JPH0159705B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の分野 本発明は燃料電池の構造、さらに詳しくは多数
の固体電解質燃料電池の電気的および構造的配列
に関する。

発明の背景 水素、一酸化炭素、メタンおよび酸化剤例えば
酸素または空気などの天然または合成燃料ガスを
使用する高温固体電解質燃料電池は既知である。
このような電池または電池集合体は、700℃以上
において電気化学的燃焼により燃料の化学エネル
ギーを直接に直流電気エネルギーに変換する。例
えば典型的な電池においては、水素燃料と空気中
の酸素とが反応して電気エネルギー、水の蒸気お
よび熱を生成する。

しかし各１個ずつの電池は１ボルト（Ｖ）程度
のむしろ低い開路電圧を生じる。従つてより高い
出力電圧を生じるために代表的には複数の電池を
直列に接続している。これらの接続には平板構造
または概して管状の構造のような種々の構造が知
られている。しかし、このような相互接続は解決
困難な問題を引き起こしている。たとえば、相互
接続電池は、側部の抵抗損の大きい酸化物空気電
極を用いているため、電流の方向に関しては個々
の電池の大きさが小さくなければならない。さら
に、多数の陶磁器や金属材料がしばしば一体に結
合されているが、これらは相互の間の熱膨張差の
問題及び材料適合性の問題がある。このような問
題点、特に抵抗損を最小にするために、従来酸化
物導電体と組み合わせた貴金属並びに非貴金属の
ような良導電体によつて相互接続された１〜２cm
程度の個々の小型の帯状電池が使用されている。
しかし、このような設計は材料の適合性の問題を
軽減せず、実際の大きさの集合された発電装置を
提供するためには多くの製造工程を必要とする。
さらに上記設計に要求される非常に多くの小さな
構成要素、構成層、相互接続および組立工程は、
長期間の信頼性に関する大きな問題を引き起こし
ている。

先行技術の記載 このような管型「帯状」構造の１例は米国特許
第3525646号に示され、この特許は多孔性支持管
の周囲に沿つて配置された非常に多くの小型の
個々の電池を開示している。個々の電池は小型で
あり、導電体によつて多孔性支持管に沿つて軸方
向の隣の電池に電気的に直列に接続している。実
際に使用できる出力電圧を得るためには非常に多
くの電池、構成層および導電性集電器が必要であ
る。種々の層をプラスマ溶射法または火炎溶射法
により支持管上に付着するのが好ましい。上述の
問題点に加えて、このような帯状型電池装置は、
そのうちの一つの電池またはそれらの相互接続全
直列接続電池群を使用できなくするような故障を
起しやすい。

他の燃料電池配列はドイツ特許公開公報第
2614728号に記述され、この特許公開公報では最
も少ない構成要素で高出力密度を得るためにホタ
テ貝殻状板状支持体を多数の平行管に形成してい
る。これらの平行管はその内側に沈着された半円
形の電極と共に支持本体の全長にわたる燃料電池
を形成している。これらの燃料電池は突合わせ接
続放射状突出部および付加構成要素を介して相互
接続される。この配列は帯状構造の欠陥と同様の
制限があり、内部に多数の手の届きにくい接続部
をもち、さらに平板を如何に一体構造に支持する
かに依存している。電池を直接接続することは困
難なために上記配列は好ましいように電池を電気
的に相互接続する能力を制限する。さらに、空気
酸化剤は空気電極に近付く前に比較的厚い支持体
平板を通つて拡散しなければならない。

前述の構造上の問題を軽減し、信頼性を向上さ
せる高温固体電解質燃料電池の構造を提供するこ
とが要望されている。

発明の目的 本発明は実質的に信頼性を向上させ、高い抵抗
損問題、熱膨張問題および他の材料の適合性の問
題点のような先行技術における多くの欠陥を軽減
した高温固体電解質燃料電池構造及び電池配置を
提供するものである。

発明の開示 更に詳しくは、本発明は多数の細長い環状電池
を備え、各電池は内側還状電極、外側環状電極及
びそれらの間に電解質を備え、外側（環状）電極
と電解質とは破断されて、そこに内側電極の選定
された区分に隣接した導電性相互接続部材を備
え、該相互接続部材は各電池の軸長方向の選定さ
れた長さにわたつて延び、第１電池と第２電池と
は互に隣接して設置されて、第１電池の内側環状
電極と第２電池の外側環状電極とが前記導電性相
互接続部材を通して直列に接続されてなる、高温
固体電解質電気化学的電池構造物に関する。

