JP2816474B2 - 固体電解質型燃料電池モジュール - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 この発明は、固体電解質を使用した燃料電池のうち、
同心状に設けられた内部集電子と外部集電子管との間の
空間に複数の燃料電池単体を配設した構造の固体電解質
型燃料電池モジュールに関するものである。

従来の技術 固体電解質型燃料電池の出力は直流で各燃料電池単体
の電圧は約1Vと低い。また実用上は交流に変換する場合
が多いことから、直流を交流に変換する際の変換効率の
上からも電池電圧が高いことが望ましい。そのため、複
数の燃料電池単体をなんらかの方法で直列に接続すると
ともに、高出力とするため並列にも接続する必要があっ
た。

例えば第３図および第４図は、本出願人の既出願（特
願平１−11433号）中に記載されている固体電解質型燃
料電池モジュールおよびそれに使用されている燃料電池
単体を示すもので、第３図に示す固体電解質型燃料電池
モジュール１は、相互間に空間を存して同心円筒状に配
設された導電性材料からなる内部集電子管２と外部集電
子管３との間に、６個の燃料電池単体４を収納したもの
で、第４図に示すように各燃料電池単体４は、円筒形に
形成された固体電解質５の内周に酸素電極６を、この固
体電解質５の外周に燃料電極７がそれぞれ形成された３
層構造となっており、この燃料電池単体４の最外層の燃
料電極７と中間層の固体電解質５とには、最内層の酸素
電極６に達する深さで軸線と平行なスリット８が形成さ
れ、このスリット８内にはインターコネクタ９が、前記
酸素電極６と接触し、燃料電極７と非接触状態に設けら
れている。

そして、このように構成される各燃料電池単体４は、
それぞれのインターコネクタ９の先端を、前記内部集電
子管２の外周面に導電繊維フェルト10を介して当接され
るとともに、各燃料電池単体４の最外層の燃料電極７
を、外部集電子管３の内周面に導電繊維フェルト11を介
して当接させて、並列に接続されて固体電解質型燃料電
池モジュール１が形成されている。

そして、この固体電解質型燃料電池モジュール１に
は、６本の各燃料電池単体４の酸素電極６の内側に酸素
または空気が供給されるとともに、６本の燃料電池単体
４の各燃料電極７の外側で、かつ外部集電子管３の内側
の空間には、水素等の燃料ガスが供給され、固体電解質
５を介した酸化・還元反応が起きて電気が生じ、並列に
接続された各燃料電池単体４に生じた電気は、それぞれ
導電性を有する内部集電子管２と外部集電子管３とに集
電される。

発明が解決しようとする課題 一般的に燃料電池は、固体電解質の一方の側を流通す
る燃料ガスと、固体電解質５を挟んで反対側を流通する
空気とを隔絶する必要があるが、その点では、前述した
従来の固体電解質型燃料電池モジュールのように、円筒
形の燃焼電池単体４を複数集合させた形式の燃料電池で
は、円筒形の各燃料電池単体４の固体電解質５の内側を
流通する燃料ガスと、固体電解質５の外側を流通する空
気とを気密に隔てるシール性に優れるという利点を有す
る反面、各燃料電池単体４がそれぞれ円筒形であるた
め、複数集合させて固体電解質型燃料電池モジュールを
構成した場合に、各燃料電池単体間に大きな空間が形成
されるという欠点があった。また、従来においては、こ
の固体電解質型燃料電池モジュールの内部に形成される
空間を、燃料ガスや空気の流通路として利用する程度
で、この空間が充分に活用されていなかった。

また、前述した従来の固体電解質型燃料電池モジュー
ルの場合には、各燃料電池４の内部に空気あるいは燃料
ガスを供給するのは容易であるが、外部集電子管３内の
各燃料電池４の周囲の空間に、燃料ガスあるいは空気を
供給するには、燃料ガスの供給管等を配管接続する必要
があるが、この接続作業が繁雑で困難であった。

