JPH06203869A - 固体電解質型燃料電池式発電炉 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 電力取り出し用のリードが高温酸化雰囲気に
さらされることのない固体電解質型燃料電池式発電炉を
提供する。 【構成】 固体電解質を挟んで電極を設けた円筒状の単
セル８を有する複数のスタック７からなる固体電解質型
燃料電池式発電炉であって、前記スタック７からの電力
取り出し用の一対のリード２０，２１のうちの一方がこ
のスタック７の一端部側外面に接続して設けられ、かつ
前記リード２０，２１のうちの他方がスタック７の他端
部の内面に接続されるとともにそのスタック７の内部を
通って前記一端部側に引き出されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は固体電解質型燃料電池
を使用した発電炉に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】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）やカルシア安定化ジルコニア
（ＣＳＺ）などの固体電解質を挟んで、例えばペロブス
カイト型ランタン系複合化合物からなる空気電極とニッ
ケルなどを主体とする燃料電極とを設け、この各電極に
臨ませて流される空気と燃料ガスとを固体電解質を介し
て電気化学的に反応させることにより起電力を得るもの
である。この種の燃料電池では、燃料ガス流路と空気流
路とを気密状態に分離する必要があるので、従来では、
例えば固体電解質を筒状に形成し、その内外面に前記各
電極を設けた筒状の単セルによって電力を得るようにし
たものが知られている。この場合、単セルで得られる電
力が少ないので、１または２以上の単セルを有する筒状
のスタックをケーシング内に複数配置し、これらを電気
的に直列あるいは並列、または直並列に接続して電力を
得るようにした発電炉が一般的である。

【０００３】図６は複数のスタックを収納した発電炉の
断面図である。図中１は発電炉の外面を形成するケーシ
ングであり、このケーシング１にはその内部に燃料ガス
仕切板２と空気仕切板３とが取り付けられており、ケー
シング１内はこれらによって上下に３つの部屋、すなわ
ち第１燃料ガス室４、第２燃料ガス室５および空気室６
に分けられている。そして第１燃料ガス室４には発電用
の燃料ガスを供給する燃料ガス供給孔４ａが設けられ、
第２燃料ガス室５には使用済みの燃料ガスを排出する燃
料ガス排出孔５ａが設けられている。また空気室６には
発電用の空気を供給する空気供給孔６ａと使用済みの空
気を排出する空気排出孔６ｂが設けられている。

【０００４】また、図中７は空気室６内に上下方向に位
置決めされているスタックであり、このスタック７は円
筒状の固体電解質の外面側に空気電極、内面側に燃料電
極を形成した円筒状の単セル８と、この単セル８の上端
側に設けられた絶縁性の案内部９とから構成されてお
り、全体として上部が開口し、下部が閉塞した筒状をな
している。このスタック７はその上部の開口端側案内部
９が空気仕切板３を貫通して第２燃料ガス室５側に臨ん
だ状態でこの空気仕切板３に支持され、その下部の閉塞
端側が熱膨張吸収用にケーシング１の空気室６を形成す
る底板１ａから一定距離離間した状態で位置決めされて
いる。そして、このスタック７内には燃料ガス仕切板２
を貫通して下方に延びる燃料ガス導入管１０がその閉塞
端近傍まで差し込まれており、単セル８の燃料電極に臨
んだこの燃料ガス導入管１０とスタック７との間に燃料
ガス流路１１が形成されているとともに、単セル８の空
気電極に臨んだこのスタック７の外周面近傍に空気流路
１２が形成されている。

【０００５】さらに、スタック７の電力の取り出し用
に、空気仕切板３の第２燃料ガス室５側には各単セル８
の燃料電極側に導通する第１リード１３が取り付けら
れ、スタック７の下方の空気室６内には各単セル８の空
気電極に導通する第２リード１４が配設されており、各
スタック７はこれらの第１および第２リード１３，１４
により互いに電気的に並列状態に接続されている。

