JPS60100376A

JPS60100376A - 燃料電池

Info

Publication number: JPS60100376A
Application number: JP59214033A
Authority: JP
Inventors: アンソニイ　ブイ．フライオリ
Original assignee: US Government
Current assignee: US Government
Priority date: 1983-10-12
Filing date: 1984-10-12
Publication date: 1985-06-04
Also published as: JPH0447951B2; US4510212A

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】燃料電池は基本的には、水素又は炭化水素燃料とオキシ
ダン１−を接触反応境界内で化学的に化合さけて、直流
電気出力を発生さＵるガルバーニ電気エネルギー変換装
置である。燃料電池の成る１つの形においては、陰極物
質がオキシダント用流路を形成し、ｖＡ極物質が燃石用
流路を形成し、その１ｌｊＪ極物質と陰極物質とを電Ｆ
ｌ′ｉ′黄が分離させる。、！ｌＪ！型的にはガスであ
る燃料とオキシダントが、お互いに分離された電池の流
路を）眠続的に通過し、その燃料電池からＪＪＩ出され
た未使用の燃わ１とＡキシグントからは、その電池で生
しＩこ反応生成物と熱とが除去される。その燃料と′Ａ
：１シダン１へは供給物だから、典型的には燃１’ｌ　
電池それ自！１の一体部分としては考えられない。

本発明が直接適用可能性を持つ燃料電池の型は、燃料電
池の中で電解質が固体状態であるような、固体電解￥１
１燃料電池、又は固体酸化物燃料Ｉ池としＣ知られてい
るものである。この固体酸化物燃料電池においては、燃
わ１凄しで水系又は高次炭化水素が使用され、オキシダ
ンｌ−として酸素又は空気が使用され、この燃料電池の
作動温１哀１；ｌ：　７００・へ・１１００℃である。

固締（０電（−）において、水素が酸化物イオンど反応
りると電ｒをＴＩ離して水を発生し、陰（徊Ｃ酸素が電
子ど反応りると効果的に酸化物イオンを生成Ｊる。イれ
らの電子は陽極から適切４１′外部負？１？Ｊを通っ゛
℃陰極へ流れ、酸化物イオンがそのｆｆｉ　ＩＩ／ｌ！
質を通って移動づることにより内部的に回路が閉じる。

電解質は電子の流れに対して陰極と陽極を互いに隔離す
るが、酸素イオンは陰極から陽極へ流れることができる
。従って、陰極と陽極での反応は次の通りである。

２陰極　１／２０　＋　２６−−＋　Ｏ・−（１１１！ｊ
！極　１−１２＋Ｏ−）　ｌ−１２０＋２［！−−−−
（２）全体的な電池反応は、ｆ−ｌ　＋　１／２　０２　→　Ｉ−１２０・・・（３
）水素に加えて、３５０℃以上で蒸気に暉ずことにより
改質したメタン（ＣＩ−１，）のにうな炭化水素から燃
料を引き出づことができ、これは最初に一酸化炭素（Ｇ
ｏ）と３分子の水素とを発生覆る。水素が消費されるに
つれて、反応の進行が次式により起る。

ＣＯ＋　＋−＋２Ｏ→　ＣＯ２＋　１−１２　・・・（
４）この電池における炭化水素の全体的反応は次式で示
される。

ＣＩ−１，＋　２０２　→Ｃ’Ｏ，−１〜２１１□０　
・・・（５）イの変換は電気化学的であるので、カルノ
ーサイクルの熱的制限は免れる。従って、燃１３１熱土
ネルギーを電気出力に変換する際に５０９６をこえる範
囲の効率が理論的に１ｑられる。これ（３１，１１・を
通の）”　ｒ−１２ル」、メタンをも含む同様な燃料変
換を利用した同等の熱（層間よりずっと高い１゜電解？
ｑ　ｔ；＋、燃オ８１ど′、Ａ１−シダン１−ガスをお
互いから隔離し、同前に、電解質を横切ってイオン移動
とｔｒｉ　１．’：ｔ−の増大’ａｉｉＪ　１ｌｌｕに
づるにうな媒体を勺える。電極（陰極と陽極）は、燃料
電池内で電流を電池の端ｒへ内部的に移動さＵる流路を
与え、この端子はさらに外部負荷へ接続される。各電池
を横切る１Ｆ１１１’ｌ電圧は最大０．７ボルトのＡ−
ダであるので１イｉ川ｆＪ４Ａ荷電圧を１７るために個
々の電池を電気的に直列に配置しな【ノればならない。

４１’、Ｉ　！ｌ接続物７１により隣接電池間に直列の
接続がｔｓなわれ、この相互接続物質が燃料どオキシダ
ントガスをｉｌＪ　Ｉ：ｉいから隔離するとともに、−
力の７Ｉｉ池の陽極を隣接りる電池の陰極に電気的に接
続りる。活性の電気化学的な電気の発生は燃わ目り池の
電ｖＲ買部分を横切ってしか生じないので、電池間に直
列の電気的接続を行なうために陰極と陽極どの間の相互
接続を分１’！Ｉｆづると、燃料電池の−での部分は電
気を発生１．／　＜ｔ　くなる。

各電池を形成づる電解質壁面積（ご対りる相互接続のバ
ーレンテージが、もしｉ！′Ｓりれぽ、そのような燃料
電池の１ネルギー、即ち出力密度を大きく低下させるこ
とになる。

反応物質（燃料又はＡキシダンｌ−）が電極を通って電
解質へ拡散づることも、電池の性能を制限する。燃料と
Ａキシダン１〜は、それぞれの流路内の流れから電解質
を通って反応場所へ拡ｉｉ’ｌ　Ｌ／な（づればならな
い。燃料とＡキシダン１〜は電極を通って電解質へ拡散
し、ガスと電極（陽極又は陰極）と電解質との三相境界
部の所（又はその近くで）反応し、ここで電気化学的変
換が生じる。燃料ガスの水素の分圧は燃料流路の長さに
沿って低減し、燃料流路の下流端又はイの近くで低電圧
が発生ずる。

