JPH081811B2 - 電極素子構造 - Google Patents
電極素子構造Info
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- JPH081811B2 JPH081811B2 JP60184961A JP18496185A JPH081811B2 JP H081811 B2 JPH081811 B2 JP H081811B2 JP 60184961 A JP60184961 A JP 60184961A JP 18496185 A JP18496185 A JP 18496185A JP H081811 B2 JPH081811 B2 JP H081811B2
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- Japan
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- electrode
- cell
- support tube
- porous support
- fuel electrode
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- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
- H01M8/241—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with solid or matrix-supported electrolytes
- H01M8/2425—High-temperature cells with solid electrolytes
- H01M8/243—Grouping of unit cells of tubular or cylindrical configuration
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
- H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
- H01M8/1231—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte with both reactants being gaseous or vaporised
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- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は電極素子構造に関し、特に円筒式固体電解質
型電極素子構造に係わる。
型電極素子構造に係わる。
周知の如く、高温固体電解質型電極素子構造は電解質
のイオン伝導度がアルカリ型，燐酸型及び溶融炭酸塩型
に比較して非常に低く、性能確保のためには薄膜化が避
けられず、現状10〜500μｍ位である。また、電極材料
としては、電解質，作動ガス等の条件からNiベースのも
のが選ばれているがやはり電気抵抗は大きく薄膜化が望
まれている。
のイオン伝導度がアルカリ型，燐酸型及び溶融炭酸塩型
に比較して非常に低く、性能確保のためには薄膜化が避
けられず、現状10〜500μｍ位である。また、電極材料
としては、電解質，作動ガス等の条件からNiベースのも
のが選ばれているがやはり電気抵抗は大きく薄膜化が望
まれている。
以上の理由により、まだ開発途上とは言え、第３図〜
第５図（従来例１）に示す様に円筒の多孔質支持管１に
陰極2,電解質3,陽極４をそれぞれせいぜい約300μｍ以
下の薄膜を重ね合わせた構造が主流となっている。な
お、図において、5a,5bは中間接続子、６は接続片を示
す。但し、第４図は第３図の丸印部分Ａを拡大したもの
である。また、他の従来のもの（従来例２）は、第６図
及び第７図に示す如く陰極２と陽極４とが逆になってい
るが、基本的には同じ構造となっている。なお、第７図
において、７は（固体）電解質、８は燃料極ギャップ、
９は中間接続子、10は空気極ギャップ（0.1cm）を示
す。また、第６図において、L1は0.1cm、l2は0.5cmであ
る。
第５図（従来例１）に示す様に円筒の多孔質支持管１に
陰極2,電解質3,陽極４をそれぞれせいぜい約300μｍ以
下の薄膜を重ね合わせた構造が主流となっている。な
お、図において、5a,5bは中間接続子、６は接続片を示
す。但し、第４図は第３図の丸印部分Ａを拡大したもの
である。また、他の従来のもの（従来例２）は、第６図
及び第７図に示す如く陰極２と陽極４とが逆になってい
るが、基本的には同じ構造となっている。なお、第７図
において、７は（固体）電解質、８は燃料極ギャップ、
９は中間接続子、10は空気極ギャップ（0.1cm）を示
す。また、第６図において、L1は0.1cm、l2は0.5cmであ
る。
