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燃料电池

阅读：829发布：2021-03-01

IPRDB可以提供燃料电池专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明的目的在于提供简单且紧凑并且电池容量及能量密度足够大的结构的燃料电池。本发明的燃料电池(10)具有筒状的电极复合体(12)、负极燃料物质体(14)、加热器(16)和密闭容器(20)。电极复合体(12)包括筒状的气密性的固体电解质体(12a)、正极(12b)和负极(12c)。固体电解质体(12a)传导氧离子，正极(12b)形成在固体电解质体(12a)的内侧的面，在放电时将空气中的氧还原为氧离子，负极(12c)形成在固体电解质体(12a)的外侧的面，在放电时将氢气氧化为水蒸气。负极燃料物质体(14)与水蒸气反应生成氢气，自身成为氧化物。加热器(16)配置在密闭容器(20)的外侧以及电极复合体(12)的内侧中的至少一方。密闭容器(20)配置在电极复合体(12)的外侧，将负极燃料物质体(14)与电极复合体(12)一起密封在内部。，下面是燃料电池专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种燃料电池，具有：

筒状的电极复合体，其包括筒状的气密性的固体电解质体、正极以及负极，其中所述固体电解质体传导氧离子，所述正极形成在所述固体电解质体的内侧的面，在放电时将空气中的氧还原为氧离子，所述负极形成在所述固体电解质体的外侧的面，在放电时使氢气氧化为水蒸气；

负极燃料物质体，其与所述水蒸气反应生成所述氢气，自身成为氧化物；

密闭容器，其配置在所述电极复合体的外侧，具备包围所述电极复合体的周围的外壁，将所述负极燃料物质体与所述电极复合体一起密封在内部；和加热器，其配置在所述密闭容器的外侧以及所述电极复合体的内侧中的至少一方，用于将所述固体电解质体以及所述负极燃料物质体加热维持在规定温度以上。

2.根据权利要求1所述的燃料电池，其中，所述电极复合体具有空气从下端开口到上端开口连续地上升的内侧流路，使得供给至所述电极复合体的内侧的空气被所述加热器加热而上升，并从所述电极复合体的所述上端开口排出，由此空气从所述电极复合体的所述下端开口自然地流入。

3.根据权利要求1所述的燃料电池，其中，所述燃料电池还具有与所述电极复合体的上端开口或者下端开口连接的泵，使得向所述电极复合体的内侧强制地供给空气。

4.根据权利要求1～3中的任一项所述的燃料电池，其中，所述燃料电池还具有：

温度测量单元，其测量所述电极复合体的内侧的空气温度；

电压测量单元，其测量所述正极与所述负极之间的开路电压；和流量调整单元，其与所述电极复合体的一端连接，基于由所述温度测量单元测量的空气温度以及由所述电压测量单元测量的开路电压的至少一个来调整供给至所述电极复合体的内侧的空气的流量。

5.根据权利要求4所述的燃料电池，其中，所述燃料电池还具有：水注入量控制单元，其基于由所述电压测量单元测量的开路电压来控制向所述密闭容器的水的注入量。

6.根据权利要求1～5中的任一项所述的燃料电池，其中，所述密闭容器还具备：

端壁，其配置在所述外壁的开口方向的至少一端；和两个筒状的电极支承体，与所述电极复合体的两端分别接合，所述固体电解质体的材料是陶瓷，所述密闭容器的材料包含不锈钢，所述端壁的外周与所述外壁的开口方向的一端接合，所述端壁的内周与所述电极支承体中的一个接合，所述端壁以及所述电极支承体的至少一方具有用于吸收所述固体电解质体以及所述外壁的热膨胀率的差异的弹性变形部。

7.根据权利要求6所述的燃料电池，其中，所述密闭容器还具有：连接构件，其用于防止所述负极的引线短路并且保持所述密闭容器的气密性。

8.根据权利要求1～5中的任一项所述的燃料电池，其中，所述密闭容器还具备：

端壁，其配置在所述外壁的开口方向的至少一端；和两个筒状的电极支承体，与所述电极复合体的两端分别接合，所述固体电解质体以及所述密闭容器的材料是陶瓷，所述端壁的外周与所述外壁的开口方向的一端接合，所述端壁的内周与所述电极支承体中的一个接合。

9.根据权利要求1～5中的任一项所述的燃料电池，其中，所述密闭容器还具备配置在所述外壁的开口方向的至少一端的端壁，所述固体电解质体以及所述密闭容器的材料是陶瓷，所述端壁的外周与所述外壁的开口方向的一端接合，所述端壁的内周与所述电极复合体接合。