その燃お１から多聞の１ネルギーを熱的にかつ電気的に
引き出づことができる（：ｌれども、その燃料灰θＡキ
シダン１〜が完全に消費されてしよう稈に１−ネルギー
を引さ出りことは、本来効果的ではｔＪ′い、、’ｆ４
’Ｌｔよ電池電圧の総出ツノの点からも木′ｉ１的に右
列Ｃは４ｆいのＣ１この燃料電池内の燃１′８１の完全
／ｆ変換（よめられない。１個の電池の」局舎ら、力＼
電流でｊす！続りる何個かの電池の場合も、即論１．　
（７）　ｈｋ高電圧は、この電池に沿って減退りる。ｔ
、’ｔ、つ（、実際の燃わ１電池は燃料の８０〜９０％
だ＋ｌｆ　ｌ、、か消費しない、、なぜなら、水素が塩
１′＋１ガスの５％以下になると、その電池電圧が急ｉ
ｆ！６に１１（Ｆするからである。燃料が消費されるに
′）れ（電池の最大電圧が低Ｆり゛ることは、重２一時
制限事ＩＩ′ｉ′ｒ：ある゛。

提案され（−いる　）すｌの固体酸化物燃１′！１電池
（よセラミック支持管を利用し、１′Ｕ４極（陽極と陰
極）及び電解質がイの支持質・土に層どして形成さ′４
する。−ての支１ｄ７７ｆτは密閉ハウジング内に閉じ
こめられ、燃料どＡ−１シグン１〜がハウジングへ多岐
管ＣｊＸられ、反応生成物は必要に応じてハウジン゛グ
から取出さｔｒる。層の形成次第で、燃わ１が支持管の
内部を運ばれ、Ａキシダントが支持管の外部を運ばれる
（又はその逆となる）。実際の燃オ′；１電池コニツ１
〜は、外部ハウジング内に支持されＩζ多くのそのよう
な質で構成され、マニホルド装置がそれらの管の近くへ
燃利とＡキシタントを別々に導く。

典型的４Ｔ支持包・はカルシウムＣ安定化さけたジルコ
ニア（７「０２ｉ−Ｃａ　Ｏ）で形成され、陰極はりｕ
型面には支持管の外面に適用され、亜マンガン酸ランタ
ン（＋、−ａＭｎ’ｏ３）の形をとり、電解質は陰極の
一部分の」ニに層をなし、例えばイツ１〜リアで安定化
させたジルコニア（Ｚ　ｌ＝　０２＋　ｙ２ｏ、＞で構
成され、陽極は電ｌＩ？質の」−に層をなし、例えばコ
バルトイブ１−リアＣ安定化さ１！たジルコニアサーメ
ット又は混合物（ＣＯ」〜Ｚ　ｒ　Ｑ、＋　Ｙ、Ｏ，）
　／）ｕら成る。、Ａキシダン１−はかような構成の管
の内部を流れ、燃利けその管の外部を循環する。、隣接
電池と直列接続をなす電池部分では、電解質と陽極の代
りに、この位同の陰極のトに隣接電池の陽極と接触部る
だめの相互接続層が形成される。この相ｎ接続層は例え
ば亜り【１ム酸ランタン（ｌ、、　ａ　Ｃｒ　Ｏ，）か
ら成る。

この秤の燃ｔｌ　Ｘ’ｌｆｆ池を形成覆るために、支持
質は１０１度の多孔（４１をし−）（形成されねばなら
ない。

４０％の多孔度ｅもっ（さえ、成層をなした陽極と陰極
は人さ／、ｒ　ｌ＋１．ｔ　ｌｉｋ陣害を示′ｔＪ、、
電流密度が高くなるど拡１１９．Ｒ１人（，１急激に非
常に増大し、電流ひいＣ【、目１１力ｋＴ制限を加える
ことになる。支持質の最小」法は直径約１ｃｍであって
、側壁の！ｆみは約１１１１１１１で’ある。この支持
色゛の芯装置の制限要素は通路の長さひあって、電流が
陰極と陽極とに沿−）で通過し、それににって大きな電
気抵抗Ｉｎ朱を・引き起りはどの長さである。これを最
小限にりるＩこめの１つの努ツノにＪ３いては、それぞ
れの管の長さを短縮し、お互いに端部を重ね、連続りる
（１′Ｉぞれの管の＋！ｌｉ極ど陰極どを相Ｉ７接続物
貿Ｃ直列に相互接続づるＪ、うにする。

これにＪ、す、燃ｉｌ＋及び、／又はＡキシタン１−が
通過する管が゛１木シ二なり、直列に相互接続された飼
′々の管の総数／Ｊｌ　ｆう４ｒる累積した高電圧が直
列接続に、Ｊ二りノトじる。電流は燃わ１及び、／又は
Ａキシダン１〜の流れる方向と一致して、即ち管の形に
対して軸方向へ流れる。

互い違いの構造体（ａｌｔｅｒｎａｔｅ　５ｔｒｕｃｔ
ｕｒｅ　）は、例えば内部陽極に接続しｌ：：　管の弦
弧部分で電気的相互接続がもたらされる。イれによって
、隣接管はお互いに接線状に積み重ねられ、陰１かと陽
極の直列配置を形成づる。電流は陰極及び陽極物質に沿
って周方向へ流れ４Ｔりればならないので、大きな電気
抵抗損失が生じる。

固体酸化物燃料電池に関するしう１つの問題は、電極物
質と相互接続物質と電解質との間、及びこの構造体に使
用される多孔性支持１１間の熱膨張と収縮の差である。

それらの月別の同右の熱膜１１ｉ　（ｆ＋数のバランス
をとる努力はなされているけれども、特に、様々の材オ
゛８１による層構造の８檗をもつ接触部分にａ３い−Ｃ
は、熱膜１１１ｊ係数に僅かな差があってさえ問題とな
る。スタート時の熱の振幅が非常に大きく（２５℃から
７００〜１０００℃の間）、それＪ、り小さい周期的な
熱の振幅（７００〜１０００℃の間、或いはその電池の
出力１ノベルか変化りる時にはそれ以」−と＜、Ｅる）
がかなり人さくしかし頻繁なので、熱膨張差は１つの間
シ１１）ど４する。か＜　Ｌ、　−Ｕ　、複合図（１１
！造体は、熱膨張にＺ′がある時には差をしって歪み、
それらの層が７ｊいｉε分饋し易＜　’ｅＫる。

