(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池用セルチューブを構成する燃料極と空気極とを一体に焼成する円筒状の支持体であり、内周面に軸方向に亙って直線状の溝部を設けた
ことを特徴とする燃料電池用基体管。
【請求項２】
請求項１において、
上記溝部が全周に亘って多数条形成してなる
ことを特徴とする燃料電池用基体管。
【請求項３】
酸化剤ガスと燃料ガスとを作動温度環境下の電池室内の外周面に単電池膜を成膜してなるセルチューブに供給することにより、上記酸化剤ガスと燃料ガスとを電気化学的に反応させて電力を得るようにした円筒型固体電解質燃料電池モジュールにおいて、
請求項１又は２に記載の基体管を燃料電池用セルチューブに用いてなる
ことを特徴とする燃料電池モジュール。
【請求項４】
請求項３において、
内部にガス供給室とガス排出室と電池室とを有するモジュール本体と、上記ガス供給室と連通する複数のセルチューブと、該上記ガス排出室に連通すると共にセルチューブ内に挿通され、発電後の残ガスを排出する抽出管と、を備えてなる
ことを特徴とする燃料電池モジュール。
【請求項５】
請求項４において、
上記供給するガスが燃料ガスである
ことを特徴とする燃料電池モジュール。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、基体管の強度を維持しつつガス透過性を向上させ、発電効率を向上を図ると共に、モジュールの製造コストの低減化及び出力密度の向上を図った燃料電池用基体管及び燃料電池モジュールに関する。
【０００２】
【背景技術】
従来の円筒型固体電解質燃料電池モジュールの概略構造を図６に示す。尚、図７はそのセルチューブ部分の概略図及び図８はセルチューブの構造概略図である。
【０００３】
図６に示すように、断熱材で包囲されたモジュール本体０１の内には、天板０２，上部管板０３及び下部管板０４が配設され、下部管板０４の下方には、電池室０１ａが形成されている。
一方、モジュール本体０１の天板０２と上部管板０３との間には、燃料供給室０５が形成されている。また、上部管板０３と下部管板０４の間には、燃料排出室０６が形成されている。
上記燃料供給室０５の天板０２には、当該燃料供給室０５とモジュール本体０１の外部とを連通する外側管０７が当該モジュール本体０１を貫通して連結されている。この外側管０７の内側には、上記燃料排出室０６と当該モジュール本体０１の外部とを連通するように下部管板０４を貫通する内側管０８が配設されている。
【０００４】
上記下部管板０４には、外周面に単電池膜（図示せず）を成膜してなるセルチューブ０１０が、上端を燃料排出室０６内に位置させると共に下方寄りをモジュール本体０１の電池室０１ａ内に位置させるようにして貫通支持されている。
セルチューブ０１０の内側には、当該セルチューブ０１０の内部下方側と燃料供給室０５内とを連通させるように上部管板０３を貫通する燃料注入管０１１が配設されている。
【０００５】
上記燃料注入管０１１の内側には、上端を燃料供給室０５に位置させると共に下端をセルチューブ０１０の下端近傍に位置させた集電棒０１２が配設されている。該集電棒０１２の下端は、上記単電池膜と電気的に接続されている。上記セルチューブ０１０の下端は集電部材０１３ａを備えたシールキャップ０１３により閉塞されている。上記集電棒０１２の上端は、ニッケル製の集電部材０１３ａおよび導電棒０１４を介してモジュール本体０１の外部へ電気的に接続されている。
一方、セルチューブ０１０の上端には、上記単電池膜と電気的に接続する集電コネクタ０１５が取り付けられており、当該集電コネクタ０１５は、他のセルチューブ０１と当該集電コネクタ０１５を介して直列に接続されている。
【０００６】
上記モジュール本体０１の電池室０１ａの下部には、多孔質のセラミックス製の仕切板０１６が設けられている。該仕切板０１６の下方には、当該仕切板０１６を介して上記電池室０１ａと連通する空気予熱器０１７が設けられている。
