JP4397886B2

JP4397886B2 - 多層円形パイプ型固体酸化物燃料電池モジュール

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Publication number: JP4397886B2
Application number: JP2005362222A
Authority: JP
Inventors: 烈光江; 禹▲けい▼ 蔡; 家烈黄; 維屏黄; 堅雄李
Original assignee: 行政院原子能委員會核能研究所
Priority date: 2005-11-08
Filing date: 2005-12-15
Publication date: 2010-01-13
Anticipated expiration: 2025-12-15
Also published as: US7674543B2; US20070037028A1; TWI271888B; JP2007134296A; TW200719515A

Description

本発明は燃料電池及び燃料電池モジュールに係り、特に多層のパイプ状電極接合体を利用すると共に、パイプ状電極接合体の両側に接続された接続板及び気体予熱パイプを組み合わせることで、内部電気抵抗を減少し、燃料電池の運転効率を向上し、空間を節約できる多層円形パイプ型固体酸化物燃料電池モジュールに関する。

燃料電池は約１６０年前の１８３９年にイギリスのＧｒｏｖｅの発明したものである。１９４０年から、いままで宇宙飛行船の電源として使う燃料電池を産業、民生に実用化するための開発が急速に発展されるし、いまは固定位置で使用する燃料電池が開発された。燃料電池の操作原理は下記の通りである。燃料及び酸化剤（空気）が固体酸化物燃料電池（ｓｏｌｉｄｏｘｉｄｅｆｕｅｌｃｅｌｌ .ＳＯＦＣ）に入る前に、先に固体酸化物燃料電池の操作温度（６００〜１０００℃）と近い温度までに予熱される。

このような高温の条件で、燃料（メタン）及び水蒸気が固体酸化物燃料電池の陽極にリホーミング反応を生じて、改めてメタンを水素及び一酸化炭素にリホーミングする。又、一酸化炭素が水蒸気と合わせて、水蒸気転移反応を生じることで、水素及び二酸化炭素を釈放する。このような高温の条件で、陰極側の空気での水素が外部電気回路からの電子と反応することで、酸素イオンを形成する。この酸素イオンが固体電解質を通して陽極側に移転することで、その間での水素と結合して、電気化学反応を生じて、電子、水及び熱を釈放する。

又、電子が外部電気回路を通してパワーを生じることができる。又、固体酸化物燃料電池の出口所に温度が７００度までの廃棄及び残り燃料がある。一般的に固体酸化物燃料電池は丸いパイプ型及び板型を分けられ、板型であれば、それを密封する場合、いろいろな問題が生じたので、１９６０年からウエスティングハウス会社が丸いパイプ型のＳＯＦＣ技術（例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４）を研究開発し始めた。このような円筒型の固体酸化物燃料電池は燃料極/ 電解質/ 空気極で１本の電池パイプを構成することで、加熱による膨張、冷却による収縮を順調に吸収でき、密封が不要で、その操作温度が１０００度に達しても安定で運転できる。その欠点はその製造技術が相当に複雑で、製造コストが高く、その電流経路が長いので、電池内部の電気抵抗損失もより高い。又、発電量を増やすなら、前述の特許文献１に記載される方式は、複数個の円筒型の固体酸化物燃料電池を隣接するよう配列すれば、発電量を増せるが、同時に使用上の体積も増えるので不便になる。

又、アメリカに公開される特許文献５に記載される電極構造は同心のリング状電極の構造である。その同心のリング状電極の構造を使う場合、確かに空間浪費の欠点を解決できるが、燃料回収及び気体予熱の機能、モジュール電池の長所を備えていない。

上述の問題があるので、従来技術の欠点を解決するため、固体酸化物の電極構造及びその電極構造を使用する燃料電池が求められる。

アメリ力特許公告４４９０４４４号明細書アメリ力特許公告４８３３０４２号明細書アメリ力特許公告６４１６８９７号明細書アメリ力特許公告６４４４３４２号明細書アメリ力特許公告４４９０４４４号明細書

この発明の主要な目的は、一種の燃料電池モジュールを提供するものである。それは単一の空間の中に多層の同心配列の電極を設けることで、単位体積でより高いパワーを出力する目的を達成できる。

