JPH01169878A - 高温固体電解質燃料電池発電装置 - Google Patents

高温固体電解質燃料電池発電装置

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JPH01169878A
JPH01169878A JP63252879A JP25287988A JPH01169878A JP H01169878 A JPH01169878 A JP H01169878A JP 63252879 A JP63252879 A JP 63252879A JP 25287988 A JP25287988 A JP 25287988A JP H01169878 A JPH01169878 A JP H01169878A
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、高温固体電解質電気化学的電池結合構造及び
複数のかかる電池結合構造を弾性的に連結した装置に関
する。
高温固体酸化物電解質燃料電池及び燃料電池発電装置は
当該技術分野で周知であり、アイセンバーク（Ｉｓｅｎ
ｂｅｒｇ）の米国特許第４，３９５，４６８号明細書に
開示されている。かかる燃料電池装置は、細長い、はぼ
管状の、それぞれ別個に支持された環状セルが複数個直
列及び並列に接続されたものである。各電池はその軸方
向長さ全体に亘って延びる細い電池接続手段により一つ
の列の隣接する電池へ電子伝導関係に直列接続されてい
る。このような接続を行なうと、一つの電池の空気電極
が伝導性セラミック相互接続材料及び金属繊維フェルト
ストリップを介して隣接する電池の燃料電極と接触する
。例えば、ニッケル繊維で作られた単一のフェルトスト
リップが接触点で融着され電池間を軸方向に延びる。好
ましい実施例では電池の内部を空気が流れるとともに燃
料ガスが外側を流れるアッカーマン等（Ａｃｋｅｒｍａ
ｎ　ｅｔ　ａｌ）の米国特許第４．４７６．１９８号明
細書では、一体的に配列の固体酸化物電解質燃料電池要
素が開示されている。この特許では、周りを電極及び固
体電解質で囲まれた三角形の空気及び燃料通路が一体的
に融着されて剛性セラミックマトリックスを構成する。
複数のプレートを積重ね、それらの間にセラミックの相
互接続材料を配して、全体が単一の剛性構造を形成する
よう融着される。融着されたこの三角形要素よりなる構
造体は、非常にコンパクトで体積に対する表面積の割合
が高く、不活性物質を含まず、別個の支持構造を必要と
しないという点において有利な特徴を持つが、もろく、
製造及び動作時熱勾配或いは要素の収縮に対する余裕が
ほとんどないという点で問題がある。また、製造時或い
は動作時の劣化により故障が局部的に発生すると一体的
構造全体を取替える必要がある。アッカーマン等の発電
装置の構成は、アイセンバーク（Ｉｓｅｎｂａｒｇ）と
同様、酸化剤予熱部と燃料入口部の間に燃料電池より成
る発電部を備える。
上述の構成はいづれも、大型の電池で高い電力密度を実
現する平板状で修理可能な設計を有し、始動時及び動作
時の熱勾配及び熱応力に影すされない燃料電池弾性配列
構造を提供するものでない従って、本発明の主要目的は
可撓性、電子伝導性、非セラミックの金属繊維集電材料
を大面積にわたって用い、電池を多数組み合わせて構成
した発電装置の動作時熱応力を消散させる平板状固体酸
化物電解質電気化学的電池構造を提供することにある。
上述の目的に鑑みて、本発明は、頂面及び複数のガス供
給チェンバを備えた扁平で幅広の多孔性内部電極と、内
部電極の頂面の主要部分を除き該内部電極に接触する固
体電解質と、固体電解質に接触する外側電極と、内部電
極に接触し電解質に覆われていない内部電極頂面の主要
部分をカバーする電子伝導性相互接続材料と、相互接続
材料の主要部分と接触して内部電極と電子伝導接続し、
