JPH03102779A - 燃料電池発電装置 - 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） 本発明はイオン導電性を有する固体電解質を用いた燃料
電池発電装置に関するものである。

（従来の技術） 最近、燃料電池が発電装置として注目されている。これ
は、燃料が有する化学エネルギーを直接電気エネルギー
に変換できる装置で、カルノーサイクルの制約を受けな
いため、本質的に高いエネルギー変換効率を有し、燃料
の多様化が可能で（ナフサ．天然ガス，メタノール，石
炭改質ガス．重油等）、低公害で、しかも発電効率が設
備規模によって影響されず、極めて有望な技術である。

特に、固体電解質型燃料電池（以下、ＳＯＦＣと記す）
は、１０００゜Ｃの高温で作動するため電極反応が極め
て活発で、高価な白金などの貴金属触媒を全く必要とせ
ず、分極が小さく、出力電圧も比較的高いため、エネル
ギー変換効率が他の燃料電池にくらべ著しく高い。更に
、構造材は全て固体から構威されるため、安全且つ長寿
命である。

ＳＯＦＣ素子の構威要素は、一般的に空気電極、固体電
解質、燃料電極から構威される。

平板型ＳＯＦＣ素子は、単位体積当りの電池有効面積が
大きく、有望である。こうした平板型ＳＯＦＣ素子を多
数平行に配列し、各単位素子同士をリジッドにシールし
て発電室を形成し、発電室の一方の側から酸化ガス、お
よび燃料ガスをそれぞれ送り込み、他方の側から燃焼排
ガスを排出するものが知られている。

（発明が解決しようとする課題） しかし、気密な発電室の形成には単位発電素子同士を互
いに密封拘束することが必要であり、このために単位素
子の縁辺部に応力が発生する。又作動時の高温による熱
応力はこの拘束により拡大される．また酸化ガス、およ
び燃料ガスの供給入口付近では電極反応が活発であるの
に対し、排出部付近では電極反応が不活発で温度が低く
、発電室には大きな温度勾配が発生しこれによっても大
きな熱応力が発生する。これらの応力は脆弱な燃料電池
素子に亀裂を発生させ易く、このため発電効率が低下し
、電池集合体の破壊が進む。

本発明の課題は、単位素子に発生する応力を小さくする
こと、及び発電室内の温度勾配が小さく、発電効率が均
一な燃料電池発電装置を提供することである。

（課題を解決するための手段） 本発明は、イオン導電性を有する板状固体電解質隔壁と
この板状固体電解質隔壁の一方の側に設けられた空気電
極と前記板状固体電解質隔壁の他方の側に設けられた燃
料電極とを少な《とも有する板状燃料電池素子を、隣接
する前記板状燃料電池素子の前記空気電極と前記燃料電
極とを互いに離隔させつつ対向させた状態で複数個配列
してなる板状燃料電池素子配列体と； 隣接する前記板状燃料電池素子の互いに対向する前記空
気電極と前記燃料電極との間に形成された空間を、前記
空気電極に面する第一の発電室と前記燃料電極に面する
第二の発電室とに区分するための導電性気密隔壁と； 前記第一の発電室内に開口した酸化ガス供給口を有し、
この酸化ガス供給口を通して前記第一の発電室へと酸化
ガスを供給する酸化ガス供給路と；前記第二の発電室内
に開口した燃料ガス供給口を有し、この燃料ガス供給口
を通して前記第二の発電室へと燃料ガスを供給する燃料
ガス供給路と；前記空気電極の電極表面のほぼ全面に亘
って接触し、前記空気電極と前記導電性気密隔壁とを電
気的に接続する多点接触集電体と： 前記燃料電極の電極表面のほぼ全面に亘って接触し、前
記燃料電極と前記導電性気密隔壁とを電気的に接続する
多点接触集電体と を有する燃料電池発電装置に係るものである．酸化ガス
供給管と燃料ガス供給管とを別体に設けることができる
が、またこれらを一体化してもよい。即ち、一つの管に
仕切りを設けて通路を二つ作り、それぞれの通路を酸化
ガス供給路、燃料ガス供給路としてもよい。

「ほぼ全面に亘って接触」とは、完全に全面に亘って接
触する場合の他、実質的に差し支えない範囲で若干の不
接触領域を残す程度のものも許容する意味である。

（実施例） 第１図はｓｏｐｃ発電装置の一部を示す破断斜視図、第
２図は第１図の■−■線矢視断面図、第３図は第１図の
■一■線矢視断面図、第４図はｓｏｐｃ発電装置の一部
を示す平面図である。ただし、第１図、第３図では多孔
質隔壁４を図示省略してある。

