JPH11102716A

JPH11102716A - 固体電解質型燃料電池及び該電池による発電モジュール

Info

Publication number: JPH11102716A
Application number: JP9259935A
Authority: JP
Inventors: Shinji Takeuchi; 伸二竹内
Original assignee: Kansai Electric Power Co Inc
Current assignee: Kansai Electric Power Co Inc
Priority date: 1997-09-25
Filing date: 1997-09-25
Publication date: 1999-04-13

Abstract

(57)【要約】【課題】セル構造を単純化した円筒形固体電解質型燃
料電池を提供する。【解決手段】外側から順に空気極１、固体電解質２、
燃料極３を有し、基端部が開放され、先端部が空気極を
径方向内方へ延ばして閉鎖された円筒形セルを備えた固
体電解質型燃料電池であって、基端部が開放された円筒
状をなし、少なくとも先端部に燃料噴出口７を有し、燃
料極３との間に間隙をおいて挿入された導電性の燃料供
給管４と、燃料極３と燃料供給管４との間隙に詰められ
たガス透過性の導電性物質５と、燃料供給管４に沿って
延び、燃料極側排気流路の基端部付近で開口する水蒸気
導入口９と、燃料供給管４の先端部の燃料噴出口７から
の噴出に伴う随伴流を生じるエゼクター１４を構成する
水蒸気吹出口８とを有する水蒸気細管とを備えてなる円
筒形固体電解質型燃料電池。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、固体電解質型燃料
電池（以下、「SOFC」ともいう。）発電モジュールに使
用するセルの構造及び該セルを用いた固体電解質型燃料
電池発電モジュールに関する。

【０００２】

【従来の技術】固体電解質型燃料電池のセル構造には、
円筒形方式のものと平板方式のものがあり、更に円筒形
方式ものには、外側から順に燃料極、固体電解質、空気
極を配置したものと、逆に外側から順に空気極、固体電
解質、燃料極を配置したものがある。

【０００３】外側から順に空気極、固体電解質、燃料極
が配置された円筒形セルは、以下に詳述するように燃料
改質性能に優れ、電極構造が簡単である等の利点があ
り、例えば、図２１に示されているようなものがある。
円筒形の空気極５１、電解質５２、燃料極５３が同軸で
積層されており、燃料極５３の内側には、天然ガス及び
水蒸気を導入し燃料極に供給するために多数の細孔を備
えた導電性チューブ５４が挿入されている。導電性チュ
ーブ５４と燃料極５３との間には、導電性フェルト５５
が詰められており、燃料極５３と導電性チューブ５４と
を電気的に接続している。セルの陽極には空気極５１、
陰極には導電性チューブ５４とされる。

【０００４】導電性チューブ５４は、内側に天然ガスが
供給され、外側には水蒸気が供給される。導電性チュー
ブ５４に供給された天然ガス及び水蒸気は、導電性チュ
ーブ５４の多数の細孔から外側に向けて吹き出して導電
性フェルト５５内に入る。ここで、天然ガス（メタンを
主成分とする）と水蒸気は、以下のように反応して、電
池反応に寄与する燃料に改質される。

【０００５】 CH₄ + H₂O → 3H₂ + CO （反応式Ａ） CO + H₂O → H₂ + CO₂ （反応式Ｂ）従って、改質反応は全体的には次のように表すことがで
きる。

【０００６】CH₄ + 2H₂O → 4H₂ + CO₂ (反応式Ｃ）実際の改質反応においては、化学平衡論的に反応式Ａの
反応が大半であり、反応式Ｂの反応はそれほど多くはな
いため、改質ガス中には水素の他に一酸化炭素も含まれ
ることとなる。

【０００７】一方、セルの外側には、空気が供給されて
おり、空気中の酸素は空気極５１で電子を受け取り、以
下のようにイオン化する。

【０００８】(1/2)O₂ + 2e^- → O^2- （反応式Ｄ）電解質５２には、運転温度（約１０００℃程度）におい
て酸化物イオンを透過させる固体材料、例えば、イット
リア安定化ジルコニア等が使用され、空気極５１で発生
した酸化物イオンは、電解質５２中を通って燃料極５３
に到達する。燃料極５３においては、電解質５２中を通
って供給される酸化物イオンと、改質により生成された
水素及び一酸化炭素とが以下のように反応して電子を放
出する。