電子伝導性、可撓性及び多孔性を有する少なくとも一つ
の細長い金属繊維ストリップ材料とよりなることを特徴
とする扁平で細長い高温固体電解質電気化学的電池結合
構造を提供する。
更に詳細には、本発明の電池結合構造は、頂面及び軸線
方向に平行に横断面を貫通する複数のガス供給チェンバ
を備えた空気電極と、空気電極の頂面の主要部分を除い
て該電極を覆う電解質と、空気電極の頂面の主要部分を
覆う非多孔性のセラミック相互接続材料と、電解質の主
要部分と接触する燃料電極とより成り、各電池結合構造
は相互接続材料を介して空気電極と電子伝導接続される
少なくとも一つの軸方向に延びた電子伝導性、可撓性、
多孔性、金属繊維フェルト製菓電材料を存することを特
徴とする。
本発明はまた、かかる電気化学的電池結合構造を複数個
それぞれ隣接配置し、金属繊維フェルトを介してこれら
を直列接続して電気化学的電池集合体を構成する技術に
関する。この集合体をハウジング内に配置して第１のガ
ス状反応剤を空気電極へ供給し該電極と接触させるとと
もに、第２のガス状反応剤を燃料電極へ供給して該電極
と接触させる。この集合体では中央の電気化学的電池の
燃料電極はその下の電池の空気電極と直列電子伝導接触
関係にある。またその電気化学的電池の空気電極はその
上の電池の燃料電極と直列に電子伝導接続されている。
空気電極は好ましくは自己支持性であり、電子伝導性、
非多孔性のセラミック相互接続材料を介して可撓性及び
、多孔性の金属繊維フェルトと電子伝導接続されている
。電池は扁平な構成で、内部ガス通路の形状としては円
形、正方形、三角形成いは他の幾何学形状が考えられる
。この構造の電池では、電池の幅にほぼ等しい大面積頂
面をそれらの軸方向長さ全体に沿って高度に可撓性の金
属繊維フェルトにより相互接続することが可能となり、
燃料電池発電装置の動作時応力が除去されるとともに電
池積重ね構造全体が非剛性的で損傷を受けにくくなる。
電池を全体として扁平にしたため、電流通路の長さが短
くなるとともに空気電極の壁が薄くなり、このためガス
拡散抵抗及び電気抵抗が低下する。幅広の互接続用金属
繊維フェルトを用いるため、熱及び機械的ショックによ
る損傷の慣れのない経済的で大型の燃料電池層を形成す
ることができる。多孔性金属繊維フェルト製のストリッ
プは緩衝剤としてだけでなく電子伝導及び集電手段とし
て働く。
以下、添付図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明
する。
第１図は、断面形状が全体として扁平な電気化学的電池
結合構造１を示す。この扁平な電池は軸方向に長く延び
て、多孔性で好ましくは自己支持性の空気電極２を有し
、この空気電極にはその軸線に平行に横断面を貫通する
複数のガス供給チェンバ３が形成されている。空気電極
の頂面ばこの実施例では平坦なものとして示されている
。ガス供給チェンバはオプションとしてガス供給管４を
内部に具するが、この場合ガス供給チェンバ３の一端は
閉じられている。ガス供給管からガス供給チェンバ３の
閉じた端部へ流れ出たガスは、電池の長さ方向に沿って
流れガス供給チェンバの開放端で排出される。好ましく
は、空気電極の横断面の厚さと参照番号７で示した非多
孔性相互接続材料６の横断面の幅との比率は約１対４〜
１対５０である。空気電極は、ＬａＭｎ０３，ＣａＭｎ
０３、ＬａＮｉ０３及びＬａＣｒ０３を含む化学的に変
成された酸化物或いは酸化物の混合物より形成出来る好
ましい材料はストロンチュームをドープしたＬａＭｎ０
３である。
厚さが約２０マイクロメータ乃至約１００マイクロメー
タで、典型的にはカルシウム、ストロンチューム或いは
マグネシウムをドープしたランタンクロマイトで形成し
た相互接続部材６は、空気電極の頂面を画定する空気電
