JPH05174860A - 固体電解質型燃料電池モジュール - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 製造性の向上および高出力化を図る。 【構成】 両端が開口した筒状の固体電解質燃料電池１
４の一方の端部を空気供給路１３に連通させ、他方の端
部を空気排出路１２に連通させる。空気排出路１２に連
通し、かつ空気供給路１３を気密状態を保って貫通する
空気導管２１を設け、その空気導管２１の内部を通る余
剰空気の熱で供給空気を予熱する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、複数の固体電解質型
燃料電池を使用して一つの発電ユニットとして構成した
モジュールに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】周知のように固体電解質型燃料電池は、
イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）などの酸素イオ
ン透過性のある固体電解質を介して酸化・還元反応を生
じさせて起電力を得るものであり、多孔質の空気電極と
燃料電極とを固体電解質を挟んで設けた構造を基本構造
としている。この固体電解質型燃料電池は、固体電解質
を挟んだ両側での酸素の濃度差によって反応が生じるか
ら、連続的に所定以上の起電力を得るには、空気などの
酸素を含むガスと水素ガスなどの燃料ガスとを連続的に
供給する必要がある。また効率の良い発電を行うには、
固体電解質の活性が最高となる温度で動作させることが
好ましいが、イットリア安定化ジルコニアなどの従来一
般に採用されている固体電解質の活性は1000℃前後で最
も優れており、したがって動作温度を1000℃前後に維持
するために、空気等の酸素を含むガスの温度を予め高く
する必要がある。

【０００３】図３は、連続的に供給する空気を予熱する
よう構成した従来の固体電解質型燃料電池モジュールの
一部を示す概念図であって、固体電解質型燃料電池（以
下、単に電池と記す）１は下端部が閉じた筒状に形成さ
れ、かつチャンバー２の内部に吊り下げられている。こ
の電池１の内部には、空気供給管３が上端開口部から底
部近くまで挿入されており、その空気供給管３の上端部
は、空気流路４に気密状態を保って連通されている。ま
た空気流路４の下側には予熱室５が形成されており、電
池１の上端開口部がこの予熱室５に連通する一方、電池
１の外周側の空間部分もこの予熱室５に連通している。
そして電池１の下方に、水素ガス供給部６が設けられて
いる。なお、電池１は、円筒状の固体電解質の内周面に
空気電極を設け、外周面に燃料電極を設けたものであ
る。

【０００４】したがって図３に示す構成のモジュールで
は、電池１の内部は空気供給管５から送り込まれた空気
によって満され、また外周側は水素ガスによって満され
るから、内外周部での酸素の濃度差によって電気・化学
的な酸化・還元反応が生じ、それに伴う起電力が燃料電
極および空気電極を介して取出される。また未反応の過
剰な空気および水素ガスは、予熱室５に送られここで水
素ガスが燃焼する。この予熱室５を前記空気供給管３が
貫通しているので供給空気は水素ガスの燃焼熱によって
加熱される。

【０００５】また従来、特には図示しないが、燃料電池
を、燃料電極が内周側に設けられた有底円筒状とし、燃
料ガスを電池の内部に挿入した供給管によって送り込む
とともに、余剰（残務）燃料ガスを電池の開口端から回
収し、また電池の外周にその閉塞端側から空気を供給す
る一方、余剰空気を導管によって電池の基端部側から回
収し、かつその導管を、供給空気と余剰空気との間で熱
交換する予熱器に連通させたモジュールが知られてい
る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上述した従来のモジュ
ールでは、一端部が閉じた筒状の燃料電池を使用してい
るから、空気もしくは燃料ガスをその電池の開口端部か
ら供給し、またこれと同じ側で余剰ガスを回収すること
ができ、この点ではモジュールの構造を簡略化できる。
しかしながら燃料電池は多孔質のセラミック製支持管の
外周に空気電極、固体電解質層、燃料電極を順次形成し
た構造であるから、支持管の製造およびその外周に電池
を形成する際に片持ち状に支持しなければならない場合
が多く、しかも閉じている先端部は球面等の三次元曲面
であるために、ここに電池を形成することやこの部分を
気密状態にすることには困難な作業が伴う。また上述の
ように一端が閉じた燃料電池では、その内部に空気ある
いは燃料ガスを供給もしくは排出するためにパイプを挿
入する必要があるが、単位容積当りの出力を高くするた
めに燃料電池を細くすると、前記パイプを燃料電池の内
部に同心状に挿入することが難しくなる問題がある。

