JP4541296B2 - 固体酸化物形燃料電池モジュール - Google Patents
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Description
SOFCの運転時には、単電池(本明細書中適宜セルとも言う)の燃料極側に燃料を通し、空気極側に酸化剤として空気を通して、両電極を外部負荷に接続することで電力が得られる。ところが、単電池一つでは高々0.7V程度の電圧しか得られないので、実用的な電力を得るためには複数の単電池を直列に接続する必要がある。隣接する電池を電気的に接続すると同時に燃料極と空気極のそれぞれに燃料と空気とを適正に分配し供給し排出する目的でセパレータ(=インターコネクタ)と単電池とが交互に積層される。
上記のようなSOFCは複数の単電池を積層するタイプであるが、これに代えて横縞方式とすることが考えられ、例えば、Fifth European Solid Oxide Fuel Cell Forum(1−5 July,2002)p.1075−には、その内容の詳細は必ずしも明瞭ではないが、その外観等が発表されている。その横縞方式としては、円筒タイプと中空扁平タイプの二方式が考えられる。
図1はそのうち中空扁平タイプの構成例を示した図で、図1(a)は斜視図、図1(b)は平面図、図1(c)は、図1(b)中A−A線断面図である。図1(a)−(c)のとおり、中空扁平状の絶縁体基板1の上に順次、燃料極3、電解質4及び空気極5からなるセル2を複数個形成し、それぞれをインターコネクタ6を介して電気的に直列に接続して構成される。燃料は、図1(a)及び図1(c)中矢印(→)で示すとおり、絶縁体基板1内の空間すなわち燃料の流通部7をセル2の配列と平行に流通させる。
ところで、このような中空扁平タイプのSOFCでは、燃料は、その流れ方向に薄まっていく。しかし、各セルは電気的に直列に配置、接続されているので、薄まった燃料の下でもセル間には強制的に同じ電流が流される。このため、電圧降下が大きくなり、発電効率が低いという問題がある。また、各セルを一方向に直列につなぐため、得られる電圧が限られてしまう。
本発明は、(1)内部に燃料の流通部を有し、且つ、少なくともセル及びインターコネクタに接する面が絶縁体である基板の表面に、順次、燃料極、電解質及び空気極からなる複数個のセルを形成するとともに、隣接するセル間をインターコネクタを介して電気的に直列に接続してなる固体酸化物形燃料電池モジュールであって、各セルの面積を燃料の流れ方向に異ならせてなることを特徴とする固体酸化物形燃料電池モジュールを提供する。
本発明は、(2)内部に燃料の流通部を有し、且つ、少なくともセル及びインターコネクタに接する面が絶縁体である基板の表面に、第1列から第n列の複数列のそれぞれの列に、順次、燃料極、電解質及び空気極からなる複数個のセルを形成するとともに、隣接するセル間をインターコネクタを介して電気的に直列に接続してなる固体酸化物形燃料電池モジュールであって、各セルの面積を燃料の流れ方向に異ならせてなることを特徴とする固体酸化物形燃料電池モジュールを提供する。
本発明は、(3)内部に燃料の流通部を有し、且つ、少なくともセル及びインターコネクタに接する面が絶縁体である基板の表面に、順次、燃料極、電解質及び空気極からなる複数個のセルを形成するとともに、隣接するセル間をインターコネクタを介して電気的に直列に接続し、且つ、各セルの面積を燃料の流れ方向に異ならせてなる固体酸化物形燃料電池モジュールの2個を間隔を置いて面平行に配置してなる固体酸化物形燃料電池連結モジュールであって、各モジュールの燃料導入側の相対する片面に雌ネジ孔を設け、その間に該雌ネジ孔に対応して雄ネジ切りした裾部を有する中空の間隔保持部材を介在させ、該中空間隔保持部材を回動させることにより両モジュールを固定してなることを特徴とする固体酸化物形燃料電池連結モジュールを提供する。
本発明は、(4)内部に燃料の流通部を有し、且つ、少なくともセル及びインターコネクタに接する面が絶縁体である基板の表面に、順次、燃料極、電解質及び空気極からなる複数個のセルを形成するとともに、隣接するセル間をインターコネクタを介して電気的に直列に接続し、且つ、各セルの面積を燃料の流れ方向に異ならせてなる固体酸化物形燃料電池モジュールの複数個を面平行に配置して連結した固体酸化物形燃料電池連結モジュールであって、そのうち両端の2個のモジュールの燃料導入側の片面に雌ネジ孔を設けるとともに、両端のモジュール間の各モジュールの燃料導入側の両面に雌ネジ孔を設けて、隣接するモジュールの雌ネジ孔間に、その雌ネジ孔に対応してネジ切りした裾部を有する中空の間隔保持部材を介在させ、該中空間隔保持部材を回動させて各モジュールを固定してなることを特徴とする固体酸化物形燃料電池連結モジュールを提供する。
本発明は、(5)内部に燃料の流通部を有し、且つ、少なくともセル及びインターコネクタに接する面が絶縁体である基板の表面に、順次、燃料極、電解質及び空気極からなる複数個のセルを形成するとともに、隣接するセル間をインターコネクタを介して電気的に直列に接続し、且つ、各セルの面積を燃料の流れ方向に異ならせてなる固体酸化物形燃料電池モジュールの2個を間隔を置いて面平行に配置してなる固体酸化物形燃料電池連結モジュールであって、各モジュールの燃料導入側の相対する片面に開口を設け、且つ、各モジュールの該開口に対応する他方の面にボルト軸の径に対応する孔を設けるとともに、その開口間に該開口に対応した裾部を有する中空の間隔保持部材を介在させ、該孔、開口及び間隔保持部材の中空部に、その一端からボルト頭を有するボルトまたは両端にネジを有するボルトを嵌挿してナット締めをしてなることを特徴とする固体酸化物形燃料電池連結モジュールを提供する。
本発明は、(6)内部に燃料の流通部を有し、且つ、少なくともセル及びインターコネクタに接する面が絶縁体である基板の表面に、順次、燃料極、電解質及び空気極からなる複数個のセルを形成するとともに、隣接するセル間をインターコネクタを介して電気的に直列に接続し、且つ、各セルの面積を燃料の流れ方向に異ならせてなる固体酸化物形燃料電池モジュールの複数個を間隔を置いて面平行に配置してなる固体酸化物形燃料電池連結モジュールであって、そのうち両端の2個のモジュールの燃料導入側の相対する片面に開口を設け、且つ、該両端のモジュールの該開口に対応する他方の面にボルト軸の径に対応する孔を設けるとともに、両端のモジュール間の各モジュールの燃料導入側の両面に開口を設け、それらの開口間に該開口に対応した裾部を有する中空の間隔保持部材を介在させ、該孔、開口及び間隔保持部材の中空部に、その一端からボルト頭を有するボルトまたは両端にネジを有するボルトを嵌挿してナット締めをしてなることを特徴とする固体酸化物形燃料電池連結モジュールを提供する。
本発明は、(7)内部に燃料の流通部を有し、且つ、少なくともセル及びインターコネクタに接する面が絶縁体である基板の表面に、順次、燃料極、電解質及び空気極からなる複数個のセルを形成するとともに、隣接するセル間をインターコネクタを介して電気的に直列に接続し、且つ、各セルの面積を燃料の流れ方向に異ならせてなる固体酸化物形燃料電池モジュールの複数個を間隔を置いて面平行に配置してなる固体酸化物形燃料電池連結モジュールであって、そのうち両端の2個のモジュールの燃料導入側の相対する片面に開口を設けるとともに、両端のモジュール間の各モジュールの燃料導入側の両面に開口を設け、それらの各開口間に該開口に対応した裾部を有する中空の間隔保持部材を介在させて、全体をケーシング内に配置、固定してなることを特徴とする固体酸化物形燃料電池連結モジュールを提供する。