【０００６】そして燃料ガス供給孔４ａから第１燃料ガ
ス室４内に供給された燃料ガスが燃料ガス導入管１０を
介してスタック７内の燃料ガス流路１１に導入され、空
気供給孔６ａから空気室６内に供給された空気がスタッ
ク７外方の空気流路１２に導入されると、単セル８中の
固体電解質を介して空気中の酸素と燃料ガスとが電気化
学的に反応して、この単セル８に起電力を発生させ、第
１および第２リード１３，１４を介して複数のスタック
７から所望の電力が取り出される。そして、使用済みの
燃料ガスは第２燃料ガス室５に集められた後、その燃料
ガス排出孔５ａを介して外部に排出され、使用済みの空
気は空気室６の空気排出孔６ｂを介して外部に排出され
る。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記発
電炉においては固体電解質を介した電気化学的反応が約
１０００℃の高温下で行われ、空気室６内は高温の酸化
雰囲気となるため、空気室６内に配設される第２リード
１４は容易に酸化されて腐食し、その寿命が短く、この
発電炉から安定して電力が取り出せないという不都合が
あった。このため、図７で示されるように、各スタック
７の閉塞端側を空気室６から別室１５内に突出させ、こ
の第２リード１４を空気室６外に配設することも考えら
れる。しかしこの場合でも、空気室６の底板１ａとスタ
ック７間にはこのスタック７の熱膨張逃し用に隙間１６
が必要であり、この隙間１６から別室１５内に空気が漏
れ込み、第２リード１４が高温酸化により腐食してしま
うという不都合がある。

【０００８】また、図８で示されるように、スタック７
の単セル８を、円筒状の固体電解質８ａと、その内側に
配設される空気電極８ｂと、その外側に配設される燃料
電極８ｃと、空気電極８ｂに導通し、外方に突出される
インタコネクタ８ｄとから構成し、前後方向に隣接する
スタック７の単セル８の互いのインタコネクタ８ｄと燃
料電極８ｃとをリードとなる導電性フェルト１７で接続
し、左右方向に隣接するスタック７の単セル８の互いの
燃料電極８ｃ同士を同じくリードとなる導電性フェルト
１７で接続した発電炉の場合、スタック７の外方に燃料
ガスを流せば、リードである導電性フェルト１７が高温
酸化雰囲気にさらされることはなく、上記のようなリー
ドの高温酸化による腐食は生じない。

【０００９】しかしこのような発電炉においては、リー
ドとなる導電性フェルト１７を単セル８の外方に設ける
必要が生じて発電炉の大型化を招き、その体積当たりの
出力密度の低下を招いてしまうという不都合を生じる。
また、導電性フェルト１７はニッケル等から構成される
が、比較的抵抗が大きいとともに、高温下での焼結等に
よりその性質が変化してしまうという不都合もある。

【００１０】この発明は上記の事情に鑑みてなされたも
ので、電力取り出し用のリードが高温酸化雰囲気にさら
されることがないとともに、その出力密度の低下等を招
くこともない固体電解質型燃料電池式発電炉を提供する
ことを目的とするものである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】この発明は、上記目的を
達成するために、固体電解質を挟んで電極を設けた円筒
状の単セルを有する複数のスタックからなる固体電解質
型燃料電池式発電炉において、前記スタックからの電力
取り出し用の一対のリードのうちの一方がこのスタック
の一端部側外面に接続して設けられ、かつ前記リードの
うちの他方がスタックの他端部の内面に接続されるとと
もにそのスタックの内部を通って前記一端部側に引き出
されていることを特徴とするものである。

【００１２】またこの発明では、前記他端部側が閉塞さ
れたセルスッタク内に導電性材料からなる燃料ガス導入
を挿入し、かつその内端が前記スタックの閉塞部内面に
接続されてこの燃料ガス導入管が前記スタックの内面に
接続されるリードを兼ねる構造とすることもできる。

【００１３】

【作用】この発明のスタックは全体として円筒状をなし
ており、その内部に燃料ガスもしくは空気を導入する関
係上、その一端部は必ず開口している。いっぽう、スタ
ックの１つの単セルまたはその長手方向に互いに直列に
接続された２以上の単セルから電力を取り出す場合、ス
タックの一端部側外面と他端部側内面とに一対のリード
を接続すればよい。この場合、スタックの一端部側外面
に接続される一方のリードは燃料ガス室側に配設するこ
とができるとともに、スタックの他端部側内面に接続さ
れる他方のリードは燃料ガスが流されるスタック内に配
設できるため、一対のリードは両方とも高温腐食の心配
のない高温還元雰囲気中に配置される。