【０００９】 H₂ + O^2- → H₂O + 2e^- （反応式Ｅ） CO + O^2- → CO₂ + 2e^- （反応式Ｆ） H₂の電池反応（反応式Ｅ）により燃料極５３で発生した
H₂O（水蒸気）と、改質（反応式Ｂ）及びCOの電池反応
（反応式Ｆ）によりできたCO₂と、未反応のまま残ったH
₂は、セルの上部からセル外に排出される。尚、改質に
よりできた燃料COは、ほぼ全部が電池反応（反応式Ｆ）
に寄与するため、排気中に殆ど含まれない。

【００１０】セルの先端側（上部）では電池反応（反応
式Ａ及びＢ）によって生じた水蒸気が再び燃料の改質反
応に寄与するため、セルの基端側（底部）から先端側
（上部）間で均一に水蒸気を供給すると、先端側では過
剰となり、基端側では不足する。導電性チューブ５４の
基端側を二重構造とし、外側の空間に水蒸気を供給する
ことにより燃料濃度を均一化して電池性能を高めること
ができる。

【００１１】図２２は、このようなセルを使用した従来
の固体電解質型燃料電池発電モジュールを示している。
セル５６はケーシング５７内に収納されている。ケーシ
ング５７の上端付近（上部）には、セル５６の余剰燃料
放出ゾーン５８と、セルの下端付近（底部）から上端付
近（上部）にわたる範囲の電池反応ゾーン５９とを分離
する排ガスセパレータ板６０が設けられている。

【００１２】図２２に示されているように、ケーシング
５７の上部には燃料極側排気口６１が設けられており、
更にケーシング５７の側壁にはセル５６の直ぐ下方の高
さに、空気供給口６２、排ガスセパレータ板６０の直ぐ
下方に空気極側排気口６３が設けられている。空気供給
口６２から入った空気は、空気室セパレータ板６４の空
気吹出口から上方に向けて吹き出される。空気中の酸素
は電池反応ゾーン５９で電池反応に寄与して消費され、
残った酸素は空気中の他の成分と共に空気極側排気口６
３から発電モジュール６５の外に排出される。

【００１３】一方、天然ガス供給路６６、水蒸気供給路
６７から供給された天然ガス及び水蒸気は、フュエルデ
ィストリビューター６８によって各セル５６に分配さ
れ、各セル５６内で改質された後、電池反応に寄与す
る。その後、電池反応に寄与しなかった水素、電池反応
によりできた水蒸気、及び改質によりできた二酸化炭素
は、セル５６の上端から余剰燃料放出ゾーン５８に入り
燃料極側排気口６１からケーシング５７の外に排出され
る。

【００１４】燃料極側排気の一部は、ポンプ６９及び流
量調整器７０を介して水蒸気供給路６７に再循環され
る。燃料極側排気には多量の純粋な水蒸気が含まれてい
るので、燃料極側排気の一部をそのまま水蒸気供給路６
７に戻している。

【００１５】以上のような従来のセル及び該セルを使用
した従来の固体電解質型燃料電池モジュールは、他の形
式のセル及びモジュールと比べて、多くの利点を有する
ものとして開発された。主な利点としては、以下の点が
挙げられる。即ち、上述のようなセル構造は、導電性フ
ェルト、燃料極、燃料供給用導電性チューブ等に触媒作
用の高いニッケル等を用いれば完全内部改質も可能とな
る点で、他の形式のセル構造（例えば、外側から順に燃
料極、電解質、空気極を配置するセル構造）に比べて有
利である。

【００１６】また、燃料供給用の導電性チューブ自体を
陰極としているので、インターコネクタが不要である。
このようなインターコネクタレス構造を採用することに
より、セルの有効面積が増加し、単セル出力を大幅に向
上させることができる。

【００１７】更に、燃料極側排気の一部をそのまま水蒸
気供給路６７に戻せば、燃料極側の排気を燃料改質に必
要な水蒸気として有効に利用することができ、コストの
かかる純水の水蒸気を別個に供給源から供給し続ける必
要性がなくなり、或いは低減することができる。

【００１８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
セル及び従来のセルを用いた固体電解質型燃料電池発電
モジュールには、以下のような課題が残されていた。

【００１９】（１）セル底部の構造が複雑従来のセルの底部側は、空気と燃料との混合を防ぐため
に、セラミックス製の栓がされていた。このため、両端
が開いた円筒形の一端を塞ぐことができる形状にセラミ
ックを加工する必要があった。また、セラミックス製の
栓の中心に導電性チューブを通す必要があり、セル底部
の構造及び製造工程が複雑であった。