該空気予熱器０１７には、モジュール本体０１の外部と連通する空気供給管０１８及び空気排出管０１９が接続している。ここで、電池室０１ａに供給された空気は発電に供せられた後、電池室排空気として空気排出管０１９ａから空気予熱器０１７に排出される。空気予熱器０１７では、電池室排空気と供給空気０２１との間で熱交換を行い、空気を予熱して仕切板０１６下部に供給すると同時に、排空気を冷却して空気排気管０１９を介してモジュール外へ排出する。
【０００７】
上記セルチューブ０１は、図７乃至図９に示すように、基体管０３１の表面に燃料極０３２ａ，電解質０３２ｂ，空気極０３２ｃを順次積層し、さらに燃料極側電極と空気側電極を接続するための導電性接続材（図示せず）を積層して、単電池膜０３２を横縞状に複数形成している。
【０００８】
このような構造をなす円筒型固体電解質燃料電池モジュールの作用を次に説明する。
モジュール本体０１の電池室０１ａ内を作動温度（約９００〜１０００℃）に加熱し、外側管０７から水素などの燃料ガス０２０を供給すると共に、空気供給管０１８から酸化剤ガスである空気０２１を供給する。
外側管０７を介して供給された燃料ガス０２０は、燃料供給室０５から注入管０１１を介してセルチューブ０１０下端側までに流入する。
一方、空気予熱室０１７を介して仕切板０１６を通過した空気０２１が電池室０１ａ内に流入する。
【０００９】
上記燃料０２０が多孔質性の基体管０３１を透過して図示しない単電池膜に供給され、上記空気（酸素）０２１が単電池膜０３５に接触すると、該単電池膜０３５が燃料と空気（酸素）とを電気化学的に反応させて電力を発生させ、当該電力が集電部材０１３ａ，導電棒０１４，集電部材０１３ａ、導電棒０１４を介して外部へ送り出されるようになっている。
【００１０】
なお、発電に供された後の残燃料ガス０２２は、セルチューブ０１０の上端から燃料排出室０６内に流入し、内側管０８を介して外部に排出される一方、発電に供された後の残空気０２３は、空気排出管０１９ａを介して外部に排出される。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
上記燃料電池モジュールにおいて、セルチューブ０１０を構成する基体管０３１及び電極は、ガスの給排気を円滑に行うために、多孔体を使用している。
運転状態の概念図を図８，９に示す。
これらの図面に示すように、基体管０３１の多孔体中のガスの移動は濃度拡散によるが、ガスは注入管０１１により一度管の奥まで注入され、その後反転して、燃料が発電に使用され、残燃料ガス０２２が開口部より排出されているが、燃料電池の運転電流密度及び燃料利用率が高い場合に、基体管０３１及び燃料極０３２ａでの燃料輸送が燃料の供給下流側（開口部側）では拡散限界に達し、反応部位への燃料供給が滞り、運転の継続が困難になるという場合にもつながる、という問題がある。
【００１２】
このため、ガスの輸送性能を向上するには、基体管等の多孔性材料の薄肉化や材料の変更により気孔率の向上を図ることも提案されているが、電池製作時及び運転時等の強度保持のために、制限を受ける、という問題がある。
【００１３】
このように、従来の基体管においては、燃料電池の運転電流密度及び燃料利用率の上限が抑えられ、コンパクト化・高効率化の障害となっている、という問題がある。
【００１４】
また、前述したような円筒型固体電解質燃料電池モジュールでは、作動温度が高温（９００〜１１００℃近傍）であるので、モジュール本体０１内に配設された天板０２，上部管板０３及び下部管板０４の材質は耐熱合金で作製する必要がある。
これは注入管０１１等の燃料供給・排出管はセラミックス製であるので、脆弱であり、温度変化があっても割れやヒビが入らないように、長期間に亙って健全性を保持する必要があるからである。
また、天板０２，上部管板０３及び下部管板０４は歪み等が生じないように、耐久性を考慮して厚くせざるを得なかったので、さらに製造コストが増大する、という問題がある。
【００１５】
そこで、本発明は、上記問題に鑑み、基体管の強度を維持しつつガス透過性を向上させ、発電効率を向上を図ると共に、モジュールの製造コストの低減化及び出力密度の向上を図った燃料電池用基体管及び燃料電池モジュールを提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