この発明の次の目的は、一種の燃料電池モジュールを提供するものである。それは電極接合体の両側にある接続板を利用して、電流の進行ルートを短縮することで、内部抵抗を低下する目的を達成できる。

この発明の又一つの目的は、一種の燃料電池モジュールを提供するものである。それは複数個の多層丸いパイプの燃料電池を組合せ、単一の発電ユニットを構成し、複数個の発電ユニットを組み合わせ、一つの電池モジュールを構成することで、任意に取り付け、メンテナンスしやすい目的を達成する。

この発明の別一つの目的は、一種の燃料電池モジュールを提供するものである。それは空気を提供するパイプの上に予熱のパイプを設けることで、気体及び燃料を予熱する目的を達成する。

上述の目的を達成するため、この発明は燃料電池を提供するものである。その中に、複数個のパイプ状電極接合体があり、それを燃料電池のケースの中に設け、その複数個のパイプ状電極接合体が同心配列を呈することで、複数個の反応空間が構成され、その隣接するパイプ状電極接合体は対向する面に同一の極性を持ち、更に、そのパイプ状電極接合体に一つの陽極層、一つの陰極層及び一つの固体電解質層が設けられ、その固体電解質層はその陽極層及び陰極層の間に設けられる。又、一つの反応物供給部があり、それによって、気体をパイプ状電極接合体の陰極層に供給し、及び燃料をパイプ状電極接合体の陽極層に供給することができる。又、一つの予熱パイプがあり、それが反応物供給部と連通し、該予熱パイプ中で燃料及び気体を高温燃焼で生じる熱で予熱して反応物供給部に導入できる。

好ましくは、該反応物供給部に気体パイプを設け、それを最も内層にあるパイプ状電極の内部空間に設け、その気体パイプの壁の、陰極層間に形成された反応空間を通過する部分に、少なくとも一つの通し穴を設け、気体をその反応空間に導入できるようにする。又、燃料パイプを、最も内層にあるパイプ状電極接合体の内部空間に設け、該燃料パイプの壁の、陽極層間に形成された反応空間を通過する部分に、少なくとも一つの通し穴を設け、燃料をその反応空間に導入できるようにする。

好ましくは、該パイプ状電極接合体に更に少なくとも１対の接続板を設け、各１対の接続板のうちの一方の接続板をパイプ状電極接合体の陰極に接続し、それに対向するように、もう一方の接続板を該パイプ状電極接合体の陽極に接続する。

好ましくは、該パイプ状電極接合体に２対の接続板を設け、設け、各１対の接続板のうちの一方の接続板をパイプ状電極接合体の陰極に接続し、それに対向するように、もう一方の接続板を該パイプ状電極接合体の陽極に接続する。且つ同一のパイプ状電極接合体に設けた２対の接続板は一対の接続板がもう一対の接続板と対称となるように配置する。

好ましくは、陽極層と接続する接続板は、反応空間を挟んで隣接するパイプ状電極接合体の陰極層に接続された接続板に、電気的に接続する。

好ましくは、該燃料電池に予熱パイプ及び一つの排気パイプを設け、その燃焼反応を行った後に生じる排気を排出することができるようにする。さらに、該予熱パイプは螺旋パイプとする。

上述の目的を達成するため、この発明は燃料電池モジュールを提供するものである。それは、一つのケースの中に複数個の発電ユニットを含む。その発電ユニットの中に複数個のパイプ状電極接合体を含み、それを燃料電池のケースに設け、その複数個のパイプ状電極接合体を同心配列で配置し複数個の反応空間を構成する。その隣接するパイプ状電接合体は対向する面に同一の極性を持ち、そのパイプ状電極接合体は陽極層、陰極層及び電解質層を含み、その固体電解質層はその陽極層及び陰極層の間に設けられる。該燃料電池モジュールは反応物供給部を有し、それによって、気体をそのパイプ状電極の陰極層に供給し、燃料をパイプ状電極の陽極層を供給する。又、少なくとも二つの第一集電板があり、それをケースの中に設けることで、複数個の発電ユニットを固定する。又、複数個の予熱パイプがあり、それを複数個の発電ユニットの反応物供給部とそれぞれ連通させ、該予熱パイプを、高温燃焼で生じる熱で加熱された未反応の燃料及び気体（排ガス）と熱交換させて予熱パイプ内の燃料及び気体を予熱し、反応物供給部に供給する。