【００２０】また、セルの底部は、セル側壁と栓との熱
膨張率の異なる異種材料を組み合わせる構造であったた
め、特にセル底部に熱応力が集中し、クラックの発生な
どが起こりやすいという問題があった。

【００２１】さらに、セル底部に発生するクラック及び
それに伴うガスリークが発生すると、セルの内側から漏
れた燃料と、セルの外側を流れる空気とが反応して燃焼
し、局部加熱により更にセルに損傷を与えてしまうとい
う問題があった。

【００２２】（２）水蒸気循環ルートが発電モジュール
外にある従来の発電モジュールでは、燃料極側排気の一部をその
まま水蒸気供給路に戻し、燃料極側の排気を燃料改質に
必要な水蒸気として利用していた。しかし、このために
は発電モジュールの外に水蒸気の循環ルートを設ける必
要があった。循環ルートに必要とされるポンプ６９、流
量調節計７０等の補機を駆動するためには動力が必要で
あり、この分だけエネルギー損失が生じていた。また、
これらの補機の制御が難しく、天然ガスや水蒸気の供給
配管も含めると構造が複雑にならざるを得なかった。従
って、燃料極側排気に含まれる多量の水蒸気を有効に利
用して、純水の生産にかかるコストを抑えながらも、外
部の水蒸気循環ルートを省略できるようなセルの開発が
望まれていた。

【００２３】（３）高温酸化雰囲気中における電極接続電極（パワーリードアセンブリ）の接続に際しては、接
触抵抗の増大や電極の劣化などを避けることが非常に重
要である。しかしながら、固体電解質型燃料電池発電モ
ジュールの運転温度は、約８５０℃から約１０５０℃の
高温であり、セルの周囲も酸化雰囲気であった。そのた
め、従来の固体電解質型燃料電池発電モジュールにおい
ては、パワーリードとして使用できる材料が極めて制限
されていた（例えば、白金、金等）。しかも、何れの材
料を使用しても、費用、加工の容易性、導電率等の全て
の要求を満たすことはできなかった。かかる事情から、
パワーリードが腐食や酸化の影響を受けにくいような構
造を開発し、パワーリードの材料として選択できる材料
の幅を広げる必要があった。

【００２４】

【課題を解決するための手段】上記課題は、外側から順
に空気極、固体電解質、燃料極を有し、基端部が開放さ
れ、先端部が空気極を径方向内方へ延ばして閉鎖された
円筒形セルを備えた固体電解質型燃料電池であって、基
端部が開放された円筒状をなし、少なくとも先端部に燃
料噴出口を有し、前記燃料極との間に間隙をおいて挿入
された導電性の燃料供給管と、前記燃料極と燃料供給管
との間隙に詰められたガス透過性の導電性物質と、該燃
料供給管に沿って延び、燃料極側排気流路の基端部付近
で開口する水蒸気導入口と、前記燃料供給管の先端部の
燃料噴出口からの噴出に伴う随伴流を生じるエゼクター
を構成する水蒸気吹出口とを有する水蒸気細管とを備え
てなる円筒形固体電解質型燃料電池によって解決され
る。

【００２５】また、上記課題は、上記の円筒形固体電解
質型燃料電池を、先端が下側へ向くようにして複数本配
置した固体電解質型燃料電池発電モジュールであって、
燃料極側排気と空気極側排気の混合を防止するために、
セルの上部が位置する高さに取り付けられている排ガス
セパレータと、セルの燃料供給管に燃料を分配するフュ
エルディストリビューターと、セルの陽極の少なくとも
一部に接触している集電体と、一端が前記集電体に接続
され、他端が前記排ガスセパレータより上に位置してい
るカソード引出リードと、前記排ガスセパレータより上
の位置で、１又は２以上の燃料供給管に接続されている
燃料極側パワーリードと、前記排ガスセパレータより上
の位置で、１又は２以上のカソード引出リードに接続さ
れた空気極側パワーリードとを備えてなる固体電解質型
燃料電池発電モジュールによっても解決される。

【００２６】

【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照しつつ、本
発明の好適な実施形態について説明する。図１は本発明
にかかる固体電解質型燃料電池のセル構造の一例を示し
ている。本発明にかかるセルは、外側から順に空気極
１、電解質２、燃料極３を積層した円筒形で、セル底部
を閉鎖した構造となっている。燃料極３の内側には、燃
料供給管４が、セルの上部側から挿入されている。燃料
極３と燃料供給管４との間には、導電性フェルト５が詰
められており、燃料極３と燃料供給管４とを電気的に接
続している。セルの陰極には燃料供給管４が用いられ、
陽極には空気極１が用いられる。