前述した課題を解決する［請求項１］の発明は、燃料電池用セルチューブを構成する燃料極と空気極とを一体に焼成する円筒状の支持体であり、内周面に軸方向に亙って直線状の溝部を設けたことを特徴とする。
【００１８】
［請求項２］の発明は、請求項１において、上記溝部が全周に亘って多数条形成してなることを特徴とする。
【００２２】
［請求項３］の燃料電池モジュールの発明は、酸化剤ガスと燃料ガスとを作動温度環境下の電池室内の外周面に単電池膜を成膜してなるセルチューブに供給することにより、上記酸化剤ガスと燃料ガスとを電気化学的に反応させて電力を得るようにした円筒型固体電解質燃料電池モジュールにおいて、請求項１又は２に記載の基体管を燃料電池用セルチューブに用いてなることを特徴とする。
【００２３】
［請求項４］の燃料電池モジュールの発明は、請求項３において、内部にガス供給室とガス排出室と電池室とを有するモジュール本体と、上記ガス供給室と連通する複数のセルチューブと、該上記ガス排出室に連通すると共にセルチューブ内に挿通され、発電後の残ガスを排出する抽出管と、を備えてなるものである。
【００２４】
［請求項５］の発明は、請求項４において、上記供給するガスが燃料ガスであることを特徴とする。
【００２６】
【発明の実施の形態】
本発明による燃料電池用基体管及び燃料電池モジュールの実施の形態を以下に説明するが、本発明はこれらの実施の形態に限定されるものではない。
【００２７】
［第１の実施の形態］
本発明の第１の実施の形態を図１を用いて説明する。
図１は燃料電池用基体管の概略図である。
図１に示すように、本実施の形態にかかる燃料電池用基体管（以下、「基体管」という）１１は、セルチューブを構成する燃料極と空気極とを一体に焼成する円筒状の支持体であり、軸方向に亙って内周全面に直線状の溝部１２ａを設けたものである。
【００２８】
なお、本実施の形態では溝部１２ａは全周に亙って設けているが、複数本を適宜間隔を設けて形成するようにしてもよい。
【００２９】
上記溝部１２ａが形成された結果、基体管１１の肉厚が該溝部１２ａの部分で薄くなり、内側を軸方向に通過する燃料ガスの透過性が良好となる。
また、リブ部１２ｂの形成により、強度の保持が可能となる。
よって、溝部１２ａの形成により、焼結の支持部材としての基体管本来の機能を保持しつつ燃料ガスの透過距離を短くすることができ、従来のような燃料の下流側での発電効率の低下を防止することができる。
【００３０】
［第２の実施の形態］
本発明の第２の実施の形態を図２を用いて説明する。
図２は燃料電池用基体管の概略図である。
図２に示すように、本実施の形態にかかる燃料電池用基体管は、第１の実施の形態の直線状の溝部１２とは異なり、スパイラル状の溝部１３を形成したものである。
【００３１】
なお、本実施の形態では溝部１３は全周に亙って設けているが、複数本を適宜間隔を設けて形成するようにしてもよい。
【００３２】
スパイラル状の溝部１３が形成された結果、基体管の肉厚が該スパイラル状の溝部１３部分で薄くなり、内側を軸方向に通過する燃料ガスの透過性が良好となる。
よって、基体管の内周面をライフルの内周面のようにスパイラル状の溝部１３を形成することにより、焼結の支持部材としての基体管本来の機能を保持しつつ燃料ガスの透過距離を短くすることができ、従来のような燃料の下流側での発電効率の低下を防止することができる。
【００３３】
［第３の実施の形態］
本発明の第３の実施の形態を図３を用いて説明する。
図３は燃料電池用基体管の概略図である。
図３に示すように、本実施の形態にかかる燃料電池用基体管は、第１及び第２の実施の形態とは異なり、燃料電池モジュール内の管板に支持される基体管１１の端部近傍に複数の微細孔１４を形成したものである。
なお、該微細孔１４は基体管１１を焼成する前に形成しておけばよい。
【００３４】
なお、上記微細孔１４の形成部分は燃料電池のセルの出口近傍であればよい。