極頂部に沿う幅広の主要部分７を連続的に覆い、空気電
極の軸方向に沿って延びる。非多孔性のセラミックであ
る相互接続材料６の幅を空気電極の幅と同程度にするこ
とが出来、燃料電極の不連続部分を構成する。相互接続
材料がこの空気電極頂面を覆う程度は、空気電極の横断
面の幅の約６０％乃至約１００％、好ましくは約７５％
乃至９５％である。相互接続材料６は電気伝導性である
とともに酸素及び燃料雰囲気中において化学的に安定で
ある必要がある多孔性空気電極の表面の残りの部分は、
典型的にはイツトリアで安定化したジルコニアより成る
気密で非多孔性の固体電解質５（厚さ約２０マイクロメ
ータ乃至１００マイクロメータ）で覆われ、この電解質
は第１図で示すように相互接続材料＼　　６の端面をも
覆ってガス封止能力を高めている。
多孔性の燃料電極であるアノード８は電解質と接触して
そのほとんど全部分を覆う。典型的なアノードの厚さは
約３０マイクロメータ乃至３００マイクロメータである
。アノードと同じ組成の材料（図示せず）を相互接続材
料６上に付着させてもよい。この材料は典型的にはニッ
ケル・ジルコニア或い°はコバルト・ジルコニア・サー
メットでありその厚さはアノードと同じである。
第２図は第１図の電池結合構造の変形例であり、この例
では頂部及び底面はフラットでない。これらの表面は図
示のごとく腕曲しているが、他の形状でもよい。かかる
腕曲した表面の装置は、特に図示のようにガス供給チェ
ンバの各々について金属繊維マットを用いる場合燃料ガ
スを燃料電極へ容易にアクセスさせることが出来る。第
２図はまた、第１図の場合よりも相互接続材料６が空気
電極横断面幅の大きい部分を覆っている例を示すこの装
置の動作について説明すると、従来技術の例と同じよう
に水素或いは一酸化炭素のような燃料ガスが燃料電極へ
、また酸素を含んだ気体が空気電極へ供給される。酸素
源は電極−電解質の界面において酸素イオンを形成し、
このイオンは電解質の材料中をアノードの方へ穆勤する
。一方電子はカソードにより供給され、このため外部の
負荷回路に電流が流れる。多数の燃料電池結合構造を直
列接続するには、一つの電池の非多孔性相互接続材料６
ともう一つの電池のアノードとを、相互接続材料６の主
要部分を覆うものとして図示した軸方向に延びる、電子
伝導性、可撓性、多孔性の金属繊維接続用フェルト９を
介して接触させる金属繊維フェルトのストリップ９は高
温で安定である。“高温で安定”とは、繊維ストリップ
が１０００″Ｃ乃至１２００°Ｃのプロセス温度よりも
高い融点を有する繊維或いは他の物質を含むことを意味
する。これらのストリップは通常、燃料電池と接触する
二つの側面を有し、これらの側面に保護被膜を施しては
ならない。ストリップ９の多孔度は８０％乃至９７％（
理論密度３％乃至２０％）、好ましくは９０％乃至９７
％である。
フェルトは電子伝導性で、燃料電池発電装置の動作時弾
性を比較的保持して振動に対する緩衝手段として作用す
るだけでなく、動作時及び熱サイクル時燃料電池のセラ
ミック部分間の応力を除去するとともにそれらの間にお
いて小さい変位を許容する必要がある。可撓性で多孔性
の金属繊維フェルト接続手段はニッケルより成る融着繊
維であり、ニッケル及びコバルトの繊維、好ましくはニ
ッケル繊維より成る群から選択した被覆金属繊維及び被
覆されていない金属繊維より成る群から選択される。
これら勾金属繊維の長さは約０．３８ｃｍ乃至１．２７
ｃｍであり、直径は約０．００１３ｃｍ乃至０．０２５
ｃｍである。ニッケル或いはコバルトｔａ維は周知の技
術で製造可能である。電池の間で圧縮された後の金属繊
維フェルトのストリップの最終的な厚みは約０．１６ｃ
ｍである。方向がランダムになるように繊維を混合する
と繊維間の接触が良好となり、好ましい。フェルトは好
ましくは全てのニッケル繊維を含む。繊維を集めたもの