【００２７】燃料供給管４の内側には、水蒸気細管６が
設けられている。水蒸気細管６は、メタンを主成分とす
る燃料（天然ガス等）を水蒸気改質して、燃料電池の燃
料として使用できる水素及び一酸化炭素が多いガスとす
るためのものである。水蒸気細管６は、セル底部に水蒸
気を供給できるようになっている。水蒸気細管６からセ
ル底部に水蒸気を供給することにより、導電性フェルト
５の上部側から底部側に至るまでの水蒸気濃度を均一に
することができる。これにより、セル底部においては、
水蒸気不足に起因する炭素の析出を防止でき、セル上部
においては、水蒸気の過剰供給からくる水素及び一酸化
炭素の希薄化を防止できる。

【００２８】図２は燃料供給管４及び水蒸気細管６の構
造を示している。燃料供給管４の先端及び側面には、燃
料吹き出し用の小さな孔７、１５が設けられている。こ
の側面の孔１５の大きさ、数、及び位置は、燃料極３の
表面に燃料が均等に行き渡るように設けられている。ま
た、この孔１５はセル上部に向かって傾斜して燃料供給
管４に穿孔されており、孔から噴出した燃料ガス（特に
セル底部側の燃料ガス）がセル内で滞留せずにスムーズ
にセルの外側に排気されるようにしている。燃料は、例
えば、約 0.5 から約３ kg/cm²・G 程度の圧力で、燃料
供給管４に供給され、燃料供給管の側面の孔１５及び先
端の燃料噴出口７から吹き出す。

【００２９】燃料供給管４の先端に設けられた燃料噴出
口７の位置には、水蒸気細管６の水蒸気吹出口８が配置
されている。水蒸気細管６は基端部付近で上方へ曲げら
れ、その上部端は、燃料供給管４の上部に開けられた孔
に溶接等で固定されている。

【００３０】燃料供給管４からの燃料の噴出にともなっ
て、燃料噴出口７付近は負圧となり、水蒸気吹出口８か
ら水蒸気が引き出される。このようなエゼクター効果に
より水蒸気吹出口８から水蒸気が引き出され、これに対
応して新たな水蒸気が水蒸気導入口９を通して水蒸気細
管６に吸い込まれる。新たな水蒸気には、燃料極側排気
が用いられる。セルの上端には排ガスセパレータ板１１
が取り付けられているので、燃料極側排気のみが水蒸気
導入口９の周囲を流れ、空気極側排気１２は水蒸気導入
口９の周囲を通らない。従って、燃料極側排気のみが水
蒸気細管６に吸い込まれる。その結果、外部の循環ルー
トを設けずに、燃料極側排気中の水蒸気を有効に利用す
ることが可能となる。

【００３１】SOFCは、高温で動作するので、熱膨張など
で先端部の燃料噴出口７と水蒸気吹出口８の位置がずれ
ると、エゼクター効果に悪影響を及ぼすため、先端の位
置で数カ所に点溶接等を施して、燃料供給管４と水蒸気
細管６を固定するのが望ましい。また、水蒸気細管６の
揺れ止めのために、図２に示されているように揺れ止め
金具１３を設けることが好ましい。揺れ止め金具１３
は、水蒸気細管に溶接等で固定される。

【００３２】空気極１の材料には、従来からの材料を使
用することができ、例えば、ストロンチウム添加ランタ
ンマンガナイト等を使用することができる。また、電解
質２の材料には、例えば、イットリア安定化ジルコニア
等を使用することができる。燃料極３の材料には、例え
ば、ニッケルジルコニアサーメット等が使用できる。燃
料極３の材料としてはニッケルジルコニアサーメット等
のような、天然ガス等の燃料改質の触媒機能を有する材
料を使用するのが好ましい。燃料供給管４の材料は、導
電性が高く且つ１０００℃の高温でも内部の燃料ガス圧
力に対して十分な強度を有する材料である必要があり、
好ましくは、ニッケル、銅、ステンレス、インコネルな
どの金属材料を用いる。水蒸気細管６の材料は、燃料供
給管４との熱膨張率の整合性や溶接時の接合性などか
ら、燃料供給管４と同じ材料であることが好ましい。