図７に示すセルチューブを垂下させ、内部にガス供給管である注入管０１１を設けて燃料ガスを供給して、上昇ガスにより燃料を供給する形式のものであれば、管板０３５側の端部で軸方向に対して１／８〜１／１２の領域において微細孔１４を形成するのが好ましい。
【００３５】
上記微細孔１４が形成された結果、微細孔を有する部分に形成された単電池膜には、該微細孔１４を通過することで燃料ガスの供給がスムーズとなる。
よって、微細孔１４の形成により、焼結の支持部材としての基体管本来の機能を保持しつつ燃料ガスの透過性をよくすることができ、従来のような燃料の下流側での発電効率の低下を防止することができる。
【００３６】
［第４の実施の形態］
本発明の第４の実施の形態を図４を用いて説明する。
図４は燃料電池用基体管をモジュール内に設置した概略図である。
図４に示すように、本実施の形態にかかる燃料電池用基体管は、第１乃至第３の実施の形態とは異なり、燃料電池モジュール内の管板に支持される下端部近傍をテーパ部１５としたものである。
該テーパ部１５の形成により、端部側にいくにつれて漸次肉厚が薄くなる結果、通過する燃料ガスの透過性において低下することがなく、満遍なくガスを供給することができる。
【００３７】
なお、上記テーバ部１５の形成部分は燃料電池のセルの出口近傍であればよい。図４に示すセルチューブ２２を下部管板４３からを垂下させ、内部にガスを抽出する抽出管２３を設ける形式のものであれば、集電部材２５ａを備えたシールキャップ２５を設ける側の端部で軸方向に対して１／８〜１／１２の領域においてテーバ部１５を形成するのが好ましい。
また、テーパ部１５先端の薄肉部分はセルチューブの肉厚に対して薄ければ薄い程好ましいが、強度保持の点から１／２〜１／３程度とすればよい。
【００３８】
これは、基体管全体の薄肉化は、セル全体の強度低下を招くが、図７に示すようなセル構造では、セルチューブ全体の自重がテーパ部に加わることとなり、好ましくない。よって、燃料の供給方法を図７のものと逆転させ、管板側を燃料供給部とし、先端付近を燃料ガスの出口部とすることで、セル全体の強度を低下させることなく、燃料出口付近の基体管の薄肉化を図ることができる。
図４に示す構造では、セルチューブを垂下させている構造であり、シールキャップ２５のみを接合するだけでよいので、テーパ部分に付加がかかるようなことは生じることはない。
【００３９】
［第５の実施の形態］
本発明の第５の実施の形態を図５を用いて説明する。
図５は図４の燃料電池用基体管を備えたモジュールの概略図である。
図５に示すように、本実施の形態の燃料電池モジュールは、空気３１と燃料ガス３２とを作動温度環境下の電池室３３内の外周面に単電池膜２１を成膜してなるセルチューブ２２に供給することにより、上記空気３１と燃料ガス３２とを電気化学的に反応させて電力を得るようにした円筒型固体電解質燃料電池モジュールにおいて、内部に燃料ガス供給室３５と燃料ガス排出室３６と電池室３３とを有するモジュール本体３７と、上記燃料ガス供給室３５と連通する複数のセルチューブ２２と、該上記燃料ガス排出室３６に連通すると共にセルチューブ２２内に挿通され、発電後の残燃料ガス３８を排出する抽出管３９と、を備えてなるものである。
【００４０】
上記燃料電池モジュールの詳細を以下に説明する。
断熱材で包囲されたモジュール本体３７の内には、天板４１，上部管板４２及び下部管板４３が配設され、下部管板４３の下方には、電池室３３が形成されている。
また、上部管板４２と下部管板４３の間には、外部より燃料ガス３２を供給する燃料供給室３５が形成されている。一方、モジュール本体３７の天板４１と上部管板４２との間には、セルチューブ２２から排出される残燃料ガス３８の燃料排出室３６が形成されている。
上記燃料排出室３６の天板４１には、当該燃料排出室３６とモジュール本体３７の外部とを連通する外側管４４が当該モジュール本体３７を貫通して連結されている。この外側管４４の内側には、上記燃料供給室３５と当該モジュール本体３７の外部とを連通するように下部管板４３を貫通する内側管４５が配設されている。
【００４１】