好ましくは、該第一集電板は陽極板であり、その燃料電池モジュールに少なくとも一つの第二集電板を含み、それをケースの中に設けて、そのパイプ状電極の陰極層と電気的な接続を行う。

請求項１の発明は、多層円形パイプ型固体酸化物燃料電池において、複数個のパイプ状電極接合体、反応物供給部、予熱パイプ及び排気パイプを包含し、
該複数個のパイプ状電極接合体は燃料電池のケースの中に同心配列を呈するように離間設置され、隣り合う該パイプ状電極接合体の間に反応空間が構成され、隣り合うパイプ状電極接合体の対向する面が同一の極性を持ち、該パイプ状電極接合体が陽極層、陰極層及び固体電解質層を有し、該固体電解質層が該陽極層及び該陰極層の間に設けられ、
該反応物供給部は気体を該パイプ状電極接合体の陰極層に供給する気体パイプと、燃料をパイプ状電極接合体の陽極層に供給する燃料パイプを含み、
同心配列された異径且つ有底の上述のパイプ状電極接合体において、最も内層にある該パイプ状電極接合体の内部空間を通り、各パイプ状電極接合体の底部を貫通するように気体パイプ及び燃料パイプが設けられ、
該気体パイプは、陰極層が対向するように配置された二つのパイプ状電極接合体間の反応空間を通る部分の壁に、少なくとも一つの通し穴を設けてあるので、気体がその反応空間へと流入でき、
該燃料パイプは、陽極層が対向するように配置された二つのパイプ状電極接合体間の反応空間を通る部分の壁に、少なくとも一つの通し穴を設けてあるので、燃料がその反応空間へと流入でき、
該予熱パイプは反応物供給部に連通し、螺旋状を呈し、該反応物供給部に供給する燃料及び気体を、燃焼反応で生じる熱により加熱された排ガスと熱交換させ予熱し、
排気パイプは燃焼反応を行った後に生じる排気を排出することができることを特徴とする、多層円形パイプ型固体酸化物燃料電池としている。
請求項２の発明は、請求項１記載の多層円形パイプ型固体酸化物燃料電池において、更に２対の接続板を包含し、各一対の接続板のうち一方の接続板がパイプ状電極接合体の陰極層に接続され、もう一方の接続板が該パイプ状電極接合体の陽極層に、この陰極層に接続された接続板に対向するように接続され、且つこれら２対の接続板が、該パイプ状電極接合体の中心に対して対称に配置されたことを特徴とする、多層円形パイプ型固体酸化物燃料電池としている。
請求項３の発明は、燃料電池モジュールにおいて、複数個の発電ユニットを包含し、該複数個の発電ユニットはケースの中に設けられ、該発電ユニットは更に、複数個のパイプ状電極接合体、反応物供給部、少なくとも二つの第一集電板、複数個の予熱パイプ及び排気パイプを包含し、
複数個のパイプ状電極接合体は燃料電池のケースの中に設けられ、その複数個のパイプ状電極接合体が同心配列を呈することで、複数個の反応空間が構成され、その隣接するパイプ状電極接合体と相対する面に同一の極性を持ち、更に、そのパイプ状電極接合体に一つの陽極層、一つの陰極層及び一つの固体電解質層が設けられ、その固体電解質層はその陽極層及び陰極層の間に設けられ、
該反応物供給部は気体を該パイプ状電極接合体の陰極層に供給する気体パイプと、燃料をパイプ状電極接合体の陽極層に供給する燃料パイプを含み、
同心配列された異径且つ有底の上述のパイプ状電極接合体において、最も内層にある該パイプ状電極接合体の内部空間を通り、各パイプ状電極接合体の底部を貫通するように気体パイプ及び燃料パイプが設けられ、
該気体パイプは、陰極層が対向するように配置された二つのパイプ状電極接合体間の反応空間を通る部分の壁に、少なくとも一つの通し穴を設けてあるので、気体がその反応空間へと流入でき、
該燃料パイプは、陽極層が対向するように配置された二つのパイプ状電極接合体間の反応空間を通る部分の壁に、少なくとも一つの通し穴を設けてあるので、燃料がその反応空間へと流入でき、
第一集電板はケースの中に設けることで、複数個の発電ユニットを固定することができ、
複数個の予熱パイプはそれぞれ複数個の発電ユニットの中で反応物供給部に連通し、螺旋状を呈し、該反応物供給部に供給する燃料及び気体を、燃焼反応で生じる熱により加熱された排ガスと熱交換させ予熱し、
排気パイプは燃焼反応を行った後に生じる排気を排出することができることを特徴とする、燃料電池モジュールとしている。
請求項４の発明は、請求項３記載の燃料電池モジュールにおいて、該パイプ状電極接合体が更に２対の接続板を包含し、各一対の接続板のうち一方の接続板がパイプ状電極接合体の陰極層に接続され、もう一方の接続板が該パイプ状電極接合体の陽極層に、この陰極層に接続された接続板に対向するように接続され、且つこれら２対の接続板が、該パイプ状電極接合体の中心に対して対称に配置されたことを特徴とする、燃料電池モジュールとしている。
請求項５の発明は、請求項３記載の燃料電池モジュールにおいて、該第一集電板は陽極板であり、該燃料電池モジュールは少なくとも一つの第二集電板を含み、それをケースの中に設けて、該パイプ状電極接合体の陰極層と電気的な接続を行うことを特徴とする、燃料電池モジュールとしている。
請求項６の発明は、請求項３記載の燃料電池モジュールにおいて、該第一集電板は陰極板であり、該燃料電池モジュールは少なくとも一つの第二集電板を含み、それをケースの中に設けて、該パイプ状電極接合体の陽極層と電気的な接続を行うことを特徴とする、燃料電池モジュールとしている。