【００１４】また、スタックの他端側が閉塞され、その
内部に燃料ガス導入管が挿入されている発電炉の場合に
は、この燃料ガス導入管を導電性材料から構成するとと
もに、その先端部をスタックの他端側閉塞部内面に接続
するようにすれば、この燃料ガス導入管にリードとして
の役割を兼ねさせることができる。

【００１５】

【実施例】つぎにこの発明の実施例を図面を参照して説
明する。図１はこの発明の一実施例である固体電解質型
燃料電池式発電炉の断面図であり、この発電炉の基本的
構成は図６に示す発電炉と同一である。

【００１６】すなわち、この発電炉では、単セル８が形
成された複数のスタック７がその上部の案内部９側を空
気仕切板３に貫通させて支持させ、その下部の閉塞端側
をケーシング１の底板１ａから熱膨張吸収用に一定距離
離間させた状態で空気室６内に位置決めされている。そ
して、その上端部側が燃料ガス仕切板２を貫通して第１
燃料ガス室４に開口した燃料ガス導入管１０が第２燃料
ガス室５を通ってスタック７内に挿入され、この燃料ガ
ス導入管１０とスタック７との間に燃料ガス流路１２が
形成されているとともに、空気室６内のスタック７の外
周部近傍には空気流路１１が形成されている。なお、第
１燃料ガス室４には燃料ガス供給孔４ａ、第２燃料ガス
室５には燃料ガス排出孔５ａ、空気室６には空気供給孔
６ａおよび空気排出孔６ｂがそれぞれ設けられている。

【００１７】図２はスタック７等の縦断面を示してお
り、単セル８が円筒状の固体電解質８ａと、固体電解質
８ａの外面側に形成される円筒状の空気電極８ｂと、固
体電解質８ａの内面側に形成される円筒状の燃料電極８
ｃとから構成されていることが示されている。

【００１８】さて、この実施例では空気仕切板３の第２
燃料ガス室５側に例えばニッケルから構成される導電性
の第１リード２０が取り付けられ、この第１リード２０
の連結部２０ａが案内部９中を通って各スタック７の上
端部側外面に配設される単セル８の空気電極８ｂに接続
されているとともに、第１燃料ガス室４内には同様に例
えばニッケルから構成される導電性の第２リード２１が
配設され、この第２リード２１の連結部２１ａが燃料ガ
ス導入管１０内を通ってスタック７の内方に挿入され
て、各スタック７の下端側内面に配設される単セル８の
燃料電極８ｃに接続されている。したがって、発電炉に
複数設けられたスタック７の各単セル８はこの第１およ
び第２リード２０，２１により互いに並列に接続され、
この第１および第２リード２０，２１を介して電力が取
り出されるようになる。なお、燃料ガス導入管１０は絶
縁性の材料から構成されている。

【００１９】上述した構造では、第１リード２０は第２
燃料ガス室５内および案内部９中に配設され空気と接触
することがないとともに、第２リード２１は第１燃料ガ
ス室４および燃料ガス導入管１０を介してスタック７内
に配設されていて空気と接触することはない。したがっ
て、発電炉内が高温となっても、第１および第２リード
２０，２１は水素ガス等が多く含まれる高温還元雰囲気
中にあり、高温酸化雰囲気中にないため容易に高温腐食
することはなく、この第１および第２リード２０，２１
の寿命を長く維持させることができる。

【００２０】また、特に第２リード２１はスタック７の
外方でなくその内方に配設されているため、発電炉は大
型化せず、その体積当りの出力密度の向上を図ることが
できる。さらに、第１および第２リード２０，２１はニ
ッケル材をそのまま使用できるため、導電性フェルトの
ように焼結してその性質が変化したり、抵抗が大きくな
ったりすることはない。

【００２１】なお、上記実施例ではスタック７に１つの
単セル８を有する場合について説明したが、図３で示さ
れるように、複数の単セル８がスタック７の長手方向に
インタコネクタ２２を介して直列に接続されている発電
炉においても同様に機能させることができる。すなわ
ち、スタック７の上端にある単セル８の外面側の空気電
極と第１リード２０とを接続し、スタック７の下端にあ
る単セル８の内面側の燃料電極と第２リード２１を接続
すれば、同様の効果を得ることができる。