本発明は、(8)内部に燃料の流通部を有し、且つ、少なくともセル及びインターコネクタに接する面が絶縁体である基板の表面に、順次、燃料極、電解質及び空気極からなる複数個のセルを形成するとともに、隣接するセル間をインターコネクタを介して電気的に直列に接続し、且つ、各セルの面積を燃料の流れ方向に異ならせてなる固体酸化物形燃料電池モジュールの複数個を間隔を置いて面平行に配置してなる固体酸化物形燃料電池連結モジュールであって、そのうち最先端のモジュールの燃料導出側に開口を設けるとともに、これに続く各モジュールの燃料導出側及び燃料導入側に開口を設け、隣接するモジュール間の相対応する開口間に裾部を有する中空の間隔保持部材を介在させて、全体をケーシング内に配置、固定してなることを特徴とする固体酸化物形燃料電池連結モジュールを提供する。
本発明は、(9)内部に燃料の流通部を有し、且つ、少なくともセル及びインターコネクタに接する面が絶縁体である基板の表面に、順次、燃料極、電解質及び空気極からなる複数個のセルを形成するとともに、隣接するセル間をインターコネクタを介して電気的に直列に接続し、且つ、各セルの面積を燃料の流れ方向に異ならせてなる固体酸化物形燃料電池モジュールの複数個を間隔を置いて面平行に配置してなる固体酸化物形燃料電池連結モジュールであって、そのうち最先端のモジュールの燃料導出側に開口設けるとともに、これに続く各モジュールの燃料導出側及び燃料導入側に開口を設け、隣接するモジュール間の相対応する各開口間に裾部を有する中空の間隔保持部材と裾部を有する中空でない間隔保持部材とを上下交互に介在させ、全体をケーシング内に配置、固定してなることを特徴とする固体酸化物形燃料電池連結モジュールを提供する。
本発明は、(10)内部に燃料の流通部を有し、且つ、少なくともセル及びインターコネクタに接する面が絶縁体である基板の表面に、順次、燃料極、電解質及び空気極からなる複数個のセルを形成するとともに、隣接するセル間をインターコネクタを介して電気的に直列に接続し、且つ、各セルの面積を燃料の流れ方向に異ならせてなる固体酸化物形燃料電池モジュールの複数個を間隔を置いて面平行に配置してなる固体酸化物形燃料電池連結モジュールであって、そのうち両端の2個のモジュールの燃料導入側の相対する片面に開口を設けるとともに、両端のモジュール間の各モジュールの燃料導入側の両面に開口を設け、それらの各開口間に該開口に対応した裾部を有する中空の間隔保持部材を介在させて、全体をケーシング内に配置、固定してなり、各モジュール内部の燃料が外部に放出される箇所に圧力損失があるように構成してなることを特徴とする固体酸化物形燃料電池連結モジュールを提供する。
図2は、本発明のSOFCモジュールの構成例1を示す図である。
図3は、本発明の「内部に燃料の流通部を有し、且つ、少なくともセル及びインターコネクタに接する面が絶縁体である基板」の構成例を示す図である。
図4は、本発明の「内部に燃料の流通部を有し、且つ、少なくともセル及びインターコネクタに接する面が絶縁体である基板」の構成例を示す図である。
図5は、少なくともセルに接する面が絶縁体である基板の構成例を示す図である。
図6は、本発明のSOFCモジュールの構成例2を示す図である。
図7及び図8は、SOFCモジュールの各列に設けられたセルの面積を、各列毎に、燃料の流れ方向に異ならせて構成する態様の数例を示す図である。
図9は、本発明のSOFCモジュール間を連結する構成例1を示す図である。
図10は、本発明のSOFCモジュール間を連結する構成例2を示す図である。
図11及び図12は、本発明のSOFCモジュール間を連結する構成例3を示す図である。
図13は、本発明のSOFCモジュール間を連結する構成例4を示す図である。
図14及び図15は、本発明のSOFCモジュール間を連結する構成例5を示す図である。
図16は、本発明のSOFCモジュール間を連結する構成例6を示す図である。
図17は、本発明のSOFCモジュール間を連結する構成例7を示す図である。
図18及び図19は、本発明のSOFCモジュール間を連結する構成例8を示す図である。
図20は、本発明の電流取り出し導体の配置構造を示す図である。
図21は、本発明のインターコネクタの配置構造1を示す図である。
図22は、本発明のインターコネクタの配置構造2を示す図である。
図23は、本発明のインターコネクタの配置構造3を示す図である。
図24は、本発明のインターコネクタの配置構造4を示す図である。
図25は、本発明のインターコネクタの配置構造5を示す図である。
図26は、本発明のインターコネクタの配置構造6を示す図である。
図27は、本発明のインターコネクタの配置構造7を示す図である。
図28は、本発明のインターコネクタの配置構造8を示す図である。
図29は、本発明のインターコネクタの配置構造9を示す図である。
図30は、本発明のインターコネクタの配置構造10を示す図である。
図31は、本発明のインターコネクタの配置構造11を示す図である。
本発明によれば、横縞方式のSOFCモジュールにおいて、高電圧化を図り、発電効率、集電効率を改善することができる。
前記内部に燃料の流通部を有し、且つ、少なくともセル及びインターコネクタに接する面が絶縁体である基板としては、その内部に燃料を流通させ、その外面に複数個のセルを配置でき、且つ、少なくともセル及びインターコネクタに接する面が絶縁体である構造であればよく、例えば、断面矩形状(中空扁平状)、断面三角形状、断面四角形状(中空四角形状)、断面五角形状、断面三角形状等の断面多角形状、断面円形状、断面楕円形状その他適宜の構造とすることができる。燃料の流通部は、それら形状の絶縁体基板中に1個設ける場合のほか、複数個設けることができる。
固体電解質の構成材料としては、イオン導電性を有する固体電解質であればよく、その構成材料の例としては、下記(1)〜(4)の材料が挙げられる。
(1) イットリア安定化ジルコニア〔YSZ:(Y2O3)x(ZrO3)1−x(式中、x=0.05〜0.15〕。
(2) スカンジア安定化ジルコニア〔(Sc2O3)x(ZrO2)1−x(式中、x=0.05〜0.15)〕。
(3) イットリアドープセリア〔(Y2O3)x(CeO2)1−x(式中、x=0.02〜0.4)〕。
(4) ガドリアドープセリア〔(Gd2O3)x(CeO2)1−x(式中、x=0.02〜0.4)〕。
燃料極の構成材料としては、例えばNiを主成分とする材料、NiとYSZ〔(Y2O3)x(ZrO2)1−x(式中、x=0.05〜0.15)〕との混合物からなる材料などが用いられる。NiとYSZとの混合物からなる材料の場合、当該混合物中、Niを40vol%以上分散させた材料であるのが好ましい。
空気極の構成材料としては、例えばSrドープLaMnO3が用いられる。