この発明は単位面積の発電効率を高めて、電流のルートを短縮することで、電圧の損失を減少できるし、モジュール化の設計によって、任意に取り付け、メンテナンスしやすい特色を持つので、業界の需要に満足する、更に、その産業の競争力を向上できる。

図１及び図２をご参照ください。図１は本発明の多層のパイプ状電極接合体の組合せ実施例の断面図である。図２は本発明の複数のパイプ状電極接合体の組合せ実施例の立体図である。その多層のパイプ状電極接合体の組合せ体１は、複数のパイプ状電極を有し、隣り合うパイプ状電極接合体の対向する面は同一の極性を持つ。

この実施例では、複数個のパイプ状電極接合体は第一パイプ状電極接合体１０、第二パイプ状電極接合体１１及び第三パイプ状電極接合体１２を含む。又、その第二パイプ状電極接合体１１を第一パイプ状電極接合体１０の中に入れて、第三パイプ状電極接合体１２を第二パイプ状電極接合体１１の中に入れるのである。この三つのパイプ状電極接合体は同心円配列を呈することで、単セルの占有する体積を減少できる。

図３をご参照ください。それはこの発明の固体酸化物の単一パイプ状電極接合体の鳥瞰説明図である。この図は第一パイプ状電極接合体１０で説明する。その第一パイプ状電極接合体１０に陽極層１０５、陰極層１０７及び固体電解質層１０６があり、その固体電解質層１０６を陽極層１０５及び陰極層１０７の間に設けてある。

この実施例では、陽極層が外部にあるが、必要によって、その陽極層を内部に設けても良いのである。この実施例中、パイプ状電極接合体毎に２対の接続板１０１〜１０４、１１１〜１１４、１２１〜１２４を設けてあり、各一対の接続板のうち一方の接続板が陽極層の表面に、もう一方の接続板がそれに対向するように陰極層の表面に設けられ、同一のパイプ状電極に設けられた２対の接続板は、パイプ状電極の対称位置に設けられる。各１対の接続板が陰極層と陽極層の表面に接続され且つ対向位置に設けられるので、良好な導電効果を得られる。そして、第一パイプ状電極接合体１０を例とすると、その２対の接続板１０１、１０４をそのパイプ状電極接合体１１の円の中心に対して対称で設けるので、電流の進行ルートを短縮することができる。