上記の好適な構造物においては、燃料電池配列
すなわち電池集合体は、種々の横断面形状をもつ
個々の長い環状電池の多数から成り、該個々の長
い環状電池は30cm程度またはそれ以上の長さをも
ち、且つ各燃料電池の軸長方向の全長にわたつて
延びる少なくとも１個の相互接続部材を通して電
気的に直列に接続される。各燃料電池は一体構造
をなす長い内側多孔性支持管を備えてる。前記支
持管の外周を囲んで簿い膜状多孔性電極、好まし
くは空気電極すなわち陰極が設けられる。この陰
極の周囲に固体電解質が設けられ、これは次いで
第２多孔性電極、好ましくは燃料電極すなわち陽
極によつて囲まれる。

好適な内側の陰極は完全な環状構造をもつが、
固体電解質及び外側の陽極は非連続構造をもち、
１つの電池の陰極と次の電池の陽極とを直列に接
続する相互接続部材用の空間を備える。相互接続
部材は一方の側面において内側の陰極の一般に軸
長方向の活性部分の長さに沿つて小さな半径方向
区分に接触または、隣接およびさもなければ電気
的に接続される。相互接続部材の反対の側面は好
ましくは多孔性電極型材料の接触区分と結合され
る。

このように、各細長い管状電池はその一般に全
長にわたる電気的接触区分表面が平行して設置さ
れた電池の外側表面と電気的に直列に容易に接続
できる。上記直列接続は、好ましくは２個の隣接
した環状電池の間に配置された細長い金属フエル
ト、金属片または金属化したはめ込み部材を通し
て達成される。

この配列は電気的接続が単に多数の小電流集電
導体を通して行われるだけでなく、管状電池の活
性な部分の長さにわたつて延びる細長い表面を介
して行われるので、高い信頼性をもつ構造を提供
するものである。こうして、接触表面の局部的故
障が生じても接触表面の大部分はなお作動してい
るので、局部的故障によつて電流の通過は妨げら
れない。加えて、通常環状表面への短い行程を通
つて電流が１つの電池から次の電池へ流れるの
で、抵抗損は小さい。そして、ここに開示した配
列はどのような個数の直列に接続電池に対しても
唯２個の主要な集電部材だけ、すなわち一連の電
池の各端部における１個ずつの細長い軸長方向の
集電部材だけを必要とするのにすぎない。

個々の細長い電池を使用する概念の他の利点
は、複数個の電池を例えば管状電池を立方体状に
密に充填することによつて電気的に直列一並列式
に電池を配列できることである。並列接続は隣接
した管の外側の周囲を通して達成される。この電
池相互接続法は所望の電流と電圧との組み合せを
得るために電池を多数相互接続することを可能と
する。

本発明の利点及び本質及び他の特長は以下の実
施例に基く記述から一層明瞭となろう。

発明の好適な実施例 第１図は本発明の好適な実施例による燃料電池
装置の概略等角投影図である。さて、第１図は燃
料電池配列１０を示し、以下に多数の細長い環状
燃料電池１２からなる電池集合体と呼ぶこととす
る。各燃料電池１２は好適には管状であり、隣接
する燃料電池１２と電気的に直列に接続されてい
る。管状以外の幾何学環状構造も同様に使用可能
である。上記の電気的接続は電池の軸長方向の選
定された長さ、好ましくは全電気化学的活性な長
さに沿つて行なわれる。各燃料電池１２は約１ボ
ルトの開路電圧を発生し、所望の装置電圧を得る
ためには何百もの燃料電池１２を直列に接続する
ことができる。電池集合体のエネルギーは集電用
母線１８および２０にそれぞれ電気的に接続した
導線１４および１６を介して取り出される。２本
の母線１８および２０は好ましくは電池集合体の
端部にあるそれぞれの電池１２の活性な全長にわ
たつて延び且つ該活性な全長と接触する。

第２図は各環状燃料電池１２の好適な構造を示
す。この好適な構造は水素または一酸化炭素のよ
うな気体燃料を燃料電池の外側上に矢印２４が示
す軸方向に導き、空気のような酸化剤を矢印２２
が示す方向に該電池の内側に流す電池系に基づ
く。反応剤の燃料と酸化剤との位置は、電池周囲
に空気を流し、電池内に燃料を流すように変える
ことができる。しかしそのためには電池の電極の
配置を逆にすることが必要であり、これを以下に
逆配置電池構造と呼ぶこととする。