【００３３】このように、燃料供給管４及び水蒸気細管
６は導電性の金属材料で形成されるのに対し、セルはセ
ラミックス材料で形成されるため、熱膨張率が異なり、
起動−停止に伴う温度変化によってズレが生じる。この
ズレを吸収するために、図２に示されているように、燃
料供給管４及び水蒸気細管６の一部に摺動部を設けるの
が好ましい。

【００３４】図３及び図４は本発明にかかるセルの空気
極１、電解質２、及び燃料極３を簡略化して、燃料供給
管及び水蒸気細管の構造例を見やすくしたものである。
図４は図３のII−II線断面を示している。

【００３５】図３及び図４に示されている実施形態では
水蒸気細管６は、燃料供給管４の内側を通っている。天
然ガス等の燃料は、セル上部から燃料供給管４を通っ
て、セル下部に設けられたエゼクター部１４に向かう。
エゼクター部１４に到達するまでに燃料の一部は、燃料
供給管４の側面に設けられた孔１５から導電性フェルト
５内に吹き出す。エゼクター部１４に到達した燃料は燃
料噴出口７から噴出する。この際のエゼクター効果によ
り水蒸気導入口９から吸い込まれた水蒸気が、水蒸気吹
出口８から放出される。エゼクター部１４から出た燃料
及び水蒸気は、導電性フェルト５内に入り、改質される
（反応式ＡからＣ）。一方、セルの外側には、酸素を含
む空気が流れており、酸素が電子を受け取ってイオン化
して（反応式Ｄ）電解質中を透過し、燃料極３に到達す
る。燃料極側では、酸化物イオンが、電子を放出しつつ
導電性フェルト５内の水素及び一酸化炭素と反応する
（反応式Ｅ及びＦ）。この反応により生じた水蒸気及び
二酸化炭素は、導電性フェルト５内をセル上部に向けて
流れる。そして、反応式Ｅにより生じた水蒸気は再び改
質反応に寄与する（反応式ＡからＣ）。セルの上部に
は、排ガスセパレータ板１１が設けられており、導電性
フェルト５から出た水蒸気等は空気と混ざらずに燃料極
側排気となる。この燃料極側排気１０の一部はセル上部
の水蒸気導入口９から取り込まれて改質用の水蒸気とし
て、セル下部に向けて流れる。

【００３６】図５から図７に示されている実施形態は、
水蒸気細管６が燃料供給管４の外側に設けられている点
で、図３及び図４に示されている実施形態と異なってい
る。この場合、水蒸気細管６及びエゼクター部１４は、
例えば、図７に示されているようにして形成することが
できる。燃料供給管４の軸線方向に延びる側面には、内
側に凹み且つ軸線方向に延びる溝１６が設けられてい
る。断面が円弧状で長手方向に延びる柄部１７と、中心
に孔のあいた円形部１８とからなる覆い１９が、柄部１
７で溝１６を覆うようにして被せられている。円形部１
８の中心付近は、図５に示されているように燃料供給管
４に向かう方向に突き出している。柄部１７と溝１６に
より形成される管が水蒸気細管６となる。水蒸気は燃料
供給管４の外側を通ってエゼクター部１４に到達する。
燃料及び水蒸気がエゼクター部１４から放出された後の
反応及びガスの流れは図３及び図４に示されている実施
形態と同様である。

【００３７】図８から図１１は、エゼクター部の異なる
他の実施形態を示している。図８は図３及び図４に示さ
れた実施形態と同様に、燃料供給管４の内側に水蒸気細
管６が設けられた実施形態を示している。図８の場合
は、燃料噴出口７の直径が、先端へ行くほど大きくなっ
ている点で、図３及び図４の実施形態と異なる。エゼク
ター部１４をこのような末広がりの形状とすることによ
って、ディフューザー部２０が形成され、該ディフュー
ザー部２０により拡散効率を上げることができる。

【００３８】図９から図１１は、図５から図７と同様
に、燃料供給管４の外側に水蒸気細管６が設けられた実
施形態を示している。この実施形態では、水蒸気細管６
は管状に形成され、燃料供給管４に設けられた溝１６に
取り付けられている。このようにすると、エゼクター効
率は幾分落ちるもののコストを低く抑えることができ
る。