図３の中に、その第一パイプ状電極接合体１０を例として、その陽極層１０５に接続する接続板１０１を陰極層１０７に接続する接続板１０１と対応する。又、陽極層１０５に接続する接続板１０３を陰極層１０７に接続する接続板１０４と対応する。

図８をご参照ください。それは電流を流動するルートの説明図である。第一パイプ状電極接合体１０を例として、第一パイプ状電極接合体１０反応ごとで生じる電流９６は、第一パイプ状電極接合体１０に接続する接続板１０１、１０２、１０３、１０４を通して、電流を直列で接続することで、電流の進行ルートを短縮できるので、電圧の損失を減少することができる。

図４をご参照ください。それはこの発明の燃料電池の良好な実施例の説明図である。この発明に記載される固体酸化物電極接合体の組合せ構造を利用して、図４のような燃料電池２を作製することができる。その燃料電池２に一つのケース２０、一つの発電ユニット２１及び一つの反応物供給部２２を含み、その発電ユニット２１をそのケース２０の中に設けられ、その発電ユニット２１に同心円配列を呈する第一パイプ状電極接合体２１０、第二パイプ状電極接合体２１１及び第三パイプ状電極接合体２１２が一つずつある。

その第二パイプ状電極接合体２１１が第一パイプ状電極接合体２１０と一つの反応空間２１３を構成、第三パイプ状電極接合体２１２が第二パイプ状電極接合体２１１と一つの反応空間２１４を構成する。その第一パイプ状電極接合体２１０の陰極層を第二パイプ状電極接合体２１１の陰極層と対向させ、その第二パイプ状電極接合体２１１の陽極層をその第三パイプ状電極接合体２１２の陽極層と対向させる。又、その第三パイプ状電極接合体２１２の内部空間２１５の中での電極層は陰極層である。

パイプ状電極接合体ごとの陽極層及び陰極層に相互に対応する２枚の接続板２１０１〜２１０４、２１１１〜２１１４、２１２１〜２１２４をそれぞれ接続する。この実施例中、その第一パイプ状電極接合体２１０の陰極層のある側での接続板２１０２を導線２４で隣接する第二パイプ状電極接合体２１１の接続板２１１２と接続し、その第一パイプ状電極接合体２１０の陰極層の別側の接続板２１０４を導線２４で隣接する第二パイプ状電極接合体２１１の陽極層の接続板２１１４と接続する。

その第二パイプ状電極接合体２１１の陰極層側の接続板２１１１を導線２４で隣接する第三パイプ状電極接合体２１２の接続板２１２１と接続する。その第二パイプ状電極接合体２１１の陰極層の別側の接続板２１１３を導線２４で隣接する第三パイプ状電極接合体２１２の接続板２１２３と接続する。又、その燃料電池２は陽極導線及び陰極導線でその燃料電池２の発電を導出する。

その反応物供給部２２が第三パイプ状電極接合体２１２の内部空間２１５の中に設けられ、その反応物供給部２２より、気体をそのパイプ状電極接合体の陰極層に供給し、及び燃料をそのパイプ状電極接合体の陽極層に供給する。この実施例の中に、その反応物供給部２２に気体パイプ２２１及び燃料パイプ２２０を含む。

図４及び図５をご参照ください。その気体パイプ２２１を第三パイプ状電極接合体２１２の内部空間２１５に設けてあり、その気体パイプ２２１の壁の、隣り合う二つのパイプ状電極の対向する陰極層間の反応空間を通過する位置に、少なくとも一つの通し穴２２１０、２２１１を設けてあるので、気体がその反応空間２１３及び内部空間２１５中へと流れることができる。

その燃料パイプ２２０を第三パイプ状電極接合体２１２の内部空間２１５に設けてあり、その燃料パイプ２２０の壁の、隣り合う二つのパイプ状電極の対向する陽極層間の反応空間２１１４を通過する位置に、少なくとも一つの通し穴２２０１、２２０２を設けてあるので、気体がその反応空間２１４及びケース２０の中へと流れることができる。