10.根据权利要求6～9中的任一项所述的燃料电池，其中，所述密闭容器还具备用于更换所述负极燃料物质体的盖板，所述盖板装卸自如地固定在所述外壁或者所述端壁。

11.根据权利要求1～5中的任一项所述的燃料电池，其中，所述密闭容器还具备：

端壁，其配置在所述外壁的开口方向的至少一端；

两个筒状的电极支承体，与所述电极复合体的两端分别接合；和帽件，其用于更换所述负极燃料物质体，所述端壁的外周与所述帽件抵接，并通过使所述帽件装卸自如地与所述外壁的开口方向的一端螺合，从而经由所述帽件与所述外壁的开口方向的一端接合，所述端壁的内周与所述电极支承体的一个端面抵接。

12.根据权利要求11所述的燃料电池，其中，所述固体电解质体的材料是陶瓷，所述密闭容器的材料是不锈钢，所述端壁以及所述电极支承体的至少一方具有用于吸收所述固体电解质体以及所述外壁的热膨胀率的差异的弹性变形部。

13.根据权利要求11所述的燃料电池，其中，所述固体电解质体以及所述密闭容器的材料是陶瓷。

14.根据权利要求1～13中的任一项所述的燃料电池，其中，所述加热器与所述外壁一体地构成。

15.根据权利要求1～13中的任一项所述的燃料电池，其中，所述燃料电池还具备将所述加热器支承在所述电极复合体的内侧的加热器支承体，所述加热器支承体具备用于向所述电极复合体的内侧供给空气的孔。

16.根据权利要求1～15中的任一项所述的燃料电池，其中，所述负极燃料物质体是包含铁粒子或铁粉末和形态保持材料的颗粒状的物质体，所述形态保持材料包含包括氧化铝、二氧化硅、氧化镁、氧化锆在内的难烧结性材料或者其混合物，所述负极燃料物质体的表面的至少一部分被所述形态保持材料覆盖，所述形态保持材料相对于所述负极燃料物质体的质量比为0.1％以上且5％以下。

17.根据权利要求1～16中的任一项所述的燃料电池，其中，所述正极在充电时将氧离子氧化为氧，

所述负极在充电时将所述水蒸气还原为所述氢气，所述负极燃料物质体的氧化物与所述氢气可逆地反应而生成所述水蒸气，自身成为负极燃料物质体。

说明书全文

燃料电池

技术领域

[0001] 本发明涉及作为放置用或机动车等移动体用的电源以及便携式电源有用的燃料电池，特别是涉及使用铁粉在体系内使燃料气体再生的固体氧化物型燃料电池。

背景技术

[0002] 燃料电池是通过供给燃料气体而使发电体产生电力的单元。除期待用作固定式的中型蓄能装置、或者作为电力机动车、混合动力机动车的驱动源以外，还正在推进通过轻型化、小型化而用作面向移动电话、笔记本型电脑等能够携带的设备的电力源的研究开发。

[0003] 已知在燃料电池中使用了氧导电性的无机固体电解质的固体氧化物型燃料电池(SOFC，Solid Oxide Fuel Cell)是清洁且发电效率高的优异的发电装置。

[0004] 在专利文献1中记载了通过贯通排出室内设置筒状体从而能够简化气体供排构造并能够实现电池的小型化的气体供排歧管以及具备其的固体氧化物型燃料电池组。此外，在专利文献2中记载了如下的燃料电池发电系统，即，通过在氢产生装置和燃料电池之间具备储存箱，即使燃料电池的负荷变化也能够稳定地供给氢。

[0005] 在先技术文献

[0006] 专利文献

[0007] 专利文献1：日本专利第5188236号

[0008] 专利文献2：日本特开2004-281393

发明内容

[0009] 发明要解决的课题

[0010] 然而，专利文献1的燃料电池组存在如下这样的问题，即，作为燃料气体，只要不将例如氢持续供给至燃料电池组，就不能连续地供电。此外，专利文献2的燃料电池发电系统具备氢产生装置和储存箱，所以能够连续地供电，但是必须将燃料电池、氢产生装置和它们之间的储存箱这样的分别独立的三个结构要素连接来使用，因此存在整体变得复杂且大规模这样的问题。

