JPH0722057A - 固体電解質型燃料電池モジュール - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 その長手方向に向かって互いに直列に接続さ
れた状態で複数の単セルが形成されているセルスタック
から、電力の取り出しが充分にできる固体電解質型燃料
電池モジュールを提供する。 【構成】 その長手方向に向かって複数の単セル３１が
互いに電気的に直列に接続された状態で形成されている
多数のセルスタック１１間に、このセルスタック１１の
間を外面電極３１ｂにて並列接続する導電性フェルト２
４を配置した。セルスタック１１の中間部に発電不良が
生じても、この不良部を導電性フェルト２４により電気
的にバイパスさせて、このセルスタック１１から充分に
電力の取り出しができる。

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を用いた燃
料電池のモジュール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、互いに電気的に直列に接続される複数
の単セルを筒状のセルスタックとして形成し、この複数
本のセルスタックを介して電力を得るようにしたモジュ
ールも多い。

【０００３】図４はこのような従来のモジュールの断面
を示している。図において、符号１は反応室であり、こ
の反応室１の空気燃料仕切板２を介した上方には燃料排
出室３が形成され、この燃料排出室３の燃料仕切板４を
介した上方には燃料供給室５が形成されている。また、
反応室１の多孔質な空気整流板６を介した下方には高温
空気予熱室７が形成され、この高温空気予熱室７の多孔
質な空気予熱ヒータ８を介した下方には、空気予熱器１
０を有する低温空気予熱室９が形成されている。反応室
１にはその上端部が空気燃料仕切板２に支持されるとと
もに、その下端が閉塞され、その上端が燃料排出室３側
に開口している円筒状の複数（例えばこのモジュールで
は４８本）のセルスタック１１が上下方向に向かって互
いに近接した状態で平行に位置決めされている。

【０００４】このセルスタック１１には、円筒状の固体
電解質の外面側を空気電極、内面側を燃料電極で挟みつ
けて形成される短円筒状の単セル３１が、その長手方向
に向かって電気的に直列に接続された状態で多数形成さ
れている。そして、このセルスタック１１内には、その
上端部が燃料仕切板４に支持され、かつ上端が燃料供給
室５側に開口する細い燃料注入管１２が、その閉塞端近
傍まで差し込まれている。そして、セルスタック１１内
のこの燃料注入管１２外方には燃料ガス流路が形成さ
れ、反応室１内のセルスタック１１に沿った外方には空
気流路が形成されている。

【０００５】燃料排出室３には燃料供給室５を挿通した
状態で燃料排出管１３が取り付けられ、燃料供給室５に
は燃料排出管１３を囲むように燃料供給管１４が取り付
けられている。また、反応室１および高温空気予熱室７
の中央部には、空気整流板６および空気予熱ヒータ８を
貫通して高温空気排出管１５が取り付けられ、この高温
空気排出管１５が低温空気予熱室９内に配置される空気
予熱器１０に連結されている。そして、低温空気予熱室
９にはこの空気予熱器１０から使用済みの空気を排出す
る低温空気排出管１６およびこの低温空気予熱室９に空
気を供給する空気供給管１７が取り付けられている。

【０００６】また、空気燃料仕切板２、燃料仕切板４、
燃料注入管１２は導電性材料により構成されているとと
もに、燃料注入管１２の下端はセルスタック１１の最下
端の単セルの例えば燃料電極側に電気的に接続され、空
気燃料仕切板２はセルスタック１１の最上端の単セルの
空気電極側に電気的に接続されている。そして、燃料注
入管１２は燃料仕切板４に電気的に接続されているの
で、複数のセルスタック１１からの電力の取り出しは、
燃料仕切板４に電気的に接続される第１リード１８と、
空気燃料仕切板２に電気的に接続される第２リード１９
とによりなされる。なお、図において、符号２０は反応
室１内を加熱する炉壁ヒータであり、符号２１はこのモ
ジュールの外表面を覆う断熱材である。