その反応物供給部２２に一つの予熱パイプ２５を接続することで持続燃焼区域を構成する。その予熱パイプ２５は燃料予熱パイプ２５０及び気体予熱パイプ２５１を含み、その燃料予熱パイプ２５０はその気体パイプ２２０と貫通し、その電池中の未反応燃料及び気体が上に移動して予熱パイプ２５まで移動する。

その燃料電池２が高温環境で作業するので、その燃料及び気体が高温で熱を受けて燃焼することで、熱エネルギー及び排気ガスを釈放し、その釈放された熱エネルギーが予熱パイプまで伝わり、パイプ内部の燃料及び気体を予熱する。この実施例では、その気体予熱パイプ２５１及び予熱パイプ２５は螺旋パイプである。その目的はパイプの中での気体及び燃料の流動ルートを増加することで、予熱の時間を増加して、より良い予熱効果を達成することにある。

図６をご参照ください。それはこの発明の燃料電池モジュールの鳥瞰説明図である。この発明の燃料電池モジュール３は複数個の発電ユニット３１を結合することで、燃料電池モジュール３を構成するので、使用者が任意に取り付け、メンテナンスしやすい目的を達成する。その燃料電池モジュール３に一つのケース３０、複数個の発電ユニット３１、反応物供給部３７及び３枚の第一集電板３３、３４、３５を含む。

その実施例は、その電池モジュールに４個の発電ユニット３１があり、その４個の発電ユニット３１をケースの中に設けてあり、その発電ユニット３１及びその反応物供給部３７の構造は、この発明の図４に記載される発電ユニットと同一なので、ここで述べないのである。

この実施例の中に、３枚の第一集電板３３、３４、３５を使用し、その中に、２枚の第一集電板３３、３５をそのケース３０の側壁と隣接し、３枚目の第一集電板３４を２枚の第一集電板３３、３５の中央に設けることで、分ける空間を構成して、その発電ユニット３１を入れることができる。又、その第一集電板３３、３４、３５を発電ユニット３１とコンタクトすることで、その発電ユニットを固定することができる。その第一集電板３３、３４、３５によって、発電ユニット３を固定することができるほか、導電用の集電板として使うこともできる。この実施例の中に、その発電ユニット３１１の外層は陽極層であるので、その第一集電板３３、３４、３５の極性は陽極である。

又、二つの発電ユニット３１の間に一つの第二集電板３８を設けてある。この実施例の中に、その第二集電板３８の極性は陰極であり、その第二集電板は導線３６を通して、発電ユニット３１の陰極層と電気的な接続を行うことができる。この実施例の中に、その導線３６は接続板で構成され、その第一集電板３３、３４、３５及び第二集電板３８を使って、燃料電池モジュールで生じる電気を導出することができる。

この実施例の中に、その燃料電池モジュール３に４個の発電ユニットがあるが、実際に実施する場合、実際的の必要に合わせて、発電ユニットの数量を増加又は減少することができる。例えば、２個以上の燃料電池モジュール３を結合して、第一集電板及び第二集電板を直列で接続することで、もっと強い電力を生じることができる。又、第一集電板及び第二集電板の極性は、第一パイプ状電極接合体の極性分布によって決まるのである。

又、その第一パイプ状電極接合体の外層電極は陰極である場合、その第一集電板は陰極の電極板で、その第二集電板は陽極の電極板である。図６の電池モジュールに予熱パイプで構成する持続燃焼区域の構造を表示していないが、その関連する接続関係は図４の方式と同一ので、ここで述べないのである。

図７をご参照ください。それはこの発明のベター実施例の燃料電池を運転する説明図である。その第一パイプ状電極接合体２１０、第二パイプ状電極接合体２１１及びその第三パイプ状電極接合体２１２は同心円配列を呈し、隣接する二つのパイプ状電極の対向する電極は同性の電極である。

この実施例中、その第一パイプ状電極接合体２１０の外層電極は陽極層である。又、その第一パイプ状電極接合体２１０及び第二パイプ状電極接合体２１１の対向する陰極層の間に反応空間２１３が構成され、その第二パイプ状電極接合体２１１及び第三パイプ状電極接合体２１２の対向する陽極層の間に反応空間２１４が構成される。その第三パイプ状電極接合体２１２の内部空間２１５は陰極層に包囲されている。