【００３９】図１２から図１７は、本発明にかかる固体
電解質型燃料電池のセル構造を用いた場合のセル間接続
の一例を示している。図１２に示されているように、空
気極電流は、セルの空気極１に密着したカソード集電体
２１からカソード引出リード２２を通じて取り出され
る。空気極１には集電効果を高めるため、カソード集電
体２１との間には集電補助剤２３を、更に、空気極１の
周りに一定間隔で、幅数ミリメートルから数十ミリメー
トルの集電補助リング２４をコーティングしておくこと
が好ましい。図１２の実施形態では、カソード集電体２
１には銅やニッケルなど高導電性金属の細線に、酸化防
止のために白金をコーティングしたものを、集電補助剤
２３や集電補助リング２４には白金ペーストを使用して
いる。

【００４０】カソード集電体２１を流れる電流は、セル
上部に多く集まり、セル底部には少ないため、カソード
集電体２１及び集電補助剤２３とも底部に行くほど幅を
狭くすることができ、そうすることで材料の使用量を抑
えることができる。カソード引出リードは、カソード集
電体２１を延長してもよく、熱応力に耐えるため撚り線
構造とするなど柔軟性を持たせることが望ましい。

【００４１】セル間の接続は、図１３に示されているよ
うに、縦方向にはカソード集電体２１を介して、横方向
にはカソードスペーサ２５を介して複数のセルを接続し
て行き、１つのバンドルを構成する。カソードスペーサ
２５は、その上方にセルとセルの間を流れる空気が排出
するための間隙を作るようセル上端よりやや低い位置ま
で延びている。カソードスペーサ２５の材質はセルの空
気極１と同じものが好ましく、電気的には固着していな
くても良い。

【００４２】図１４はバンドル構造の１例を示してい
る。ここでは、縦方向に２本、横方向に３本の計６本の
セルを接続したバンドル構造が示されている。空気は、
底部の空気室セパレータ板２６の孔を通ってセルに供給
され、外側の空気極に沿ってセル上部に上がって行く。
空気極側排気とセルの内側から出てきた燃料極側排気
は、排ガスセパレータ板１１によって混合燃焼しないよ
うに分離される。排ガスセパレータ板１１には、カソー
ド引出リードを通すための貫通孔２７が設けられてい
る。

【００４３】バンドルとバンドルの間にはバンドルスペ
ーサ２８を設置し、バンドル間を電気的に絶縁すると共
に、その上方は空気極側排気の通り道となるように排ガ
スセパレータ１１との間に間隙を設ける。したがって、
セルとセルの間の空気極側排気は、図１５に示すように
該図の紙面における横方向にはバンドルスペーサ２８の
上部から、縦方向にはカソードスペーサ２５の上部から
外に排出される。

【００４４】図１５は図１４に示されているバンドルを
図の縦方向に４組接続してスタック化した場合の平面図
を示している。上記のようにして並列に接続された６本
のセルが各バンドルを構成している。各バンドル間には
バンドルスペーサ２８があり、この状態ではバンドル１
から４の相互間は絶縁されている。

【００４５】図１６はバンドルからの電極の取り出し方
を示している。燃料極（陰極）側は、燃料供給管４から
燃料極側パワーリード２９を介して電極を取り出す。空
気極（陽極）側は、カソード引出リードから空気極側パ
ワーリード３０を介して電極を取り出す。燃料極側パワ
ーリード２９を６本の燃料供給管４に接続することによ
り、セルの陰極は、並列に接続されて等電位となる。ま
た、空気極側パワーリード３０によって３本のカソード
引出リード２２を接続することによりセルの陽極も並列
に接続されて等電位となる。

【００４６】各燃料供給管４と燃料極側パワーリード２
９、及び各カソード引出リード２２と空気極側パワーリ
ード３０は、接触抵抗が大きくならないよう溶接やボル
ト締め等でしっかり固定する。それぞれのパワーリード
は撚り線構造等を用いて柔軟性を持たせるのが望まし
い。

【００４７】バンドル間の電気接続は、図１７に示され
ているように隣り合ったバンドルの空気極側パワーリー
ド３０と燃料極側パワーリード２９を溶接やボルト締め
等で接続することによって行い、このようにして各バン
ドルを電気的に直列に繋いでいく。パワーリードの接続
は、セルに排ガスセパレータ板１１を被せた後に行う。

