実験を行った際の、単電池当たりの端子電圧の経時変化
を示すグラフである。

【符号の説明】

１Ａ、１Ｂ、１１単電池２、１２燃料電極３、
２３固体電解質４、４Ａ空気電極５Ａ、５Ｂ、
５Ｃセパレータ４ｂ、５ｂ、５ｄ、５ｅ、５ｆ隔
壁６、６Ａ、６Ｂ、６Ｃ酸化ガス流路１３気体
の流通を妨げない緩衝材１４円筒状の空気電極基体
１５インターコネクター２８、３５通気性断熱
材３３、３４、５４気密性隔壁３６、５５隔壁
３７燃料ガス室３８酸化ガス室３９燃焼領域
４０発電室４１予熱領域４２発電領域４
３Ａ、４３Ｂ、４３Ｃ、４３Ｄ耐熱導電体５０Ａ、
５０Ｂ変形可能な酸化ガス導入管５１、５２シー
ル部材Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ酸化ガスの流れＥ、Ｆ、Ｇ
燃料ガスの流れＨ燃焼排ガスの流れ

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01M 8/24 H01M 8/02 H01M 8/12

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】固体酸化物型燃料電池からなる単電池で
あって、単電池の内側に酸化ガス流路が形成され、単電
池の長さ方向の両端にそれぞれ前記酸化ガス流路が開口
し、単電池の表面に少なくとも燃料電極膜が形成されて
いる単電池を集合してなる発電装置において、この発電装置内に少なくとも燃料ガス室、酸化ガス室、
予熱領域及び発電領域からなる発電室が設けられ、互い
の空間は気密性隔壁によって区分され、前記単電池が前
記予熱領域及び発電領域内に複数個互いに所定間隔を置
いて配列され、気体の流通を妨げない構造の耐熱導電体
によって隣り合う単電池が直列接続及び並列接続され、
前記単電池の前記予熱領域側の端部と前記酸化ガス室の
気密性隔壁とが、前記発電装置の運転時の前記予熱領域
内温度で弾性を有し変形可能な酸化ガス導入管によって
連結され、前記単電池と前記酸化ガス導入管との間及び
前記気密性隔壁と前記酸化ガス導入管との間がそれぞれ
気密にシールされ、前記燃料ガス室内の燃料ガスが前記
予熱領域及び前記発電領域を通過して流れるように構成
され、前記酸化ガス室内の酸化ガスが酸化ガス導入管の
内側空間及び前記酸化ガス流路を通って流れるように構
成されている、発電装置。
【請求項２】前記発電装置内の発電室に続いて燃焼領
域を設け、前記単電池の外側を通過した燃料ガスと前記
単電池の内側を通過した酸化ガスとを燃焼する、請求項
１記載の発電装置。
【請求項３】前記酸化ガス導入管が、前記発電装置の
運転時の前記予熱領域内温度で弾性を有する金属又は有
機物からなることを特徴とする、請求項１記載の発電装
置。
【請求項４】前記酸化ガス導入管が、硬質金属の薄板
からなることを特徴とする、請求項１記載の発電装置。
【請求項５】前記単電池と前記酸化ガス導入管との間
及び前記気密性隔壁と前記酸化ガス導入管との間が、オ
ーリング、ガスケット及び有機樹脂からなる群より選択
されたシール部材によって気密にシールされている、請
求項１記載の発電装置。
【請求項６】前記単電池と前記酸化ガス導入管との間
の気密シール部分、前記気密性隔壁と前記酸化ガス導入
管との間の気密シール部分及び前記酸化ガス導入管の温
度が、発電時に５００°Ｃ以下に保たれるように構成さ
れた、請求項１記載の発電装置。
【請求項７】前記予熱領域において、各単電池の外側
及び前記酸化ガス導入管の外側に通気性断熱材が設置さ
れている、請求項１記載の発電装置。