[0011] 本发明鉴于现有的上述问题点而作，其目的在于提供一种通过内置氢产生部从而简单且紧凑并且电池容量以及能量密度足够大的结构的燃料电池。

[0012] 此外，除上述目的以外，本发明的其他目的在于提供一种供电的稳定性高至与以往同等以上且可靠性、维护性和能量效率良好的燃料电池。

[0013] 用于解决课题的技术方案

[0014] 本发明者为了达成上述目的，进行了潜心研究，结果发现：首先，使筒状的正极形成在固体电解质体的内表面，使筒状的负极形成在固体电解质体的外表面，空气在正极内侧自然对流或者强制对流，将负极燃料物质体和水放入在负极的外侧设置的密闭容器中，对整体进行加热，由此能够将内置了氢产生部的燃料电池设为简单且紧凑并且电池容量以及能量密度足够大的结构。

[0015] 此外，本发明者发现：通过使正极内侧的空气流量在正极内侧的空气温度高的情况下增加而在低的情况下减少，并且在正极和负极之间的开路电压高的情况下减少而在低的情况下增加，此外，在即使增加正极内侧的空气流量而正极和负极之间的开路电压也不上升的情况下，通过向密闭容器中注入规定量的水，从而能够提高供电的稳定性，从而完成了本发明。

[0016] 即，本发明提供一种燃料电池，具有：筒状的电极复合体，其包括筒状的气密性的固体电解质体、正极以及负极，其中该固体电解质体传导氧离子，该正极形成在固体电解质体的内侧的面，在放电时将空气中的氧还原为氧离子，该负极形成在固体电解质体的外侧的面，在放电时使氢气氧化为水蒸气；负极燃料物质体，其与水蒸气反应生成氢气，自身成为氧化物；密闭容器，其配置在电极复合体的外侧，具备包围电极复合体的周围的外壁，将负极燃料物质体与电极复合体一起密封在内部；和加热器，其配置在密闭容器的外侧以及电极复合体的内侧中的至少一方，用于将固体电解质体以及负极燃料物质体加热维持在规定温度以上。

[0017] 此处，在上述中，优选的是，电极复合体具有空气从下端开口到上端开口连续地上升的内侧流路，使得供给至电极复合体的内侧的空气被加热器加热而上升，并从电极复合体的上端开口排出，由此空气从电极复合体的下端开口自然地流入。

[0018] 优选的是，还具有与电极复合体的上端开口或者下端开口连接的泵，使得向电极复合体的内侧强制地供给空气。

[0019] 优选的是，还具有：温度测量单元，其测量电极复合体的内侧的空气温度；电压测量单元，其测量正极与负极之间的开路电压；和流量调整单元，其与电极复合体的一端连接，基于由温度测量单元测量的空气温度以及由电压测量单元测量的开路电压的至少一个来调整供给至电极复合体的内侧的空气的流量。

[0020] 优选的是，还具有基于由电压测量单元测量的开路电压来控制向密闭容器的水的注入量的水注入量控制单元。

[0021] 优选的是，密闭容器还具备：端壁，其配置在外壁的开口方向的至少一端；和两个筒状的电极支承体，与所述电极复合体的两端分别接合，固体电解质体的材料是陶瓷，密闭容器的材料包含不锈钢，端壁的外周与外壁的开口方向的一端接合，端壁的内周与电极支承体中的一个接合，端壁以及电极支承体的至少一方具有用于吸收固体电解质体以及外壁的热膨胀率的差异的弹性变形部。

[0022] 优选的是，密闭容器还具有用于防止负极的引线短路并且保持密闭容器的气密性的连接构件。

[0023] 优选的是，密闭容器还具备：端壁，其配置在外壁的开口方向的至少一端；和两个筒状的电极支承体，与电极复合体的两端分别接合，固体电解质体以及密闭容器的材料是陶瓷，端壁的外周与外壁的开口方向的一端接合，端壁的内周与电极支承体中的一个接合。

[0024] 优选的是，密闭容器还具备配置在外壁的开口方向的至少一端的端壁，固体电解质体以及密闭容器的材料是陶瓷，端壁的外周与外壁的开口方向的一端接合，端壁的内周与电极复合体接合。

[0025] 优选的是，密闭容器还具备用于更换负极燃料物质体的盖板，盖板装卸自如地固定在外壁或者端壁。

[0026] 优选的是，密闭容器还具备：端壁，其配置在外壁的开口方向的至少一端；两个筒状的电极支承体，与电极复合体的两端分别接合；和帽件，其用于更换负极燃料物质体，端壁的外周与帽件抵接，并通过使帽件装卸自如地与外壁的开口方向的一端螺合，从而经由帽件与外壁的开口方向的一端接合，端壁的内周与电极支承体的一个端面抵接。