【０００７】上述したモジュールでは、空気供給管１７
を介して低温空気予熱室９内に供給された空気は空気予
熱器１０により第１段階の予熱をされた後、空気予熱ヒ
ータ８を通って第２段階の予熱をされて高温空気予熱室
７に送られ、その後、空気整流板６を通って反応室１内
のセルスタック１１近傍の空気流路に供給される。ま
た、燃料供給管１４中を通過しつつ、燃料排出管１３側
の使用済み燃料ガスにより予熱された燃料ガスは燃料供
給室５内に供給された後、燃料注入管１２を介してセル
スタック１１内方の燃料ガス流路に供給される。そし
て、単セルの固体電解質を介して燃料ガスと空気とが電
気化学的に反応し、単セルに起電力が発生する。各セル
スタック１１では単セルの数だけ合計された電力が空気
燃料仕切板２と燃料注入管１２とに集められ、このモジ
ュールから第１リード１８および第２リード１９を介し
てセルスタック１１の数だけの電力が取り出される。

【０００８】電気化学的反応の終了した使用済みの空気
は反応室１の空気燃料仕切板２近傍にて高温空気排出管
１５内に吸引され、この高温空気排出管１５を介して空
気予熱器１０に送られ、この空気予熱器１０により発電
用に供給された空気に熱を与えた後、低温空気排出管１
６を介してモジュール外に排出される。また、電気化学
的反応の終了した使用済みの燃料ガスはセルスタック１
１内から燃料排出室３内に排出された後、燃料排出管１
３を介してモジュール外に排出される。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上記従来のモジュール
では、セルスタック１１の各単セルが、セルスタック１
１の軸線方向に直列に接続されているから、高電圧化し
てジュール損失を少なくすることができるが、いずれか
の単セルに不良が生じると、その部分が抵抗となってし
まい、発電効率が低下するなどの不都合があった。

【００１０】この発明は上記の事情に鑑みてなされたも
ので、その長手方向に向かって互いに直列に接続された
状態で複数の単セルが形成されているセルスタックか
ら、電力の取り出しが充分に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。

【００１１】

【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一対の電極を形
成した単セルが、その長手方向に向かって互いに電気的
に直列に接続された状態で複数形成されている筒状のセ
ルスタックを多数備え、このセルスタックの内外方の一
方側に燃料ガス、他方側に空気を流して発電がなされる
固体電解質型燃料電池モジュールにおいて、互いに平行
に配置される前記多数のセルスタック間に、隣接するセ
ルスタックの外面側電極同士を導通する導電材を配置し
たことを特徴とするものである。

【００１２】

【作用】単セルはセルスタックの長手方向に電気的に直
列に接続されているため、このセルスタックからの電力
の取り出しは、セルスタックの一端部側の単セルと他端
部側の単セルとから行う。そのセルスタックの中間部に
発電不良が生じた場合、この不良単セルに隣接する単セ
ルは、その外面側電極が導電材によって他のセルスタッ
クにおける単セルに導通されているから、不良部分のあ
るセルスタックで生じた電流は隣接する他のセルスタッ
クを介して出力され、したがって不良部分が抵抗となら
ずにセルスタックから充分に電力を取り出すことができ
る。

【００１３】

【実施例】つぎにこの発明の実施例を図面を参照しつつ
説明する。図１はこの発明の一実施例である固体電解質
型燃料電池モジュールのセルスタック周りの縦断面図、
図２はセルスタック周りの横断面図である。なお、この
モジュールの基本的構成は図４に示すモジュールと同一
である。