−でこＣ１木発明（，１改良型燃わＩ電池構造体を提供
づる０のであり、この燃１３＋電池構造体は、電解質の
薄層を陰極物質層と四極物質層との間に挾み込んだ複合
型１ｌＩｖ賀壁構迫体をイラし、更に、相互接続物質と
支持物質の薄い複合層を陰極物質層ど陽ｆ極物賀層との
間に挾み込んだ複合相互接続壁構造体を（Ｔ　Ｉ、　’
Ｕいる。複数の電解質壁構造体は通常平面形状を有し、
互いに通常平行で隔１１′？された関係で・出メ（Ｉ−
り芯内に配置される。。

複数の相乃接続５ＪＨ’ｒ　ｌ昌）ｂ体は波形で、それ
ぞれ１；１電Ｗ（質９中の各隣接列の間を仲良し、燃料
と７Ｉ４シグントガ−スを通りのに適した独立した複数
の平行イ【流路からなる配列あるい４Ｊ階層を形成覆る
。

本発明の草木的目的は、使用するｈＡ料の熱膨張の差に
Ｊ：る悪影響を最小限にした改良型の燃料電池芯構造体
を提供づることである。ブなわら、個々の相Ｕ接続壁と
隣接型ＦｆＮ１壁どの間に、隔置された平行な線状接触
が形成され、平行な複ｖ１．流路からなる階層はそれら
の流路を万いに交叉させるように互いｊηいに配列され
、これによって、同−電解質壁の両側の相互接続壁の線
状接触は成る間隔をおいた点状位置ぐ交叉づる。

これは、電解質壁と相互接続壁どの間に、これらの間隔
をおいて点状位置のみで、しっかりした機械的接続をも
たらし、かくして、電Ｆｌ’ｌ’￥′ｉ壁はこれらの接
触以外では機械的に拘束されることはない。

本発明のもう１つの目的は、■１池の芯にある流路の積
み重ねた階層配列への燃お１とＡキシダンｌ−ガスの分
流装置を提供づることであり、この場合の各階層のＦｔ
数流路はＨいに平行をなづが、互い違いの階層にある流
路は１７いに交叉づる。

本発明のもう１つの目的は、相互接続壁構造体を提イ１
（リイ）ことＣあり、この構なコ体は、不活性支持物質
とこの支持物質を通しで伸びる相ｎ接続物ＴＩからなる
多数の小プラグの７１−リツクスと／）＋　＋うなる連
続層によって、また、支持物′ｊ１層をリント−ｒツブ
状に挾み込みかつ相互接続物質のプラグにより電気的に
接続されている陽極物ｙ！１と陰７１７物賀の薄層によ
って形成される。前記不活性支持物質層は、相互接続壁
の厚みの２ヘ−９８％、１ニすることによって、その壁
の穴！ｔ　１ｔｔｊ　ｎ［ｉを調節し、でれ１．：、　
、Ｊ−）Ｃ予想される熱膨張差ににる悪影響をＩ１１小
限にりる。

本発明の一層ｎＴ細な［１的は、燃料電池の引立（技術
をＩｌｉ’−Ｉｆいｊること（：ＬＩ５６゜′！１′な
わら、電解７！１檗４：’＋　ｉｉｌ　（ＡＩＪ′８々
、１（λ極物質と電解質と陽極物質どをｊ７い（・二？
ｉ’ｉ　ｔｌ／ｉＬ／　ｒ形成される。４１　ＬＥ接続
壁構ｊ告休体各々、相互接続物質からなるプラグを詰込
んだ不活ｆ（１支１１１物Ｙ１を陰極物質と陽極物質ど
どしに積層しで形成さ１′する５、相互接続壁構造体（
，１襞をイ・Ｈノら４ＮあるいはＪｌｉり畳まれ、平た
い電解￥１壁４７１′、　路体十に載置されて第１の電
池階層を形成し、更に同じような電池階層を互いに中ね
（多階層の電池組立体を形成りる。次にその引立体を加
熱してイれらの物質を一緒に融合し、剛直な」法の安定
した芯を形成りる。流路が互いに交叉するように互い違
いに電池階層を配置づることにより、隣接づる電池階層
の電Ｗ？貿檗構造体と相互接続物質）外体との間ＧＪ、
間隔をおいて位置Ｊる点状融合接触領域のみぐ接続され
るようにして、熱膨張の差ににる悪影響を最小限にづる
。

発明の名称を「単−芯をイｊ−Ｓｌる固体酸化物燃料Ｙ
ｉ池」と称づる、発明者ジョン　ビー、アツ７Ｊ−マン
とジョン　イー、゛＼νングによる本願と同日出願の米
国特許出願には、電気化学的反応にＪ３い（活１１な材
オ′８１だ（〕で成る単−的に形成された芯が示されて
いる。これは、この芯の電解？１璧と相互接続壁がイれ
ぞれ、電ｌ］ｖ″Ｉ４物貿の両側に、或いは相互接続物
質の両側ｔこ積層された陽極物質と陰極物質とだ【ノで
形成されることを意味づる。これは、非常に薄い物質層
と非常に薄い複合、ぶｉｔ、？どの使用を何曲にづる。

この幼い複合８甲１．Ｊ小、きい複数の流路を形成゛す
るＪ、うに付形づることがＣ′さるととしに、流路を通
るガス流１ごＪ、リノ１しる流体１１−と、亙いに積み
車ね１．−８壁の千１ろにＪ、る機械的応力とに耐える
Ｊ、うな十分な一体１ｉ’ｊ　７１４イｊ　シ（いる。