[0027] 优选的是，固体电解质体的材料是陶瓷，密闭容器的材料是不锈钢，端壁以及电极支承体的至少一方具有用于吸收固体电解质体以及外壁的热膨胀率的差异的弹性变形部。

[0028] 优选的是，固体电解质体以及密闭容器的材料为陶瓷。

[0029] 优选的是，加热器与外壁一体地构成。

[0030] 优选的是，还具备将加热器支承在电极复合体的内侧的加热器支承体，加热器支承体具备用于向电极复合体的内侧供给空气的孔。

[0031] 优选的是，负极燃料物质体是包含铁粒子或铁粉末和形态保持材料的颗粒状的物质体，该形态保持材料包含包括氧化铝、二氧化硅、氧化镁、氧化锆在内的难烧结性材料或者其混合物，负极燃料物质体的表面的至少一部分被形态保持材料覆盖，形态保持材料相对于负极燃料物质体的质量比为0.1％以上且5％以下。

[0032] 优选的是，正极在充电时将氧离子氧化为氧，负极在充电时将水蒸气还原为氢气，负极燃料物质体的氧化物与氢气可逆地反应而生成水蒸气，自身成为负极燃料物质体。

[0033] 发明效果

[0034] 根据本发明，能够设为简单且紧凑并且电池容量以及能量密度足够大的结构。

[0035] 此外，除了上述效果以外，根据本发明，还能够将供电的稳定性提高到与以往同等以上，并且使可靠性、维护性和能量效率良好。

附图说明

[0036] 图1的(A)是示意性地示出本发明的第一实施方式的燃料电池的主视图，图1的(B)是其一部分的变形例。

[0037] 图2是示意性地示出本发明的第一实施方式的燃料电池的变形例1的主视图。

[0038] 图3是示意性地示出本发明的第一实施方式的燃料电池的变形例2的主视图。

[0039] 图4的(A)是示意性地示出本发明的第二实施方式的燃料电池的主视图，图4的(B)是其一部分的变形例。

[0040] 图5是示意性地示出本发明的第三实施方式的燃料电池的主视图。

[0041] 图6是示意性地示出本发明的第四实施方式的燃料电池的主视图。

[0042] 图7是图6所示的燃料电池的俯视图。

[0043] 图8是图6所示的燃料电池的侧视图。

具体实施方式

[0044] 以下，基于附图所示的优选实施方式，对本发明的燃料电池进行详细说明。

[0045] 首先，对本发明的第一实施方式的燃料电池进行说明。图1的(A)是示意性地示出本发明的第一实施方式的燃料电池的主视图，图1B是其一部分的变形例。

[0046] 本发明的燃料电池10具有筒状的电极复合体12、负极燃料物质体14、加热器16和密闭容器20。电极复合体12包括筒状的气密性的固体电解质体12a、正极12b(也称为空气极、阴极)和负极12c(也称为燃料极、阳极)，并且，具备正极引线12p和负极引线12n。固体电解质体12a传导氧离子，正极12b形成在固体电解质体12a的内侧的面，在放电时将空气中的氧还原为氧离子，负极12c形成在固体电解质体12a的外侧的面，在放电时将氢气氧化为水蒸气。

[0047] 图1只示出一个电极复合体12，但在一个密闭容器中也可以存在多个电极复合体。在这种情况下，多个电极复合体使用正极引线12p以及负极引线12n相互并联连接或串联连接。

[0048] 负极燃料物质体14与水蒸气反应生成氢气，自身成为氧化物。加热器16配置在密闭容器20的外侧以及电极复合体12的内侧的至少一方，用于对固体电解质体12a以及负极燃料物质体14加热维持在规定温度以上。密闭容器20配置在电极复合体12的外侧，具备包围电极复合体12的周围的外壁22，将负极燃料物质体14与电极复合体12一起密封在内部。此外，根据需要，能够在加热器16的外侧配置绝热体18。绝热体18的材料优选发泡材料、真空容器等热传导率低的材料。

[0049] 电极复合体存在如下类型，即，在固体电解质体的内侧形成有负极而在外侧形成有正极的类型(以下，称为内侧负极类型)以及在固体电解质体的内侧形成有正极而在外侧形成有负极的类型(称为内侧正极类型)。使用了内侧负极类型的电极复合体的燃料电池从内侧到外侧按照负极燃料物质体、负极、固体电解质体、正极、空气区域、加热器的顺序，或者按照加热器、负极燃料物质体、负极、固体电解质体、正极、空气区域的顺序进行配置，因此，负极燃料物质体成为从多重筒状构造的内侧起的第一个或者第二个。