【００１４】すなわち、このモジュールでは、複数の単
セル３１がその長手方向に電気的に直列に接続された状
態で形成されている多数のセルスタック１１が、その上
端開口部を燃料排出室３側に臨ませ、その上端部を空気
燃料仕切板２に支持させた状態で、その下端閉塞部側を
反応室１内に臨ませて位置決めされている。そして、そ
の上端開口部を燃料供給室５側に臨ませた燃料注入管１
２が、その上端部を燃料仕切板４に支持させた状態で、
このセルスタック１１にその閉塞部近傍まで差し込まれ
ている。

【００１５】このセルスタック１１等の構成をさらに詳
細に説明すれば、円筒状の固体電解質３１ａの外面側を
空気電極３１ｂ、内面側を燃料電極３１ｃで挟み付けて
形成される短円筒状の単セル３１が、電気絶縁性を有し
た多孔質な円筒状支持管３０の外面上に、その長手方向
に向かって多数形成されている。そして、上方の単セル
３１の燃料電極３１ｃと下方の単セル３１の空気電極３
１ｂとが、導電性のリング状インタコネクタ３２により
電気的に接続され、かつ最下部の単セル３１Ａの燃料電
極３１ｃが支持管３０の内面側まで延びた導電性の下部
リード３３に電気的に接続されるとともに、最上部の単
セル３１Ｂの空気電極３１ｂが、空気燃料仕切板２に電
気的に接続される導電性の上部リード３４に電気的に接
続されている。

【００１６】また、単セル３１を支持する支持管３０の
下端はキャップ部材３５により閉塞され、かつ下部リー
ド３３と燃料注入管１２の下端とはニッケルから構成さ
れる導電性フェルト３６により電気的に接続されてい
る。そして、セルスタック１１内の燃料注入管１２の外
方には、下方から上方に向かって燃料ガス流路２２が形
成され、セルスタック１１外方には、このセルスタック
１１に沿って、下方から上方に向かって空気流路２３が
形成されている。なお、符号３７はインタコネクタ３２
の上面を覆う保護膜である。

【００１７】反応室１内には格子状に所定ピッチで多数
のセルスタック１１が互いに平行に位置決めされてお
り、それらのうち隣接する４つのセルスタック１１が同
時に臨むこのセルスタック１１間の空間Ｖには、例えば
白金から構成される導電性フェルト２４が配置されてい
る。そして、この導電性フェルト２４は隣接するセルス
タック１１の同位置に配置されたセルを電気的に並列接
続させている。

【００１８】つぎにこのモジュールの作用を説明する。
空気供給管１７、低温空気予熱室９、空気予熱ヒータ
８、高温空気予熱室７、空気整流板６を介して、発電用
の空気が反応室１の空気流路２３に流され、燃料供給管
１４、燃料供給室５、燃料注入管１２を介して、発電用
の燃料ガスがセルスタック１１内の燃料ガス流路２２に
流されると、単セル３１の空気電極３１ｂ中を拡散して
固体電解質３１ａの一面側に達した空気中の酸素ガス
と、単セル３１の燃料電極３１ｃ中を拡散して固体電解
質３１ａの他面側に達した燃料ガスとが電気化学的に反
応して、単セル３１に起電力が発生する。そして、セル
スタック１１からは単セル３１の数だけ加えた電力が下
部リード３３、導電性フェルト３６を介した燃料注入管
１２と、上部リード３４とから取り出され、このモジュ
ール全体からは、セルスタック１１の数だけ加えられた
電力が燃料注入管１２、燃料仕切板４を介して第１リー
ド１８と、上部リード３４、空気燃料仕切板２を介して
第２リード１９とから取り出される。

【００１９】一方、固体電解質の劣化などによって、い
ずれかの単セル３１による発電が停止し、あるいは発電
効率が極端に低下した場合、その単セル３１自体の導電
率が高くないから、その部分の電気抵抗が相対的に大き
くなる。しかしながらこの不良の生じている単セル３１
を挟んだ両側の単セル３１は、導電性フェルト２４によ
って接続されているから、電流は不良の生じている単セ
ル３１をバイパスして流れる。したがっていずれかの単
セル３１に不良が生じているセルスタック１１であって
も、その不良部分での発電が行われない分だけ発電能力
は低下するものの、不良部分がセルスタック１１全体と
しての発電能力を阻害するようには作用しない。