そして、これらの電圧は単セルで0.6〜1.0Voltである
が高圧にするための素子として中間接続子5a,5b（又は
９）及び場合によっては、接続片６を設けて直列に接続
し高圧化を達成している。
が高圧にするための素子として中間接続子5a,5b（又は
９）及び場合によっては、接続片６を設けて直列に接続
し高圧化を達成している。
以下、従来技術の問題点について詳述する。
電極素子構造の性能は作動電圧でほぼ決まるが、それ
の電流密度との関係を第８図に示す。この図で電流密度
を増やして行くと損失分が増大し性能の低下していく様
子がわかるが、損失分は、エントロピー変化損失，陽極
活性化エネルギー損失，陰極活性化エネルギー損失，電
気抵抗損失，及びイオン移動抵抗損失など種々な成分に
分離され、かつそのうちどれが大きなウエイトをしめる
かは、電極素子構造の種類及び使用範囲により異なって
いる。
の電流密度との関係を第８図に示す。この図で電流密度
を増やして行くと損失分が増大し性能の低下していく様
子がわかるが、損失分は、エントロピー変化損失，陽極
活性化エネルギー損失，陰極活性化エネルギー損失，電
気抵抗損失，及びイオン移動抵抗損失など種々な成分に
分離され、かつそのうちどれが大きなウエイトをしめる
かは、電極素子構造の種類及び使用範囲により異なって
いる。
ところで、高温固体電解質型電極素子構造では、エン
トロピー変化損失，電気抵抗損失及びイオン移動抵抗損
失が大きいが、エントロピー変化損失は作動温度に大き
く依存しており、これの改善は望むべくもなく又逆に電
極素子構造からの排ガス温度が高くボトミングサイクル
での効率向上につながるので、欠点とは必ずしも見做さ
れていない。即ち、欠点は後者２点であり、電気（電
子）及びイオン（O-）移動に伴う抵抗損失の大きいこと
である。
トロピー変化損失，電気抵抗損失及びイオン移動抵抗損
失が大きいが、エントロピー変化損失は作動温度に大き
く依存しており、これの改善は望むべくもなく又逆に電
極素子構造からの排ガス温度が高くボトミングサイクル
での効率向上につながるので、欠点とは必ずしも見做さ
れていない。即ち、欠点は後者２点であり、電気（電
子）及びイオン（O-）移動に伴う抵抗損失の大きいこと
である。
ここで、この抵抗損失が大きいことの原因としては、
次の２点が挙げられる。第１は、材料そのものの抵抗が
大きい事。第２は、その積層構造から電流密度が均一で
なく全体として抵抗損失が大きくなる事。しかるに、実
用化が近いといわれている燐酸型及び溶融炭酸塩型で
は、かかる電流密度の不均一さはガス流れにより発生す
るが、それを制御する事により均一化可能である。
次の２点が挙げられる。第１は、材料そのものの抵抗が
大きい事。第２は、その積層構造から電流密度が均一で
なく全体として抵抗損失が大きくなる事。しかるに、実
用化が近いといわれている燐酸型及び溶融炭酸塩型で
は、かかる電流密度の不均一さはガス流れにより発生す
るが、それを制御する事により均一化可能である。
これに対し、円筒形状を持つが故に積層構造の概念が
異なる高温固体電解質型では、ガス流れをいかにうまく
制御しても第９図（従来例１）、第10図（従来例２）に
示す如く電流密度分布の不均一さが生じる。これが、従
来技術の最大の問題点である。以下、第９図及び第10図
について詳述する。これらの図は、あくまでも定性的な
もので、必ずしも正確でない。第９図では中間接続子の
中心を０度又は360度としては表わした。なお、同図で
（イ）は陽極（燃料極）の電流密度を、（ロ）は陰極
（空気極）の電流密度を示す。又、第10図では軸方向長
さを１として表わした。第10図で、０が陽極（燃料
極）、１が陰極（空気極）の方向を示す。又、パラメー
ターは、軸方向長さとし、現寸法より短い程（スタック
当りのセル数を増大させる程）平準化されることを示し
ている。
異なる高温固体電解質型では、ガス流れをいかにうまく
制御しても第９図（従来例１）、第10図（従来例２）に
示す如く電流密度分布の不均一さが生じる。これが、従
来技術の最大の問題点である。以下、第９図及び第10図
について詳述する。これらの図は、あくまでも定性的な
もので、必ずしも正確でない。第９図では中間接続子の
中心を０度又は360度としては表わした。なお、同図で
（イ）は陽極（燃料極）の電流密度を、（ロ）は陰極
（空気極）の電流密度を示す。又、第10図では軸方向長
さを１として表わした。第10図で、０が陽極（燃料
極）、１が陰極（空気極）の方向を示す。又、パラメー
ターは、軸方向長さとし、現寸法より短い程（スタック
当りのセル数を増大させる程）平準化されることを示し
ている。
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、電流密度
を平準化して従来より性能を向上し得る電極素子構造を
提供することを目的とする。
を平準化して従来より性能を向上し得る電極素子構造を
提供することを目的とする。
本願第１の発明は、多孔質支持管と、この多孔質支持