その第一パイプ状電極接合体２１０の外部表面は陽極層であるので、その第一パイプ状電極接合体２１０の表面と接続するのは、高温の燃料気体９３である。例えば、メタン、水素。その燃料パイプ２２０の、陽極層間に構成された反応空間２１４及びケース２０及び第一パイプ状電極接合体２１０の間の空間に対応する位置に通し穴２２０１、２２０２を設けることで、燃料気体９３を中に入れることができる。その気体パイプ２２１は陰極層間に構成された反応空間２１５、２１３に通し穴２２１０、２２１１を設けることで、気体９４を中に入れることができる。

このような高温の条件で、陰極層の酸素が外部の電気回路からの電子と酸素イオンを形成する。この酸素イオンは固定電解質を通して陽極層に移動して、その間での水素と合わせて電気化学反応を生じて、電子を釈放し、その予熱パイプ２５中の燃料気体９３及び気体９４を燃焼後に生じる熱エネルギーにより、反応物供給部２２で予熱することができる。又、反応後の排気ガス９５を一つの排気パイプを通して排出する。

本発明の多層のパイプ状電極接合体の組合せ実施例の断面図である。本発明の複数のパイプ状電極接合体の組合せ実施例の立体図である。本発明の単一パイプ状電極接合体の平面を示す図である。本発明の燃料電池の好ましい実施例を示す図である。本発明の気体パイプ及び燃料パイプの立体図である。本発明の燃料電池モジュールの平面を示す図である。本発明の好ましい実施例の燃料電池の運転を示す図である。電流の流動するルートを示す図である。

１パイプ状電極接合体の組合せ体
１０第一パイプ状電極接合体
１０１、１０２、１０３、１０４接続板
１０５陽極層
１０６固体電解質層
１０７陰極層
１１第二パイプ状電極接合体
１１１、１１２、１１３、１１４接続板
１２第三パイプ状電極接合体
１２１、１２２、１２３、１２４接続板
２燃料電池
２０ケース
２１発電ユニット
２１０第一パイプ状電極接合体
２１０１、２１０２、２１０３、２１０４接続板
２１１第二パイプ状電極接合体
２１１１、２１１２、２１１３、２１１４接続板
２１２第三パイプ状電極接合体
２１２１、２１２２、２１２３、２１２４接続板
２１３、２１４反応空間
２１５内部空間
２２反応物供給部
２２０燃料パイプ
２２０１、２２０２通し穴
２２１気体パイプ
２２１０、２２１１通し穴
２４導線
２５予熱パイプ
２５０燃料予熱パイプ
２５１気体予熱パイプ
２８排気パイプ
３燃料電池モジュール
３０ケース
３１発電ユニット
３２入れる空間
３３、３４、３５第一集電板
３６導線
３７反応物供給部
３８第二集電板
９３燃料気体
９４気体
９５排気ガス
９６電流