これによっ−Ｃ１燃オ′８１　ｊ’ｌ、ｉ　１ｉｌｌの
１１法と中早とを小さくＣきるため、燃わ１電池の出力
密度を効果的に増強りる。

発明の名称を１固体酸化物燃オニ８１°市池用のＬｌｉ
　−芯の製造ｙＪ法、１ど称りる、発明右スタンレー−
１で、ツビックとジョン　ビー、アッカーマンにＪ、る
木１１イｉど同１１出願の米国特許出願には、芯Ｂ！の
端部方向に、即〕５ぞのだ、壁により形成される流路を
−ｉ１’、ｉ線とｈるツノ向に相互接続基壁と電解７１
壁どをイ′するために、醐極物にとｒ２極物Ｖ（と電解
７＋１物７゛１ど相シｉ接続物７′１どの各々を反１０
Ｌ／’を順次付盾さＩＬることが示されている。芯の断
面全体にわたって名々別の物＜Ｔの各イ」着が別々に同
１１！Ｉに１１られ、でれＬ二Ｊ、って、燃１′８１及
びオキシダント用流路の複７１［な形まＩこは断面が、
規則的または対称的な断面を作るのと同じ位簡甲に作ら
れる。

発明の名肋１を「平行なカス流をイｊづる燃料電池芯の
一体的マニボルド構造」と称づる、発明者ジ」レフ　イ
ー、バーレグにＪ、る本願と同日出願の米国特許出願に
は、燃料とＡキシダン１〜ガスを芯の平行流路へ導く装
置が示されでいる。

８壁は規定された芯流路の開放端をこえて突出し、隣接
覆る上の相互接続壁と下の相互接続壁との間Ｃ３Ｌぼ中
間で（れに平行に配置され、壁の両側でそれらの壁の間
にマニホルド室を形成づる。流路を形成Ｊる各電解７（
壁は、対応づる燃料とＡキシダンＩ〜の流「）１をこの
中間壁の上又は下の（れぞれのマニホルド室へ再び導く
ために、芯５！に混成しかつ−でれに接続されるＪ、う
にイ」形される。燃料とＡキシダン１〜ガスを芯へ運び
、ぞれらの＜ｒ酸物を芯から放出覆るために、これらの
別個のマニホルド室には入口接続部と出［１接続部とが
それぞれ作られ”Ｃいる。

発明の名称を［単−交叉流の芯とマニホルド・装置とを
白する固体酸（し物燃ｉ１１電池Ｊと称づる、発明１！
ｊ　＋、＋シト−ビー、ペラベルとジ−＋１フテイ、デ
ー１１？りにＪ：る本願と同日出願の米国特襲′］出願
には、燃オ′３１流路とオキシダントガス流路が互いに
交叉状に伸びている単一芯構造体が示され、そ十ｌにＪ
：　−）　（、これらのガスとその反応生成物のための
芯金面のマニホルド作用が達成′ｃ込る３、この芯（１
１１造イ４−は、８燃わＩ流路を陽極物質だ（］Ｃとり
巻さ、陰極物質だけで各オキシタン１〜流路をとり巻り
Ｊ：うに４【ってい（、名陽極物￥１及び各陰ｌｊ物′
ビ１は更に、電解質物質と相互接続物７′１どの間（・
、間１ｆｔ”４をＪ３い又位１６１８剣向側Ｃ（ノンド
イツブー状に挾まれる。これらの複合陽極および陰極壁
構造体は更に、互いに互い違いに積み重ねられ（別個の
電解質物質又は相互接続物Ｙｌｔは、９１遍１１り的’
Ｊ　ｂの℃・は、単−共通府ぐある〉、−てれにＪ：つ
て燃わ１流路とオキシタン１〜流路がＴｉいに交叉りる
ように配置さ４’ｌる。

″第１．２図は本発明の燃１′８１電池１０を示し、そ
の芯１１が絶縁体１２の内部にあって、その絶縁体にＪ
、り包囲されている７、芯１１は中心電極部分１５と、
成る間隔をａ′３いＣ位置づる端部７ニホルド部分＜１
６．１７，１８．１９とを右する。流路２０，２２は、
マニホルド部分１６．１８との間を芯１１の中心電極部
分１５を通って伸長し、流路２１，２３は、マニホルド
部分１７と１９との間を芯の中心電極部分を通って伸長
づる。

特に、個々の流路２０．２２は万いに平行をなし、流路
２１，２３も互いに平行をなず。流路２０．２２は流路
２１．２３に対１ノで交叉りる。図示の例において（Ｊ
、流路２０，２２と２１．２３は、一般に間隔をおいて
位置りる平行な電解質壁２４（第１図参照）と、電解質
壁２４の隣接りる対の間を伸びる波形に折り畳まれｌζ
相互接続壁２６．２７との間に形成される。

流路２０〈及び２１〉は各々その相互接続壁２６（及び
２７）の上方【こあり、流路２２〈及び２３〉は各々そ
の同じ相互接続壁の下方に位ｎｌる。芯の流路配列にお
いて、流路２０゜２２の各４１１合１！は１−）の階層
２８を形成し、流Ｆ８’２１　、２　、’３　ノ各相合
Ｌ！　ハ１−）　１７）階ｔＦｉ　２９を形成づる。、
流路２０．２１，２２．２３の各々は、ガスの流れん向
にみた時、はぼ放物線の形を有づる。