この発明は上記事情に鑑みなされたもので、円筒形の
燃料電池単体を用いた固体電解質型燃料電池モジュール
の内部空間を有効に利用することを主たる目的とし、さ
らには、その内部空間を利用することによって固体電解
質型燃料電池モジュールの発電特性の向上を図り、また
固体電解質型燃料電池モジュールへの燃料ガス供給管や
酸素供給管の接続の簡易化を図った電解質型燃料電池モ
ジュールを提供することを目的としている。

課題を解決するための手段 上記課題を解決するための手段としてこの発明は、空
間を存して同心状に設けられた内部集電子と外部集電子
管との間に、管状の固体電解質の内側に酸素電極または
燃料電極を、外側に燃料電極または酸素電極を設けた燃
料電池単体を複数個配設した固体電解質型燃料電池モジ
ュールにおいて、前記外部集電子管内の各燃料電池単体
間に形成される空間に、熱回収装置の吸熱部を配設した
ことを特徴としている。

また、空間を存して同心状に設けられた内部集電子と
外部集電子管との間に、管状の固体電解質の内側に酸素
電極または燃料電極を、外側に燃料電極または酸素電極
を設けた燃料電池単体を複数個配設した固体電解型燃料
電池モジュールにおいて、前記外部集電子管内の各燃料
電池単体間に形成される空間に、燃料ガスあるいは酸素
の供給管を配設したことを特徴としている。

作用 請求項１記載の固体電解質型燃料電池モジュールは、
同心状に設けられた内部集電子と外部集電子管との間に
配設された複数の燃料電池単体の周囲に形成される空間
に、ヒートパイプ等の熱回収装置の吸熱部を配設するこ
とにより、各燃料電池単体における酸化・還元反応の反
応熱が蓄積されて、理想状態の発電特性が得られる固体
電解質の温度以上に過熱された際に、固体電解質型燃料
電池モジュール内から熱を回収して外部に取り出し、モ
ジュール内の温度を適温まで下げることにより、従来の
固体電解質型燃料電池モジュールの場合に行っていた、
過熱を防ぐために燃料ガスや空気の供給量を増加して、
排出ガスによる冷却を行う必要がなくなり、燃料ガス等
の消費量が著しく低減される。

また、請求項２記載の固体電解質型燃料電池モジュー
ルは、同心状に設けられた内部集電子と外部集電子管と
の間に配設された複数の燃料電池単体の周囲に形成され
る空間に、燃料ガスあるいは空気の供給パイプを配設す
ることにより、繁雑であった固体電解質型燃料電池モジ
ュールの端部における燃料ガスあるいは空気の供給管の
配管接続が不要となる。

実 施 例 以下、この発明の固体電解質型燃料電池モジュールの
実施例を第１図および第２図に基づいて説明する。

第１図はこの発明の第１実施例の固体電解質型燃料電
池モジュール21を示すもので、同心円筒状に設けられた
内部集電子管22とと外部集電子管23と、これら両者間に
配設され、並列に接続された６個の燃料電池単体24とか
ら構成されている。

また、前記各燃料電池単体24は支持管を用いない自己
支持構造となっており、イットリア安定化ジルコニア
（YSZ）等を環状に形成した固体電解質25と、この固体
電解質25の内側に形成された酸素電極26と、外側に形成
された燃料電極27との３層構造となっており、酸素電極
26は高い導電性とガス透過性を有する、例えばペロブス
カイト型ランタン系複合酸化物を素材とする多孔質体で
あり、また燃料電極27は、ニッケル等の金属粉末を固め
たもの、またはニッケルとジルコニアとのサーメットな
どの多孔質体で形成されている。そして、最外側の燃料
電極27とその内側の固体電解質25との両者には、長手方
向に連続する１本のスリットが形成され、このスリット
内にはインターコネクタ28が、燃料電極27と非接触状態
で、かつ最内側の酸素電極26と接触した状態に設けられ
ている。