前記内部に燃料の流通部を有し、且つ、少なくともセル及びインターコネクタに接する面が絶縁体である基板の構成材料としては、MgOとMgAl2O4の混合物、ジルコニア系酸化物、ジルコニア系酸化物とMgOとMgAl2O4の混合物などを用いることができる。このうち、MgOとMgAl2O4の混合物は、MgOが20〜70vol%含まれるMgOとMgAl2O4の混合物であるのが好ましい。また、ジルコニア系酸化物の例としては、イットリア安定化ジルコニア〔YSZ:(Y2O3)x(ZrO2)1−x,式中、x=0.03〜0.12〕などが挙げられる。
本発明のSOFCモジュールにおいては、隣接するセルの燃料極及び空気極間(すにわち、一のセルの燃料極と当該セルの隣のセルの空気極との間)をインターコネクタにより接続する。その構成材料の例としては、下記(1)〜(4)の材料が挙げられる。
(1) 式(Ln,A)CrO3(式中、Lnはランタノイド、AはBa、Ca、MgまたはSrである)で示される酸化物を主成分とする材料。
(2) Tiを含む酸化物、例えばMTiO3(式中、MはBa、Ca、Pb、Bi、Cu、Sr、La、Li、Ceから選ばれた少なくとも1種の元素である)。
(3) Agを主原料とする材料。この材料の場合には、この材料で作製されたインターコネクタをガラスで覆うことが望ましい。
(4) Ag、Agろう及びAgとガラスの混合物のうちのいずれか1種または2種以上からなる材料。また、本発明の固体酸化物形燃料電池モジュールにおいては、電解質と空気極との間に界面層を有することができる。
〈本発明の具体的態様〉
以下、本発明について、順次、その具体的態様を説明するが、本発明がこれら態様に限定されないことはもちろんである。
〈SOFCモジュールの構成例1〉
図2(a)−(c)は、本発明のSOFCモジュールの構成例1を示す図である。図2(a)は斜視図、図2(b)は平面図、図2(c)は、図2(b)中A−A線断面図で、図2(b)より拡大して示している。図2(a)−(c)のとおり、中空扁平状の多孔質絶縁体基板11の内部に燃料の流通部17を有し、且つ、少なくともセル12及びインターコネクタ16に接する面が絶縁体である基板の上下両面のうちいずれか一面または両面に、順次、燃料極13、電解質14及び空気極15からなる複数個のセル12を直列に形成し、隣接するセル間をインターコネクタ16を介して接続する。なお、図2(c)では、インターコネクタ16は空気極15の表面の一部を覆っているが、全面を覆ってもよい。また、図2(c)中、Sとして示す空白部分はインターコネクタ材料で満たされていてもよい。これらの点は、以下同様である。
そして、各セルの面積を燃料の流れ方向に異ならせて構成する。図2(a)−(c)では、矢印(→Z)で示すように、そのうち各セルの面積を燃料の流れ方向に順次大きく構成した場合を示し、図2(c)中、15′、15′′、15′′′として示すように、セルの燃料極13、電解質14の面積が燃料の流れ方向に順次大きくなるに伴い、空気極の面積を順次大きく構成している。
このほか、各セルの面積を燃料の流れ方向に異ならせて構成する態様例として、下記(1)−(3)のように構成してもよい。
(1)セルの面積が同じセルの複数個を一つのセルグループとする。そして、燃料の流れ方向に、順次、セルの面積を大きくしたセルグループを配置して構成する。例えば、燃料の流れ方向に、セルグループa→セルグループb→セルグループc・・・というようにセルグループを配置し、その際、セルグループbのセルの面積をセルグループaのセルの面積より大きくし、セルグループcのセルの面積をセルグループbのセルの面積より大きくする・・・というように配置する。
(2)セルの面積が同じセルの複数個を一つのセルグループとする。そして、燃料の流れ方向に、順次、セルグループとグループをなさないセル(つまり一つのセル)とを交互に燃料の流れ方向にセルの面積を順次大きくして配置して構成する。例えば、燃料の流れ方向に、セルグループa→セルb→セルグループc→セルd・・・というように配置し、その際、セルbの面積をセルグループaのセルの面積より大きくし、セルグループcのセルの面積をセルbのセルの面積より大きくする・・・というように配置する。
(3)セルの面積が同じセルの複数個を一つのセルグループとする。そして、燃料の流れ方向に、順次、セルグループとグループをなさないセル(つまり一つのセル)とをアトランダムに燃料の流れ方向にセルの面積を順次大きくして配置して構成する。例えば、燃料の流れ方向に、セルグループa→セルb→セルc→セルグループd→セルe・・・というように配置し、その際、セルbの面積をセルグループaのセルの面積より大きくし、セルcのセルの面積をセルbのセルの面積より大きし、セルグループdのセルの面積をセルcの面積より大きくする・・・というように配置する。
電力は、燃料の流れ方向の最前端のセルと燃料の流れ方向の最後端のセルから取り出される。燃料の流れ方向にかけて燃料はセルで消費されて漸次薄まっていくが、図2(a)−(c)の例では、各セルの面積を燃料の流れ方向に順次大きくしているので、電流密度も順次小さくなる。この点、上記(1)−(3)の態様例の場合も同様である。このため、発電効率を向上させることができる。また、隣接するセルを電気的に直列に接合するセル数が増大するため電圧が増大し、直流(DC)から交流(AD)への変換効率を向上させることができる。
内部に燃料の流通部を有し、且つ、少なくともセル及びインターコネクタに接する面が絶縁体である基板は、その内部に燃料を流通させ、その外面に複数個のセルを配置できる構造であればよい。図3(a)−(g)はその幾つか例を示す図である。これらの図中、図2(a)−(c)と共通する部分には同じ符号を付している。図3(a)は断面矩形状ないし扁平状の多孔質絶縁体基板の例で、絶縁体基板11に中空域を1個設けた場合である。該中空域が燃料の流路すなわち燃料の流通部17となる。図3(b)−(e)は、断面矩形状ないし扁平状の多孔質絶縁体基板の例で、絶縁体基板11に複数個の燃料流路すなわち複数個の燃料の流通部17を設けた例である。図3(f)−(g)は断面円形状ないし楕円形状の多孔質絶縁体基板の例で、絶縁体基板11に複数個の燃料流路すなわち複数個の燃料の流通部17を設けた例である。図3(b)−(g)の各例において、燃料の流通部17の断面形状はこれら図に示した形状とは限らず適宜の形状とすることができる。
図4(a)−(c)は、その絶縁体基板を断面四角形状ないしほぼ断面四角形状に構成した場合である。これらの図中、図3(a)−(g)と共通する部分には同じ符号を付している。図4(a)の例では、絶縁体基板11の上下両面に燃料極13を配置し、燃料極面を含む全周面に電解質14を配置する。そして、上下燃料極13に対応する面の電解質14に空気極15を配置する。図4(b)の例では、絶縁体基板11の全周面に燃料極13を配置し、燃料極13の全周面に電解質14を配置する。そして、上下の電解質14の面に空気極15を配置する。図4(c)の例では、絶縁体基板11の全周面に燃料極13を配置し、燃料極13の全周面に電解質14を配置する。そして、上下の電解質14の面に空気極15を配置し、該空気極45を配置した以外の電解質14の面に空気極(15)または導電体18を配置する。図4(a)−(c)では、断面四角形状ないしほぼ四角形状の場合を示しているが、他の断面多角形状、断面楕円形状等の基板の場合も同様である。他の構成は図2〜3の場合と同様である。
〈基板の構成〉