管の外側に順次設けられた空気極，電解質及び燃料極
と、前記電解質及び燃料極に設けられ、全周360゜のう
ち一部分が軸方向に全長に亘って欠落された欠落部と、
この欠落部に設けられ、前記空気極及び電解質に接する
とともに前記燃料極から離間する中間接続子とを有し、
前記多孔質支持管の内側に空気用流路が形成され、前記
燃料極の外側に燃料用流路が形成された第１の単電池
と、 前記第１の単電池と同一構造の第２の単電池と、 前記第１の単電池の中間接続子と第２の単電池の燃料
極とを接続する接続片とを具備する電極素子構造であ
り、 前記空気極の内周面と外周面の半径方向の厚さが前記
中間接続子に近づくにつれて漸増するように構成され、
かつ前記第１の単電池の燃料極の内周面と外周面の半径
方向の厚さが前記中間接続子に近づくにつれて漸減する
ように構成されていることを特徴とする電極素子構造で
ある。
管の外側に順次設けられた空気極，電解質及び燃料極
と、前記電解質及び燃料極に設けられ、全周360゜のう
ち一部分が軸方向に全長に亘って欠落された欠落部と、
この欠落部に設けられ、前記空気極及び電解質に接する
とともに前記燃料極から離間する中間接続子とを有し、
前記多孔質支持管の内側に空気用流路が形成され、前記
燃料極の外側に燃料用流路が形成された第１の単電池
と、 前記第１の単電池と同一構造の第２の単電池と、 前記第１の単電池の中間接続子と第２の単電池の燃料
極とを接続する接続片とを具備する電極素子構造であ
り、 前記空気極の内周面と外周面の半径方向の厚さが前記
中間接続子に近づくにつれて漸増するように構成され、
かつ前記第１の単電池の燃料極の内周面と外周面の半径
方向の厚さが前記中間接続子に近づくにつれて漸減する
ように構成されていることを特徴とする電極素子構造で
ある。
本願第２の発明は、多孔質支持管と、この多孔質支持
管の外側に順次設けられた燃料極，電解質及び空気極と
を有し、前記多孔質支持管の内側に燃料用流路が形成さ
れ、前記空気極の外側に空気用流路が形成された第１の
単電池と、 この第１の単電池と前記多孔質支持管の軸方向に沿っ
て隣接する、第１の単電池と同一構造の第２の単電池
と、 前記第１の単電池の燃料極と第２の単電池の空気極間
には密着して挟まれた中間接続子とを具備する縞型の電
極素子構造であり、 前記第１の単電池の燃料極は前記多孔質支持管の軸と
垂直な断面の面積が前記中間接続子に近づくにつれて漸
増するように構成され、かつ前記第１の単電池の空気極
は前記軸と垂直な断面の面積が、前記中間接続子に近づ
くにつれて漸減するように構成されていることを特徴と
する電極素子構造である。
管の外側に順次設けられた燃料極，電解質及び空気極と
を有し、前記多孔質支持管の内側に燃料用流路が形成さ
れ、前記空気極の外側に空気用流路が形成された第１の
単電池と、 この第１の単電池と前記多孔質支持管の軸方向に沿っ
て隣接する、第１の単電池と同一構造の第２の単電池
と、 前記第１の単電池の燃料極と第２の単電池の空気極間
には密着して挟まれた中間接続子とを具備する縞型の電
極素子構造であり、 前記第１の単電池の燃料極は前記多孔質支持管の軸と
垂直な断面の面積が前記中間接続子に近づくにつれて漸
増するように構成され、かつ前記第１の単電池の空気極
は前記軸と垂直な断面の面積が、前記中間接続子に近づ
くにつれて漸減するように構成されていることを特徴と
する電極素子構造である。
［作用］ この発明によれば、電流（電子）の流れる方向に流れ
る量に対応させて流路断面積を変化させること，具体的
には本願第１の発明においては空気極及び燃料極を適宜
偏心させ、また第２の発明においては中間接続子側に近
づくにつれて燃料極の厚みを漸増させかつ空気極の厚み
を漸減させた構成にすることにより、電流密度を平準化
させ、もって前記問題点（電子及びイオン移動に伴う抵
抗損失が過大であること）を解決できる。
る量に対応させて流路断面積を変化させること，具体的
には本願第１の発明においては空気極及び燃料極を適宜
偏心させ、また第２の発明においては中間接続子側に近
づくにつれて燃料極の厚みを漸増させかつ空気極の厚み
を漸減させた構成にすることにより、電流密度を平準化
させ、もって前記問題点（電子及びイオン移動に伴う抵
抗損失が過大であること）を解決できる。
以下、本発明の実施例を第１図（実施例１）及び第２
図（実施例２）を参照して説明する。
図（実施例２）を参照して説明する。
実施例１ 本実施例は、従来例１（縦縞模様型，スプリット型）
に対して提案したものである。
に対して提案したものである。
図中の21は、多孔質支持管である。この多孔質支持管
の外周には、中間子接続子側を厚くした陰極（空気極）
22が設けられている。この陰極22の外周には、電解質23
を介して接続片24と接する側を厚くした陽極（燃料極）
25が設けられている。ここで、前記多孔質支持管21と陽
極25はすべて円心円になっている。
の外周には、中間子接続子側を厚くした陰極（空気極）
22が設けられている。この陰極22の外周には、電解質23