また、上記のように形成された各燃料電池単体24は、
それぞれのインターコネクタ28の先端を、ニッケルフェ
ルト29を介して前記内部集電子管22の外周に電気的に接
続するとともに、それぞれの燃料電極27上で、各インタ
ーコネクタ28と中心を挾んで対向する位置を、ニッケル
フェルト30を介して前記外部集電子管23の内周面に接続
して並列接接続状態に配列されている。

さらに、内部集電子管22と外部集電子管23との間に配
設された各燃料電池単体24の相互間に形成された６箇所
の空間には、各空間のそれぞれ外部集電子管23に近い側
に、熱回収装置の吸熱部であるヒートパイプ31の蒸発部
がそれぞれ燃料電池単体24と平行に設けられている。

そして、固体電解質型燃料電池モジュール21を構成し
ている各燃料電池単体24の酸素電極26の内側の中空部内
には酸素（O₂）を含んだ空気が供給され、また外部集電
子管23内の各燃料電池単体24の外周に供給されるように
なっている。なお、各ヒートパイプ31により固体電解質
型燃料電池モジュール21内より回収された熱は、例えば
外部集電子管23の下流側から排出される反応ガスの熱と
ともに蒸気タービンサイクル等に送られて利用される。

次に、上記のように構成されるこの実施例の作用を説
明する。

固体電解質型燃料電池モジュール21は、各燃料電池単
体24の酸素電極26の内側の空間にそれぞれ酸素あるいは
空気が供給されるとともに、燃料電池単体24の周囲の前
記熱回収装置のヒートパイプ31が配設された各空間内に
燃料の水素ガスが供給され、各燃料電池単体24において
は、それぞれの固体電解質25を介して酸化・還元反応が
起きて電流が生じ、各インターコネクタ28からニッケル
フェルト29を介して集電される内部集電子管22が陽極と
なり、また外周の各燃料電極27からニッケルフェルト30
を介して集電される外部集電子管23が陰極となって、発
生した電流を取出すことができる。

そして、反応熱によって固体電解質型燃料電池モジュ
ール21内の各燃料電池単体24が加熱されるとともに、熱
が蓄積されて酸化・還元反応を行う固体電解質25の適温
範囲を超える温度まで上昇した場合には、熱回収装置を
作動させ、各ヒートパイプ31の蒸発部が外部集電子管23
内の雰囲気（燃料ガス）中から熱を吸収して固体電解質
型燃料電池モジュール21の外へ輸送し、外部集電子管23
内の雰囲気温度を低下させて、各燃料電池単体24を適温
範囲に維持させる。

したがって、各燃料電池単体24の過熱を防止できるの
で、発電特性を高水準に維持でき、発電能力の上限状態
で、長時間の連続運転も可能となり、また固体電解質型
燃料電池モジュール21内の温度管理が容易となる。特
に、熱回収装置の吸熱部にヒートパイプ31を使用してい
るため、熱回収装置により冷却する際の応答性に優れて
おり、短時間で所定の温度まで冷却することができる。
また、従来の固体電解質型燃料電池モジュールのよう
に、燃料ガスの供給量を増加することによって燃料電池
単体を冷却する場合に比べて、発電反応に携らないで排
出される燃料ガスの無駄な消費を著しく削減することが
できる。

なお、熱回収装置で回収された熱は、例えばこの固体
電解質型燃料電池モジュール21に供給する燃料ガス等を
予熱するために使用されたり、または外部集電子管23の
下流側から排出されてアフターバーナで燃焼させた排ガ
スの熱とともに、蒸気タービンサイクル等に送られて利
用される。

また第２図はこの発明の第２実施例を示すもので、こ
の固体電解質型燃料電池モジュール41は、前記第１実施
例の固体電解質型燃料電池モジュール21において、内部
集電子管22と外部集電子管23との間に設けられた各燃料
電池単体24の周囲の空間内に配設された６本のヒートパ
イプ31のうち、１本おきに計３本のヒートパイプ31を排
除し、ヒートパイプ31を排除したそれぞれの位置に代り
に燃料ガス供給パイプ42を設けたもので、以下、第１実
施例と同一の構成部分には同一の符号を付し、その部分
の詳細な説明を省略して説明する。

