(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の穴が穿たれ、外側面に空気通路が形成された空気極用ブロックと、複数の穴が穿たれ、外側面に燃料ガス通路が形成された燃料極用ブロックとを交互に、かつ両者間に集電兼用セパレータを介して並設し、
前記空気極用ブロックの穴それぞれの内周面に固体電解質膜及び燃料極膜を積層形成し、当該穴それぞれの中に集電兼用の燃料供給管を挿入し、
前記燃料極用ブロックの穴それぞれの内周面に固体電解質膜及び空気極膜を積層形成し、当該穴それぞれの中に集電兼用の空気供給管を挿入して成る固体電解質型燃料電池アセンブリ。
【請求項２】
複数の穴が穿たれ、外側面に空気通路が形成された空気極用ブロックと、複数の穴が穿たれ、外側面に燃料ガス通路が形成された燃料極用ブロックとを交互に、かつ両者間に集電兼用セパレータを介して並設し、前記空気極用ブロックの穴それぞれの内周面に固体電解質膜及び燃料極膜を積層形成し、当該穴それぞれの中に集電兼用の燃料供給管を挿入し、前記燃料極用ブロックの穴それぞれの内周面に固体電解質膜及び空気極膜を積層形成し、当該穴それぞれの中に集電兼用の空気供給管を挿入して１つの固体電解質型燃料電池アセンブリを構成し、
前記固体電解質型燃料電池アセンブリの複数台を絶縁性セパレータを介して並設し、隣接する固体電解質型燃料電池アセンブリ間で前記集電兼用セパレータ間を直列接続し、隣接する固体電解質型燃料電池アセンブリ間でその一方の空気供給管と他方の燃料供給管とを直列接続して成る固体電解質型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、固体電解質型燃料電池アセンブリ及び固体電解質型燃料電池モジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）の実用機に適用される固体電解質型燃料電池モジュールの開発が進められている。特開平１０−０１２２５８号公報には、内部改質型固体電解質型燃料電池モジュールが提案されている。この従来の固体電解質型燃料電池モジュールは、外部に改質反応器を設けずに、モジュール内で燃料ガスと水蒸気との改質反応を行わせ、その後燃料電池スタックに供給し、発電に利用しようとするものである。
【０００３】
この従来の固体電解質型燃料電池モジュールでは、個々の固体電解質型燃料電池に図５に示すようなインターコネクタ１を備えた縦縞方式固体電解質型燃料電池を使用している。このインターコネクタを有する縦縞方式固体電解質型燃料電池は、多孔質基体管２の外側に順に、空気極３、固体電解質４、燃料極５をＥＶＤ法その他の方法で積層し、かつ隣接する固体電解質型燃料電池との直列接続のために、燃料極５とは絶縁した形でインターコネクタ１を埋込み、このインターコネクタ１を内層の空気極３に接続した構造である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、このようなインターコネクタを有する縦縞方式固体電解質型燃料電池を採用した固体電解質型燃料電池モジュールの場合、燃料極５、固体電解質４とインターコネクタ１との境界部分では材質に差があり、特に燃料電池モジュールは８００〜１０００℃という高温度条件で発電するので、熱膨張率の差により破損が発生しやすい問題点があった。
【０００５】
そこで、特開平６−１９６１９６号公報及び特開平７−３７５９５号公報には電極部材と固体電解質とをブロック化した構造の燃料電池をスタックした構造の固体電解質型燃料電池モジュールが公開されている。
【０００６】
一般に、発電された直流電力を取り出そうとすれば電圧を高くして電流を小さくすることにより、内部抵抗による損失を最小限に抑えて高効率に発電電力を取り出すことができるが、提案されている構造の燃料電池モジュールでは、同一構造で電気的な極性が同一の燃料電池ブロックをモジュール内に並設しているため、それらの間で直列接続する方法が複雑になる問題点があった。
【０００７】
本発明はこのような従来の問題点に鑑みてなされたもので、長時間運転が可能であり、かつ高効率で発電電力を取り出すことができる固体電解質型燃料電池アセンブリ及び固体電解質型燃料電池モジュールを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明の固体電解質型燃料電池アセンブリは、複数の穴が穿たれ、外側面に空気通路が形成された空気極用ブロックと、複数の穴が穿たれ、外側面に燃料ガス通路が形成された燃料極用ブロックとを交互に、かつ両者間に集電兼用セパレータを介して並設し、前記空気極用ブロックの穴それぞれの内周面に固体電解質膜及び燃料極膜を積層形成し、当該穴それぞれの中に集電兼用の燃料供給管を挿入し、前記燃料極用ブロックの穴それぞれの内周面に固体電解質膜及び空気極膜を積層形成し、当該穴それぞれの中に集電兼用の空気供給管を挿入したものである。