本発明では、基板として、内部に燃料の流通部を有し、且つ、少なくともセル及びインターコネクタに接する面が多孔質の絶縁体である基板を用いる。図5(a)−(b)は、少なくともセルに接する面が絶縁体である基板の構成例を示す図である。これらの図中、図4(a)−(b)と共通する部分には同じ符号を付している。図5(a)の構成例は、基板のうち、燃料極13と接する部分を多孔質絶縁体11で構成し、他の部分を電気伝導性物質(導電性物質)18で構成する。この点、少なくともインターコネクタに接する面が絶縁体である場合も同様である。図5(b)の構成例は、セルに接する面を含めた基板全体を多孔質絶縁体11で構成する例である。この点、少なくともインターコネクタに接する面が絶縁体である場合も同様である。図5(a)−(b)では、断面矩形状の場合を示しているが、他の断面多角形状、断面楕円形状、断面円形状等の基板の場合も同様である。基板の構成については、下記SOFCモジュールの構成例2についても同様である。
〈SOFCモジュールの構成例2〉
図6(a)−(c)は、本発明のSOFCモジュールの構成例2を示す図である。図6(a)は斜視図、図6(b)は平面図、図6(c)は、図6(b)中A−A線断面図で、図6(b)より拡大して示している。図6(a)−(c)のとおり、断面矩形状ないし中空扁平状の絶縁体基板の上下両面のうちいずれか一面または両面に対して、第1列から第n列の複数列のそれぞれの列に、順次、燃料極13、電解質14及び空気極15からなる複数個のセル12を形成するとともに、隣接するセル12間をインターコネクタを介して電気的に直列に接続する。図6(a)−(c)では、第1列と第2列の2列の場合を示しているが、3列以上とする場合も同様である。また、図6(a)中、その上面(表面)のセル間の電流の流れ方向を示しているが、その下面(裏面)に配置されたセル間の電流の流れ方向についても同様である。
そして、各セルの面積を燃料の流れ方向に異ならせて構成する。図6(a)−(c)では、矢印(→Z)で示すように、そのうち各セルの面積を燃料の流れ方向に順次大きく構成した場合を示している。このほか、各列について、前述SOFCモジュールの構成例1の場合と同様、下記(1)−(3)のように構成してもよい。
(1)セルの面積が同じセルの複数個を一つのセルグループとする。そして、燃料の流れ方向に、順次、セルの面積を大きくしたセルグループを配置する。
(2)セルの面積が同じセルの複数個を一つのセルグループとする。そして、燃料の流れ方向に、順次、セルグループとグループをなさないセル(つまり1個のセル)とを交互に燃料の流れ方向にセルの面積を順次大きくして配置する。
(3)セルの面積が同じセルの複数個を一つのセルグループとする。そして、燃料の流れ方向に、順次、セルグループとグループをなさないセル(つまり1個のセル)とをアトランダムに燃料の流れ方向にセルの面積を順次大きくして配置する。
また、各列単位すなわち各モジュール単位で各列に配置するセルの面積を、各列毎に、燃料の流れ方向に異ならせて構成する。図7(a)−(b)、図8(a)−(b)はこの態様の数例を示す図である。これら図において、第1列−第4列の各列は各SOFCモジュールを示し、インターコネクタ等の記載は省略している。なお、これら例での複数の各モジュールはセルが配置された面を平行にして配置されるが、それら各図では、セルの配列態様を示すため、その配列面側を示している。燃料は、例えば、後述図9(a)の右図、図10(a)−(b)等に示すように、最前列のモジュールから順次、隣接するモジュールへ供給される。図7(a)−(b)、図8(a)−(b)中、19はその燃料流路である。また、これら図ではモジュールが4列の場合を示しているが、2〜3列の場合、5列以上の場合も同様である。
図7(a)の例は、各モジュール単位でセルの面積を順次大きくした例である。図7(a)において、第1列の各セル20の面積は小さく、その右側の第2列の各セルの面積は第1列の各セル20の面積より大きく、その右側の第3列の各セルの面積は第2列の各セルの面積より大きく、最右端の第4列の各セル20の面積は第3列の各セルの面積より大きく構成されている。
図7(b)の例は、各列すなわちモジュール単位内でセルの面積をグループ内で異ならせ、また各モジュール毎にセルの面積を異ならせた例である。図7(b)において、左端の第1列とその次の第2列については、ともに下から6個のセル20の面積は小さく(同じセル面積の6個のセルのグループ)、その上の5個のセル20の面積はそれより大きく構成されている(同じセル面積の5個のセルのグループ)。その右側の第3列のセルについては、下から4個のセルの面積は小さく(同じセル面積の4個のセルのグループ)、その上5個のセルの面積はそれより大きく構成されている(同じセル面積の5個のセルのグループ)。最右側の第4列のセル20については、下から5個の面積は小さく(同じセル面積の5個のセルのグループ)、その上3個のセル20の面積はそれより大きく構成されている(同じセル面積の3個のセルのグループ)。
図8(b)の例は、左端の第1列から第3列までの各セル20の面積を同じくし、第4列の各セル20の面積を第1列から第3列までの各セルの面積より大きくして構成されている。図8(b)の例は、左端の第1列から第3列までの各セル20の面積を同じくし、最右側の第4列のセル20については、下から6個の面積は小さく(同じセル面積の6個のセルのグループ)、その上5個のセル20の面積はそれより大きく構成されている(同じセル面積の5個のセルのグループ)。
以上図7(a)−(b)、図8(a)−(b)の態様例の場合、電力は、第1列の燃料の流れ方向の最前端のセルと第4列の燃料の流れ方向の最後端のセルから取り出される。燃料は、セルで消費されて、燃料の流れ方向に漸次薄まっていくが、各セルまたは各セルの空気極の面積を、セルグループ単位またはモジュール単位で、燃料の流れ方向に異ならせているので、前述SOFCモジュールの構成例1の場合と同様の効果が得られる。加えて、第1列から第n列の複数列のそれぞれの列に、複数個のセルを電気的に直列に形成しているので、数多くのセルを配列できる。このため、コンパクトな構成で大きな電力を得ることができる。
《固体酸化物形燃料電池連結モジュールの構成例》
以下、本発明に係る固体酸化物形燃料電池連結モジュールの構成例、すなわち以上のように構成したSOFCモジュールを連結する構成例を説明する。
〈SOFCモジュール間を連結する構成例1〉
図9(a)−(c)はモジュールの2個を連結する構成例を示す図である。これら図中、モジュールに配置されたセル等の記載は省略している。この点、以下、図18まで同様である。図9(b)のとおり、SOFCモジュール21の片面の下部、すなわち燃料導入側に雌ネジ孔22を設け、そのモジュールの2個を間隔を置いて、面平行に相対して配置する。図9(b)中23は雌ネジである。そして、隣接する雌ネジ孔22に対応して雄ネジ切りをした中空凸部を有する間隔保持部材24を介在させ、該中空間隔保持部材24を回動させて固定する。図9(c)は間隔保持部材24を示す図で、25は中空部すなわち貫通孔、26は雌ネジ23に対応する雄ネジである。ここで、各雌ネジ孔22の雌ネジ23を、中空間隔保持部材24の中空凸部に設けた雄ネジ26に対応した雌ネジ23とすることで、該中空間隔保持部材24を回動させるだけで両モジュール21を連結し、固定することができる。