図示の燃λ′：１電池においては、芯の中心電極部分１
！コにある７’７い）〃いに配置された階層（流路２０
．２’２に・）いＣは２８、および流路２１゜２３につ
いＣｌ；、Ｌ　２９　＞は、！ｌいに上下に積み重ねら
れ、か−＋　１．７いに横Ｉノ向に同一の広がりを有す
る。しかしｔ、ｒがら、人口マニホルド部分１６にｌ３
りる流シ゛）１の流れ／ｊ向の各階層２８（及び２９）
は中心ｆｆｌ　ｌｌｉ部分′１５をこえ（突出し、他ツ
ノの階層２９（及び２Ｅ３）は中心芯部分の辺縁０）１
イ’Ｌ　１ＦｉＣ−柊わ−）くいる。かくし”Ｃ、マニ
ホルド部分１Ｇ（及び１７）（・の階層２８（及び２９
）は、通、′ｉ’＋　ｌＩ！Ｉノ°ＪＬ／）階層２９（
及び２８）が占める距１１１ＩＩ　／ごり、−ｎいｌこ
ＩｊＪ隔を置いて配置される。流路の間！Ｉｋ喘近くひ
、かつて−れぞれの階層を形成する電ＦＩ′ｉ′！′ｉ
檗２４の隣接対の間に形成されたこれらの空間は、ガス
を流路へ分流りる手段としで働く、。

マニホルド配置の構造に関していえば、４０Ｕ接続壁２
６（及び２７）の上に位置づる各階層の電解Ｎ壁２４は
、電極部分１５とマニホルド部分１Ｇ（及び１７）との
間の近（で終わっており、その相互接続壁２Ｇ（及び２
７）の下に位置づる各階層の電解質壁２４は、このマニ
ホルド部分の幅を横切って約半分の位置まで、流路の方
向の一直線上に電極部分をこえて伸長づる。イの後、そ
の電解質壁２／Ｉは隣接Ｊる同−型の階層の上側まで空
間を横切り、そしてこの隣接階層の相互接続壁に接触し
、この隣接階層の一部どなる。これにＪ、って、流路２
０と２２（２１と２３）に対して横断方向へ伸長りる２
個の分鰹１したマニホルド室３０と３２（３１と３３〉
が形成される。電解質壁の十に位置でる部屋３０（及び
３１）は、直接露出した相互接続壁２Ｇ（及び２７）に
ある縦溝を介して、その下の階層の上部流路２０（及び
２１）に開口づる。−プｊ、電解２４壁の、」−にある
部屋３２（及びご３３〉は、１Ｉ１１ｆ２露出した）［
１亙接杭壁にある縦溝を介１）（での土の階層の下部流
路２２（及び２３）に聞１１！Ｉる。

側ら！ζ３（３（及び３９）は、部屋３２（及び３３）
の聞／１５１側を閉鎖し、側壁４０（及び４１）は部屋
３０．３２（及３１．３３＞の開放端を閉鎖りる。１独
立し！、：ダウ１−４６．／１．フは、流路Ａ３　、Ｌ
びマニホルド室の近くの電解質壁と交叉づる方向へ仲良
りる１、２木の独立したダクｌ−／１．６　。

／１７はマーホルト室３２．３３どそれぞれ連絡し、１
木の垂直ダクト４９は両マニ小ルド室ご３０．３１ど１
Ｉｌｊ絡Ｌ・、イの各々の連絡は、タフｈ４６．４７．
　／ｌ　ｒ）及び適切な側壁７ＩＯ，４１にある適切’
ｔｔ　１ｆｉｌ　ｌ１（図示Ｕず）を通１．　を行＜ｇ
われる１、燃４′１とオニ丸シダン１〜ガスを燃わｌ′
ｒｒｉ池へ運ぶために、ダクト／１６．４７は流入管５
０に接続し、ダクｌ−／ｌ　９１．１流入管５２に接続
づる。

図示の燃オ′ミ１電ｉｌ！！にＬｉ２いては、１の階）
Ｃ１の相互接粒枯？２　Ｃ３＜及び２７）の上側に位置
する流路２０（及び２１）の全部は燃オ′」ガスを通す
ために使用され、その階層の相互接続壁の下側に位置づ
る流路２２（及び２３）の全部はＡキシダントガスを通
づ゛だめのものである。流路２０゜２１は陽極電極物質
６０（第４図）だりで形成され、これが燃＋１３１を受
入れるように作動−する流路の露出壁を形成し、一方、
流路２２．２３は陰極電極物質６２だ１ノで形成され、
これがＡ−１シダンｌ−を受入れるにうに作動する流路
の露出壁を形成する。陽極物質６０は、電解質物質６４
の薄板即ら薄層により、芯内の成る位置（電解質壁２４
）で陽極物質６２から分離され、電解質壁２４づ゛なわ
ら“°電池″を形成覆る。燃料とオキシダントが存在覆
る時、これらの電極６０と６２との間でこの電解質壁２
４を横切って電位が生じる。この電位は、陽極流路２０
゜２１内の燃料と陰極流路２２．２３内のΔキシダン１
−とが電解質６４を横切り（電気化学的に化合Ｊる時に
生じる。電圧（，１、陰極と陽極の各電極組合Ｕ物（即
ら電ＩＩ？賀壁２４）に灼しＵ　ｔｉｔ小さく、−１ｉ
ｔシに　１．０ポル１〜以下で・あり、こねらの電極か
ら夕１部電流が引扱かれる時にはこの電圧（、Ｌ低１・
りる。

芯内の他の位ｎ（相１１接続壁２６，２７）Ｐは、陽極
物：Ｐ、＋　６０と陰極物質６２とは、不活１！４支持
物Ｙ’ｉ　６６の薄層即ス）薄板により分離され、相互
接続物ｖ１から成る複数個の小さなプラグ６８が支持物
？１を通−）′（伸１％　ｌ）、これは陽（！：６０ど
陰４４　Ｇ　２のリンドーイツチ層を電気的に接続部る
。Ｊｌｌ　、！、７１１ｉ続１勿（′ｉの小さなプラグ
６８は、相互接続壁２６，２７の全体面積にわｌζつで
均一なマトリックス状に配置される。これらの相Ｕ接続
壁２’Ｃ３，２７は、燃料とＡキシダン１−ガスを互い
にＩｌｌ；４部１１ツ、父、１個の電池の陽ＩＩＩｊ電
１６に６０どそれに隣接する電池の陰極電極６２とを電
気的に接続さＵるＩｆｌｌＩきをりる。こ１０ＪよつＣ
１隣接電池どの直列回路が作られ、−てれ１．、二Ｊ：
つて、個々の電池の小さ′／、１電１１電送１に蓄（＾
りる。