を軽く圧縮して繊維相互の接触性を増し、その後好まし
くは水素、アルゴンガスのような不活性雰囲気中におい
て拡散結合させることも可能である。拡散結合した繊維
の固まりは、容易に取扱うことができると共に必要な強
度及び構造的一体性を持つ。
第３図は隣接する燃料電池結合構造を直列に電気接続し
た本発明の構成を示す。図示の如く垂直方向に並べた燃
料電池１は、一つの電池の内部空気電極を多孔性の金属
繊維フェルト９を介して隣接電池の外側燃料電極と接続
することにより電気的に直列に接続されている。その燃
料電池の配列に沿って電圧が漸増する。第３図では、空
気は内部ガス供給チェンバ３を介して供給されるが、燃
料ガスは各電池の外側であって燃料電池相互間に供給さ
れ燃料電極８と接触する。金属繊維フェルトの多孔度は
８０乃至９７％であるため、第１及び２図で示した幅広
の相互接続材料７の主要部分、即ち約２０％乃至１００
％を覆っていても、燃料はフェルトを浸透して燃料電極
と接触できる。
第１図を見ると、フェルトが相互接続材料の実質的な部
分を覆っている。
燃料電池結合構造の長さ方向における温度の均等化及び
電池が発生する電位の均等化を得るために、ガス供給チ
ェンバ３内の空気の流れの方向を各電池結合構造内の供
給チェンバにおいて交互に反対になるようにするか、或
いは一つの電池結合構造では同一方向であり電池結合構
造ごとに交互に方向を逆にすることができる。また、ガ
ス供給チェンバを流れる空気の流れ方向を直交させるた
めに電池結合構造の層を交互に９０°向きを変えてもよ
い。電池を積重ねたものを断熱パッケージ内に収納し、
それにガス供給及び排出用のダクトと電力を取り出すた
めのリード線を設ける。
第４図は本発明の電気化学的電池集合体のもう一つの変
形例である。本例において、空気及び燃料ガスはをれぞ
れ一つ置きのガス供給チェンバを介して供給できる。例
えば、燃料ガスは複数の電池結合構造の間に形成したも
う一つのガス供給チェンバ３０を介して、また空気は燃
料電池集合体により形成した内部ガス供給チェンバ３１
を介して供給できる。この例において、空気は高密度の
電解質５と非多孔性の相互接続材料６の間に閉じ込めら
れる。多孔質で可撓性を有する金属繊維フェルト９は燃
料ガスと接触する。燃料ガスは高密度の電解質５及び非
多孔性の相互接続材料６により実質的に隔離されている
。本発明に用いる、軸方向に延びた、可撓性で、多孔質
、圧縮可能及び伸張可能な金属繊維フェルトのストリッ
プ９より成る幅広の層は、電池のセラミック部分間の熱
的及び機械的な応力を除去するのに重要な役割を果たし
、また緩衝手段として働き非一体的構造を提供する。
【図面の簡単な説明】
第１図は扁平な非多孔性、電子伝導性の相互接続材料と
、それに固着した可撓性、多孔質の金属繊維フェルトを
示す、平板型電気化学的電池結合構造の断面図である。 第２図は第１図の電池結合構造の変形例であり、頂面が
複数の腕曲した面より成る例を示す。 第３図は三つの平板型電気化学的電池結合構造の断面図
であり、各電池の幅の主要部分に沿って電池相互が可撓
性材料により弾性的に直列接続されている例を示す。 第４図は平板型電気化学的電池結合構造のもう一つの例
の断面図であり、各電池の幅全体に沿って設けた可撓性
、多孔質の直列接続材料を示す。 （以　　下　　余　　白） １は電気化学的電池結合構造、２は空気電極、３はガス
供給チェンバ、４はガス供給管、５は電解質、６は相互
接続材料、８は燃料電極、９は金属繊維フェルトのスト
リップである。 出願人：　　ウエスチンクへウス・エレクトリック・コ
ーポレーション化　理　人：加　藤　紘　一部（ばか１
名）ＦＩＧ、　　３ ＦＩＧ、４

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. （１）頂面及び複数のガス供給チェンバを備えた扁平で