Claims

多層円形パイプ型固体酸化物燃料電池において、複数個のパイプ状電極接合体、反応物供給部、予熱パイプ及び排気パイプを包含し、
該複数個のパイプ状電極接合体は燃料電池のケースの中に同心配列を呈するように離間設置され、隣り合う該パイプ状電極接合体の間に反応空間が構成され、隣り合うパイプ状電極接合体の対向する面が同一の極性を持ち、該パイプ状電極接合体が陽極層、陰極層及び固体電解質層を有し、該固体電解質層が該陽極層及び該陰極層の間に設けられ、
該反応物供給部は気体を該パイプ状電極接合体の陰極層に供給する気体パイプと、燃料をパイプ状電極接合体の陽極層に供給する燃料パイプを含み、
同心配列された異径且つ有底の上述のパイプ状電極接合体において、最も内層にある該パイプ状電極接合体の内部空間を通り、各パイプ状電極接合体の底部を貫通するように気体パイプ及び燃料パイプが設けられ、
該気体パイプは、陰極層が対向するように配置された二つのパイプ状電極接合体間の反応空間を通る部分の壁に、少なくとも一つの通し穴を設けてあるので、気体がその反応空間へと流入でき、
該燃料パイプは、陽極層が対向するように配置された二つのパイプ状電極接合体間の反応空間を通る部分の壁に、少なくとも一つの通し穴を設けてあるので、燃料がその反応空間へと流入でき、
該予熱パイプは反応物供給部に連通し、螺旋状を呈し、該反応物供給部に供給する燃料及び気体を、燃焼反応で生じる熱により加熱された排ガスと熱交換させ予熱し、
排気パイプは燃焼反応を行った後に生じる排気を排出することができることを特徴とする、多層円形パイプ型固体酸化物燃料電池。
請求項１記載の多層円形パイプ型固体酸化物燃料電池において、更に２対の接続板を包含し、各一対の接続板のうち一方の接続板がパイプ状電極接合体の陰極層に接続され、もう一方の接続板が該パイプ状電極接合体の陽極層に、この陰極層に接続された接続板に対向するように接続され、且つこれら２対の接続板が、該パイプ状電極接合体の中心に対して対称に配置されたことを特徴とする、多層円形パイプ型固体酸化物燃料電池。
燃料電池モジュールにおいて、複数個の発電ユニットを包含し、該複数個の発電ユニットはケースの中に設けられ、該発電ユニットは更に、複数個のパイプ状電極接合体、反応物供給部、少なくとも二つの第一集電板、複数個の予熱パイプ及び排気パイプを包含し、複数個のパイプ状電極接合体は燃料電池のケースの中に設けられ、その複数個のパイプ状電極接合体が同心配列を呈することで、複数個の反応空間が構成され、その隣接するパイプ状電極接合体と相対する面に同一の極性を持ち、更に、そのパイプ状電極接合体に一つの陽極層、一つの陰極層及び一つの固体電解質層が設けられ、その固体電解質層はその陽極層及び陰極層の間に設けられ、
該反応物供給部は気体を該パイプ状電極接合体の陰極層に供給する気体パイプと、燃料をパイプ状電極接合体の陽極層に供給する燃料パイプを含み、
同心配列された異径且つ有底の上述のパイプ状電極接合体において、最も内層にある該パイプ状電極接合体の内部空間を通り、各パイプ状電極接合体の底部を貫通するように気体パイプ及び燃料パイプが設けられ、
該気体パイプは、陰極層が対向するように配置された二つのパイプ状電極接合体間の反応空間を通る部分の壁に、少なくとも一つの通し穴を設けてあるので、気体がその反応空間へと流入でき、
該燃料パイプは、陽極層が対向するように配置された二つのパイプ状電極接合体間の反応空間を通る部分の壁に、少なくとも一つの通し穴を設けてあるので、燃料がその反応空間へと流入でき、
第一集電板はケースの中に設けることで、複数個の発電ユニットを固定することができ、
複数個の予熱パイプはそれぞれ複数個の発電ユニットの中で反応物供給部に連通し、螺旋状を呈し、該反応物供給部に供給する燃料及び気体を、燃焼反応で生じる熱により加熱された排ガスと熱交換させ予熱し、
排気パイプは燃焼反応を行った後に生じる排気を排出することができることを特徴とする、燃料電池モジュール。
請求項３記載の燃料電池モジュールにおいて、該パイプ状電極接合体が更に２対の接続板を包含し、各一対の接続板のうち一方の接続板がパイプ状電極接合体の陰極層に接続され、もう一方の接続板が該パイプ状電極接合体の陽極層に、この陰極層に接続された接続板に対向するように接続され、且つこれら２対の接続板が、該パイプ状電極接合体の中心に対して対称に配置されたことを特徴とする、燃料電池モジュール。
請求項３記載の燃料電池モジュールにおいて、該第一集電板は陽極板であり、該燃料電池モジュールは少なくとも一つの第二集電板を含み、それをケースの中に設けて、該パイプ状電極接合体の陰極層と電気的な接続を行うことを特徴とする、燃料電池モジュール。
請求項３記載の燃料電池モジュールにおいて、該第一集電板は陰極板であり、該燃料電池モジュールは少なくとも一つの第二集電板を含み、それをケースの中に設けて、該パイプ状電極接合体の陽極層と電気的な接続を行うことを特徴とする、燃料電池モジュール。