【００２０】以上のように、格子状に配置されるセルス
タック１１の空間Ｖに、この空間Ｖに面する４つのセル
スタック１１の各単セル３１の空気電極３１ｂに導通さ
せた状態で導電性フェルト２４を配置しているため、こ
のセルスタック１１の単セル３１に損傷が生じた場合で
も、この損傷を生じた単セル３１を持つセルスタック１
１からも導電性フェルト２４を介して良好な単セル３１
から充分に電力を取り出すことができる。

【００２１】なお、この実施例では４つのセルスタック
１１が臨むすべての空間Ｖに導電性フェルト２４を配置
したが、図３で示されるように４つ毎のセルスタック１
１により形成される１つの空間Ｖにのみ導電性フェルト
２４を配置するようにしてもよい。同様にセルスタック
１１が格子状以外の配列で配置される場合でも、最多数
のセルスタック１１が臨んで形成される空間に、セルス
タック１１の上部から下部まで、これらのセルスタック
１１の各単セル３１の空気電極３１ｂ側に導通するよう
に導電性フェルト２４を配置すればよい。また、この場
合も最多数毎のセルスタック１１により形成される１つ
の空間Ｖにのみ導電性フェルト２４を配置するようにし
てもよい。もちろん、セルスタック１１間の全空間に同
様の状態で導電性フェルト２４を配置するようにしても
よい。

【００２２】また、上記実施例においては、固体電解質
３ａの外面側を空気電極３１ｂ、内面側を燃料電極３１
ｃで挟み付けて単セル３１を形成したが、固体電解質３
１ａの外面側を燃料電極３１ｃ、内面側を空気電極３１
ｂで挟み付けて単セル３１を形成し、セルスタック１１
の外方に燃料ガス流路２２を形成するとともに、セルス
タック１１の内方に空気流路２３を形成するようにして
もよい。この場合、導電性フェルト２４は燃料ガス流路
２２側に配置されるため、その高温酸化が防止でき、こ
の導電性フェルト２４の長寿命化を図ることができる。

【００２３】

【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、その長手方向に複数の単セルが互いに電気的
に直列に接続された状態で形成されている多数のセルス
タック間に、このセルスタック間を外面側電極にて並列
接続する導電性フェルトを配置しているため、セルスタ
ックの所定のセル部に発電不良が生じても、この不良部
を導電性フェルトにより電気的にバイパスさせることが
でき、このセルスタックからその電力を充分に取り出す
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であるモジュールのセルス
タック周りの縦断面図である。

【図２】このモジュールのセルスタック周りの横断面図
である。

【図３】この発明の他の実施例であるモジュールのセル
スタック周りの模式的横断面図である。

【図４】従来のモジュールの断面図である。

【符号の説明】

１１…セルスタック、 ２４…導電性フェルト、 ３１
…単セル、 ３１ａ…固体電解質、 ３１ｂ…空気電極
（電極）、 ３１ｃ…燃料電極（電極）。

フロントページの続き (72)発明者 岩澤 力 東京都江東区木場一丁目５番１号 株式会 社フジクラ内 (72)発明者 山岡 悟 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 (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 固体電解質を挟んで一対の電極を形成し
   た単セルが、その長手方向に向かって互いに電気的に直
   列に接続された状態で複数形成されている筒状のセルス
   タックを多数備え、このセルスタックの内外方の一方側
   に燃料ガス、他方側に空気を流して発電がなされる固体
   電解質型燃料電池モジュールにおいて、 多数本の前記セルスタックが互いに平行に配置されると
   ともに、隣接するセルスタックの間にそれぞれの外面側
   電極同士を導通する導電材が配置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。