を介して接続片24と接する側を厚くした陽極（燃料極）
25が設けられている。ここで、前記多孔質支持管21と陽
極25はすべて円心円になっている。
ところで、上記構造を形成するには、多孔質支持管21
及び陽極25をすべて同心円とした後、まず陰極22の外周
（電解質23の内周）の中心を上に偏心させる。次に、電
解質23の厚みを均一にするため、電解質23の外周（陽極
25の内周）も同様に偏心させる。次いで、陽極25である
が、先に述べた通り外周は偏心させずに薄膜を形成させ
る。従って、厚みは電子量に対応する事となる。
及び陽極25をすべて同心円とした後、まず陰極22の外周
（電解質23の内周）の中心を上に偏心させる。次に、電
解質23の厚みを均一にするため、電解質23の外周（陽極
25の内周）も同様に偏心させる。次いで、陽極25である
が、先に述べた通り外周は偏心させずに薄膜を形成させ
る。従って、厚みは電子量に対応する事となる。
しかして、実施例１によれば、陰極22は中間接続子側
を厚くかつ陽極25は接続片24と接する側を厚くした構造
となっているため、電流の流れる方向に流れる量に対応
して流路断面積が変化する。従って、従来と比べ電流密
度が平準化し電池の性能（作動電圧）を著しく向上で
る。また、これに伴い、ボトミングサイクルと組合せた
電極素子構造発電プントの向率も飛躍的に向上する。
を厚くかつ陽極25は接続片24と接する側を厚くした構造
となっているため、電流の流れる方向に流れる量に対応
して流路断面積が変化する。従って、従来と比べ電流密
度が平準化し電池の性能（作動電圧）を著しく向上で
る。また、これに伴い、ボトミングサイクルと組合せた
電極素子構造発電プントの向率も飛躍的に向上する。
なお、実施例１では、陰極，陽極等の断面が円の場合
について述べたが、これに限らない。たとえば、一方の
半周を真円、他方の半周を惰円としたもの、又は一方の
半周を放物線、他方の半周を惰円としたもの、あるいは
一方の半周を真円、他方の半周を放物線としたもの等が
挙げられる。即ち、断面を周心円の集合体としてとらえ
ずにフレキシブルに見て性能がもっとも良くなるように
円筒の切断面積を変えることにある。
について述べたが、これに限らない。たとえば、一方の
半周を真円、他方の半周を惰円としたもの、又は一方の
半周を放物線、他方の半周を惰円としたもの、あるいは
一方の半周を真円、他方の半周を放物線としたもの等が
挙げられる。即ち、断面を周心円の集合体としてとらえ
ずにフレキシブルに見て性能がもっとも良くなるように
円筒の切断面積を変えることにある。
また、実施例１では、多孔質支持管と電解質の夫々の
厚みを一定としたが、これに限らず適宜厚みを変えても
よい。
厚みを一定としたが、これに限らず適宜厚みを変えても
よい。
実施例２ 本実施例は、従来例２（輪切型，横縞模様型）に対し
て提案したものである。なお、第１図と同部材は同符号
を付して説明を省略する。即ち、本実施例は、第２図に
示す如く電解質23及び中間接続子26は従来通り同一厚み
とし、陰極22及び陽極25の厚みを軸方向に変化させた構
造となっている。ここで、前記陰極22及び陽極25は、例
えば夫々五角形である。
て提案したものである。なお、第１図と同部材は同符号
を付して説明を省略する。即ち、本実施例は、第２図に
示す如く電解質23及び中間接続子26は従来通り同一厚み
とし、陰極22及び陽極25の厚みを軸方向に変化させた構
造となっている。ここで、前記陰極22及び陽極25は、例
えば夫々五角形である。
なお、実施例２では、陰極及び陽極の形状を五角形と
したが、これに限らず、例えば三角形，円の一部，双曲
線の一部，放物線の一部，惰円の一部及びそれらの組合
せ等にしてもよい。
したが、これに限らず、例えば三角形，円の一部，双曲
線の一部，放物線の一部，惰円の一部及びそれらの組合
せ等にしてもよい。
また、実施例２では、電解質と中間接続子の厚みを一
定としたが、これに限らず、適宜変化させてもよい。
定としたが、これに限らず、適宜変化させてもよい。
以上詳述した如く本発明によれば、従来と比べ電流密
度が平準化し性能の著しく向上できる電極素子構造を提
供できる。
度が平準化し性能の著しく向上できる電極素子構造を提
供できる。
第１図は本発明の実施例１に係る電極素子構造の説明
図、第２図は本発明の実施例２に係る電極素子構造の説
明図、第３図は従来の電極素子構造の説明図、第４図は
第３図の部分拡大図、第５図は同電極素子構造の斜視
図、第６図は従来の他の電極素子構造の斜視図、第７図
は第６図の軸方向に沿う断面図、第８図は電圧と電流密
度との関係を示す特性図、第９図は角度と電流密度との
関係を示す特性図、第10図は無次元長さと電流密度との
関係を示す特性図である。 21……多孔質支持管、22……陰極、23……電解質、24…
…接続片、25……陰極、26……中間接続子。
図、第２図は本発明の実施例２に係る電極素子構造の説
明図、第３図は従来の電極素子構造の説明図、第４図は