【００４８】図１８はスタック構造のアッセンブリの一
例を示している。これは図１４に示されているバンドル
を縦方向に４組直列に接続したものである。燃料は、フ
ュエルディストリビューター３１からフレキシブル絶縁
ジョイント３２及び燃料供給管４を通してセル内部に送
られる。スタック相互の間はパーテーションボード３３
によって仕切られる。見易さのため、この図からは空気
極側パワーリード及び燃料極側パワーリード（パワーリ
ードアセンブリ）を省略している。

【００４９】図１９は、フレキシブル絶縁ジョイント３
２と燃料供給管４との接続を拡大して示したものであ
る。燃料供給管４とフュエルディストリビューター３１
とはフレキシブル絶縁ジョイント３２によって繋がれ
る。図１９に示されているようにフレキシブル絶縁ジョ
イント３２は相互にネジ締めによって繋ぐことができ
る。フレキシブル絶縁ジョイント３２を柔軟な構造にす
れば、セル及び発電モジュール内の各部の熱応力や膨張
率が異なっていても、それによる摺動を吸収することが
できる。また、フレキシブル絶縁ジョイント３２は、セ
ラミックスやテフロン等の絶縁性材料で構成されてお
り、燃料供給管４とフュエルディストリビューター３１
との間を電気的に絶縁することができる。

【００５０】図１８に示されているスタックを更に直列
に接続して構成した発電モジュールの一実施形態を図２
０に示す。発電モジュールには、下側から順に空気室３
４、電池反応室３５、燃料極排ガス室３６、フュエルデ
ィストリビューター３１が設けられている。空気室３４
と電池反応室３５との間は空気室セパレータ板２６で仕
切られており、電池反応室３５と燃料極排ガス室３６と
の間は排ガスセパレータ板１１で仕切られている。更
に、フュエルディストリビューター３１と燃料極排ガス
室３６との間にはフュエルディストリビューター３１を
支持するためのトッププレート３７が取り付けられてい
る。

【００５１】空気室３４に入った空気は、空気室セパレ
ータ板２６に設けられた孔から上方に向けて吹きだし、
電池反応室３５において電池反応に寄与した後、空気極
側排気として排出される。一方、天然ガス等の燃料は、
フュエルディストリビューター３１によって、各セルに
分配され、フレキシブル絶縁ジョイント３２を介して各
セルの燃料供給管４に供給されて電池反応室３５に入
る。燃料は電池反応室３５において改質及び電池反応に
寄与した後、燃料極側排気として燃料極排ガス室３６に
入る。この一部が水蒸気導入口９から吸い込まれて再び
改質反応に寄与する。その他の燃料極側排気は燃料極排
ガス室３６の外に排出される。

【００５２】燃料極排ガス室３６と電池反応室３５の間
では、差圧コントロールによって、燃料極排ガス室３６
と電池反応室３５のガス圧力差をなくするようにするの
が好ましい。圧力差をなくすことによって、排ガスセパ
レータ板１１とセルの間からのガスリークによる混合燃
焼を抑えることができ、排ガスセパレータ板１１とセル
上部との間に特別なシールを行わずに済む。更に、セル
上部にまで上がってきた燃料極側排気中の可燃性ガス
は、電池反応によって殆ど消費されているので微妙なリ
ークは許容される。

【００５３】

【発明の効果】本発明にかかる固体電解質型燃料電池発
電モジュールに使用するセルは、セル底部が押し出し成
形により製造できる構造となっているので、厳格な寸法
でセラミックス製の栓を別に製造して取り付ける必要が
ない。また、セル底部の構造は熱応力が１個所に集中し
にくい構造であるので、クラックの発生及びそれに伴う
ガスリークの問題を解消することができる。

【００５４】本発明にかかる固体電解質型燃料電池発電
モジュールは、エゼクター効果を利用してセル内におい
て水蒸気を循環させているので、発電モジュールの外に
水蒸気循環ルートを設ける必要がなく、水蒸気循環ルー
トで使用していたポンプや流量調整器などの補機が不要
となる。これによりエネルギー損失を少なくすることが
でき、また、発電モジュール全体の制御も容易になる。

【００５５】本発明にかかる固体電解質型燃料電池発電
モジュールに使用するセルは、燃料極排ガス室において
パワーリードを接続することが可能である。燃料極排ガ
ス室は還元雰囲気であり、このような還元雰囲気中でパ
ワーリードを接続すれば、パワーリードが腐食や酸化の
影響を受けにくい。その結果、パワーリードの材料とし
て選択できる材料の幅が広がり、高価な白金等以外の材
料でパワーリードを形成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかる固体電解質型燃料電池のセル構
造の一例を示す縦断面及びＩ−Ｉ線断面を示す図であ
る。

