JPH02309565A - 固体電解質型燃料電池モジュール - Google Patents

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】 産業上の利用分野 この発明は、固体電解質を使用した燃料電池のうち、同
心状に設けられた内部集電子と外部集電子管との間の空
間に複数の燃料電池単体を配設したＩｆＩｉ造の固体電
解質型燃料電池モジュールに関するものである。

従来の技術 固体電解質型燃料電池の出力は直流で各燃料電池単体の
電圧は約１Ｖと低い。また実用上は交流に変換する場合
が多いことから、直流を交流に変換する際の変換効率の
上からも電池電圧が高いことが望ましい。そのため、複
数の燃料電池単体をなんらかの方法で直列に接続すると
ともに、高出力とするため並列にも接Ｒする必要があっ
た。

例えば第３図および第４図は、本出願人の既出願（特願
平１−１１４３３号）中に記載されている固体電解質型
燃料電池モジュールおよびそれに使用されている燃料電
池単体を示すもので、第３図に示す固体電解質型燃料電
池モジュール１は、相互間に空間を存して同心円筒状に
配設された導電性材料からなる内部集電子管２と外部集
電子管３との間に、６個の燃料電池単体４を収納したも
ので、第４図に示すように各燃料電池単体４は、円筒形
に形成された固体電解質５の内周に酸素電極６を、この
固体電解質５の外周に燃料電極７がそれぞれ形成された
３層構造となっており、この燃料電池単体４の最外層の
燃料電極７と中間層の固体電解質５とには、最内層の酸
素電極６に達する深さで軸線と平行なスリット８が形成
され、このスリット８内にはインターコネクタ９が、前
記酸素電極６と接触し、燃料電極７と非接触状態に設け
られている。

そして、このように構成される各燃料電池単体４は、そ
れぞれのインターコネクタ９の先端を、前記内部ＩＮ電
子管２の外周面に導電繊維フェルト１０を介して当接さ
せるとともに、各燃料電池単体４の最外層の燃料電極７
を、外部集電子ｖ！３の内周面に導電１１１ｉ維フエル
ト１１を介して当接させて、並列に接続されて固体電解
質型燃料電池モジュール１が形成されている。

そして、この固体電解質型燃料電池モジュール１には、
６本の各燃料電池単体４の酸素電極６の内側に酸素また
は空気が供給されるとともに、６本の燃料電池単体４の
各燃料電極７の外側で、かつ外部集電子管３の内側の空
間には、水素等の燃料ガスが供給され、固体電解質５を
介した酸化・還元反応が起きて電気が生じ、並列に接続
された各燃料電池単体４に生じた電気は、それぞれ導電
性を有する内部集電子管２と外部集電子管３どに集電さ
れる。

発明が解決しようとする課題 一般的に燃料電池は、固体電解質の一方の側を流通する
燃料ガスと、固体電解質５を挾んで反対側を流通する空
気とを隔絶する必要があるが、その点では、前述した従
来の固体電解質型態！４電池モジュールのように、円筒
形の燃料電池単体４を複数集合させた形式の燃料電池で
は、円筒形の各燃料電池単体４の固体電解￥ｉ５の内側
を流通する燃料ガスと、固体電解質５の外側を流通する
空気とを気密に隔てるシール性に優れるという利点を有
する反面、各燃料電池単体４がそれぞれ円筒形であるた
め、複数集合させて固体電解質型燃料電池モジュールを
構成した場合に、各燃料電池単体間に大きな空間が形成
されるという欠点があった。

また、従来においては、この固体電解質型ｆｉ材料池モ
ジュールの内部に形成される空間を、燃料ガスや空気の
流通路として利用する程度で、この空間が充分に活用さ
れていなかった。

また、前述した従来の固体電解質型燃料電池モジュール
の場合には、各燃料電池４の内部に空気あるいは燃料ガ
スを供給するのは容易であるが、外部集電子管３内の各
燃料電池４の周囲の空間に、燃料ガスあるいは空気を供
給するには、燃料ガスの供給管等を配管接続する必要が
あるが、この接続作業が繁雑で困難であった。

