(57)【要約】本発明は、外面が外側管状電極（１８）で覆われている電解質（１６）によって覆われる管状内側電極（１４）から構成される少なくとも２個の微小管状素子（１０．１０’）及び微小管状素子（１０）の一方の一端を他方の微小管状素子（１０’）の一端へ接続するためにそれら微小管状素子（１０．１０’）間に配置される接続素子から構成される微小管状固体酸化物形燃料電池装置に関する。本発明の重要な観点に従って、前記微小管状素子（１０，１０’）は、管状内側電極（１４）中に配置される内側円錐形部材（３２）を備える第一端部（２０）と管状外側電極（１８）中に配置される外側円錐形部材（３０）を備える第二端部（２６）を備えて構成される。前記接続素子は第一側面（３６）及び第二側面（３８）を有する金属インターコネクタプレート（１２，１２’）から構成される。インターコネクタ（１２，１２’）には、少なくとも１個のホール（３４）、第一側面上、かつ前記ホール周囲に配置される第一金属コネクタ（４０）及び第二側面（３８）上、かつ前記ホール（３４）周囲に配置される第二金属コネクタ（４２）が備えられる。前記第一金属コネクタ（４０）は、インターコネクタプレート（１２，１２’）から離れる方向に向けて狭くなる断面を有する円錐形状を呈し、かつ微小管状素子（１０）の一方の第一端部（２０）を接触させるように寸法化及び配置される。前記第二金属コネクタ（４２）は、インターコネクタプレート（１２，１２’）から離れる方向に向けて広がる断面をもつ円錐形を呈し、かつ微小管状素子の他方（１０’）の第二端部（２６）を接触させるように寸法化及び配置される。
2014517997.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外側表面が管状外側電極で覆われている電解質で外面が覆われた管状内側電極から成る少なくとも２個の微小管状素子と、
前記少なくとも２個の微小管状素子間に配置され、かつ微小管状素子の一方の一端を他方の微小管状素子の一端へ接続するために用いられる接続素子から構成される微小管状固体酸化物燃料電池装置であって、
前記少なくとも２個の微小管状素子は、前記管状内側電極中に配置される内側円錐形部材を備える第一端部と前記管状外側電極中に配置される外側円錐形部材を備える第二端部を備えて構成され前記微小管状素子の電気的直列接続を形成し、
前記接続素子は、第一側面及び対向第二側面を有する金属インターコネクタプレートから成り、前記インターコネクタプレートには、
少なくとも１個のホール、
前記第一側面上かつ、前記少なくとも１個のホール周囲に配置され、前記インターコネクタプレートから離れる方向に向かって狭くなる断面を有する円錐形状を呈し、かつ前記微小管状素子の一方の前記第一端部を接触させるように寸法化及び配置される第一金属コネクタ、及び
前記第二側面上かつ、前記少なくとも１個のホール周囲に配置され、前記インターコネクタプレートから離れる方向に向かって広がる断面を有する円錐形状を呈し、かつ前記微小管状素子の他方の前記第二端部を接触させるように寸法化及び配置される第二金属コネクタが設けられることを特徴とする微小管状固体酸化物燃料電池装置。
【請求項２】
複数の微小管状素子が用意され、連続する微小管状素子が金属インターコネクタプレートによって互いに接続されることによって管状燃料電池素子が構成されることを特徴とする請求項１項記載の装置。
【請求項３】
複数の管状燃料電池素子が互いに平行に装置されて燃料電池スタックが構成され、前記金属インターコネクタプレートに複数のホールが設けられ、該ホールのそれぞれが第一側面上の第一金属コネクタ及び前記第二側面上の第二金属コネクタと関連付けられることを特徴とする請求項２項記載の装置。
【請求項４】
前記第一金属コネクタ及び又は前記第二金属コネクタに、反応性ガスが電解質中へ流れ込み、及び電解質から流れ出るように孔が設けられることを特徴とする請求項１〜３項のいずれかに記載の装置。
【請求項５】
前記第一金属コネクタ及び又は前記第二金属コネクタが延性材料から作製されることを特徴とする請求項１〜４項のいずれかに記載の装置。
【請求項６】
前記第一金属コネクタ及び又は前記第二金属コネクタが、銀、銀メッキ金属、あるいは銀含有金属から選択されるいずれかの金属から作製され、あるいは該金属でコーティングされることを特徴とする請求項１〜５項のいずれかに記載の装置。
【請求項７】
前記インターコネクタプレートに、中へ少なくとも１本の熱交換チューブを通すための少なくとも１個の補助ホールが設けられることを特徴とする請求項３〜６項のいずれかに記載の装置。
【請求項８】
前記金属インターコネクタプレートの断面が六角形であることを特徴とする請求項１〜７項のいずれかに記載の装置。
【請求項９】
前記金属インターコネクタプレートの断面が矩形であり、該矩形の長さがその幅よりもかなり長いことを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の装置。