【０００７】この発明は上記の事情に鑑みてなされたも
ので、容易に製造でき、また高出力化を図ることのでき
る固体電解質型燃料電池モジュールを提供することを目
的とするものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】この発明は、上記の目的
を達成するために、固体電解質を挟んで空気電極と燃料
電極とを形成した複数の固体電解質型燃料電池をケージ
ング内に設けた固体電解質型燃料電池モジュールにおい
て、前記固体電解質型燃料電池が、空気電極を内周側に
有しかつ両端が開口した筒状に構成されるとともに、そ
の一方の開口端が空気供給路に連通され、かつ他方の開
口端が空気排出路に連通され、これら空気供給路と空気
排出路とのいずれか一方に連通しかつ他方の内部を気密
状態を保って貫通する空気導管が設けられ、その空気導
管の内部と外部とで熱授受するよう構成されていること
を特徴とするものである。

【０００９】

【作用】この発明においては、空気供給路内の空気が固
体電解質型燃料電池の内周側に送り込まれ、外周の燃料
電極側の燃料ガスとの間で電気・化学的な酸化・還元反
応が生じて電力が得られる。余剰（残務）空気は燃料電
池の内側を通り抜けて空気排出路に至る。これらの供給
空気と余剰空気との一方は空気導管の内部を流れ、その
際に他方の空気との間で熱授受し、その結果、供給空気
が予熱される。

【００１０】

【実施例】つぎにこの発明を実施例に基づいて説明する
と、図１はこの発明の一実施例を示す構造図であって、
ケージング１０の内部には反応室１１を挟んだ上下両側
に空気排出路１２と空気供給路１３とが形成されてお
り、これらの空気排出路１２と空気供給路１３とを連通
させるように円筒状の固体電解質型燃料電池１４が配置
されている。この燃料電池１４は図２に断面図を示すよ
うに、アルミナなどからなる多孔質支持管１５の外周面
にペロブスカイト型遷移元素系複合酸化物からなる空気
電極１６を形成するとともにその外周にイットリア安定
化ジルコニアからなる固体電解質層１７を形成し、さら
にその外周にニッケルやニッケルとジルコニアからなる
サーメットなどからなる燃料電極１８を形成したもので
ある。

【００１１】空気供給路１３は反応室１１の下側に設け
られており、それより更に下側に設けた空気供給室１９
から空気供給路１３に空気を送り込むようになってい
る。この空気供給室１９の内部には空気排出室２０が設
けられており、この空気排出室２０と前記空気排出路１
２とは、反応室１１および空気供給管１３を貫通し、か
つ内部と外部との間で熱授受可能な空気導管２１によっ
て接続されている。すなわち余剰空気を、空気排出路１
２から空気導管２１および空気排出室２０を経て所定箇
所に排出するようになっている。

【００１２】また空気排出路１２より上側に燃料ガス供
給路２２が形成されており、ここから反応管１１の下端
近くに燃料ガスを送る燃料ガス供給管２３が、燃料ガス
供給路２２に接続して設けられている。さらに反応室１
１内の余剰燃料ガスを所定箇所に排出するための燃料ガ
ス排出管２４が、空気排出路１２および燃料ガス供給路
２２を貫通して設けられている。