図9(a)中の右側の図は、こうして構成されたSOFC連結モジュールであり、燃料の流れ方向を矢印(↑)で示している。図9(a)中、27は燃料導入管、28はオフガス導出管である。各モジュール21内に、例えば図示のような仕切板29をモジュール21の上端内壁に対して間隔を置いて配置しておく。30はその間隙である。左側のモジュールの下端で導入された燃料は、矢印(↑)で示すように仕切板29に沿って上昇し、上部間隙30で折り返して下降し、中空間隔保持部材24の貫通孔25を通って右側のジュールに入り、上昇し、仕切板29の上部間隙30で折り返して下降し、右側のモジュールの下端で利用済み燃料すなわちオフガスとして排出される。図示の仕切板29は、一例であるが、燃料をそのように折り返し流通させ得るものであれば適宜の構造とすることができる。これらの点は、以下の構成例でも同様である。また、以下の各構成例に対応する図面中に、燃料の流れ方向を適宜矢印(↑)で示している。
〈SOFCモジュール間を連結する構成例2〉
本構成例2は、上述構成例1と同様の手法で3個以上のSOFCモジュール間を連結する構成例である。図10は本構成例2を示す図で、図10(a)はSOFCモジュールの3個を連結固定する場合、図10(b)はSOFCモジュールの4個以上の複数個を連結し、固定する場合である。これらの図中、図9(a)−(c)と共通する部分には同じ符号を付している。両端のモジュールのうち、左端のモジュールの片面の下部(燃料導出側)と、右端のモジュール21の片面の下部(燃料導入側)とに雌ネジ孔を設け、左右両端のモジュール間に配置されるモジュールには、燃料導入側及び燃料導出側の両面に雌ネジ孔を設ける。そして、図10(a)−(b)のように、それらモジュールの複数個を間隔を置いて面平行に配置して固定する。ここで用いる中空間隔保持部材24の構造、固定の仕方等については前述構成例1の場合と同様である。
〈SOFCモジュール間を連結する構成例3〉
本構成例3は、SOFCモジュールを連結する他の構成例である。図11(a)−(d)、図12(a)−(b)は本構成例3を示す図である。図11(a)は、開口36を設けた2個のモジュール21を併置し、開口36間に中空凸部を有する中空の間隔保持部材31を介在させ、該開口36にボルト30を嵌挿した状態を示す図である。図11(b)−(c)は間隔保持部材31の構造を示す図である。間隔保持部材31は、凸部32とその両側に裾部33を有し、それを貫通する孔34を有する。貫通孔34の径はこれに嵌挿するボルト軸部の径より大きくし、裾部33の外径はそれより大きく構成されている。
また、図11(d)の左側の図は、モジュール21のうち、嵌挿するボルト頭側の面を示す図で、ボルト軸部の径に対応する孔35を有する。図11(d)の右側の図は、モジュール21のうち、そのボルト頭側の面と相対する側の面を示す図で、間隔保持部材31の裾部33の径に対応する径の開口36を有する。
そして、図11(a)のように、2個のモジュール21を開口36側が相対するように配置し、その間に間隔保持部材31を介在させ、左側のモジュール21の孔35、開口36、右側のモジュール21の開口36、孔35を通してボルト30の軸部を嵌挿する。そして、ボルトの雄ネジにナットを配して締め付けることで、両モジュール21間に間隔保持部材31を密に固定する。図12(a)は、こうして構成したSOFC連結モジュールを示している。ボルトはその両側からナットで締め付ける形式のものでもよく、図12(b)はこの場合の間隔保持部材31と軸部の位置関係を示している。
本SOFC連結モジュールの場合、図12(a)のとおり、燃料は、左側のモジュール21の下端で導入され、矢印(↑)で示すように仕切板29に沿って上昇し、上端で折り返して下降し、ボルトの軸部と中空間隔保持部材31の貫通孔34との間の間隙37を通って右側のジュールに入り、上昇して、仕切板29の上端で折り返して下降し、右側のモジュールの下端でオフガスとして排出される。
〈SOFCモジュール間を連結する構成例4〉
本構成例4は、上述構成例3と同様の手法で3個以上のSOFCモジュール間を連結する構成例である。図13(a)−(b)は本構成例4を示す図で、図13(a)はモジュールの3個を連結、固定する場合、図13(b)はモジュールの4個以上の複数個を連結、固定する場合である。左右両端のモジュール21の間に配置するモジュール21については、モジュール21の両側の面とも、前述図11(d)の右側の図に示すように、間隔保持部材31の裾部33の外径に対応する径の開口36を設ける。左右両端のモジュール21については構成例3の場合と同様である。
そして、図13(a)−(b)のように、各モジュール21を面平行に配置し、そのそれぞれの間に間隔保持部材31を介在させ、前記構成例3と同様にしてその一端からボルト31の軸部を嵌挿する。次いで、ボルト頭を有するボルトまたは両端をナット締めするボルトを嵌挿し、ボルト頭を有するボルトでは他端から、両端をナット締めするボルトでは両端からナット締めをして連結し、密に固定する。この場合、ボルトの直径を開口36の径より小さくすることにより、両者間で燃料を流通させる。こうして構成した本SOFC連結モジュールにおける燃料の流れは、前述構成例3の場合と同様である。
〈SOFCモジュール間を連結する構成例5〉
SOFCモジュール間を連結する構成例3−4は中空の間隔保持部材にボルトを嵌挿して固定する例であるが、本構成例5はボルトを用いることなく、2個以上のSOFCモジュール間を連結する構成例である。図14、図15(a)−(b)は本構成例5を示す図で、5個のモジュールを面平行に配置して連結する場合を示している。図14はモジュールの連結過程を示す図、図15(a)−(b)は連結後の配置関係等を示す図である。図15(a)は縦断面図であり、上下にある断熱材、燃料導入管等の記載は省略している。図15(b)は図15(a)中A−A線断面図である。
図14のとおり、5個のモジュール21のうち左右両端のモジュールには長手方向の一方の側(燃料導入側)の片面に開口38が設けられ、その左右両端側を除く3個のモジュールには長手方向の一方側(燃料導入側)の両面に開口39が設けられている。それら開口38、39の径は図11(c)に示すような中空の間隔保持部材31の裾部33の外径と同じである。
そして、図14のように、それら開口のうち相対する開口38と開口39との間、開口39と39との間、開口39と開口38との間に中空の間隔保持部材31を介在させて固定する。その固定手段として焼結法を用いてもよい。この場合、各開口と各間隔保持部材31の裾部33間で焼結により密に固定される。焼結法は、後述構成例6〜8においても適用できる。また、その固定を、図15(a)−(b)のように、その全体をケーシング40内に配置し、固定してもよい。この場合、その固定に際して上記焼結法を併用してもよい。また、その全体をケーシング40内に配置するに際して、左右両端のモジュールのうちいずれか一方または両方のモジュールとケーシング40の内壁との間にバネ等の弾性部材41を配置することにより、それらを密に固定することができる。図15(a)−(b)では左右両端のモジュールのうちいずれか一方モジュールとケーシング40の内壁との間にバネ等の弾性部材41を配置した場合を示している。また、図15(a)中、燃料の流通方向を矢印(↑)で示している。図14、図15(a)−(b)にはモジュールの5個を連結、固定する場合を示しているが、2〜4個、6個以上を連結、固定する場合も同様である。