上記下部管板４３には、外周面に単電池膜（図示せず）を成膜してなるセルチューブ２２が、上端を燃料供給室３５内と連通するように位置させると共に下方寄りをモジュール本体３７の電池室３３内に位置させるようにして貫通支持されている。
セルチューブ２２の内側には、当該セルチューブ２２の内部下方側と燃料排出室３６内とを連通させるように上部管板４２を貫通する燃料排出管２３が配設されている。
【００４２】
上記抽出管２３の内側には、上端を燃料供給室３５に位置させると共に下端をセルチューブ２２の下端近傍に位置させた集電棒２４が配設されている。該集電棒２４の下端は、上記単電池膜と電気的に接続すると共にセルチューブ２２の下端を閉塞する集電部材２５に連結している。該集電棒２４の上端は、ニッケル製の集電部材４６および導電棒４７を介してモジュール本体３７の外部へ電気的に接続されている。
一方、セルチューブ２２の上端には、上記単電池膜と電気的に接続する集電コネクタ４８が取り付けられており、当該集電コネクタ４８は、他のセルチューブ２２と当該集電コネクタ４８を介して直列に接続されている。
【００４３】
上記モジュール本体３７の電池室３３の下部には、多孔質のセラミックス製の仕切板５１が設けられている。該仕切板５１の下方には、当該仕切板５１を介して上記電池室３３と連通する空気予熱器５２が設けられている。
該空気予熱器５２には、モジュール本体３７の外部と連通する空気供給管５３及び空気排出管５５が接続している。電池室３３に供給された空気は発電に供せられた後、電池室排空気５４として空気排出管５５ａから空気予熱器５２に排出される。該空気予熱器５２では、電池室排空気５４と供給空気３１との間で熱交換を行い、供給空気３１を予熱して仕切板５１下部に供給すると同時に、排空気５４を冷却して空気排気管５５を介してモジュール外へ排出する。
なお、符号５７は断熱材を各々図示する。
【００４４】
ここで、上記セルチューブ２２を構成する組成は特に限定されるものではないが、例えばカルシア安定化ジルコニア（ＣＳＺ）からなる基体管１１の表面にＮｉ−ジルコニアサーメットからなる燃料極、ＹＳＺからなる電解質、ＬａＭｎＯ3 等の空気側電極を順次積層し、さらに燃料極側電極と空気側電極を接続するための導電性接続材を積層して、単電池膜２１を横縞状に複数形成してなるものである。
【００４５】
このような構造をなす円筒型固体電解質燃料電池モジュールの作用を次に説明する。
【００４６】
モジュール本体１０の電池室３３内を作動温度（約９００〜１０００℃）に加熱し、燃料導入管である素が内側管４５から水素などの燃料ガス３２を供給すると共に、空気供給管５３から酸化剤ガスである空気３１を供給しつつ発電を行う。
燃料導入の内側管４５を介して供給された燃料ガス３２は、燃料供給室３５に開口するセルチューブ２２の開口から内部にに流入する。
セルチューブ２２内に流入した燃料ガス３２は反応に供され、下端で折り返されて抽出管２３を介して燃料排出室３６に排出され、外側管４４から外部へ排出される。
なお、この二重管構造により、供給される燃料ガス３２は予熱がなされる。
【００４７】
また、発電に供された後の排空気５４は、空気排出管５５を介して外部に排出される。
【００４８】
本実施の形態によれば、図６に示すような燃料電池モジュールの構成とは異なり、燃料供給室３５を下部管板４３側に設けられているので、外部から供給される燃料ガス３２で該下部管板を冷却することができる。
【００４９】
例えば供給する燃料ガスの温度を常温から５００℃（好ましくは２００〜３００℃）として下部管板４３を冷却することにより、上記下部管板４３を耐高温性の高級材料とする必要がなく、しかも加工性が容易となるのでモジュールの製造コストの低減（約１／３程度の低コスト化）を図ることができる。
よって、本実施の形態によれば、単位セル面積あたりの出力が上昇し、セル本数を低減することができると共に、モジュールの小型化を実現することができる。この結果、燃料電池装置の小型化、低コスト化を図ることができる。
【００５０】
本実施の形態では、図４に示したセルチューブをモジュール内に配設したが、本発明はこれに限定されるものではなく、図１乃至図３の基体管からなるセルチューブを配設するようにしてもよい。