固体電解質型燃料電池モジュール41の内部集電子管22
と外部集電子管23との間には６個の燃料電池単体24が、
それぞれのインターコネクタ28先端を、ニッケルフェル
ト29を介して内部集電子管22の外周に、それぞれの燃料
電極27上で、各インターコネクタ28と中心を挾んで対向
する位置を、ニッケルフェルト30を介して前記外部集電
子管23の内周面に接続して並列接続した状態に配列され
ている。

そして、外部集電子管23内の各燃料電池単体24の相互
間に形成された６箇所の空間には、熱回収装置の吸熱部
である３本のヒートパイプ31と、３本の燃料ガス供給管
端末42とが、それぞれ燃料電池単体24と平行するととも
に、ヒートパイプ31と供給管端末42とが１本おきに交互
に並ぶように設けられている。

この固体電解質型燃料電池モジュール41には、各燃料
電池単体24の中空部内に空気が供給され、また外部集電
子管23内の燃料電池単体24の周囲の空間には、この空間
内に配設された前記供給管端末42から燃料ガスの水素が
供給されるようになっている。したがって、供給管端末
42の前記空間内に配設された区間に多数の孔を形成して
これらの孔から燃料ガスを噴出させるか、または、前記
外部集電子管23を先端閉塞型とするとともに、供給管端
末42の先端を外部集電子管23内の先端を閉塞している底
部付近に配設して、この供給管端末41の先端から燃料ガ
スを噴出させるようにすれば、燃料ガスの供給管と外部
集電子管23等とを気密に接続する配管接続が不要とな
る。

また、熱回収装置のヒートパイプ31は、各燃料電池単
体24が過熱状態となった際に、固体電解質型燃料電池モ
ジュール41内より熱を回収して燃料電池単体24の温度を
低下させて適温範囲に戻し、発電特性を高水準に維持さ
せるようになっている。

次に、上記のように構成される第２実施例の作用を説
明する。

固体電解質型燃料電池モジュール41は、各燃料電池単
体24の酸素電極26の内側の空間にそれぞれ空気が供給さ
れるとともに、燃料電極27の周囲の空間には、ヒートパ
イプ31と１本おきに配設された各供給管端末42から水素
ガスが供給され、各燃料電池単体24においては、それぞ
れの固体電解質25を介して酸化・還元反応が起きて電流
が生じ、各インターコネクタ28からニッケルフェルト29
を介して集電される内部集電子管22が陽極となり、また
外周の各燃料電極27からニッケルフェルト30を介して集
電される外部集電子管23が陰極となって、発生した電流
を取出すことができる。また前述したように、特に供給
管端末42に多数の孔を形成して、各燃料電池単体24の長
さ方向全域に均等に燃料ガスを供給するか、または前記
外部集電子管23を先端閉塞型として外部集電子管23内の
閉塞された先端側に燃料ガスを噴出させて流れる方向を
反転させるとともに拡散させ、外部集電子管23内全域に
ムラなく供給されるようにすれば、発電特性を向上させ
ることができる。

また、反応熱によって固体電解質型燃料電池モジュー
ル41内の各燃料電池単体24が加熱されるとともに、熱が
蓄積されて過熱状態となった場合には、熱回収装置を作
動させて各ヒートパイプ31が外部集電子管23内の雰囲気
（燃料ガス）中から熱を吸収して固体電解質型燃料電池
モジュール41の外へ輸送し、外部集電子管23内の雰囲気
温度を低下させて、各燃料電池単体24を適温範囲に維持
させ、各燃料電池単体24の発電特性を高水準に維持で
き、発電能力の上限状態で、長時間の連続運転も可能と
なる。また固体電解質型燃料電池モジュール41内の温度
管理が容易となり、特に、熱回収装置の吸熱部にヒート
パイプ31を使用しているため、熱回収装置により冷却す
る際の応答性に優れており、短時間で所定の温度まで冷
却することができる。さらに、従来の固体電解質型燃料
電池モジュールのように、燃料ガスの供給量を増加する
ことによって燃料電池単体を冷却する場合に比べて、発
電反応に携らないで排出される燃料ガスの無駄な消費を
著しく削減することができる。