この発明は上記事情に堀みなされたもので、円筒形の燃
料電池単体を用いた固体電解質型燃料電池モジュールの
内部空間を有効に利用することを主たる目的とし、さら
には、その内部空間を利用することによって固体電解質
型埋ｎ電池モジュールの発電特性の向上を図り、また固
体電解質型燃料電池モジュールへの燃料ガス供給管や酸
素供給管の接続の簡易化を図った電解質型燃料電池モジ
ュールを提供することを目的としている。

ｗｊＩ題を解決するための手段 上記課題を解決するための手段としてこの発明は、空間
を存して同心状に設けられた内部！電子と外部集電子管
との間に、管状の固体電解質の内側にＩＳ！２素電極ま
たは燃料電極を、外側に燃料電極または酸素電極を設け
た燃料電池単体を複数個配設した固体電解質型燃料電池
モジュールにおいて、前記外部集電子管内の各燃料電池
単体間に形成される空間に、熱回収５Ａ置の吸熱部を配
設したことを特徴としている。

また、空間を存して同心状に設けられた内部集電子と外
部１１ｉ子管との間に、管状の固体電解質の内側に酸素
電極または燃料電極を、外側に燃料電極または酸素電極
を設けた燃料電池単体を複数個配設した固体電解質型燃
料電池モジュールにおいて、前記外部集電子管内の各燃
料電池単体間に形成される空間に、燃料ガスあるいは酸
素の供給管を配設したことを特徴としている。

作　　　用 請求項１記載の固体電解質型燃料電池モジュールは、同
心状に設けられた内部集電子と外部集電子管との間に配
設された複数の燃料電池単体の周囲に形成される空間に
、ヒートパイプ等の熱回収装置の吸熱部を配設すること
により、各燃料電池単体における酸化・還元反応の反応
熱が蓄積されて、理想状態の発電特性が得られる固体電
解質の温度以上に過熱された際に、固体電解質型燃料電
池モジュール内から熱を回収して外部に取り出し、モジ
ュール内の温度を適温まで下げることにより、従来の固
体電解質型燃料電池モジュールの場合に行っていた、過
熱を防ぐために燃料ガスや空気の供給量を増加して、排
出ガスによる冷却を行う必要がなくなり、燃料ガス等の
消費量が著しく低減される。

また、請求項２記載の固体電解質型燃料電池モジュール
は、同心状に設けられた内部集電子と外部集電子管との
間に配設された複数の燃料電池単体の周囲に形成される
空間に、燃料ガスあるいは空気の供給パイプを配設する
ことにより、１！雑であった固体電解質型燃料電池モジ
ュールの端部における燃料ガスあるいは空気の供給管の
配管接続が不要となる。

実施例 以下、この発明の固体電解質型燃料電池モジュールの実
施例を第１図および第２図に基づいて説明する。

第１図はこの発明の第１実施例の固体電解質型燃料電池
モジュール２１を示すもので、同心円筒状に設けられた
内部集電子１！２２と外部集電子管２３と、これら両者
間に配設され、並列に接続された６個の燃料電池単体２
４とから構成されている。

また、前記各燃料電池単体２４は支持管を用いない自己
支持構造となっており、イツトリア安定化ジルコニア（
ＹＳＺ）等を環状に形成した固体電解質２５と、この固
体電解質２５の内側に形成された酸素電極２６と、外側
に形成された燃料電４Ｎ！２７との３１憫造となってお
り、酸素電極２６は高い導電性とガス透過性を有する、
例えばペロプスカイト型ランタン系複合酸化物を素材と
する多孔質体であり、また燃料電極２７は、ニッケル等
の金属粉末を固めたもの、またはニッケルとジルコニア
とのサーメットなどの多孔質体で形成されている。そし
て、最外側の燃料電極２７とその内側の固体電解質２５
との両者には、長手方向にＭ続する１本のスリットが形
成され、このスリット内にはインターコネクタ２８が、
燃料電極２７と非接触状態で、かつ最内側の酸素電極２
６と接触した状態に設けられている。