平板状ｓｏｐｃ素子１は平板状固体電解質隔壁９の一方
の側に空気電極膜ｌＯを設け、他方の側に燃料電極膜８
を設けた構或のものである。空気電極膜１０は、ドーピ
ングされたか、又はドーピングされていないＬａＭｎＯ
ｓ＋　ＣａＭｎ０３，　ＬａＮｉＯ＋＋　ＬａＣｏＯ．
　ＬａＣｒＯ＝等で製造でき、ストロンチウムを添加し
たＬａＭｎＯ：＋が好ましい。平板状固体電解質隔壁９
は、一般にはイットリア安定化ジルコニア等で製造でき
る。

燃料電極８は、一般にはニッケルージルコニアサーメッ
ト又はコバルトジルコニアサーメットである。

各平板状ＳＯＦＣ素子を、図面において燃料電極８が上
側を向くように配置し（下側を向くように配置してもよ
い。）、複数の平板状ＳＯＦＣ素子を互いに平行となる
ように、空気電極１０と燃料電極８とが対向した状態で
配列固定し、相対向する空気電極１０と燃料電極８との
間を離隔してｓｏｐｃ素子配列体１１を形戒する。各Ｓ
ＯＦＣ素子ｌの四周は通気性の多孔質隔壁４によって柔
軟に保持され、位置決めされる。各ｓｏｐｃ素子配列体
１１の外周は多孔質隔壁４によって囲まれ、複数のｓｏ
ｐｃ素子配列体ｌ１が縦横に多数配列され、隣接するｓ
ｏｐｃ素子配列体ｉｔの隙間に燃焼物生或室７が形成さ
れる。

各ＳＯＰＧ素子１の燃料電極８と、隣接するＳＯＦＣ素
子１の空気電極１０との間は離隔され、空間が生ずるが
、この空間内に各ｓｏｐｃ素子と平行に導電性気密隔壁
ｌ２が設けられ、多孔質隔壁４によって保持される。こ
の導電性気密隔壁１２によって、空気電極１０と燃料電
極８との間のそれぞれの空間は、空気電極１０に面する
第二の発電室６Ａと、燃料電極８に面する第二の発電室
６Ｂとに区分される。

そして、第一の発電室６Ａと第二の発電室６Ｂとにまた
がる形で、導電性気密隔壁ｌ２に挟まれたガス供給管２
が、平板状ＳＯＦＣ素子１の一端から他端へと貫通する
（本例では、一段につきガス供給管２を２本毎用いてい
るが、この本数は変更してよい）。

各ガス供給管２はそれぞれ複数個の発電室６＾，　６Ｂ
、燃焼物生戒室７を順次貫通し、多孔質隔壁４によって
保持される。

このガス供給管２の内部にはそれぞれ仕切りが設けられ
、図面において上半分が断面半月形の酸化ガス供給路２
Ａとされ、図面において下半分が断面半月形の燃料ガス
供給路２Ｂとされている。そして、第一の発電室６＾、
第二の発電室６Ｂを一端から他端へと貫通するガス供給
管２の一端と他端との中央部付近には、第２図、第３図
において上側に酸化ガス供給口２ａが設けられ、下側に
燃料ガス供給口２ｂ　　が設けられる。

空気等の含酸素ガスは矢印Ａのように酸化ガス供給路２
＾へと供給され、酸化ガス供給口２ａより第一の発電室
６Ａへと排出され、多方向に分かれて矢印Ａ′のように
放射状に進む。同時に、複数配置された各ｓｏｐｃ素子
配列体１１の第一の発電室６Ａ内へも同様にして酸化ガ
スが供給される。

また、水素、一酸化炭素等の燃料ガスは、燃料ガス供給
路２Ｂ内を矢印Ｂのように進み、上記と同様に燃料ガス
供給口２ｂより矢印Ｂ′のように第二の発電室６Ｂ内へ
と放射状に排出され、多方向に分かれて進む。同時に複
数配置された各ＳＯＦＣ素子配列体１１の第二の発電室
６Ｂ内へも同様にして燃料ガスが供給される。

多孔質隔壁４は、発電室６Ａ．　６Ｂと燃焼物生或室７
との間の僅かの差圧で流れが生じるように設計されてお
り、燃焼物生威室７からの燃焼生戒物の各発電室への逆
流を防ぐ。発電に利用された後の減損した酸化ガスは多
孔質隔壁４を透過し、燃焼物生成室７へと矢印Ａ＃のよ
うに流入する。と共に、減損した燃料ガスが多孔質隔壁
４を通して燃焼物生戒室７内へと矢印Ｂ″のように流入
し、酸化ガスと接触して燃焼し、ガス供給路２Ａ，　２
Ｂ内を通過中のそれぞれのガスを予熱する。