【請求項１０】
前記金属インターコネクタプレートが電気コネクタから構成されることを特徴とする請求項１〜９項のいずれかに記載の装置。
【請求項１１】
前記金属インターコネクタプレートが機械的コネクタから構成されることを特徴とする請求項１〜１０項のいずれかに記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は微小管状固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）装置、とりわけ固体酸化物燃料電池スタック(stack)の構成に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体酸化物燃料電池は燃料の酸化によって直接発電させる電気化学的変換装置である。ＳＯＦＣはセラミック電解質を有している。この種の燃料電池の利点として、高効率性、長期安定性、燃料適応性、低排出性、及び相対的に安価なことが挙げられる。他方、最大の欠点として、高操作温度、それによる作動までの長時間要求並びに物理的及び化学的相溶性(compatibility)がある。
【０００３】
起動時間を短縮するために、平面形電池に代えて微小管状電池を用い、それら微小管状電池を連続状に配置して２本の電極、すなわち陽極と陰極の間に管状電解質が挟み込まれた微小管状形ＳＯＦＣとすることが提案されている。このような微小管状ＳＯＦＣは例えばＪＰ４４０７２３５に開示されており、この例では短形管状素子がインターコネクタを用いて直列に接続されている。これらインターコネクタはリング形状の素子であり、その各側面上において短形管状素子の各端部を受けている。インターコネクタ間に多数の短形管状素子を配して成る集合体によって長形の管状燃料電池素子が作製される。
【０００４】
かかる長形管状燃料電池素子は並列に接続されることも必要である。このように接続するため、ＪＰ４４０７２３５では２つのリング形素子をランドを用いて一緒に接続する方式が教示されている。
【０００５】
ＪＰ４４０７２３５に開示されたインターコネクタは、燃料電池を直列及び並列に接続することを可能としている。しかしながら、かかるインターコネクタを用いて燃料電池を構成する方法はむしろ煩雑かつ時間浪費的である。さらに、短形管状素子とインターコネクタ間での遊び(play)が、多数の短形管状素子が直列に接続されているために問題となる可能性がある。多数の接続部における小さな遊びであっても積み重ねられてしまうと、管状燃料電池素子の全長に亘る許容不能な遊びとなって燃料電池の安定性が危うくされる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、上記欠点が解消される微小管状固体酸化物燃料電池装置を提供することを目的とする。本目的は請求項１項記載の装置によって達成される。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は微小管状固体酸化物燃料電池装置に関する。本微小管状固体酸化物燃料電池装置は、外面が電解質で覆われた管状内側電極であって、該電解質の外面が管状外側電極で覆われている該管状内側電極と、一方の微小管状素子の一端を他方の微小管状素子の一端へ接続する微小管状素子間に配置される接続素子から成る、少なくとも２個の微小管状素子から構成される。本発明の重要な観点によれば、前記微小管状素子は、管状内側電極中に配置される内側円錐形部材を備える第一端部と管状外側電極中に配置される外側円錐形部材を備える第二端部を備えて構成され、微小管状素子間の電気的直列接続が形成されている。この接続素子は第一側面及び対向第二側面をもつ金属インターコネクタプレートを有する。前記インターコネクタプレートには、少なくとも１個のホールと、前記第一側面上かつ該ホール周囲に配置される第一金属コネクタと、及び前記第二側面上かつ該ホール周囲に配置される第二金属コネクタが設けられる。該第一金属コネクタは、インターコネクタプレートから離れる方向に向けて狭くなる断面をもつ円錐形状を呈し、そして一方の微小管状素子の第一端部に接触するように寸法化及び配置される。該第二金属コネクタは、インターコネクタプレートから離れる方向に向かって広がる円錐形状を呈し、そして他方の微小管状素子の第二端部に接触するように寸法化され及び配置される。
【０００８】
微小管状素子は金属インターコネクトプレートを用いて素早く容易に積み重ね可能である。微小管状素子の小型化、管状形状設計及び接続間隔の短縮化によって、チューブ材料と金属インターコネクタプレート材料の熱膨張率差によって生ずる問題が減じられる。円錐形部材とすることにより、集合体中におけるチューブの密閉及び定位が可能とされる。金属コネクタの金属円錐形部材によって、チューブと金属コネクタの熱膨張率差によって生ずる損傷をなくすることが可能である。耐用期間を考慮して、インターコネクタ材料を選択することが可能である。インターコネクタプレートの形状化に関して柔軟性が高いゆえにスタック形状にも柔軟性を出せるので幅広い用途に利用可能である。さらに、インターコネクタプレートにより燃料電池の安定性が増大される。微小管状素子とインターコネクタプレートとの間でたとえ小さな遊びがあっても、インターコネクタプレートは燃料電池の全幅を覆っているため、この小さな遊びが燃料電池の全長に亘って拡大されることはない。また、円錐形であることによってかかる遊びも減じられる。