また、上記のように形成された各燃料電池単体２４は、
それぞれのインターコネクタ２８の先端を、ニッケルフ
ェルト２９を介して前記内部集電子管２２の外周に電気
的に接続するとともに、それぞれの燃料電極２７上で、
各インク・−コネクタ２８と中心を挾んで対向する位置
を、ニッケルフェルト３０を介して前記外部集電子管２
３の内周面に接続して並列接続状態に配列されている。

さらに、内部集電子管２２と外部集電子管２３との間に
配設された各燃料電池単体２４の相互間に形成された６
箇所の空間には、各空間のそれぞれ外部集電子管２３に
近い側に、熱回収装置の吸熱部であるヒートバイブ３１
の蒸発部がそれぞれ燃料電池単体２４と平行に設けられ
ている。

そして、固体電解質型燃料電池モジュール２１を構成し
ている各燃料電池単体２４のＭ素電極２６の内側の中空
部内には酸素（０２）を含んだ空気が供給され、また外
部集電子管２３内の各燃料電池単体２４の外周に供給さ
れるようになっている。なお、各ヒートバイブ３１によ
り固体電解質型燃料電池モジュール２１内より回収され
た熱は、例えば外部集電子管２３の下流側から排出され
る反応ガスの熱とともに蒸気タービンサイクル等に送ら
れて利用される。

次に、上記のように構成されるこの実施例の作用を説明
する。

固体電解質型燃料電池モジュール２１は、各燃料電池単
体２４の酸素電極２６の内側の空間にそれぞれ酸素ある
いは空気が供給されるとともに、燃料電池単体２４の周
囲の前記熱回収装置のヒートパイプ３１が配設された各
空間内に燃料の水素ガスが供給され、各燃料電池単体２
４においては、それぞれの固体電解質２５を介して酸化
・還元反応が起きて電流が生じ、各インターコネクタ２
８からニッケルフェルト２９を介して集電される内部集
電子管２２が陽極となり、また外周の各燃料電極２７か
らニッケルフェルト３０を介してＩｌＨされる外部集電
子管２３が陰極となって、発生した電流を取出すことが
できる。

そして、反応熱によって固体電解質型燃料電池モジュー
ル２１内の各燃料電池単体２４が加熱されるとともに、
熱が蓄積されて酸化・還元反応を行う固体電解質２５の
適温範囲を超える温度まで上昇した場合には、熱回収装
置を作動させ、各ヒートパイプ３１の蒸発部が外部集電
子管２３内の雰囲気（燃料ガス）中から熱を吸収して固
体電解質型燃料電池モジュール２１の外へ輸送し、外部
集電子管２３内の雰囲気温度を低下さゼて、各燃料電池
単体２４を適温範囲に維持させる。

したがって、各燃料電池単体２４の過熱を防止できるの
で、発電特性を高水準に維持でき、発電能力の上限状態
で、長時間の連続運転も可能となり、また固体電解質型
燃料電池モジュール２１内の温度管理が容易となる。特
に、熱回収装置の吸熱部にヒ・−ドパイブ３１を使用し
ているため、熱回収装置により冷却する際の応答性に優
れており、短時間で所定の温度まで冷却することができ
る。

また、従来の固体電解質型燃料電池モジュールのように
、燃料ガスの供給車を増加することによって燃料電池単
体を冷却する場合に比べて、発電反応に携らないで排出
される燃料ガスの無駄な消費を著しく削減することがで
きる。

なお、熱回収装置で回収された熱は、例えばこの固体電
解質型燃料電池モジュール２１に供給する燃料ガス等を
予熱するために使用されたり、または外部集電子１１２
３の下流側から排出されてアフターバーナで燃焼させた
排ガスの熱とともに、蒸気タービンサイクル等に送られ
て利用される。

また第２図はこの発明の第２実施例を示すもので、この
固体電解質型燃料電池モジュール４１は、前記第１実施
例の固体電解質型燃料電池モジュール２１において、内
部集電子！！２２と外部集電子管２３との間に設けられ
た各燃料電池単体２４の周囲の空間内に配設された６本
のヒートパイプ３１のうち、１本おきに計３本のヒート
パイプ３１を排除し、ヒートパイプ３１を排除したそれ
ぞれの位置に代りに燃料ガス供給パイプ４２を設けたも
ので、以下、第１実施例と同一の構成部分には同一の符
号を付し、その部分の詳細な説明を省略して説明する。