導電性気密隔壁１２の両側には多数の針状集電ブラシ５
が固着され、ブラシ５の他端は空気電極１０、又は燃料
電極８の電極表面に対して押圧接触される。針状集電プ
ラシ５は好ましくは耐熱金属からなり、１０００℃程度
の高温で弾性を有するものがよい。

この針状集電ブラシ５と素子の周囲に配置されている多
孔室隔壁４によって脆弱な発電素子を柔軟に支持する。

第一の発電室６Ａ内では、酸化ガスが空気電極１０と固
体電解質９との界面で酸素イオンを生じ、これらの酸素
イオンは固体電解質９を通って燃料電極８へと移動し、
第二の発電室６Ｂで燃料と反応すると共に電子を燃料電
極８へと放出する。

電池素子配列体は相隣る空気極と燃料極が針状集電体と
導電性気密隔壁によって直列に接続されており、配列体
両端の空気極と燃料極から外部負荷を継いで電力をとり
出す。

本例の燃料電池発電装置によれば、以下の効果を奏しう
る． （１）針状集電体５によって空気電極ｌＯと導電性気密
隔壁ｌ２とが電気的に接続され、かつ隣接する平板状ｓ
ｏｐｃ素子の燃料電極８と導電性気密隔壁ｌ２との間も
同様に電気的接続されているので、空気電極１０と燃料
電極８との間が接続され、隣接する平板状ＳＯＰＣ素子
間に電流を流すことができる。即ち、第３図に示すよう
に、平板状ＳＯＦＣ素子配列体ｌ１の上端にある平板状
ＳＯＦＣ素子と、下端にある平板状ＳＯＦＣ素子との間
に負荷４ｏを設けることで、平板状ｓｏｐｃ素子を直列
接続した発電機を構威し、電力を一括して取り出すこと
ができる。

また、直列接続する平板状ｓｏｐｃ素子の数を変更する
ことで、起電力を簡単に変えることができる。

（２）平板状ＳＯＦＣ素子の発電効率を上げるためには
、寸法を大きくして発電面積を増大させる必要がある。

しかし、平板状のＳＯＦＣ素子の寸法を大きくすると、
温度勾配、電流密度勾配が大きくなり、かえって発電効
率に悪影響を与え、熱応力が大きくなって亀裂が発生す
るという問題があった． 即ち、燃料ガスの導入部付近では、まだ燃料の含有量が
多いため、電気化学的反応が活発であり、温度が上昇し
、この温度上昇によってますます反応が活発となる。一
方、他端では、燃料ガスがかなり減損しているため、反
応が不活発で温度が低く、この温度の低さからますます
反応が不活発となる。しかも、減損した燃料ガス中には
かなりＣＯｔ　，水蒸気が含まれており、これが電極面
に付着して反応を阻害するため、ますます温度が低下す
る。この傾向は、平板状ＳＯＦＣ素子の寸法が大きくな
るにつれて一層激しくなる． これに対し、本発明では発電室６Ａ．　６Ｂを貫通する
ガス供給管２の各発電室のほぼ中央付近に酸化ガス供給
口２ａ及び燃料ガス供給口２ｂを設け、これらの供給口
２ａ，　２ｂより排出されたガスが、特に第４図に示す
ように発電室６Ａ　，６Ｂ内を放射状に進むので、発電
室内をガスが横断する従来例にくらべ、各供給口から燃
焼物生或室７までの通過距離は非常に短かい。従って、
高温部と低温部との間の伝熱抵抗が小さくなり各ガス供
給口２ａ．　２ｂ付近から燃焼物生或室７へと至る温度
勾配を小さくでき、熱応力を小さくすると共に発電効率
の均一化、向上を可能としうる。

（３）空気電極ｌＯ、燃料電極８の電極表面にほぼ全面
に亘って針状集電体５が接触しているので、電極膜に垂
直の方向へと集電され、比抵抗の大きな電極膜内の通過
距離を短くできるので電圧損失が低く、従って発電効率
が飛躍的に向上する。

（４）脆弱なｓｏｐｃ素子を全面に亘って可撓性針状集
電体で柔軟に小さな力で均一に両面から支持する構造と
なるため、ＳＯＦＣ素子に対する過大な応力の発生を防
ぎ、集合体としての信頼性が向上する。