〈SOFCモジュール間を連結する構成例6〉
SOFCモジュール間を連結する以上の構成例1〜5は、SOFCモジュールの燃料導入側で連結する例であるが、本構成例6は、SOFCモジュールの燃料導入側及び燃料導出側で連結する例である。図16(a)−(b)は本構成例6を示す図である。本構成例6では、連結部材として、前述図11(c)に示すような中空の間隔保持部材31のみを用いる。また、本構成例6では、各モジュール内部に、構成例1等では必要であった、燃料の流れを案内する仕切板29、あるいはこれに相当する部材を設ける必要がない。
各モジュールの燃料導入側及び燃料導出側に開口を設ける。それら開口の径は中空の間隔保持部材31の裾部33の外径と同じである。この場合、図16(a)−(b)のとおり、最左端のモジュールには燃料導出側のみに開口を設け、最右端のモジュールには燃料導入側のみに開口を設ける。そして、図16(a)−(b)に示すように、相隣り合う、すなわち隣接するモジュールの相対する開口間にそれぞれ中空の間隔保持部材31を介在させ、全体をケーシング40内に配置する。なお、図16(b)中、ケーシング40は一部をカットして示している。こうして構成して複数のモジュールを配置した連結モジュールでは、燃料は、最左端のモジュールの下部の燃料導入管42から導入され、図16(a)中矢印(↑)のように流通して発電に寄与し、順次隣接するモジュールを流通して、最右端のモジュールの上部のオフガス導出管43から利用済み燃料すなわちオフガスとして排出される。
〈SOFCモジュール間を連結する構成例7〉
本構成例7は、SOFCモジュールの燃料導入側及び燃料導出側を連結する点では構成例6と同じであるが、各モジュール間を中空の間隔保持部材と中空でない間隔保持部材とで連結する例である。図17(a)−(c)は本構成例7を示す図である。なお、図17(a)中、ケーシング40の記載は省略し、また、図17(b)は図17(a)を上方から見た図で、図17(b)中、ケーシング40は一部をカットして示している。ここで、中空の間隔保持部材としては前述図11(c)に示すような間隔保持部材31を用い、中空でない間隔保持部材としては図17(c)に示すような間隔保持部材44を用いる。図17(c)に示すように、中空でない間隔保持部材44は、中空の間隔保持部材31では備える貫通孔34、つまり燃料流路を有しない点を除き、中空の間隔保持部材31と同じ構造である。
図17(a)のとおり、中空の間隔保持部材31と中空でない間隔保持部材44とを上下交互に配置する。中空でない間隔保持部材44は、間隔保持部材の役割をし、隣接するモジュール間の間隔保持、固定をより良好にすることができる。これら以外の点は、前述構成例6の場合と同様である。
〈SOFCモジュール間を連結する構成例8〉
本構成例8は、複数のSOFCモジュールを連結する構成としては、前述構成例5等と同様であるが、各モジュール内部の燃料が外部に放出される箇所に圧力損失があるように構成した例である。本構成例8では、各モジュールに導入された燃料を各モジュールのそれぞれから外部に放出するので、各モジュール内に、燃料の流れを案内する仕切板、あるいはこれに相当する部材を設ける必要がない。
図18は本構成例8を示す図である。図18のとおり、燃料導入管42を最前端のモジュールだけに設け、利用済み燃料の導出管43は、各モジュール毎に設ける。そして、各モジュールの各導出管43の内径を左側のモジュールから右側のモジュールへと順次大きくしてある。最前端のモジュールに導入された燃料は、分岐して中空の間隔保持部材31の孔を介して次のモジュールに導入され、以降同様にして、順次各モジュールに導入される。本構成例8によれば、電池作動時に、導出管43の内径が大きいモジュールでは圧損が生じ、その圧損に相当する分、当該モジュールの直前のモジュールへ導入された燃料が中空の間隔保持部材31中を通って、当該次のモジュールへ導入される。図18にはモジュールの5個を連結、固定する場合を示しているが、2〜4個、6個以上を連結固定する場合も同様である。
図19は、燃料の供給を室温領域で行うタイプのもので、各SOFCモジュールへ等しい燃料が流れるように室温で調整するように構成した例である。図19のとおり、燃料は、共通の燃料供給管45から分岐され、各燃料導入管46を経て、各モジュールに導入される。図示は省略しているが、各モジュール間の連結部は、前述図17(c)に示すような中空でない間隔保持部材44によってもよく、前述図11(c)に示すような中空の間隔保持部材31によってもよい。中空の間隔保持部材31を用いた場合には、各モジュールに導入された燃料は、中空部すなわち貫通孔34を通して隣接するモジュール間を相互に流通する。
〈電流取り出し導体の配置構造〉
以上のとおり構成された各SOFCモジュール及びSOFC連結モジュール(すなわち、複数のSOFCモジュールを連結したSOFCモジュール)においては、電力は、燃料の流れ方向の最前端の燃料極から導出された導体と燃料の流れ方向の最後端の空気極から導出された導体を介して取り出される。本発明においては、その両導体を燃料極側に配置することにより、電流を全て燃料流路側から取り出し、両導体の酸化による劣化を防止することができる。すなわち、SOFCの燃料は水素、一酸化炭素、メタンであり、これらは還元性ガスであるので、導体を酸化しない。図20は、その電流取り出し導体の配置構造例を示す図である。なお、燃料極48と空気極49との間には電解質があるが、図20ではその記載は省略している。図20中、50はインターコネクタである。また、間隔保持部材55としては、前述図11(c)に示すような中空の間隔保持部材31の場合を示しているが、前述図17(c)に示すような、他の間隔保持部材の場合も同様である。
図20のとおり、燃料極48からの電流取り出し導体51を絶縁体基板47の内側の導体53に導出させ、また空気極49からの電流取り出し導体52を絶縁体基板47の内側の導体54に導出させる。すなわち、両導体53、54を燃料の流通部内に導出させる。この場合、燃料極48、空気極49からの取り出し電流は、間隔保持部材55を介して絶縁体基板47の内側に配置した導体53、54に通じることになるので、間隔保持部材55も導電性である必要がある。そこで、間隔保持部材55自体を導電性材料で構成するが、これに代えて、(1)間隔保持部材55の表面をAg、Pt等の導電性金属でメッキする、(2)間隔保持部材55にAg、Pt等の導電性金属を含有させる、(3)絶縁体基板47中に燃料極48及び空気極49からの導体51、52に続く導体を配置して、それぞれ導体53、54に導通させる、など適宜な仕方で導電性にすることができる。
このように、間隔保持部材55を導電性にしておくことで、隣接するモジュール間の電気的接続も行えるので非常に有用である。図20で云えば、図20中aとして示すインターコネクタとbとして示すインターコネクタは電気的に接続する必要があるが、間隔保持部材55を上記のように導電性にしておくことで、インターコネクタaとインターコネクタb間を電気的に接続することができる。
〈隣接するセル間のインターコネクタの配置構造〉