固体電解質型燃料電池モジュール４１の内部集電子管２
２と外部集電子管２３との間には６個の燃料電池単体２
４が、それぞれのインターコネクタ２８先端を、ニッケ
ルフェルト２９を介して内部８に電子管２２の外周に、
それぞれの燃料電極２７上で、各インターコネクタ２８
と中心を挾んで対向する位置を、ニッケルフェルト３０
を介して前記外部集電子管２３の内周面に接続して並列
接続した状態に配列されている。

そして、外部集電子管２３内の各燃料電池単体２４の相
互間に形成された６箇所の空間には、熱回収８ｖ１の吸
熱部である３本のヒートパイプ３１と、３本の燃料ガス
供給管端末４２とが、それぞれ燃料電池単体２４と平行
するとともに、ヒートパイプ３１と供給管端末４２とが
１本おきに交互に並ぶように設けられている。

この固体電解質型燃料電池モジュール４１には、各燃料
電池単体２４の中空部内に空気が供給され、また外部集
電子管２３内の燃料電池単体２４の周囲の空間には、こ
の空間内に配設された前記供給管端末４２から燃料ガス
の水素が供給されるようになっている。したがって、供
給管端末４２の前記空間内に配設された区間に多数の孔
を形成してこれらの孔から燃料ガスを噴出させるか、ま
たは、前記外部集電子管２３を先端閉塞型とするととも
に、供給管端末４２の先端を外部集電子管２３内の先端
を閉塞している底部付近に配設して、この供給管端末４
１の先端から燃料ガスを噴出させるようにすれば、燃料
ガスの供給管と外部集電子管２３等とを気密に接続する
配管接続が不要となる。

また、熱回収装置のヒートパイプ３１は、各燃料電池単
体２４が過熱状態となった際に、固体電解質型燃料電池
モジュール４１内より熱を回収して燃料型１ｔｉＩｌ１
体２４の温度を低下させて適温範囲に戻し、発電特性を
高水準に維持させるようになっている。

次に、上記のように構成される第２実施例の作用を説明
する。

固体層ｗｌ質型・思料電池モジュール４１は、各燃料電
池単体２４の酸素電極２６の内側の空間にそれぞれ空気
が供給されるとともに、燃料電極２７の周囲の空間には
、ヒートパイプ３１と１本おきに配設された各供給管端
末４２から水素ガスが供給され、各燃料電池単体２４に
おいては、それぞれの固体電＠−質２５を介して酸化・
還元反応が起きて電流が生じ、各インターコネクタ２８
からニッケルフェルト２９を介して集電される内部ｊＪ
電子管２２がＩｌｌ極となり、また外周の各燃料電極２
７からニッケルフェルト３０を介して集電される外部集
電子管２３が陰極となって、発生した電流を取出すこと
ができる。また前述したように、特に供給管端末４２に
多数の孔を形成して、各燃料電池単体２４の長さ方向全
域に均等に燃料ガスを供給するか、または前記外部集電
子管２３を先端閉塞型として外部集電子管２３内の閉塞
された先端側に燃料ガスを噴出させて流れる方向を反転
させるとともに拡散させ、外部集電子管２３内全域にム
ラなく供給されるようにすれば、発電特性を向上させる
ことができる。