゛側ＩＡ！　”Ｒ’Ｌ’−２／ｌの陽極６０と陰極６２
とは、その両側に閉じ込めら１１１．燃オ”≧１とＡキ
シダン１−ガスどが電気化学的に化合できるのに必要に
稈瓜に多孔性ひあり、一方、電解質６４と相互接続壁２
６．２７（不活性支持物質６６と相互接続プラグ６８の
両方）は不透過性Ｃあつく、燃料どＡキシダン１〜ガス
をＨいに物理的に隔間１りる助さをづる。同様に、電解
質６４は、その両側に配置べされた陽極６０と陰極６２
どの間のように、電子的に非伝導性Ｃあるが、燃料と刺
キシダン１−とが存在りる時は、電解質は陽極と陰極と
の間にイオン伝導性をもたらり。更に、＋ａ電極　０と
陰極６２は両方とも導電性Ｃ−ある。他方、各相互接続
壁はその両側にある陽極６０と陰（へ６２とを電子的に
接続し、隣接電池がｎいに直接接続したＪ：うにみせか
け、同１１４に酸素イオンの移動を遮Ｉｉ　する。

かくしで、図示の実施例においては、主パイプ５２とダ
ク］−４９は、気体燃料を陽極として作用りる流路２０
．２１を）ｍし−て）Ｚコれるように、マニホルド室３
０．３１へ運び、主パイプ５０とタクト４６．’１７は
、Ａキシグンｉ〜を、陰１蔽どして作用りる流路２２．
２３を通って流れるように、マニホルド！３２．３３へ
運ぶ。流路２Ｃ３，２２からの仝″での未消費の即ち残
りの燃料及び反応生成物とＡキシダン１−とは、マニホ
ルド室１８へＩＪＩ出さｔｌ、流路２１．２３からの全
ての未消費の即ち残りの燃料及び反応生成物とΔキシタ
ントは、マニホルド室１９へ排出される。これらの１−
酸物（，１ダクｔ−７０，７２により燃ＩＩ電池から／
１々１１旨３′４する。

多くの恐らくは故百個をこえる直列接続の陽極−陰極電
池引合１体がこのＪ：うにして提供される。芯１１の最
ム外側の相互接続部（即ち隣接電極）（，１導電体を介
して燃ＩＩ電池の外部端子７４．７！３に電気的に接続
し、それらの端子に蓄積電気出力をりえる。第３３図に
は、端子７４と７５どの間を接続づる導電体７６．７７
と、接触子Ｅ３０の所の最上位電極と、接触子８１の所
の最下位電極とを概略的に示１）でいる。接触子８０　
、　（３’１　ｔ、１．　、接触子の酸化を最小限にり
る１、：めに、ｊ■元１１９間気を！ｊえる燃わ１流路
内に配置するのが好ましい。更に、各接触子８０．８１
は、多くの柵い剣毛突起即ち接点を右づるブラシ状の形
とすることが好ましく（第４図参照）、これらの多数の
突起が最上位及び熾下位燃１′８１流１１８２０．２１
の電極６０と接触し、同時に、熱膨張差が生じたときで
も多数の突起ど流路表面とが浮揚状態で接触できる。！
＠！型的なものでは、導電体が各接触子８０（及び８１
）を母１ｉ１８２（及び８３）に接続し、導電体７６（
及び７７）がその母線を端子７４（及び７５）に接続づ
る。

本発明の燃料電池の芯１１の好ましい実施例においては
、名波形相互接続壁２６（及び２７）は、通常平行な隔
置された電解質壁２４の対の間の間隔をおいて位置する
通常平行な線状接触領域８８（及び８つ、第４図）に沿
って接続ざ４する。これによって、燃１′３１とＡキシ
ダン１〜ガス用の通常平行な流路２０，２１　（及び２
２゜２３）の階層２８（及び２９）を形成づる。交互に
並んだ階層２８．２９は、豆いに直角をなして配Ｆｌさ
れ／ｊ流路をもつように配列される。

隣接階層の相７．７　）１：わ°、壁２６（及び２７）
がで１１１３の間（、：あるＪ（力ηの市″解ｒ：　！
、！２４の〒退づる両側にし・〕かりと機機械接接か４
（されるσ月Ｊ１間隔を１１メい（位１６づる点状接触
領域９０（第３図）の１１４１所だりｔ−ａ５す、イこ
では前述のＪ：うな線状接Ｍ　Ｆ　域がｌｉいに交叉づ
る。

父、支１、°１物Ｙ！ｉ　６６　Ｌｉ、陽極活物質６０
、陰極活物質６２　、　’市解？１物質６４及び相互接
続物質６８のｒｐ　、ｊｉｊだ（）を考えれば、芯の２
・−９８重吊パーセントを（１へ成Ｊる。１然わ１とＡ
キシクン１〜の流路を形成覆る陽極活物質、陰極活物質
、電解質物’ｌ’ｉ　Ｌｌ）　：３層は非常に）轡く、
相互接続壁の支持物Ｍ　Ｃ３Ｃ３はこれと同　厚みか、
或いはこの２０倍ものｌｉ７さにすることがＣぎる。こ
れににつＣ１芯の１１１５１１ｋ　１寺１（１がｔｏ　
／７　ｈｔ：統壁２６（及び２７）と支持物質６６とに
にり調節されるようにし、それにＪニー２−１これらの
幼い物質層の剥削を最小限にする。。

・又、ｔ！ｉｔ　ｉｔ’＝触ｆｉ域８　Ｂと８９とは気
密状に融合さける必要（，１、なく、事実、物理的に間
隙をｂたせ即ら分離させるか、或いはガス透過性にづる
ことｂ′Ｃ′きる。各相互接続壁の交叉部分００にＡ３
りるＪ：うに、電解質壁２４　＋７）　４点固定により
、Ｎ解貿壁は事実上それにＪ：っＣ両省間に懸架され、
−でれ以外は制限されることはない。これは、相互接続
壁が芯の熱膨張特性を調節するという事実と共に、電解
質壁２４における熱による歪みを減少さける。これらの
ガス透過性線状接触ｒ１１或８８，８９を横切つ”Ｃガ
スが移動覆ることができる。４′Ｋｌ！′なら、それは
燃料またはＡキシダンｈのような同種のガスを伴うだけ
であっＣ１燃斜電池の操作に悪影響を与えるしので１よ
ないからひある。