好適な構造において、各燃料電池１２は電池と
一体構造体をなす多孔性支持管２６を備える。例
示した燃料電池１２においては支持管は約１mmの
厚さの多孔性壁を形成するカルシア（酸化カルシ
ウム）で安定化した二酸化ジルコニウム（ジルコ
ニア）から成る。支持管２６の外側周囲には簿膜
多孔性空気電極すなわち陰極２８がある。例示し
た系の陰極２８は周知の技法により支持管上に沈
着させてなる約50―500μｍの厚さの複合酸化物
構造である。陰極は例えばLaMnO₃，CaMnO₃，
LaNiO₃，LaCoO₃，LaCrO₃のような灰チタン石
族のドープされたまたはドープされてない酸化物
またはドープされてない酸化物の混合物、ドープ
された酸化インジウム（In₂O₃）、及び一般にコバ
ルト、ニツケル、銅、鉄、クロム及びマンガンの
酸化物と混合した希土類金属酸からなる他の導電
性混合酸化物及びそれらの混合物からなる。

例示の電池では一般に陰極２８の外側の周囲に
は約20〜50μｍの厚さのイツトリア（酸化イツト
リウム）で安定化したジルコニアからなるガス密
な固体電解質３０の層がある。電解質３０もまた
周知の技術により陰極上に沈着（析出）される。
しかし、陰極２８の選定された半径部分３２は、
たとえば、組立て中はマスクされ、相互接続部材
３４が該部分３２上に沈着される。

好適には細長い各燃料電池１２の活性な長さに
全体に延びる相互接続部材３４は酸化剤及び燃料
雰囲気の両方に導電性でなければならない。従つ
て、例示の燃料電池は約20〜50μｍの電解質とほ
ぼ同じ厚さをもつガス密な相互接続部材３４を備
える。好適な相互接続部材は酸化物（Ca，Sr，
Mg）でドープした亜クロム酸ランタン膜からな
る。

固体電解質３０を実質的に包囲して第２の多孔
性電極、例えばニツケル―ジルコニア・サーメツ
ト陽極３６が備えられる。図に示すように陽極３
６もまた不連続な部分を含み、相互接続部材３４
及び陰極２８の両方と陽極３６との直接的電気接
続を避けるのに充分な距離だけ相互接続部材から
離れて保たれる。例示の陽極は約50μｍの厚さで
ある。

好ましくは相互接続部材３４の上部に弓形部材
３８が設置され、これは好適には陽極３６と同じ
材料、すなわちニツケルまたはコバルト・ジルコ
ニア・サーメツトから成り、同様な厚さ50μｍを
もつ。

第３図は連続した燃料電池１２間の直列接続を
示す。電気的な相互接続は好適には、たとえばニ
ツケル繊維からなる金属フエルト部材４０を用い
て強められる。該金属フエルトは環状燃料電池１
２間の軸方向に延び、運転中に焼結結合を生じる
圧着によつて各電池に結合している。燃料を電池
の内側に流す逆配置電池構造では前記フエルト部
材は例えばドープされたIn₂O₃またはその他の導
電性酸化物繊維から成る。

運転中、空気は環状燃料電池１２の中心を流
れ、燃料は外部表面を流れる。空気からの酸素は
多孔性支持管２６及び陰極２８を通つて拡散し、
気体燃料は陽極３６を通つて拡散する。これらの
反応剤は電解質を介して電気化学的に反応し、水
の蒸気、二酸化炭素、熱および電気エネルギーを
生ずる。高温度の水の蒸気および二酸化炭素はた
とえば未燃焼燃料により電池から取り除かれ、電
気出力は１つの電池の内側の陰極２８から直列に
次の電池の外側の陽極３６へと伝達される。電気
出力は導線１４及び１６により有効に取り出され
る。

燃料電池構造の改変形は第４図に示されるよう
な細長い各個の燃料電池の円周部分を分割した構
造である。この分割した構造は電極が同時に露出
することによつて電極表面上の反応物を同時に過
剰および欠乏させやすい電極中の循環電流を軽減
する。分割構造はおのおのの電極範囲を概して同
濃度の濃度をもつ反応物に露出する。電極を分割
しないと電池の一端は概して新しい反応物にさら
され、電池の他端は反応物が消耗する。第４図に
よると、分割部分４４は、両反応物が矢印５０の
方向に流れた場合分割部分４６および４８より高
濃度の反応物にさらされる。電極の分割は、たと
えば電池製造に際して多孔性支持管２６の選定さ
れた一部分６０をマスクする、および分割部分４
４，４６，４８を絶縁し他方多孔性部分を目張り
するために、選択した部分について電気的な絶縁
膜を１枚沈積することにより成される。