    幅広の多孔性内部電極と、内部電極の頂面の主要部分を
    除き該内部電極に接触する固体電解質と、固体電解質に
    接触する外側電極と、内部電極に接触し電解質に覆われ
    ていない内部電極頂面の主要部分をカバーする電子伝導
    性相互接続材料と、相互接続材料の主要部分と接触して
    内部電極と電子伝導接続し、電子伝導性、可撓性及び多
    孔性を有する少なくとも一つの細長い金属繊維ストリッ
    プ材料とよりなることを特徴とする扁平で細長い高温固
    体電解質電気化学的電池結合構造。
  2. （２）可撓性の金属繊維ストリップ材料はニッケル繊維
    及びコバルト繊維よりなる群から選択される繊維により
    構成されることを特徴とする請求項第（１）項に記載し
    た高温電池結合構造。
  3. （３）電池結合構造は燃料電池であり、内部電極は空気
    電極、外側電極は燃料電極であり、可撓性金属繊維スト
    リップ材料の多孔度は８０％乃至９７％、相互接続材料
    がカバーする範囲は空気電極横断面の幅の６０％乃至１
    ００％であることを特徴とする請求項（１）項に記載し
    た高温電池結合構造。
  4. （４）電解質はイットリアで安定化したジルコニア、空
    気電極はＬａＭｎ０＿３であり、燃料電極はニッケル・
    ジルコニア・サーメット及びコバルト・ジルコニア・サ
    ーメットよりなる群から選択されることを特徴とする請
    求項第（１）項に記載した高温電池結合構造。
  5. （５）内部電極は空気電極、外側電極は燃料電極であり
    、一つの電池結合構造上の相互接続材料はそれに隣接す
    る電池結合構造の燃料電極へ電子伝導関係に接続され、
    燃料は燃料電極に接触するように、また酸化剤は空気電
    極に接触するように供給され、可撓性金属繊維ストリッ
    プ材料は隣接する電池結合構造の間で緩衝手段として作
    用することを特徴とする、請求項第（１）項に記載した
    電池結合構造を複数個積重ねた構造体。
  6. （６）空気電極は平坦な頂面及び底面を有し、空気がガ
    ス供給チェンバへ供給され、燃料ガスが燃料電極と接触
    するように電池の外側を流れるように供給されることを
    特徴とする請求項第（５）項に記載した電池結合構造体
    。
  7. （７）複数の電池結合構造の間に別のガス供給チェンバ
    が形成され、空気電極と接触するガス供給チェンバへ空
    気が供給され、燃料電極と接触する別のガス供給チェン
    バへ燃料ガスが供給され、金属繊維ストリップ材料が隣
    接する電池の相互接続材料と燃料電極との間で連続する
    衝撃吸収体として作用することを特徴とする請求項第（
    ５）項に記載した電池結合構造体。
JP63252879A 1987-12-10 1988-10-06 高温固体電解質燃料電池発電装置 Expired - Lifetime JP2947557B2 (ja)

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JPH01169878A true JPH01169878A (ja) 1989-07-05
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EP (1) EP0320087B1 (ja)
JP (1) JP2947557B2 (ja)
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DE (1) DE3874498T2 (ja)
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