１つの射ましい実施例ぐは、本発明に従つ（形成された
電池は多くの独立の芯流路をイ１し、その流路の各々の
断面は比較的小さく数平プｊＩＩ１ｍ程庶Ｃある。電解
質層は厚みが０．００２〜０．０１ｃｍの範囲にあり、
０　、　（ｌ　０２〜（１、＋１　＋１５　に　Ｉｌｌ
のＪＦみがりＴましい。陽極及び陰極層は各々の厚みが
０．００２〜０．０５ｃｍの範囲であツ’Ｕ　１（１，
００！ｉ〜０．０２ｃｍの厚みかＩｌ（ｄ、しい。相／
７接続層は０．０５・−〇、２！ｉｃｍの範囲の厚み７
：′ある。各相互接続ゾラグはｖｊｔ￥が＋１　、　（
ｌ旧・〜（１，Ｉｅｖｒあり、７１ヘリツクスの中心間
隔は（）、１〜１．Ｏｃｍｐある。Ｍ＋接電解賀壁２／
１間ノスペースは＋１．＋１２〜０，５０ｍであり、相
互接続壁ど電解”ｊ１Ｑ！との接触の隣り合う線領域の
間の間Ｆｉｌ　Ｉ＝１１７ｉ］し距＃１である。かよう
４Ｔ一体的芯構）２１は、これ？）の酷ｔのＡ７みをも
ってさえ、十分な４１４３ｆ！ｉ土の　体１１１と十分
な１法の安定性とをりλるとノニえられる。

それ♂うの１１％１を’ｔｆ　ｉＪ　ｌｌｌ極６０．１
！λ極６２．電解？１（３／ｌ、Ｉｌｌ／７接続９１　
”Ｒ６８Ｅ＜　Ｕ　”Ａ持物質６６　ｆＪ、熱膨張Ｘ−
にｃｌ、る５）ＩＩＩｌ１問題を最小限にυるようｔこ
、各熟成１１１ｖＩ糸教をＣさるだけ近づりるＪ：うに
調イ１１を（、艮かる。。

す１１へり的な陰（融物７′口、しｉｌｉマンガン酸ラ
ンタン（Ｌ　ａ　Ｍｎ　０３）　’Ｃ’あり、電ｙｖｑ
はイン１−リアＣ安定化さｌ！ｌＪジル」ニア（Ｚ　’
　Ｑ、＋　Ｙ２Ｏ３）　′ｃｈす゛、陽極Ｌｌ　１パル
ドイツトリアシルコニ）ｌリーメット又は混合物（ＣＯ４−Ｚｒ　Ｏ
＋ＹＯ）’ｃある。相Ｂ接杭物７゛（ハ例えｆ；＋２２
、３曲クロム酸ランタン（ＬａＣｌ−０３）から成り、」記
した亜マンガン酎ランタン（　ｌ　ａ　Ｍ　１１　０３
）と亜り１」ム酸ランタン（ｌａｃｒｏ，）とは適当に
ドープ処］！ｌ！　ｌ，て導電性をｆ＆るにうにηる。

支持物質は，値段が手頃なカルシアで安定化させたジル
コニア（ＣａＯ＋Ｚｒ　Ｏ，）か、或いはもっと高価な
イソ１ーリアぐ安定化させｌζジルコニアどすることが
できる。イツトリアで安定化させたジルコニアは電解質
層に対しＣ熟成服係数を厳密に調和さけるために好まし
い。

全ての活性芯物質（陽極，陰極，電解質，相万接続物′
１１）と、支持物質とはこのように一体的に結合又はＲ
１；着されて単一１１４）市の芯１１にりる。しかし４
Ｔがら、芯１１は実際には、いくつかの従来の方法を採
用できる順次的様式で、別個の４４　′Ｐ＋で作られる
。従って、陽極６０，陰極６２及び電解質６／ｌの別個
の層はテープ成形され、柔らかでまだ生の状態のときに
′ｒニアいに積層し，ＮＭ質堅壁２４形成づる。同様に
、相互接杖檗２Ｇ、２７は押出成形父はテープ成形さ凄
した陽４〜腎、陰（＾ｉ　ｈ”ｌ及び支持層Ｃ形成さね
、相ｎ接続ブシグ（９１１、適切イ「間彌をｄ３いて７
１−リックス（ｆｌｉｆ”ｌの７９ｉ　？：”支持層を
通しでプ１ノスされ、これら又、／１の柔らかい段階で
互いに積層される１゜次に、これＩ）の別個の壁をイ」
形し、でして適切イ１位置で、適１／Ｊなノ゛Ｊ向に、
互いＶ積層される。

Ｃの点につい（、相り接ｖＬ檗をイリ形する際に）ｒラ
ー月（図示ｕ１１″）を使用づることもでさ、相／、７
接続檗をこのノイラー祠の上ど下に配置しく襞を作り、
これを゛？ｕｌｌＩｖ賀壁の上にＪ３いて１つの階層４
形成りることムできる。同様な構造の階層を複数１１１
．１形成して、それを互いに積み串ねる。Ｊｄ後に、ｈ
”＋み手ねた芯ＩＭ　ｊ’ｒ体を約１５０　＋１・〜１
８００℃の温ｔ！Ｊ、　ｒ　１へ・２時間以上、場合に
よっては２〇−／Ｉ　Ｏ＋＋、１間近くまでＡ−ダン等
（図示せず）の中で焼結あるいは熱硬化させ、それによ
って、この芯構造体に自己支持性および用法安定性を与
える。また、これにＪ：って、フィラー材を焼失さｕｌ
あるいは蒸発さけて、形成しようどづる各通路に空隙を
残りことがＣきる。