以上のとおり構成された各SOFCモジュール及びSOFC連結モジュールにおいては、隣接するセル間にインターコネクタが配置される。本発明においては、隣接するセル間の電解質膜間にインターコネクタの構成材料として緻密な材料を用いることにより、空気極から当該緻密な材料までは緻密でない材料を用いることができる。インターコネクタは、隣接するセル間、すなわち前のセルの空気極とその直後のセルの燃料極を連結する導体であり、シート状、線状その他適宜の形状で構成することができる。
ここで、本発明における上記緻密な材料における緻密とは、その材料の理論密度に対して90%以上、好ましくは95%以上の密度を有することを意味する。これに対して、本発明における上記緻密でない材料における緻密とは、その材料の理論密度に対して20%以上ないし90%未満の密度を有することを意味する。本発明においては、インターコネクタの構成材料として緻密な材料と緻密でない材料を用いるが、隣接するセル間の電解質膜間に少なくとも緻密な材料を用いるとが必須であり、この点を前提として、以下で述べる緻密でない材料の使用箇所に、緻密でない材料に代えて緻密な材料を用いてもよい。
インターコネクタの構成材料が例えば(La、Sr)CrO3の場合、この材料は難焼結性であり、その作製が非常に困難である。そこで、本発明においては、隣接するセル間のインターコネクタ材料として少なくとも緻密な材料を用いる。これにより、ガスシール性を高め、ガスがインターコネクタと電解質との間から漏れ出すことを防止することができる。併せて、緻密な材料であるので、電気的接触を確保することができる。また、上述のとおり、空気極から当該緻密な材料までは、緻密でない材料を用いることができる。これにより、空気極の形成と同時に、あるいは空気極の焼結温度よりも低い温度で形成できるという効果が得られる。
〈インターコネクタの配置構造1〉
図21は本インターコネクタの配置構造1を示す図である。図21中、下方の図は上方の図の一部を拡大して示した図である。この点は、以降、図22〜31についても同様である。図21中、56は多孔質の絶縁体基板、57は燃料極、58は電解質、59は空気極であり、この点は、以降、図22〜31についても同様である。また、インターコネクタ〔図21で言えば「インターコネクタ(緻密でなくともよい)」として示した部分〕の下面と電解質58の上面は、通常は接しているが、その間にスペースがある場合もある。図21では、図中Sとして示すように、スペースがある場合を示しているが、スペース部分はインターコネクタ材料等で満たしてもよい。この点は、以降、図22〜26、図28〜31についても同様である。
隣接するセル(図21では左右のセル)間に緻密なインターコネクタを配置する。本配置構造1では、隣接する電解質58間に緻密な材料を用い、空気極59から当該緻密な材料までは緻密でない材料を用いる。例えば(Ln,A)CrO3(式中、Lnはランタノイド、AはBa、Ca、MgまたはSrである)で示される酸化物を主成分とする材料の場合、この材料は難焼結性であり、その作製が非常に困難である。そこで、本配置構造1のように、隣接する電解質58間に緻密な材料を用いることにより、ガスシール性を高め、ガスがインターコネクタと電解質58との間から漏れ出すことを防止することができる。併せて、緻密な材料であるので、電気的接触を確保することができる。
一般に、インターコネクタと燃料極57との連結はインターコネクタを燃料極57の下に配置して行っている。これに対して、図21のとおり、燃料極57の上端面に緻密なインターコネクタ材料を臨ませていることにより、その構成を容易にすることができる。また、インターコネクタが電解質58の一部を覆う構造としているので、シール性を高めることができる。空気極59から当該緻密な材料までは緻密でない材料を用い得る点は、以下の配置構造でも同じである。
〈インターコネクタの配置構造2〉
図22は本インターコネクタの配置構造2を示す図である。隣接するセル(図22では左右のセル)間に緻密なインターコネクタを配置する。本配置構造2では、隣接する電解質58間の燃料極57上面の一部に緻密な材料を配置し、緻密な材料のうちの一部は緻密でない材料に連結している。これにより、緻密でない材料部分を除き、緻密な材料の上を電解質58が覆う構造に構成する。他の構成は配置構造1の場合と同じである。本配置構造2のように、緻密なインターコネクタ材料の上を電解質58が覆う構造であるので、ガスシール性をより高めることができる。
〈インターコネクタの配置構造3〉
図23は本インターコネクタの配置構造3を示す図である。隣接するセル(図23では左右のセル)間にインターコネクタを配置する。本配置構造3では、緻密な材料を隣接する電解質58間で且つ燃料極57側の上面と、これに続く燃料極57の側面に配置する。これにより、緻密なインターコネクタ材料と電解質58との接触面積を増やし、インターコネクタと燃料極57との間の接触抵抗を低減させることができる。他の構成については配置構造2の場合と同じである。
〈インターコネクタの配置構造4〉
図24は本インターコネクタの配置構造4を示す図である。隣接するセル(図24では左右のセル)間に緻密なインターコネクタを配置する。本配置構造4では、隣接する電解質58間と、これに続く燃料極57の側面に緻密なインターコネクタ材料を配置する。図24のとおり、断面T字状で、その頭部下面は電解質58に接し、その脚部の一面の大部分(すなわち電解質58が貫通する部分を除き)が燃料極57に接し、その脚部の他面は電解質58に接している。これにより、緻密なインターコネクタ材料と電解質58との接触面積を増やし、インターコネクタと燃料極57との間の接触抵抗を低減させ、シール性を高めることができる。他の構成は配置構造1の場合と同じである。
〈インターコネクタの配置構造5〉
図25は本インターコネクタの配置構造5を示す図である。隣接するセル(図25は左右のセル)間に緻密なインターコネクタを配置する。本配置構造5では、緻密なインターコネクタ材料が、隣接するセルのうち、前のセルの電解質58の上面から側面に続き、燃料極57の側面に接し、絶縁体基板56の上面に接して、次のセルの燃料極57の側面に接し、電解質58の側面から上側面に続くよう構成される。これにより、配置構造4に比べて、電解質58が完全に分離される。すなわち、隣接したセル同士の電解質58が分離される。本配置構造5によれば、多孔質の絶縁体基板56からガスが漏れるのに対しても、当該緻密なインターコネクタ材料によりシールすることができる。
〈インターコネクタの配置構造6〉
図26は本インターコネクタの配置構造6を示す図である。隣接するセル(図26では左右のセル)間にインターコネクタを配置する。本配置構造6では、緻密なインターコネクタ材料が、隣接するセルのうち、前のセルの電解質58の上面から側面に続き、絶縁体基板56の上面に接して、次のセルの燃料極57の側面に接し、電解質58の下面に続くように構成される。これにより、前記配置構造5と同様、隣接したセル同士の電解質58が分離される。併せて、空気極59は電解質58の上面に配置される。本配置構造6によれば、多孔質の絶縁体基板56からのガス漏れに対しても、当該緻密なインターコネクタ材料によりシール性を高めることができる。
〈インターコネクタの配置構造7〉