[0050] 针对于此，本发明的燃料电池10因为使用内侧正极类型的电极复合体，所以从内侧到外侧按照空气区域、正极12b、固体电解质体12a、负极12c、负极燃料物质体14、加热器16的顺序进行配置，因此，负极燃料物质体14成为从多重筒状构造的内侧起的第五个。

[0051] 对于从内侧向外侧配置筒的多重筒状构造来说，增大由一个筒及其外侧最近的筒形成的环状空间的体积是距中心越近越困难，距中心越远越容易，因此，本发明的燃料电池10的负极燃料物质体14能够使其体积比使用了内侧负极类型电极复合体的燃料电池的负极燃料物质体的体积大。因此，通过设为这样的结构，从而本发明的燃料电池10能够成为简单且紧凑并且电池容量以及能量密度足够大的结构。

[0052] 在本发明的燃料电池10中，电极复合体12也可以具有空气从下端开口到上端开口连续地上升的内侧流路，使得空气在电极复合体12中自然对流。在这种情况下，供给至电极复合体12的内侧的空气由加热器16加热而上升，并从电极复合体12的上端开口排出，由此空气从电极复合体12的下端开口自然地流入。

[0053] 在本发明的燃料电池10中，燃料电池10还可以具有与电极复合体12的上端开口或者下端开口连接的泵(未图示)，使得空气在电极复合体12中强制对流。在这种情况下，向电极复合体12的内侧强制地供给空气。

[0054] 本发明的燃料电池10还可以具有温度测量单元42、电压测量单元44和流量调整单元46。温度测量单元42测量电极复合体12的内侧的空气温度。电压测量单元44测量正极12b和负极12c之间的开路电压。流量调整单元46例如是流量调整阀，与电极复合体12的一端相连，基于由温度测量单元42测量的空气温度以及由电压测量单元44测量的开路电压的至少一个来调整供给到电极复合体12的内侧的空气流量。

[0055] 即，在降低了正极12b和负极12c之间的开路电压的情况下，流量调整单元46增加电极复合体12的内侧的空气流量。在这种情况下，考虑使电极复合体12的内侧的空气温度不下降得过低，打开流量调整阀使得该空气温度越高则增加量越多而该空气温度越低则增加量越少。因此，通过设为这样的结构，从而本发明的燃料电池10能够将供电的稳定性提高到与以往同等以上。

[0056] 本发明的燃料电池10还可以具有与密闭容器20的供水部32a相连的水注入量控制单元48。水注入量控制单元48基于由电压测量单元44测量的开路电压来控制水向密闭容器20的注入量。即，在基于流量调整单元46的空气流量的调整后正极12b和负极12c之间的开路电压继续降低的情况下，水注入量控制单元48一边观察开路电压一遍将规定量的水断续地注入至密闭容器20。每次的水注入量基于密闭容器的大小和耐压来设定。另外，注入的水根据需要从密闭容器20的排水部32b排出。

[0057] 在这种情况下，取代电压测量单元44而设置测量密闭容器20的内部压力的压力测量单元，基于由压力测量单元测量的内部压力来控制水向密闭容器20的注入量是很困难的。即，由于在密闭容器内氢和水蒸气同时存在，因此即使设置压力测量单元也不能测量仅氢的压力，在燃料电池的负荷变化的情况下，不能使密闭容器内的氢压力保持为规定值。

[0058] 此外，若取代水而注入氢则能够获得与水同样的作用，但是在注入氢的情况下，需要在燃料电池安装氢产生装置，因此有可能变得复杂化以及大规模化。与此相对，本发明的燃料电池10注入水，因此能够消除复杂化以及大规模化的可能。因此，通过设为这样的结构，从而本发明的燃料电池10简单且紧凑，并且能够将供电的稳定性提高至与以往同等以上。

[0059] 燃料电池10还可以具有与密闭容器20的安全阀连接部32c相连的安全阀52。安全阀52用于使密闭容器20的内压保持在规定值以下以保证安全性。安全阀52可以是普通的安全阀，但更优选如爆破片那样具有气密构造，在压力上升时破裂而释放压力。

[0060] 在本发明的燃料电池10中，密闭容器20还可以具备端壁24和两个筒状的电极支承体26。端壁24配置在外壁22的开口方向的至少一端。两个筒状的电极支承体26与电极复合体12的两端分别接合。固体电解质体12a的材料为陶瓷，包括电极支承体26的密闭容器20的材料包含不锈钢。端壁24的外周与外壁22的开口方向的一端接合，端壁24的内周与电极支承体26中的一个接合。端壁24以及电极支承体26的至少一个具有用于吸收固体电解质体12a以及外壁22的热膨胀率的差异的弹性变形部(未图示)。