（５）酸化ガス及び燃料ガスはいずれも電池室内で放出
され、排ガスは素子集合体の四周から放出される構造の
ため、ＳＯＦＣ素子の間をシールするために固定する必
要がない．このためにｓｏｐｃ素子には固定に起因する
応力の発生がなく構造体としての信頼性が高まる。

（６）従来、Ｎｉフエルトを集電体として用いていたが
、これは高温使用中にへたり、電極との接触不良を起し
、発電効率を低下させるという問題点を有していた。

これに対し、本例では、針状集電体５が弾性を有し、か
つ空気電極ｌＯ、燃料電極８表面にほぼ全面に亘って押
圧接触されることから、接触面積大で、集電体１本あた
りの荷重負担が小さく、押圧力を小さくできる。よって
、上記弾性と相まって、ヘタリが少なく、接触不良が起
りにくく、発電効率の低下を防止できる。

（７）一本の導電性ガス供給管２へと燃料ガス又は酸化
ガスを送り２込むだけで、複数接続された多数の発電室
６Ａ．　６Ｂ内へと同時に燃料ガス又は酸化ガスを供給
することができ、一つの発電室ごとに燃料ガス供給管、
および酸化ガス供給管を別個に設ける必要はない。

上述の例では以下の変形が可能である。

（ａ）ガス供給管は導電性でも非導電性でもよく、耐熱
金属やセラξツクス等であってよい。前記のように、一
本のガス供給管に酸化ガス供給路と燃料ガス供給路とを
共に設けてもよいが、相対向する空気電極と燃料電極と
の間の空間を一枚の導電性気密隔壁で第一の発電室と第
二の発電室とに区分し、第一の発電室に酸化ガス供給管
、第二の発電室に燃料ガス供給管を貫通させてもよい。

ガス供給管２を、上述の例においては、各発電室６Ａ．
　６Ｂ毎にそれぞれ２本毎配置したが、この本数を１本
又は３本以上としてもよい。また、酸化ガス供給口、燃
料ガス供給口の配置個数、寸法、形状、位置は任意に変
更でき、又ガス流方向も並行流でなくても第５図に示す
ように各段ごとに酸化ガス、及び燃料ガスの流れる方向
を直交させてもよい。

なお、各ＳＯＦＧ素子配列体１１を構或するＳＯＦＣ素
子の数は種々変更でき、またｓｏｐｃ素子配列体１１０
個数も種々変更できる。

（ｂ）第１図〜第５図において、針状集電体５の代りに
、櫛歯状の耐熱金属極、金属ウール状の集電体等を使用
でき、また他の低剛性、弾性を有する集電体を使用でき
る。むろん、燃料電極側と空気電極側とで異なる集電体
を用いてもよい。

更に、Ｎｉフェルト等のフェルト状集電体を上記の代り
に用い、電極表面のほぼ全体に亘って多点接触させるこ
とも可能である。

多点接触集電体は耐熱金属以外の導電体、例えば導電性
セラミックス、セラミック被覆金属等で製造してもよい
． （ｃ）多孔質隔壁４が発電室の四周全てを必ずしも囲う
必要はなく、例えば対面する二周に配置される場合でも
よく、更には多孔室隔壁４を用いず導電性ガス供給管２
を固定し、針状集電体５を介して各ｓｏｐｃ素子ｌを直
接支持してもよい。

即ち、第６図に示すように、各ＳＯＦＣ素子配列体ｌ１
を縦横に配列し、各ｓｏｐｃ素子は導電性ガス供給管２
，３、針状集電体５を介して支持し、全体を気密容器２
０内に収容してよい。

多孔質隔壁４の他、素子と柔軟に接触する支持用又はフ
ロー用のバツフルを更に組み込んでもよい。

（ｄ）第１図では各ＳＯＦＣ素子１を水平に支持したが
、この発電装置全体を垂直にしてもよく、また所定角度
｛頃けてもよい。

（ｅ）上記の例では、平板状固体電解質隔壁自体が剛性
体として働き、電池要素で自立できる構造としたが、他
に多孔賞で導．電性の支持板を用い、この上にＳＯＦＣ
素子を形成してもよい。