【図２】本発明にかかる燃料供給管及び水蒸気細管の構
造を示す斜視図である。

【図３】本発明にかかるセルの空気極、電解質、及び燃
料極を簡略化して、燃料供給管及び水蒸気細管の構造例
を見やすくした縦断面図である。

【図４】図３のII−II線断面を示す図である。

【図５】本発明にかかるセルの空気極、電解質、及び燃
料極を簡略化して、燃料供給管及び水蒸気細管の構造例
を見やすくした縦断面図である。

【図６】図５のIII−III線断面を示す図である。

【図７】図５に示されている燃料供給管及び水蒸気細管
を分解して示した斜視図である。

【図８】本発明にかかるセルにおけるエゼクター部の一
実施形態を示す縦断面図である。

【図９】本発明にかかるセルにおけるエゼクター部の一
実施形態を示す縦断面図である。

【図１０】図９のIV−IV線断面を示す図である。

【図１１】図９に示されている燃料供給管及び水蒸気細
管を分解して示した斜視図である。

【図１２】本発明にかかるセルの空気極の集電構造を示
す斜視図である。

【図１３】本発明にかかるセルの空気極の接続を示す平
面図である。

【図１４】本発明にかかるセルのバンドル構造の一例を
示す斜視図である。

【図１５】図１４に示されているバンドル構造をスタッ
ク化したものを示す平面図である。

【図１６】本発明にかかるセルのパワーリード接続の一
例を示す斜視図である。

【図１７】本発明にかかるセルのパワーリード接続の一
例を示す斜視図である。

【図１８】本発明にかかるセルのスタック構造の一例を
示す斜視図である。

【図１９】本発明にかかる発電モジュールにおいて使用
するフレキシブル絶縁ジョイントと燃料供給管との接続
を拡大して示した図である。

【図２０】図１８に示されているスタックを更に直列に
接続して構成した発電モジュールの一実施形態を示す図
である。

【図２１】従来の固体電解質型燃料電池のセル構造を示
す縦断面及びV-V線断面を示す図である。

【図２２】従来のセルを使用した固体電解質型燃料電池
発電モジュールを示す図である。

【符号の説明】

１空気極２電解質３燃料極４燃料供給管５導電性フェルト６水蒸気細管７燃料噴出口８水蒸気吹出口９水蒸気導入口１４エゼクター部２１カソード集電体２２カソード引出リード２３集電補助剤２４集電補助リング２５カソードスペーサ２９燃料極側パワーリード３０空気極側パワーリード３２フレキシブル絶縁ジョイント３４空気室３５電池反応室３６燃料極排ガス室

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】外側から順に空気極、固体電解質、燃料
極を有し、基端部が開放され、先端部が空気極を径方向
内方へ延ばして閉鎖された円筒形セルを備えた固体電解
質型燃料電池であって、基端部が開放された円筒状をなし、少なくとも先端部に
燃料噴出口を有し、前記燃料極との間に間隙をおいて挿
入された導電性の燃料供給管と、前記燃料極と燃料供給管との間隙に詰められたガス透過
性の導電性物質と、該燃料供給管に沿って延び、燃料極側排気流路の基端部
付近で開口する水蒸気導入口と、前記燃料供給管の先端
部の燃料噴出口からの噴出に伴う随伴流を生じるエゼク
ターを構成する水蒸気吹出口とを有する水蒸気細管とを
備えてなる円筒形固体電解質型燃料電池。
【請求項２】請求項１記載の円筒形固体電解質型燃料
電池を、先端が下側へ向くようにして複数本配置した固
体電解質型燃料電池発電モジュールであって、燃料極側排気と空気極側排気の混合を防止するために、
セルの上部が位置する高さに取り付けられている排ガス
セパレータと、セルの燃料供給管に燃料を分配するフュエルディストリ
ビューターと、セルの陽極の少なくとも一部に接触している集電体と、一端が前記集電体に接続され、他端が前記排ガスセパレ
ータより上に位置しているカソード引出リードと、前記排ガスセパレータより上の位置で、１又は２以上の
燃料供給管に接続されている燃料極側パワーリードと、前記排ガスセパレータより上の位置で、１又は２以上の
カソード引出リードに接続された空気極側パワーリード
とを備えてなる固体電解質型燃料電池発電モジュール。