【００５１】
このように、本発明によれば、基体管の材料の変更により、気孔率を向上される以外においても、基体管の強度を維持しつつガス透過性を向上させ、ガス拡散限界を向上させ、発電効率を向上を図ることができ、モジュールの製造コストの低減化及び出力密度の向上を図ることができる。
【００５２】
本発明では、燃料供給をセルチューブ内にし、空気の供給をセルチューブ外としたが、本発明はこれに限定されず、空気供給をセルチューブ内にし、燃料の供給をセルチューブ外とする逆の構成としてもよい。
【００５３】
【発明の効果】
以上述べたように、［請求項１］の発明によれば、燃料電池用セルチューブを構成する燃料極と空気極とを一体に焼成する円筒状の支持体であり、内周面に軸方向に亙って直線状の溝部を設けたので、焼結の支持部材としての基体管本来の機能を保持しつつ燃料ガスの透過距離を短くすることができ、従来のような燃料の下流側での発電効率の低下を防止することができる。
【００５５】
［請求項２］の発明は、請求項１において、上記溝が内周全面に形成してなる燃料ガスの透過距離を短く部分を多くすることができ、発電効率が向上する。
【００５９】
［請求項３］の燃料電池モジュールの発明は、酸化剤ガスと燃料ガスとを作動温度環境下の電池室内の外周面に単電池膜を成膜してなるセルチューブに供給することにより、上記酸化剤ガスと燃料ガスとを電気化学的に反応させて電力を得るようにした円筒型固体電解質燃料電池モジュールにおいて、請求項１又は２に記載の基体管を燃料電池用セルチューブに用いてなるので、基体管の強度を維持しつつガス透過性を向上させ、ガス拡散限界を向上させ、発電効率の向上を図ることができ、モジュールの製造コストの低減化及び出力密度の向上を図ることができる。
【００６０】
［請求項４］の燃料電池モジュールの発明は、請求項３において、内部にガス供給室とガス排出室と電池室とを有するモジュール本体と、上記ガス供給室と連通する複数のセルチューブと、該上記ガス排出室に連通すると共にセルチューブ内に挿通され、発電後の残ガスを排出する抽出管と、を備えてなるので、外部から供給される燃料ガスで下部管板を冷却することができ、管板の材質の低コスト化を図ることができる。
【００６１】
［請求項５］の発明は、請求項４において、供給するガスを燃料ガスとすることで、発電効率の高い燃料電池を構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態にかかる燃料電池用基体管の概略図である。
【図２】第２の実施の形態にかかる燃料電池用基体管の概略図である。
【図３】第３の実施の形態にかかる燃料電池用基体管の概略図である。
【図４】第４の実施の形態にかかる燃料電池用セルチューブの概略図である。
【図５】第５の実施の形態にかかる燃料電池モジュールの概略図である。
【図６】従来の燃料電池モジュールの概略図である。
【図７】図６のセルチューブ部分の概略図である。
【図８】セルチューブの構造概略図である。
【図９】基体管内のガス流れ概略図である。
【符号の説明】
１１  燃料電池用基体管（基体管）
１２ａ直線状の溝部
１３  スパイラル状の溝部
１４  微細孔
１５  テーパ部
２１  単電池膜
２２  セルチューブ
２３  抽出管
２４  集電棒
２５  集電部材
３１  空気
３２  燃料ガス
３３  電池室
３５  燃料ガス供給室
３６  燃料ガス排出室
３７  モジュール本体
３８  残燃料ガス
３９  抽出管
【図１】
0003943775.tif 000002
【図２】
0003943775.tif 000003
【図３】
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【図４】
0003943775.tif 000005
【図５】
0003943775.tif 000006
【図６】
0003943775.tif 000007
【図７】
0003943775.tif 000008
【図８】
0003943775.tif 000009
【図９】
0003943775.tif 000010