【０００９】
本発明に係る装置は、多数の微小管状素子から好ましく構成される。これら微小管状素子はインターコネクタプレートを用いて直列に相互接続され、多数の微小管状素子となって管状燃料電池素子が形成される。多数の微小管状素子が直列に接続されて長形管状燃料電池素子が作製される。
【００１０】
有利な態様として、多数の管状燃料電池素子が互いに平行に配置されて燃料電池スタックが作製され、金属インターコネクタプレートには多数のホールが形成され、それらホールのそれぞれは第一側面上の第一金属コネクタ及び第二側面上の第二金属コネクタと連係される。このようにして燃料電池スタックは複数のホールを有する複数の金属インターコネクタプレートを用いて容易に作製される。金属インターコネクタプレートは、カスケード型微小管状素子を直列に接続するだけでなく管状燃料電池素子を並列にも接続する。このような装置により、燃料電池スタックの容易かつ頑強な作製が可能とされる。さらに、種々素子間の良好な接続性が確保され、それによって燃料電池スタックの効率性が向上される。
【００１１】
第一金属コネクタ及び又は前記第二金属コネクタは、好ましくは延性材料から作製される。該材料は、加熱中あるいは冷却中にセラミック材料を壊すことなく歪曲可能でなければならないため、脆弱であってはならない。
【００１２】
前記第一金属コネクタ及び又は前記第二金属コネクタは、銀、銀メッキ金属あるいは銀含有金属から作製され、あるいはそれら金属でコーティングされる。
【００１３】
有利な態様として、インターコネクタプレートには少なくとも１個の補助ホールが設けられ、該ホールを通して少なくとも１本の熱交換チューブが通される。かかる熱交換チューブは、スタックが定温モードで作動される場合には特に重要である。かかる定温モードにおいては、スタックの入口温度と出口温度は同一であり、入る流れの温度と出る流れの温度に温度差はない。従って、熱を取り除くための冷却装置が推奨される。
【００１４】
また別の態様として、前記スタックを断熱モードで作動させることが可能であるが、このモードでは反応性空気だけが該スタックの冷却に有効であり、設計された過剰空気に基づく結果として、入口と出口との温度差が受け入れられなければならない。空気量は許容されるスタック温度差によって決定される。従って該断熱モードにおいては冷却装置も冷媒も必要とされない。
【００１５】
これら断熱モード及び定温モードを併用することも可能である。
【００１６】
除去された熱は燃料処理（大部分がＣｎＨｍの水による酸化である前改質性吸熱反応）に用いることが可能であり、スタック構造中に熱交換器が改質反応器として形成される。
【００１７】
熱力学的観点から、化学的プロセス中にスタックを一体化させ、スタック冷却器からの熱を利用して化学産業における吸熱反応処理を行うことも可能である。
【００１８】
前記金属インターコネクタプレートの断面を六角形に構成してスタック容量を最小化することも可能である。
【００１９】
金属インターコネクタプレートの断面を矩形とすることも可能であり、この場合、矩形長辺はその幅よりもかなり長く構成される。かかる細長いレイアウトは、発電ヒーター等の種々の用途への利用において有利である。
【００２０】
有利な態様において、前記金属インターコネクタプレートは、異なる複数の燃料電池スタックを燃料電池モジュールへ電気的に接続する電気コネクタから構成される。
【００２１】
また、有利な態様において、前記金属インターコネクタプレートは、異なる複数の燃料電池スタックを燃料電池モジュールへ機械的に接続する機械的コネクタから構成される。
【００２２】
本発明のさらに別の有利な特徴については、本願従属請求項及び下記における詳細な説明に記載されている。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】第一微小管状素子、第二微小管状素子、及びこれら素子の間に配置される金属インターコネクタプレートから成る本発明に係る装置の略断面図である。
【図２】本発明に従った燃料電池スタックの略断面図である。
【図３】さらに冷却チューブが設けられた本発明に係る装置の略断面図である。
【発明を実施するための手段】
【００２４】
本発明について、添付図面を参照する以下の非限定的実施態様を用いてさらに詳細に説明する。