[0061] 即，端壁24是隔膜(diaphragm)那样的形状的不锈钢部件，可以在外周和内周之间具有弹性变形部。此外，电极支承体26在与电极复合体12接合的不锈钢部分和与端壁24的内周接合的不锈钢的部分之间夹入橡胶等弹性变形部，也可以通过粘结等而一体化。

[0062] 在固体电解质体12a的材料为陶瓷且密闭容器20的材料是不锈钢的情况下，若由加热器16进行加热，则由于固体电解质体12a以及外壁22的热膨胀率的差异而有可能在长度上产生差异，并由于产生龟裂而有可能导致气密性降低。对此，本发明的燃料电池10的弹性变形部吸收上述长度差，因此能够消除气密性降低的可能。因此，通过设为这样的结构，从而本发明的燃料电池10能够使可靠性良好到与以往同等以上。

[0063] 在本发明的燃料电池10中，密闭容器20还可以具有用于防止负极引线12n的短路并且保持密闭容器20的气密性的连接构件34。即，在密闭容器20的材料是不锈钢的情况下，有可能负极引线12n与密闭容器20发生短路。对此，本发明的燃料电池10具有连接构件34，因此，能够消除短路的可能。因此，通过设为这样的结构，本发明的燃料电池10能够使可靠性良好到与以往同等以上。该连接构件34例如是IBP Technology株式会社的Conax Sealing Gland(原文：コナックスシ一リンググランド)。

[0064] 在本发明的燃料电池10中，密闭容器20还可以具备用于更换负极燃料物质体14的盖板30。盖板30装卸自如地固定在外壁22或者端壁24。即，在将燃料电池10作为仅进行放电的一次电池来使用的情况下，需要将成为氧化物的负极燃料物质体14更换为原始的负极燃料物质体14。因此，通过设为这样的结构，本发明的燃料电池10能够使维护性良好到与以往同等以上。

[0065] 接下来，对负极燃料物质体14的材料和燃料电池10的关系进行说明。

[0066] 在本发明的燃料电池10中，负极燃料物质体14可以是包含铁粒子或铁粉末和形态保持材料的颗粒状物质体。形态保持材料包含难烧结性材料或者其混合物。难烧结性材料包括氧化铝、二氧化硅、氧化镁和氧化锆在内。负极燃料物质体14的表面的至少一部分被形态保持材料覆盖，形态保持材料相对于负极燃料物质体14的质量比为0.1％以上且5％以下。颗粒的直径例如为2～10mm。

[0067] 负极燃料物质体14优选由作为在氧化气体的分压为还原性气体的分压的1/1000以上时总是处于氧化状态、并且熔点为1000℃以上的金属氧化物的形态保持材料进行包覆。通过包覆形态保持材料，从而负极燃料物质体14的烧结得到抑制，能够反复进行氧化还原反应，即，能够作为二次电池反复进行放电和充电。上述的形态保持材料的熔点特别高，烧结抑制效果高。此外，负极燃料物质体14含有的形态保持材料的质量比并无特别限制，但是为了不过分抑制氧化还原速度，优选为0.1％以上且5％以下。

[0068] 即，在将燃料电池10作为二次电池来使用的情况下，需要正极12b和负极12c分别反复进行放电时和充电时的反应，并且负极燃料物质体14反复进行氧化反应和还原反应。因此，通过设为这样的结构，能够不需要负极燃料物质体14的更换，因此本发明的燃料电池
10能够使维护性良好到与以往同等以上。

[0069] 在本发明的燃料电池10中，正极12b在充电时将氧离子氧化为氧，负极12c在充电时将水蒸气还原为氢气，负极燃料物质体14的氧化物与氢气可逆地反应而生成水蒸气，自身也可以成为负极燃料物质体14。即，在将燃料电池10作为二次电池来使用的情况下，同样地，需要正极12b和负极12c分别反复进行放电时和充电时的反应，并且负极燃料物质体14反复进行氧化反应和还原反应。因此，通过设为这样的结构，能够不需要更换负极燃料物质体14，因此本发明的燃料电池10能够使维护性良好到与以往同等以上。

[0070] 接下来，对电极复合体12的两端的状态进行说明。

[0071] 在对将固体电解质体12a、正极12b和负极12c层叠为三层的电极复合体12与材料为不锈钢的电极支承体26进行接合的情况下，若是仅通过与开口方向成直角地切断电极复合体12而在两端露出了正极12b和负极12c的状态，则正极12b和负极12c经由电极支承体26而发生短路。