【０００９】
請求項１の発明の固体電解質型燃料電池アセンブリでは、これを多数台、一方のアセンブリの空気極用ブロックと他方のアセンブリの燃料極用ブロックとが交互に並ぶように両者間に絶縁性セパレータを介して配列し、各アセンブリの燃料供給管及び燃料ガス通路に燃料ガスを通流させ、各アセンブリの空気供給管及び空気通路に酸化ガスを通流させ、各アセンブリの集電兼用セパレータを直列接続し、また各アセンブリの空気供給管及び燃料供給管を直列接続する構造にして固体電解質型燃料電池モジュールを構成することができ、直流大電力が取り出せる燃料電池モジュールを簡単に組立てることができる。
【００１０】
請求項２の発明の固体電解質型燃料電池モジュールは、複数の穴が穿たれ、外側面に空気通路が形成された空気極用ブロックと、複数の穴が穿たれ、外側面に燃料ガス通路が形成された燃料極用ブロックとを交互に、かつ両者間に集電兼用セパレータを介して並設し、前記空気極用ブロックの穴それぞれの内周面に固体電解質膜及び燃料極膜を積層形成し、当該穴それぞれの中に集電兼用の燃料供給管を挿入し、前記燃料極用ブロックの穴それぞれの内周面に固体電解質膜及び空気極膜を積層形成し、当該穴それぞれの中に集電兼用の空気供給管を挿入して１つの固体電解質型燃料電池アセンブリを構成し、
前記固体電解質型燃料電池アセンブリの複数台を絶縁性セパレータを介して並設し、隣接する固体電解質型燃料電池アセンブリ間で前記集電兼用セパレータ間を直列接続し、隣接する固体電解質型燃料電池アセンブリ間でその一方の空気供給管と他方の燃料供給管とを直列接続したものである。
【００１１】
請求項２の発明の固体電解質型燃料電池モジュールでは、各固体電解質型燃料電池アセンブリにおける隣接する空気極用ブロックと燃料極用ブロックとが電気的極性が反対であるので、その間の集電兼用セパレータによってそれらが発電する電荷を集電すると共に両者間を直列接続することができ、直流大電力の取出しのための接続構造が簡単である。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて詳説する。図１〜図３は本発明の１つの実施の形態の固体電解質型燃料電池モジュールの構造を示している。この実施の形態の固体電解質型燃料電池モジュールは、空気極用ブロック１１と燃料極用ブロック１２とその間に設けられた集電兼用セパレータ１３から成る固体電解質型燃料電池アセンブリ１４を単位とし、多数台の燃料電池アセンブリ１４を絶縁性セパレータ１５を介して配置した構成である。
【００１３】
空気極用ブロック１１は、公知の空気極材料、例えば、ＬａＣｒＯｘ系酸化物やＬａＭｎＯｘ系酸化物で形成され、その内部に適数個（図では４つ）の穴２０が穿たれていて、各穴２０の内周面に緻密なＹＳＺの固体電解質膜２１及び多孔質のニッケル−ジルコニア・サーメットのような公知の材料の燃料極膜２２を積層形成し、さらに各穴２０の中央部に集電兼用の燃料供給管２３を挿入し、また燃料極膜２２と燃料供給管２３との間隙には燃料改質のために導電性ニッケルフェルト２４を介在させた構成である。また空気極用ブロック１１の集電兼用セパレータ１３に接する側面とその反対の側面とには、酸化ガスを通流させるためのガス通流溝２５が形成されている。
【００１４】
燃料極用ブロック１２は、公知の燃料極材料、例えば、上述した多孔質のニッケル−ジルコニア・サーメットで形成され、その内部に適数個（図では４つ）の穴３０が穿たれていて、各穴３０の内周面に緻密なＹＳＺの固体電解質膜３１及び上述した公知の材料の空気極膜３２を積層形成し、さらに各穴３０の中央部に集電兼用の空気供給管３３を挿入した構成である。この空気供給管３３は空気極膜３２と一部もしくは多数箇所で電気的に接触させてある。燃料極用ブロック１２の集電兼用セパレータ１３に接する側面とその反対の側面とには、燃料ガスを通流させるためのガス通流溝３４が形成されている。
【００１５】
上記の構造の燃料電池アセンブリ１４により固体電解質型燃料電池モジュールを構成するためには、適数台の燃料電池アセンブリ１４を間に絶縁性セパレータ１５を介在させながら並列に配置する。そして１つの空気極用ブロック１１の各穴２０内に挿入されている集電兼用燃料供給管２４同士を電気的に並列接続し、また１つの燃料極用ブロック１２の各穴３０内に挿入されている集電兼用の空気供給管３３同士も電気的に並列接続する。さらに絶縁性セパレータ１５を介して隣接するアセンブリ１４間では、一方のアセンブリ１４の燃料供給管２４と他方のアセンブリの空気供給管３３を接続線１６によって電気的に直列接続する。なお、集電兼用セパレータ１３により各アセンブリ１４における空気極用ブロック１１と燃料極用ブロック１２とはその構造上、最初から電気的に直列接続された構造となっている。これにより、図４に示す等価回路のごとき起電力回路が構成されることになる。