図１は金属インターコネクタプレートを用いて一体に接続された２つの微小(micro)管状素子を示した図である。本図には、２個の微小管状素子１０，１０’及び２個の金属インターコネクタプレート１２，１２’が示されている。微小管状素子１０，１０’のそれぞれは、電解質１６で覆われ、次いでそれが管状外側電極１８で覆われる管状内側電極１４によって作製される。電解質１６は実質的に内側電極１４と外側電極１８の間に挟み込まれている。内側電極１４が陽極であれば、外側電極１８は陰極である。また、内側電極１４が陰極とされれば、外側電極１８は陽極とされる。
【００２５】
前記微小管状素子１０，１０’には、第一末端部２４へ導く第一端部２０と第二末端部２８へ導く第二端部２６が設けられる。該第一端部２０において、外側電極１８には外側円錐形部材３０が設けられる。すなわち、外側電極１８の厚さは微小管状素子１０．１０’の第一端部２４の方向に向かって減じられている。また、第二端部２６において、内側電極１４には内側円錐形部材３２が備えられる。すなわち、内側電極１４の厚さは微小管状素子１０，１０’の第二端部２８の方向に向かって減じられている。
【００２６】
前記金属インターコネクタプレート１２には、２つの隣接する微小管状素子１０，１０’の内側チャネル間における流体連絡を可能にするためのホール３４が備えられる。このようなインターコネクタプレート１２は、第一微小管状素子１０に面する第一側面３６と第二微小管状素子１０’に面する対向第二側面３８を有している。
【００２７】
前記インターコネクタプレート１２の第一側面３６上において、インターコネクタ１２にはホール３４の周囲に第一金属コネクタ４０が備えられる。第一金属コネクタ４０は、第一微小管状素子１０の第一末端部分２０の外側断面に対応する内側断面を有する。
【００２８】
前記インターコネクタプレート１２の第二側面３８上において、インターコネクタプレート１２にはホール３４の周囲に第二金属コネクタ４２が備えられる。第二金属コネクタ４２は、第二微小管状素子１０’の第二末端部分２６の内側断面に対応する外側断面を有する。
【００２９】
前記第一金属コネクタ４０及び第二金属コネクタ４２は、電解質への、あるいは電解質からの反応性ガスの流れを可能とするための孔を設けることが可能である。かかる孔により、微小管状素子１０，１０’の全長に亘って反応性ガスの流れが起こることが確保される。これにより、微小管状素子１０，１０’の表面全体に亘って第一金属コネクタ４０及び第二金属コネクタ４２が存在することによる燃料電池の効率性の減衰は生じない。
【００３０】
第一金属コネクタ４０及び第二金属コネクタ４２は延性材料で作製でき、これにより微小管状素子１０．１０’のインターコネクタプレート１２に対する十分な柔軟性が確保される。
【００３１】
微小管状素子１０，１０’とインターコネクタプレート１２間を円錐形状の接続とすることにより、微小管状素子１０．１０’の内面と外面間の密閉が確保され、これによって微小管状素子１０，１０’の内面と外面間への電解質１６を通じての流体移動が強制される。
【００３２】
さらに、かかる金属円錐形部材によって、微小管状素子１０，１０’とインターコネクタ１２との熱膨張率が異なっても損傷が生じない。インターコネクタプレート１２に用いる材料の選択により耐用期間の最適化を図ることが可能である。
【００３３】
インターコネクタプレート１２の形状の高柔軟化によりスタック形状の高柔軟性が得られ、幅広い用途拡大が可能とされる。
【００３４】
図２に示すスタック形状の例は、特に燃料電池スタック４４の断面を示したものである。かかる燃料電池スタック４４は、複数のホール３４を有する多数のインターコネクタプレート１２，１２’を含み、各ホール３４には第一金属コネクタ４０とそれと連係する第二金属コネクタ４２が備えられる。微小管状素子１０，１０’及びインターコネクタプレート１２，１２’は、長形管状燃料電池素子４６，４６’，４６”が形成されるように直列に配置される。図２は燃料電池スタック４４の断面図であり、長形管状燃料電池素子４６，４６’，４６”が第一方向だけに列状に配置されている。インターコネクタプレート１２，１２’にはさらに第二方向に複数のホール３４が設けられることができ、これにより第二方向に長形管状燃料電池素子が形成され、燃料電池スタック４４の３次元装置が構成される。
【００３５】
かかる燃料電池スタック４４のインターコネクタ１２，１２’によって個々の微小管状素子１０，１０’は直列に連結されるだけでなく並列にも連結される。従って、１つの長形管状燃料電池素子４６，４６’，４６”を他の素子へ接続するために付加的な接続を用意する必要はない。
【００３６】
図には示されていないが、インターコネクタプレート１２，１２’にさらに隣接燃料電池スタック４４を互いに電気的及び機械的に接続するコネクタを用いてＳＯＦＣモジュールを構成することも可能である。
【００３７】