【００１３】つぎに上記のように構成したモジュールの
作用について説明すると、空気供給室１９に空気を送り
込むと、その空気は空気供給路１３で各燃料電池１４に
分配され、その支持管１５の内部を下端部から上端部方
向に流れる。また燃料ガス供給路２２に水素ガスを送り
込むと、水素ガスは燃料ガス供給管２３によって反応室
１１の下端部近くに供給され、しかる後、燃料電池１４
の外周面に沿って上昇する。その結果、燃料電池１４に
おいては、空気電極１６側が空気で満され、また燃料電
極１８側が燃料ガスで満されるので、固体電解質層１７
を介した電気・化学的な酸化・還元反応が生じ、各電極
１６，１８を介して電力が取り出される。その出力は、
固体電解質層１７の活性が最も優れる1000℃前後で最大
となるので、燃料電池１４は事前に1000℃程度に昇温さ
れており、また水素ガスの酸化によって発熱するから、
反応室１１および余剰空気ならびに余剰燃料ガスが1000
℃程度の高温になる。その余剰空気は、空気排出路１２
から空気導管２１および空気排出室２０を経て所定箇所
に排出されるが、これら空気導管２１と空気排出室２０
とは、空気供給路１３および空気供給室１９の内部に配
置されていて、外部との熱交換を行うことができるか
ら、供給空気は燃料電池１４に送り込まれるに先立っ
て、空気排出室２０や空気導管２１の外周側を流れる際
に余剰空気の有する熱によって加熱昇温される。また余
剰の水素ガスは、燃料ガス排出管２４を経て所定箇所に
排出される。

【００１４】したがって上記のモジュールは、両端が開
口した構造の燃料電池１４を使用し、しかも予熱室を特
に設けることなく余剰空気の有する熱で供給空気の予熱
を行うことができるので、燃料電池１４の製造が容易で
あるうえに、予熱室を設ける必要がないので、構造が簡
単で、製造性の良いものとなる。さらに燃料電池１４の
内側にパイプを挿入する必要がないので、燃料電池１４
を小径にしてコンパクト化および高出力化を図ることが
できる。

【００１５】なお、上記の実施例では、供給空気を余剰
空気の外側に流して両者の間で熱交換するよう構成した
が、この発明では供給空気の外側に余剰空気を流すよう
構成してもよい。また燃料電池は両端で支持できるの
で、水平に配置してもよい。さらに、この発明では、固
体電解質型燃料電池１４の全体を図２に示す構造として
もよいが、図２に示す単電池を多数形成するとともにそ
れらをインターコネクターによって直列に接続して固体
電解質型燃料電池スタックとして構成してもよい。

【００１６】

【発明の効果】以上説明したようにこの発明のモジュー
ルでは、両端が開口した構造の燃料電池を使用できるの
で、燃料電池の製造が容易になり、また特に予熱室を必
要としないので、全体としての構造が簡単になる。また
燃料電池の内部に供給管や排出管等のパイプを挿入する
必要がないので、燃料電池を小径化できる。したがって
この発明によれば、全体として簡単な構造となり、かつ
製造性が良好なものとなるうえに、単位容積当りの燃料
電池の設置本数を増して高出力化を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例を示す構造図である。

【図２】図１のＩＩ部の断面図である。

【図３】従来のモジュールの一例を示す構造図である。

【符号の説明】

１０…ケージング、 １２…空気排出路、 １３…空気
供給路、 １４…燃料電池、 １５…支持管、 １６…
空気電極、 １７…固体電解質層、 １８…燃料電極、
２１…空気導管。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 中島 武憲 東京都江東区木場一丁目５番１号 藤倉電 線株式会社内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 固体電解質を挟んで空気電極と燃料電極
   とを形成した複数の固体電解質型電池をケーシング内に
   設けた固体電解質型燃料電池モジュールにおいて、 前記固体電解質型燃料電池が、空気電極を内周側に有し
   かつ両端が開口した筒状に構成されるとともに、その一
   方の開口端が空気供給路に連通され、かつ他方の開口端
   が空気排出路に連通され、これら空気供給路と空気排出
   路とのいずれか一方に連通しかつ他方の内部を気密状態
   を保って貫通する空気導管が設けられ、その空気導管の
   内部と外部とで熱授受するよう構成されていることを特
   徴とする固体電解質型燃料電池モジュール。