【００１６】
次に、上記の構成の固体電解質型燃料電池モジュールの動作を説明する。図２及び図３に詳しく示したように、８００〜１０００℃の高温条件下で、各燃料電池アセンブリ１４において、空気極用ブロック１１の各穴２０に挿入されている燃料供給管２４に対して燃料ガス４１を供給し、また空気極用ブロック１１の外側面のガス通流溝２５には酸化ガス４２を通流させ、他方、燃料極用ブロック１２の各穴３０に挿入されている空気供給管３３に対して酸化ガス４２を供給し、また燃料極用ブロック１２の外側面のガス通流溝３４には燃料ガス４１を通流させる。
【００１７】
これによって、各空気極用ブロック１１の部分では、従来の外側空気極、内側燃料極構造の固体電解質型燃料電池と同様の発電反応を行い、また各燃料極用ブロック１２の部分では逆に、従来の外側燃料極、内側空気極構造の固体電解質型燃料電池と同様の発電反応を行う。そして発電反応で生じた電荷は、集電兼用セパレータ１３と接続線１６により、図４の起電力回路に示したように各燃料電池アセンブリ１４間が直列接続された形で集電され、最終的には両端１７，１８から直流電力として取り出される。
【００１８】
このようにして、この実施の形態の固体電解質型燃料電池モジュールでは、積層構造が互いに逆になった空気極用ブロック１１と燃料極用ブロック１２とそれらの間の集電兼用セパレータ１３で１組の燃料電池アセンブリ１４とし、これを多数台並設して電気的に直列に接続し、発電反応によって生じた直流電力を取り出すようにしたので、モジュール化が容易であり、また発電動作時に空気極用ブロック１１とそれに隣接する燃料極用ブロック１２との間の集電兼用セパレータ１３が集電作用と共に両者間を電気的に直列接続する働きをし、この部分に特別な接続線を必要とせず、電気的な接続構造が単純化され、高温度条件下での使用に対する耐久性を向上させることができる。
【００１９】
なお、上記の実施の形態では空気極用ブロック、燃料極用ブロックそれぞれに穴を４つずつ形成したものを例示したが、穴の数は特に限定されることはない。またモジュール化するために要する燃料電池アセンブリの数も特に限定されることはなく、発電規模に応じて適宜に変更、決定されるものである。
【００２０】
【発明の効果】
以上のように請求項１の発明の固体電解質型燃料電池アセンブリによれば、これを多数台、一方のアセンブリの空気極用ブロックと他方のアセンブリの燃料極用ブロックとが交互に並ぶように両者間に絶縁性セパレータを介して配列し、各アセンブリの燃料供給管及び燃料ガス通路に燃料ガスを通流させ、各アセンブリの空気供給管及び空気通路に酸化ガスを通流させ、各アセンブリの集電兼用セパレータを直列接続し、また各アセンブリの空気供給管及び燃料供給管を直列接続する構造にして固体電解質型燃料電池モジュールを構成することができ、直流大電力が取り出せる燃料電池モジュールを簡単に組立てることができる。
【００２１】
請求項２の発明の固体電解質型燃料電池モジュールによれば、各固体電解質型燃料電池アセンブリにおける隣接する空気極用ブロックと燃料極用ブロックとが電気的極性が反対であるので、その間の集電兼用セパレータによってそれらが発電する電荷を集電すると共に両者間を直列接続することができ、直流大電力の取出しのための接続構造が簡単になり、高温度環境下での耐久性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の１つの実施の形態の固体電解質型燃料電池モジュールのレイアウトを示す平面図。
【図２】図１におけるII−II線断面図。
【図３】上記の実施の形態の固体電解質型燃料電池モジュールの発電動作を示す平面図。
【図４】上記の実施の形態の固体電解質型燃料電池モジュールの発電動作を示す等価回路。
【図５】従来のインターコネクタを有する固体電解質燃料電池の斜視図。
【符号の説明】
１１  空気極用ブロック
１２  燃料極用ブロック
１３  集電兼用セパレータ
１４  燃料電池アセンブリ
１５  絶縁性セパレータ
１６  接続線
２０  穴
２１  固体電解質膜
２２  燃料極膜
２３  燃料供給管
２４  導電性ニッケルフェルト
２５  ガス通流溝
３０  穴
３１  固体電解質膜
３２  空気極膜
３３  空気供給管
３４  ガス通流溝
４１  燃料ガス
４２  酸化ガス
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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