第３図の部分拡大図、第５図は同電極素子構造の斜視
図、第６図は従来の他の電極素子構造の斜視図、第７図
は第６図の軸方向に沿う断面図、第８図は電圧と電流密
度との関係を示す特性図、第９図は角度と電流密度との
関係を示す特性図、第10図は無次元長さと電流密度との
関係を示す特性図である。 21……多孔質支持管、22……陰極、23……電解質、24…
…接続片、25……陰極、26……中間接続子。
Claims (2)
- 【請求項１】多孔質支持管と、この多孔質支持管の外側
に順次設けられた空気極，電解質及び燃料極と、前記電
解質及び燃料極に設けられ、全周360゜のうち一部分が
軸方向に全長に亘って欠落された欠落部と、この欠落部
に設けられ、前記空気極及び電解質に接するとともに前
記燃料極から離間する中間接続子とを有し、前記多孔質
支持管の内側に空気用流路が形成され、前記燃料極の外
側に燃料用流路が形成された第１の単電池と、 前記第１の単電池と同一構造の第２の単電池と、 前記第１の単電池の中間接続子と第２の単電池の燃料極
とを接続する接続片とを具備する電極素子構造であり、 前記空気極の内周面と外周面の半径方向の厚さが前記中
間接続子に近づくにつれて漸増するように構成され、か
つ前記第１の単電池の燃料極の内周面と外周面の半径方
向の厚さが前記中間接続子に近づくにつれて漸減するよ
うに構成されていることを特徴とする電極素子構造。 - 【請求項２】多孔質支持管と、この多孔質支持管の外側
に順次設けられた燃料極，電解質及び空気極とを有し、
前記多孔質支持管の内側に燃料用流路が形成され、前記
空気極の外側に空気用流路が形成された第１の単電池
と、 この第１の単電池と前記多孔質支持管の軸方向に沿って
隣接する、第１の単電池と同一構造の第２の単電池と、 前記第１の単電池の燃料極と第２の単電池の空気極間に
は密着して挟まれた中間接続子とを具備する縞型の電極
素子構造であり、 前記第１の単電池の燃料極は前記多孔質支持管の軸と垂
直な断面の面積が前記中間接続子に近づくにつれて漸増
するように構成され、かつ前記第１の単電池の空気極は
前記軸と垂直な断面の面積が、前記中間接続子に近づく
につれて漸減するように構成されていることを特徴とす
る電極素子構造。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP60184961A JPH081811B2 (ja) | 1985-08-22 | 1985-08-22 | 電極素子構造 |
| US06/899,110 US4699852A (en) | 1985-08-22 | 1986-08-22 | Fuel battery |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP60184961A JPH081811B2 (ja) | 1985-08-22 | 1985-08-22 | 電極素子構造 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS6244959A JPS6244959A (ja) | 1987-02-26 |
| JPH081811B2 true JPH081811B2 (ja) | 1996-01-10 |
Family
ID=16162375
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP60184961A Expired - Lifetime JPH081811B2 (ja) | 1985-08-22 | 1985-08-22 | 電極素子構造 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US4699852A (ja) |
| JP (1) | JPH081811B2 (ja) |
Families Citing this family (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5273839A (en) * | 1989-07-28 | 1993-12-28 | Ngk Insulators, Ltd. | Fuel cell generator |
| JP2790666B2 (ja) * | 1989-07-28 | 1998-08-27 | 日本碍子株式会社 | 燃料電池発電装置 |
| EP0419163B1 (en) * | 1989-09-18 | 1995-01-11 | Ngk Insulators, Ltd. | Fuel cell generator |
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1986
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
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