図27は本インターコネクタの配置構造7を示す図である。隣接するセル(図27では左右のセル)間にインターコネクタを配置する。本配置構造7では各セルの電解質58が燃料極57の側面まで覆うようにしてある。本配置構造7では、緻密なインターコネクタ材料が、隣接するセルのうち、前のセルの空気極59から電解質58の上面に続き、その側面に接し、絶縁体基板56の上面に接して続き、次のセルの電解質58の下面に続くように構成される。これにより隣接したセル同士の電解質58が分離される。本配置構造7によれば、多孔質の絶縁体基板56からのガス漏れに対しても、当該緻密なインターコネクタ材料によりシール性を高めることができる。当該緻密なインターコネクタ材料を例えばAgを含有した材料で構成する場合、Ag単体であると、Agが飛散してしまうことがある。そこで、本配置構造7では、図27のとおり、Ag含有材料の上をガラス材等で覆うことにより、Agの飛散を防止することができる。
〈インターコネクタの配置構造8〉
図28は本インターコネクタの配置構造8を示す図である。隣接するセル(図28では左右のセル)間にインターコネクタを配置する。図28のとおり、各セルを断面でみて、燃料極57の両側面のうち、燃料流の上流側の側面は電解質58で覆わず、燃料流の下流側の側面は電解質58で覆い、電解質58が絶縁体基板56の上面まで覆うように構成する。そして、緻密なインターコネクタが、絶縁体基板56の上面の電解質58(電解質58と絶縁体基板56上面間)から、引続き絶縁体基板56の上面に接して、次のセルの燃料極57の側面に続き、電解質58の上面に接するように構成される。これにより隣接したセル同士の電解質58が分離される。本配置構造8によれば、電解質58が完全に分離され、すなわち隣接したセル同士の電解質58が分離され、緻密なインターコネクタを燃料極57と接する側のセルの電解質58上面まで配置することにより、シール性を高めることができる。また、電解質58が、燃料極57における燃料流の下流側の側面及び絶縁体基板56の上面まで覆っていることにより、シール性を高めることができる。
〈インターコネクタの配置構造9〉
図29は本インターコネクタの配置構造9を示す図である。隣接するセル(図29では左右のセル)間にインターコネクタを配置する。図29のとおり、各セルを断面でみて、燃料極57の両側面のうち、燃料流の上流側の側面は電解質58で覆わず、燃料流の下流側の側面は電解質58で覆い、電解質58が絶縁体基板56の一部の上面まで覆うように構成する。そして、緻密なインターコネクタが、絶縁体基板56の一部上面の電解質58から、絶縁体基板56の上面に接して、次のセルの燃料極57の側面に続き、電解質58の下面(すなわち電解質58の下面と燃料極57の間)に接するように構成される。これにより隣接したセル同士の電解質58が分離される。本配置構造9によれば、電解質58がセル間で、すなわち隣接したセル同士の電解質58が完全に分離される。そして、上記のとおり、緻密なインターコネクタが、絶縁体基板56の一部上面の電解質58から、絶縁体基板56の上面に接して、次のセルの燃料極57の側面に続き、電解質58の下面(すなわち電解質58の下面と燃料極57の間)に接するようにすることにより、シール性を高めることができる。
〈インターコネクタの配置構造10〉
図30は本インターコネクタの配置構造10を示す図である。隣接するセル(図30では左右のセル)間に緻密なインターコネクタを配置する。図30のとおり、本配置構造10は、各セルを断面でみて、燃料極57の両側面のうち、燃料流の上流側の側面は電解質58で覆わず、燃料流の下流側の側面は電解質58で覆い、電解質58が絶縁体基板56の一部の上面まで覆うように構成する。そして、緻密なインターコネクタを、絶縁体基板56の一部上面の電解質58の上面から、絶縁体基板56の上面に接して、次のセルの燃料極57の側面に続き、電解質58の下面(すなわち電解質58の下面と燃料極57の間)に接するように構成される。本配置構造10によれば、電解質58がセル間で完全に分離され、すなわち隣接したセル同士の電解質58が完全に分離される。そして、上記のとおり、緻密なインターコネクタを、絶縁体基板56の一部上面の電解質58の上面から、絶縁体基板56の上面に接して、次のセルの燃料極57の側面に続き、電解質58の下面(すなわち電解質58の下面と燃料極57の間)に接するようにすることにより、シール性を高めることができる。
〈インターコネクタの配置構造11〉
図31は本インターコネクタの配置構造11を示す図である。図31のとおり、本配置構造11は、各セルを断面でみて、燃料極57の両側面のうち、燃料流の上流側の側面は電解質58で覆わず、燃料流の下流側の側面は電解質58で覆い、電解質58が絶縁体基板56の一部の上面まで覆うように構成する。そして、緻密なインターコネクタを、絶縁体基板56の一部上面の電解質58の上面から、絶縁体基板56の上面に接して、次のセルの燃料極57の側面に続き、電解質58の上面に接するように構成される。本配置構造11によれば、電解質58がセル間で完全に分離され、すなわち隣接したセル同士の電解質58が完全に分離される。そして、上記のとおり、緻密なインターコネクタを、絶縁体基板56の一部上面の電解質58の上面から、絶縁体基板56の上面に接して、次のセルの燃料極57の側面に続き、電解質58の上面に接するようにすることにより、シール性を高めることができる。
Claims (3)
- 内部に燃料の流通部を有し、且つ、少なくともセルに接する面が絶縁体である基板の表面に、順次、燃料極、電解質及び空気極からなる複数個のセルを形成するとともに、隣接するセル間をインターコネクタを介して電気的に直列に接続してなる固体酸化物形燃料電池モジュールであって、各セルの面積を燃料の流れ方向に異ならせてなり、前記各セルの面積を燃料の流れ方向に異ならせてなる構成が、同じ面積の複数個のセルをグループとし、そのセルグループの複数個をセルグループ毎のセルの面積を燃料の流れ方向に順次大きくしてなる構成であり、且つ、
前記隣接するセル間の空気極及び燃料極間を接続するインターコネクタの構成材料が、Agを主原料とする材料で構成され、当該インターコネクタをガラスで覆ってなることを特徴とする固体酸化物形燃料電池モジュール。 - 内部に燃料の流通部を有し、且つ、少なくともセルに接する面が絶縁体である基板の表面に、順次、燃料極、電解質及び空気極からなる複数個のセルを形成するとともに、隣接するセル間をインターコネクタを介して電気的に直列に接続してなる固体酸化物形燃料電池モジュールであって、各セルの面積を燃料の流れ方向に異ならせてなり、前記各セルの面積を燃料の流れ方向に異ならせてなる構成が、同じ面積の複数個のセルをグループとし、そのセルグループとセルグループでないセルとを交互またはアトランダムに、セルの面積を燃料の流れ方向に順次大きくしてなる構成であり、且つ、
前記隣接するセル間の空気極及び燃料極間を接続するインターコネクタの構成材料が、Agを主原料とする材料で構成され、当該インターコネクタをガラスで覆ってなることを特徴とする固体酸化物形燃料電池モジュール。 - 請求項1または2に記載の固体酸化物形燃料電池モジュールにおいて、
内部に燃料の流通部を有し、且つ、少なくともセルに接する面が絶縁体である基板が、第1列から第n列の複数列からなり、それぞれの列に、順次、燃料極、電解質及び空気極からなる複数個のセルを形成するとともに、隣接するセル間をインターコネクタを介して電気的に直列に接続してなることを特徴とする固体酸化物形燃料電池モジュール。
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