なお、熱回収装置で回収された熱は、外部集電子管23
の下流側から排出され、アフターバーナで燃焼させた排
ガスの熱とともに、例えば蒸気タービンサイクル等に送
られて利用される。

発明の効果 以上説明したようにこの発明は、空間を存して同心状
に設けられた内部集電子と外部集電子管との間に、管状
の固体電解質の内側に酸素電極または燃料電極を、外側
に燃料電極または酸素電極を設けた燃料電池単体を複数
個配設した固体電解質型燃料電池モジュールにおいて、
前記外部集電子管内の各燃料電池単体間に形成される空
間に、熱回収装置の吸熱部を配設したので、固体電解質
型燃料電池モジュール内の空間の有効利用が図れるとと
もに、各燃料電池単体の過熱を防止して発電特性を高水
準に維持することができ、また、熱回収装置で回収した
余剰熱エネルギを有効に利用することができる。

また、空間を存して同心円筒状に設けられた内部集電
子管と外部集電子管との間に、管状の固体電解質の内側
に酸素電極または燃料電極を、外側に燃料電極または酸
素電極を設けた燃料電池単体を複数個配設した固体電解
質型燃料電池モジュールにおいて、前記外部集電子管内
の各燃料電池単体間に形成される空間に、燃料ガスある
いは酸素の供給管を配設したので、固体電解質型燃料電
池モジュール内の空間の有効利用が図れるとともに、外
部集電子管の端部と、燃料ガスまたは酸素の供給管とを
気密に接続する配管接続が不要となる等の効果を有す
る。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図はそれぞれこの発明の実施例を示す
もので、第１図は第１実施例の固体電解質型燃料電池モ
ジュールの断面正面図、第２図は第２実施例の固体電解
質型燃料電池モジュールの断面正面図、第３図および第
４図は従来例を示すもので、第３図は従来の固体電解質
型燃料電池モジュールの断面正面図、第４図は固体電解
質型燃料電池モジュールを構成している燃料電池単体の
斜視図である。 21,41……固体電解質型燃料電池モジュール、22……内
部集電子管、23……外部集電子管、24……燃料電池単
体、25……固体電解質、26……酸素電極、27……燃料電
極、28……インターコネクタ、29,30……ニッケルフェ
ルト、31……ヒートパイプ、42……燃料ガス供給管端
末。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 長谷川 正一 東京都江東区木場１丁目５番１号 藤倉 電線株式会社内 (72)発明者 丹 正之 東京都江東区木場１丁目５番１号 藤倉 電線株式会社内 (72)発明者 山之内 宏 東京都江東区木場１丁目５番１号 藤倉 電線株式会社内 (56)参考文献 特開 昭62−274562（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H01M 8/00 - 8/02 H01M 8/04 H01M 8/08 - 8/24

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】空間を存して同心状に設けられた内部集電
   子と外部集電子管との間に、管状の固体電解質の内側に
   酸素電極または燃料電極を、外側に燃料電極または酸素
   電極を設けた燃料電池単体を複数個配設した固体電解質
   型燃料電池モジュールにおいて、前記外部集電子管内の
   各燃料電池単体間に形成される空間に、熱回収装置の吸
   熱部を配設したことを特徴とする固体電解質型燃料電池
   モジュール。
2. 【請求項２】空間を存して同心状に設けられた内部集電
   子と外部集電子管との間に、管状の固体電解質の内側に
   酸素電極または燃料電極を、外側に燃料電極または酸素
   電極を設けた燃料電池単体を複数個配設した固体電解質
   型燃料電池モジュールにおいて、前記外部集電子管内の
   各燃料電池単体間に形成される空間に、燃料ガスあるい
   は酸素の供給管を配設したことを特徴とする固体電解質
   型燃料電池モジュール。