また、反応熱によりて固体電解質型燃料電池モジュール
４１内の各燃料電池単体２４が加熱８れるとともに、熱
が蓄積されて過熱状態となった場合には、熱回収装置を
作動させて各ヒートパイプ３１が外部集電子管２３内の
雰囲気（燃料ガス）中から熱を吸収して固体電解質型燃
料電池モジュール４１の外へ輸送し、外部集電子管２３
内の雰囲気温度を低下させて、各燃料電池単体２４を適
温範囲に維持させ、各燃料電池単体２４の発電特性を高
水準に維持でき、発電能力の上限状態で、長時間の連続
運転も可能となる。また固体電解質型燃料電池モジュー
ル４１内の温度管理が容易となり、特に、熱回収装置の
吸熱部にヒートパイプ３１を使用しているため、熱回収
装置により冷却する際の応答性に優れており、短時間で
所定の温度まで冷却することができる。さらに、従来の
固体電解質型燃料電池モジュールのように、燃料ガスの
供給量を増加することによって燃料電池単体を冷！ｉＪ
する場合に比べて、発電反応に携らないで排出される燃
料ガスの無駄な消費を著しく削減することができる。

なお、熱回収装置で回収された熱は、外部集電子管２３
の下流側から排出され、アフターバーナで燃焼させた排
ガスの熱とともに、例えば蒸気タービンサイクル等に送
られて利用される。

発明の詳細 な説明したようにこの発明は、空間を存して同心状に設
けられた内部集電子と外部集電子管との間に、管状の固
体電解質の内側に酸素電極または燃料電極を、外側に燃
料電極または酸素電極を設けた燃料電池単体を複数個配
設した固体電解質型燃料電池モジュールにおいて、曲記
外部果電子管内の各燃料電池単体間に形成される空間に
、熱回収装置の吸熱部を配設したので、固体電解質型燃
料電池モジュール内の空間の有効利用が図れるとともに
、各燃料電池単体の過熱を防止して発電特性を高水準に
維持することができ、また、熱回収装置で回収した余剰
熱エネルギを有効に利用することができる。

また、空間を存して同心円筒状に設けられた内部集電子
管と外部集電子管との間に、管状の固体電解質の内側に
酸素電極または燃料電極を、外側に燃料電極または酸素
電極を設けた燃料電池単体を複数個配設した固体電解質
型燃料電池モジュールにおいて、前記外部集電子管内の
各燃料電池単体間に形成される空間に、燃料ガスあるい
は酸素の供給管を配設したので、固体電解質型燃料電池
モジュール内の空間の有効利用が図れるとともに、外部
集電子管の端部と、燃料ガスまたは酸素の供給管とを気
密に接続する配管接続が不要となる等の効果を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図はそれぞれこの発明の実施例を示す
もので、第１図は第１実施例の固体電解質型燃料電池モ
ジュールの断面正面図、第２図は第２実施例の固体電解
質型燃料電池モジュールの断面正面図、第３・図および
第４図番よ従来例を示すもので、第３図は従来の固体電
解質型燃料電池モジュールの断面正面図、第４図は固体
電解質型燃料電池モジュールを構成している燃料電池単
体の斜視図である。 ２１．４１・・・固体電解質型燃料電池モジュール、２
２・・・内部集電子管、　２３・・・外部集電子管、２
４・・・燃料電池単体、　２５・・・固体電解質、２６
・・・酸素電極、　２７・・・燃料電極、　２８・・・
インターコネクタ、　２９．３０・・・ニッケルフェル
ト、　３１・・・ヒートパイプ、　４２・・・燃料ガス
供給管端末。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）空間を存して同心状に設けられた内部集電子と外
   部集電子管との間に、管状の固体電解質の内側に酸素電
   極または燃料電極を、外側に燃料電極または酸素電極を
   設けた燃料電池単体を複数個配設した固体電解質型燃料
   電池モジュールにおいて、前記外部集電子管内の各燃料
   電池単体間に形成される空間に、熱回収装置の吸熱部を
   配設したことを特徴とする固体電解質型燃料電池モジュ
   ール。
2. （２）空間を存して同心状に設けられた内部集電子と外
   部集電子管との間に、管状の固体電解質の内側に酸素電
   極または燃料電極を、外側に燃料電極または酸素電極を
   設けた燃料電池単体を複数個配設した固体電解質型燃料
   電池モジュールにおいて、前記外部集電子管内の各燃料
   電池単体間に形成される空間に、燃料ガスあるいは酸素
   の供給管を配設したことを特徴とする固体電解質型燃料
   電池モジュール。