有利な燃料電池系の構造が、延長した表面が隣
接した還状燃料電池間で接触することにより提供
されたものが第５図である。燃料電池１２はここ
では電気的に並列接続するように位置している。
前記した目的のために、配置は電池の横列５２お
よび縦列５４を含む。横列の電池５２′，５２″，
５２は外側環電極および金属フエルト４０′を
介して電気的に並列に相互接続される。あるい
は、該金属フエルトは除去され、燃料電池はその
軸方向の長さに沿つて互いに隣接するように配置
される。しかし電極間の接触面積を大きくするお
よび外側環電極に電気的構造的損害を与えないた
めに、好適には金属フエルトが使用される。電池
の縦列５４に沿つた一連の燃料電池１２は第３図
に示されるように１つの電池の内側環電極から次
の電池の外側環電極に電気的に直列接続してい
る。このように、電池の横列の各電池は実質的に
同じ電圧をもち、典型的には縦列に沿つた電池一
電池間では約1V変化するように、電圧は縦列の
電池間で段階的に変化する。このように、延長し
た電池を適宜相互接続することによつて望ましい
電圧および出力電流を得ることができる。さらに
方形配列で示される配列以外の構造も同様に可能
である。

直列一並列相互接続によつて得られる電力は単
に２つの集電板５６に集められる。すなわち、一
方は電池の横列５２の各電池に電池集合体の先端
で電気的に接続し、他方は電池の該横列に電池集
合体の他端で電気的に接続している。

開示した装置はその思想および範囲を逸出しな
ければ多数の変形が考えられるので、材料は前述
の内容および、限定する意味ではなく例示として
説明した図も包合している。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の好適な実施例による燃料電池
装置の概略等角投影図、第２図は１個の管状燃料
電池の等角投影断面図、第３図は２個の隣接する
電池及びそれらの間を相互接続する部材の断面
図、第４図は本発明の他の実施態様の概略等角投
影図、第５図は電池の直列一並列構造の概略断面
図である。図中： １０・・燃料電池配列、１２：燃料電池、１
４，１６：導線、１８，２０：母線、２６：支持
管、２８：陰極、３０：電解質、３２：半径部、
３４：相互接続部材、３６：陽極、３８：弓形部
材、４０：金属フエルト。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 多数の細長い環状電池を備え、各電池は内側
   環状電極、外側環状電極及びそれらの間に電解質
   を備え、外側環状電極と電解質とは破断されて、
   そこに内側電極の選定された区分に隣接した導電
   性相互接続部材を備え、該相互接続部材は各電池
   の軸長方向の選定された長さにわたつて延び、第
   １電池と第２電池とは互に隣接して設置されて、
   第１電池の内側環状電極と第２電池の外側環状電
   極とが前記導電性相互接続部材を通して直列に接
   続されてなる高温固体電解質電気化学的電池の構
   造物。 ２ 直列に接続した電池の第１電池の軸長方向の
   選定された長さに沿つて第１電池と電気的に接続
   する電気集電器及び直列に接続した最後の電池の
   軸長方向の選定された長さに沿つて該最後の電池
   と電気的に接続するもう一つの電気集電器を備え
   る特許請求の範囲第１項記載の電気化学的電池の
   構造物。 ３ 導電性挿入物が第１電池および第２電池の間
   に挿入され、金属フエルトからなる特許請求の範
   囲第１項記載の電気化学的電池の構造物。 ４ 各環状電池が、互いに電気的に接続されてい
   ない多数の弓形部材を備える特許請求の範囲第１
   項記載の電気化学的電池の構造物。 ５ 第１電池および第３電池が、該第１電池の外
   側環電極から互いに電気的に並列接続して成る特
   許請求の範囲第１項、第２項、第３項または第４
   項記載の電気化学的電池の構造物。 ６ 第１および第３電池と電気的に接続する集電
   板を備える特許請求の範囲第５項記載の電気化学
   的電池の構造物。 ７ 隣接する燃料電池が横列および縦列に配置さ
   れ、各横列の燃料電池が互いに並列に接続されて
   同一電圧で運転され、各縦列の燃料電池が縦列に
   沿つて直列に接続されて縦列に沿つて横列から横
   列へと電圧が変化する、特許請求の範囲第５項ま
   たは第６項記載の電気化学的電池の構造物。 ８ 燃料電池の横列が第１列および最終列を含
   み、さらに該第１列の各燃料電池に電気的に接続
   した第１集電板、および該最終列の各燃料電池に
   電気的に接続した第２集電板を備える特許請求の
   範囲第７項記載の電気化学的電池の構造物。