図３はスタックを示す図であり、インターコネクタ１２，１２’にはさらに、中に熱交換チューブ５０を通すための補助ホール４８が含まれている。この補助ホール５０は、それらホールが一連のインターコネクタプレート１２，１２’に沿って列状になるように配置される。かかる熱交換チューブ５０はスタック４４中に一体化された冷却装置として機能し、スタックから熱を除去する役割を果たす。
【符号の説明】
【００３８】
１０，１０’  微小管状素子
１２，１２’  インターコネクタプレート
１４  管状内側電極
１６  電解質
１８  管状外側電極
２０  第一端部
２４  第一末端部
２６  第二端部
２８  第二末端部
３０  外側円錐形部材
３２  内側円錐形部材
３４  ホール
３６  第一側面
３８  第二側面
４０  第一金属コネクタ
４２  第二金属コネクタ
４４  燃料電池スタック
４６，４６’，４６”  長形管状燃料電池素子
４８  補助ホール
５０  熱交換チューブ
【図１】
2014517997.tif 000003
【図２】
2014517997.tif 000004
【図３】
2014517997.tif 000005
【手続補正書】
【提出日】平成25年4月29日(2013.4.29)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも２個の管状燃料電池素子と、この管状燃料電池素子は互い平行に配置されており、各管状燃料電池素子は、外側表面が管状外側電極で覆われている電解質で外面が覆われた管状内側電極から成る少なくとも２個の微小管状素子を有しており、
前記少なくとも２個の微小管状素子間に配置され、かつ微小管状素子の一方の一端を他方の微小管状素子の一端へ接続するために用いられる接続素子から構成される微小管状固体酸化物燃料電池装置であって、
前記管状燃料素子の前記少なくとも２個の微小管状素子は、前記管状内側電極中に配置される内側円錐形部材を備える第一端部と前記管状外側電極中に配置される外側円錐形部材を備える第二端部を備えて構成され前記微小管状素子の電気的直列接続を形成し、
前記接続素子は、第一側面及び対向第二側面を有する金属インターコネクタプレートから成り、前記インターコネクタプレートは、少なくとも２個のホールを備え、その１個は前記少なくとも２個の管状燃料電池素子の各々と連携しており、このインターコネクタプレートは、
前記第一側面上にあり、前記インターコネクタプレートから離れる方向に向かって狭くなる断面を有する円錐形状を呈し、かつ前記微小管状素子の一方の前記第一端部を接触させるように寸法化及び配置される第一金属コネクタ、及び
前記第二側面上にあり、前記インターコネクタプレートから離れる方向に向かって広がる断面を有する円錐形状を呈し、かつ前記微小管状素子の他方の前記第ニ端部を接触させるように寸法化及び配置される第二金属コネクタが設けられることを特徴とする微小管状固体酸化物燃料電池装置。
【請求項２】
前記第一金属コネクタ及び又は前記第二金属コネクタに、反応性ガスが電解質中へ流れ込み、及び電解質から流れ出るように孔が設けられることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記第一金属コネクタ及び又は前記第二金属コネクタが延性材料から作製されることを特徴とする請求項１または２に記載の装置。
【請求項４】
前記第一金属コネクタ及び又は前記第二金属コネクタが、銀、銀メッキ金属、あるいは銀含有金属から選択されるいずれかの金属から作製され、あるいは該金属でコーティングされることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の装置。
【請求項５】
前記インターコネクタプレートに、中へ少なくとも１本の熱交換チューブを通すための少なくとも１個の補助ホールが設けられることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の装置。
【請求項６】
前記金属インターコネクタプレートの断面が六角形であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の装置。
【請求項７】
前記金属インターコネクタプレートの断面が矩形であり、該矩形の長さがその幅よりもかなり長いことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の装置。
【請求項８】
前記金属インターコネクタプレートが電気コネクタから構成されることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の装置。
【請求項９】
前記金属インターコネクタプレートが機械的コネクタから構成されることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の装置。
【国際調査報告】
2014517997.tif 000006
2014517997.tif 000007
2014517997.tif 000008