図示の芯１１では、燃わ１及びオキシダン１への流路２
０．２２（及び２１．２３）は各階層２８（及び２９〉
に平行な流れを生じるように配置され、また、交互にな
′１１１／ｉ層２８．２９に対しては、交叉流を生じる
ように配置される。

これは、電池の階層の積み重ね全体にわたって電位の蓄
積をもｌｃらしながら、流路の全長にわたる直接的かつ
有効な利用をｉｉＪ　１３１８にづる。燃オ′３１とオ
キシダントのガスは、必要な純度ぐしかｂ必要な流速で
芯へ流れ、残りの未消費の燃オ″１と反応生成物とオキ
シダントは、す（！型面なりのでは、出口マニホルド１
８．１９の中で、或いは特ＴＡな燃焼器（図示せず）の
中で燃わ］され、イこて、燃料の全ての利用可能１．ネ
ルギーが完全に利用され及び／又は燃お１される。一般
に、燃ｙ！３１又はオキシダントの入１」と出に１との
間（例えば、燃料の流入室３０．３１と出口マニホルド
１９．１８と間）の圧力差は極めて低く、流路２０．２
１内の、或いはそこを通るガスの速度５同様（、二低速
Ｃある。この燃１′８１電池は燃料とΔ二１シダン１−
が１７いに甲一方向から流れるＪ：うになっ（いるｌれ
ども、本発明にＪ、つ（ガス流のｈ向４Ｊ　！ｒ！要イ
ア　ｙ’ｓ系Ｃ番、人ない。従って、マニホルド１　（
ｉ、　”ｌ　７　ｒ訂しく示したような同様のマニホル
ドをマニホルド１８．１’−）に−ｂ使用づることによ
っ（、例え（、ＬＡキシグント流を逆にし、各階層での
燃わ１どΔ１−シグンｌ〜の流れが向流どなっＣ１各１
′４〜層間では交叉流どなるＪ：うにすることも（゛さ
る、。

」記した燃１’ｌ電池４！ｌｌ造体では、入口端部のみ
が、ψ行４ｒ流路２０．２２　（及び２１．２３）に対
しくでれぞ４し別個のマニホルドを右りるように示＋、
３１＋’Ｌ　ｌいる番ノれども、流路の出口幅１部に対
しく別！１１．１のンーホルトを形成づることもできる
。か＜Ｌ、（、この燃料電池は、蒸気を燃わ１流路の一
端ｌ＼流入さけ、空気をオキシダント流路のス・１応端
へ流入心１！、かつ外部端子を介１）でこの゛装置Ｉ！
７１＼電位を印加することによって、電気分解セルどし
くＶ１ｉＩ！ＪＩさせることもできる。、この１気分解
により、燃料流路の出［１端に水素ガスと蒸気をもたら
し、Ａキシダン１−流路の出［」端に酸素富化空気をも
たらづようにできる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の好ましい実施例に従って形成された燃
料電池の斜視図であって、図面を明瞭にりるために一部
切除しＣ示されている。第２図は第１図の２−２線に沿って兄た拡大断面図であ
って、本発明の構造の詳細を承り。第３図は第１図に類似した斜視図であって第１図を幾分
拡大したものであり、燃１１１１池の芯構造体の部分だ
けを示ず。第４図は第３図の４−４線からみた口りの拡大断面図で
ある。第５図は第４図の５−５線に沿ってみたｌｌ１ｉの部分
正面図である。１０・・・燃料電池、１１・・・芯、１２・・・絶縁体
、１５・・・中心電極部分、１６．１７，１８．１９・
・・マニホルド部分、２０．２１．２２．２３・・・流
路、２４・・・電解質壁、２６．２７・・・相！ｉ接続
檗、２ε３，２９・・・階Ｒ４，３０，３１，３２゜３
３　・・・、　−１二車）Ｌｔ　ｌ”　Ｍｊ、３８，３
９．／Ｉ　Ｏ，／Ｉ　１・・・側壁、４６．／１７．４
９・・・ダク１−１５０゜５２・・・流入質、（３０・
・・陽１１ｉ物貿、（３２・・・陰極物質、６’ｌ・・
・電解質、６Ｇ・・・支持物質、６８・・・１ラグ。１’Ｊ’　ｉ′Ｆ出願人　アメリカ合衆国式　即　人　
尾　股　行　雄

Claims

【特許請求の範囲】

１、複数の流路を形成刃るように配列された複数の？Ｐ
ｉ解Ｍ　５’４と相互接続壁とを有する芯を備えた燃料
電池であって；　前記各電解質壁は電解質物質を挾み込
んでいる陰極物質と陽極物質とをイｉし；　前記各相互
接続壁は不活性支持物質と該支持物質を通って伸びる相
互接続物Ｙ：（かうなる多数の隔はされた小プラグとを
挾み込ん（いる陰極物質とｌ！！極物質とをイ１［）、
該１（２極物？′１と陰極物質どは該プラグによって電
気的に接続されており：　前記の壁は、陽極物輩１のみ
が燃ｔ１用流路の１つのセットを形成し、１（λ１４ｉ
物ｖ１のみがＡ４ニジダン］・用流路のしう１つのしツ
トを形成づるように配列されており；　前記各相互接続
壁は、通常平行な電解ｙ２１壁の隣接りる対の間に波形
に伸びかつ隔置されＩ、二通畠′平行な線状接触領域に
冶つて互いに近接しており、燃わ１およびＡキシダンｌ
−ガス用の通常平行な交互に隣接し！、：複数流路から
なる１つの階層を形成１ノ；　複数の前記階層はイれら
の流路を互いに交叉させるように互い違いに配列され；
　これによって、隣接する階層の相互接続壁はそれらの
間の共通の電解質壁の両側に対して、前記線状接触領域
が互いに交叉づる部分の隔置された点状接触領域のみで
接続づるＪ：うにしたことを特徴とづ“る燃料電池。