【００２２】また、図４で示されるようにスタック７の
一端部が閉塞されず、解放された発電炉についても、第
２リード２１の一端をスタック７の下端にある単セル８
の内面側の燃料電極に接続すれば同様の効果を得ること
ができる。

【００２３】図５はこの発明の他の実施例である固体電
解質型燃料電池式発電炉の断面図である。この発電炉で
は燃料ガス導入管１０を導電性材料から構成し、この燃
料ガス導入管１０の内端をスタック７の下端側の閉塞部
内面の燃料電極８ｃに接続して、この燃料ガス導入管１
０に第２リード２１の連絡部２１ａとしての機能を持た
せるとともに、第２リード２１の主要部を燃料ガス仕切
板２上に配置している。この場合、燃料ガス導入管１０
のセルスッタク７との接続部近傍には燃料ガスを燃料ガ
ス流路１１側に放出する開口１０ａが形成されている。
なお、他の構成は前の実施例の場合と同一である。

【００２４】上述した構造では、第１リード２０ととも
に、第２リード２１の主要部、およびその連結部２１ａ
の機能を果たす燃料ガス導入管１０は高温還元雰囲気中
にあるため、酸化されて腐食することはなく、長くその
寿命を保つことができる。また、この実施例では燃料ガ
ス導入管１０に第２リード２１の連結部２１ａとしての
機能を持たせているため、スタック７内の構造が簡単と
なり、発電炉の小型化および低コスト化を図ることがで
きる。なお、スタック７は図３で示される複数の単セル
８を有するものであってもよいことは勿論である。

【００２５】

【発明の効果】以上の説明から明らかなようにこの発明
によれば、電流を外部に取り出すための１対のリードの
それぞれを、円筒状のスタックの内部にを利用してその
一端部側に引き出した状態に配置できるため、それらの
リードを高温参加雰囲気もしくは高温雰囲気を避けて配
置することがで可能になり、その結果、リードの長寿命
化を図ることができる。また、一対のリードの一方をス
タックの一端部側、他方をスタックの内方に配設するよ
うにしているため、導電性フェルトを用いた従来の発電
炉のように、リードがスタックの外方に大きく突出する
ことはなく、その分、発電炉の小型化を図ることができ
て、単位体積当たりの発電炉の出力密度の向上を図るこ
とができる。

【００２６】また、他端部が閉塞されたスタックの場
合、内部に配置される燃料ガス導入管にリードを兼ねさ
せれば、その分発電炉の小型化、低コスト化を図ること
ができ。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例である固体電解質型燃料電
池式発電炉の断面図である。

【図２】スタック等の縦断面図である。

【図３】他のスタック等の縦断面図である。

【図４】他のスタック等の部分的縦断面図である。

【図５】この発明の他の実施例である固体電解質型燃料
電池式発電炉の断面図である。

【図６】従来の固体電解質型燃料電池式発電炉の断面図
である。

【図７】従来の固体電解質型燃料電池式発電炉の下部を
一部変更した場合の変更部の断面図である。

【図８】他の従来の固体電解質型燃料電池式発電炉内の
単セルの接続状態を示す図である。

【符号の説明】

７…スタック、 ８…単セル、 ８ａ…固体電解質、
８ｂ…空気電極（電極）、 ８ｃ…燃料電極（電極）、
２０…第１リード、 ２０ａ…連結部（リード）、
２１…第２リード、 ２１ｂ…連結部（リード）。

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 株式会 社フジクラ内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 固体電解質を挟んで電極を設けた円筒状
   の単セルを有する複数のスタックからなる固体電解質型
   燃料電池式発電炉において、 前記スタックからの電力取り出し用の一対のリードのう
   ちの一方がこのスタックの一端部側外面に接続して設け
   られ、かつ前記リードのうちの他方がスタックの他端部
   の内面に接続されるとともにそのスタックの内部を通っ
   て前記一端部側に引き出されていることを特徴とする固
   体電解質型燃料電池式発電炉。
2. 【請求項２】 前記他端部側が閉塞されたセルスッタク
   内に導電性材料からなる燃料ガス導入管が挿入され、か
   つその内端が前記スタックの閉塞部内面に接続されてこ
   の燃料ガス導入管が前記スタックの内面に接続されるリ
   ードを兼ねていることを特徴とする請求項１記載の固体
   電解質型燃料電池式発電炉。