[0072] 为了防止该短路，从两端剥离规定范围的正极12b和负极12c，进而，在正极12b的两端的面包覆固体电解质体12a。或者，从两端仅剥离规定范围的负极12c。在这种情况下，由于是在电极复合体12的两端露出了正极12b的状态，因而电极支承体26和正极12b导通。因此，在一个密闭容器中存在多个电极复合体的情况下，多个电极复合体相互并联连接。

[0073] 接下来，对陶瓷的接合方法进行说明。

[0074] 陶瓷的接合方法大致分为中间材料法、直接接合法和机械接合法这三种。中间材料法有使用了有机粘结剂、无机粘结剂的粘结、使用了无机材料或金属材料的钎焊，还有压接。直接接合法有基于扩散或烧结的固相接合、基于电子束或激光的焊接。机械接合法有热装、螺栓紧固、夹具紧固等。

[0075] 图1的(A)示出了使用管接头28将材料为陶瓷的固体电解质体12a和材料为不锈钢的电极支承体26进行接合的例子。此外，图1的(B)示出了通过中间材料法和直接接合法将它们进行接合的例子，但是关于这些接合方法，只要能够可靠地接合就没有特别限定，可以采用上述任意一种方法。

[0076] 接下来，对本发明的第一实施方式的燃料电池的变形例1进行说明。图2是示意性地示出本发明的第一实施方式的燃料电池的变形例1的主视图。

[0077] 若与燃料电池10相比较，则除了取代绝热体18而具有绝热体118这一点、取代密闭容器20而具有密闭容器120这一点、取代加热器16以及外壁22而具有外壁122这一点之外，本发明的燃料电池110具有相同的结构，因此对于相同的结构要素标注相同的参照符号，并省略其说明。此外，绝热体118对应于绝热体18，虽然其形状小径化，但是基本功能是相同的，因此省略其说明。

[0078] 在本发明的燃料电池110中，加热器也可以与外壁122一体地构成。即，对于燃料电池110来说，通过使加热器内置于密闭容器120的外壁122，从而减少部件数量，并且具备使外径和内径更细的绝热体118。因此，通过设为这样的结构，从而本发明的燃料电池110能够成为如下结构，即，简单且紧凑，并且电池容量以及能量密度足够大。

[0079] 接下来，对本发明的第一实施方式的燃料电池的变形例2进行说明。图3是示意性地示出本发明的第一实施方式的燃料电池的变形例2的主视图。

[0080] 若与燃料电池10相比较，则除了取代加热器16而具有具备引线216a和引线216b的加热器216以及具备孔236a的加热器支承体236这一点、取代绝热体18而具有绝热体218这一点之外，本发明的燃料电池210具有相同的结构，因此对于相同的结构要素标注相同的参照符号，并省略其说明。此外，绝热体218对应于绝热体18，虽然其形状小径化，但是基本功能是相同的，因此省略其说明。

[0081] 此外，本发明的燃料电池210使用内侧正极类型的电极复合体，因而从内侧向外侧按照加热器216、空气区域、正极12b、固体电解质体12a、负极12c、负极燃料物质体14的顺序进行配置，因此负极燃料物质体14成为从多重筒状构造的内侧起的第六个。

[0082] 本发明的燃料电池210还可以具备加热器支承体236。加热器支承体236将加热器216支承在电极复合体12的内侧，并具备用于向电极复合体12的内侧供给空气的孔236a。
即，燃料电池210通过将加热器216支承在电极复合体12的内侧，从而具备使外径和内径更细的绝热体218。

[0083] 固体电解质体12a的期望加热维持温度是800℃以上，负极燃料物质体14的期望加热维持温度是550℃以上，由于与负极燃料物质体14相比固体电解质体12a的加热维持温度相当高，因而若像图1的(A)的燃料电池10以及图2的燃料电池110那样，在负极燃料物质体14的外侧配置加热器，则必须使靠近加热器的负极燃料物质体14加热维持在550℃以上，使远离加热器的固体电解质体12a加热维持在800℃以上，因此能量效率恶化。此外，由于负极燃料物质体14被过度加热，因此有可能发生凝结所引起的输出降低。