かかる多孔質導電性基体は、例えばＳｒをドーブしたＬ
ａＭｎ０３で製造できる。

平板状ＳＯＦＣ素子の平面形状も正方形、長方形に限ら
れず、三角形、六角形、円形等であってよい。

また、板状ＳＯＦＣ素子の板状形態としては、平板以外
に波形、円錐、角錐、球面等の形態でも勿論良い。

（発明の効果） 本発明に係る燃料電池発電装置によれば、各板状燃料電
池素子の空気電極と、隣接する板状燃料電池素子の燃料
電極との間に形成された空間を、導電性気密隔壁によっ
て区分し、空気電極と導電性気密隔壁とを電気的に接続
し、かつ燃料電極と導電性気密隔壁とを電気的に接続し
ているので、隣接する板状燃料電池素子を直列接続する
ことができる。従って、かかる配列の板状燃料電池素子
配列体の一端と他端との間に負荷を設けることで一括し
て電力を取り出すことができる。

さらに、又、相隣する電池素子間の密封拘束を必要とせ
ず、そのため素子の拘束に起因する応力の発生を避けら
れるので電池の信頼性が向上する。

第一の発電室内の好ましくはほぼ中央部に開口した酸化
ガス供給口を通して酸化ガスを供給し、かつ第二の発電
室内のほぼ好ましくはほぼ中央部に開口した燃料ガス供
給口を通して燃料ガスを各発電室のほぼ中央部に供給し
ているので、これらの各ガス供給口より排出されたガス
が発電室内を放射状に進むので、発電室内をガスが横断
する従来例にくらべ、各ガス供給口から燃焼物生戒室ま
でのガスの通過距離が非常に短かい。従って、温度勾配
を小さくできるため、燃料電池素子にかかる熱応力を小
さくして亀裂の発生を防止できると共に、発電効率の均
一化、向上が可能となる。

更に、空気電極、燃料電極の電極表面にほぼ全面に亘っ
て多点接触集電体が接触しているので、各電極膜に垂直
の方向へと集電され、電極の内部抵抗に起因する電圧損
失が低く、発電効率が飛躍的に向上し、電池素子を両面
から多点接触終電体によって柔軟に支持する構造のため
、素子の応力による損傷も著しく減少し、信頼性が向上
する。

【図面の簡単な説明】

第１図はＳＯＦＣ発電装置の一部分を示す破断斜視図、 第２図は第１図の■−■線矢視断面図、第３図は第１図
の■一■線矢視断面図、第４図はｓｏｐｃ発電装置の一
部分を示す平面図、第５図は他のＳＯＦＣ発電装置の一
部分を示す破断斜視図、 第６図は他のｓｏｐｃ発電装置全体の配列を示す平面図
である。 １・・・平板状ＳＯＦＣ素子　　２・・・ガス供給管２
Ａ・・・酸化ガス供給路　　２Ｂ・・・燃料ガス供給路
２ａ・・・酸化ガス供給口　　２ｂ・・・燃料ガス供給
口４・・・多孔質隔壁 ５・・・針状集電体（ブラシ状集電体）６Ａ・・・第一
の発電室　　　６Ｂ・・・第二の発電室７・・・燃焼物
生戒室　　　８・・・燃料電極膜９・・・平板状固体電
解質隔壁 １０・・・空気電極膜　　　　１１・・・ＳＯＦＣ素子
配列体１２・・・導電性気密隔壁 Ａ，Ａ’Ａ“・・・酸化ガスの流れ Ｂ，Ｂ’，Ｂ“・・・燃料ガスの流れ 第３図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、イオン導電性を有する板状固体電解質隔壁とこの板
   状固体電解質隔壁の一方の側に設けられた空気電極と前
   記板状固体電解質隔壁の他方の側に設けられた燃料電極
   とを少なくとも有する板状燃料電池素子を、隣接する前
   記板状燃料電池素子の前記空気電極と前記燃料電極とを
   互いに離隔させつつ対向させた状態で複数個配列してな
   る板状燃料電池素子配列体と； 隣接する前記板状燃料電池素子の互いに対向する前記空
   気電極と前記燃料電極との間に形成された空間を、前記
   空気電極に面する第一の発電室と前記燃料電極に面する
   第二の発電室とに区分するための導電性気密隔壁と；前
   記第一の発電室内に開口した酸化ガス供給口を有し、こ
   の酸化ガス供給口を通して前記第一の発電室へと酸化ガ
   スを供給する酸化ガス供給路と； 前記第二の発電室内に開口した燃料ガス供給口を有し、
   この燃料ガス供給口を通して前記第二の発電室へと燃料
   ガスを供給する燃料ガス供給路と； 前記空気電極の電極表面のほぼ全面に亘って接触し、前
   記空気電極と前記導電性気密隔壁とを電気的に接続する
   多点接触集電体と；前記燃料電極の電極表面のほぼ全面
   に亘って接触し、前記燃料電極と前記導電性気密隔壁と
   を電気的に接続する多点接触集電体と を有する燃料電池発電装置。