[0084] 对此，如图3的燃料电池210所示，若在电极复合体12的内侧配置加热器，则只要将远离加热器的负极燃料物质体14加热维持在550℃以上，并将靠近加热器的固体电解质体12a加热维持在800℃以上即可。因此，通过设为这样的结构，从而本发明的燃料电池210能够使能量效率良好到与以往同等以上。此外，由于负极燃料物质体14不被过度加热，因此能够避免凝结所引起的输出降低。

[0085] 接下来，对本发明的第二实施方式的燃料电池进行说明。图4的(A)是示意性地示出本发明的第二实施方式的燃料电池的主视图，图4的(B)是其一部分的变形例。

[0086] 若与燃料电池10相比较，则除了取代电极复合体12而具有包括固体电解质体312a、正极312b和负极312c并且具备正极引线312p和负极引线312n的电极复合体312这一点、取代密闭容器20、外壁22、端壁24、电极支承体26、管接头28而具有密闭容器320、外壁
322、端壁324、电极支承体326、管接头328这一点以外，本发明的燃料电池310具有相同的结构，因此对于相同的结构要素标注相同的参照符号，并省略其说明。

[0087] 电极复合体312具有仅通过与开口方向成直角地将层叠为三层的固体电解质体312a、正极312b和负极312c切断而露出了正极312b和负极312c的状态的两端。而且，图4的(A)示出使用管接头328将电极复合体312和电极支承体326接合的例子。此外，图4的(B)示出通过上述的中间材料法和直接接合法将它们接合的例子，但是关于这些接合方法，只要能够可靠地接合则没有特别限定，可以采用上述任意一种方法。

[0088] 在本发明的燃料电池310中，密闭容器320还可以具备端壁324和两个筒状的电极支承体326。端壁324配置在外壁322的开口方向的至少一端。两个筒状的电极支承体326与电极复合体312的两端分别接合。包括固体电解质体312a以及电极支承体326的密闭容器320的材料是陶瓷。端壁324的外周与外壁322的开口方向的一端接合，端壁324的内周与电极支承体326中的一个接合。

[0089] 即，图4的(A)的燃料电池310的负极燃料物质体14与上述图1的(A)的燃料电池10同样地成为从多重筒状构造的内侧起的第五个，或者与上述图3的燃料电池210同样地成为第六个，因而能够将其体积设得比使用了内侧负极类型电极复合体的燃料电池的负极燃料物质体的体积大。因此，通过设为这样的结构，从而本发明的燃料电池310能够成为如下结构，即，简单且紧凑，并且电池容量以及能量密度足够大。

[0090] 接下来，对本发明的第三实施方式的燃料电池进行说明。图5是示意性地示出本发明的第三实施方式的燃料电池的主视图。

[0091] 若与燃料电池10相比较，则除了具有由固体电解质体412a、正极412b和负极412c构成并且具备正极引线412p和负极引线412n的电极复合体412来取代电极复合体12这一点、具有密闭容器420、外壁422、端壁424来取代密闭容器20、外壁22、端壁24这一点之外，本发明的燃料电池410具有相同的结构，因此对于相同的结构要素标注相同的参照符号，并省略其说明。

[0092] 电极复合体412具有仅通过与开口方向成直角地将层叠为三层的固体电解质体412a、正极412b和负极412c切断而露出了正极412b和负极412c的状态的两端。

[0093] 在本发明的燃料电池410中，密闭容器420还可以具备端壁424。端壁424配置在外壁422的开口方向的至少一端。固体电解质体412a以及密闭容器420的材料是陶瓷。端壁424的外周与外壁422的开口方向的一端接合，而端壁424的内周与电极复合体412接合。

[0094] 即，图5的燃料电池410的负极燃料物质体14与上述图1的(A)的燃料电池10同样地成为从多重筒状构造的内侧起的第五个，或者与上述图3的燃料电池210同样地成为第六个，因而能够将其体积设得比使用了内侧负极类型电极复合体的燃料电池的负极燃料物质体的体积大。因此，通过设为这样的结构，从而本发明的燃料电池410能够成为如下结构，即，简单且紧凑，并且电池容量以及能量密度足够大。

[0095] 接下来，对本发明的第四实施方式的燃料电池进行说明。图6是示意性地示出本发明的第四实施方式的燃料电池的主视图，图7是图6所示的燃料电池的俯视图，图8是图6所示的燃料电池的侧视图。

[0096] 若与燃料电池10相比较，则除了具有由固体电解质体512a、正极512b和负极512c构成的电极复合体512来取代电极复合体12这一点、具有密闭容器520、外壁522、端壁524、电极支承体526a、526b、帽件538和排气管538a来取代密闭容器20、外壁22、端壁24、电极支承体26这一点以外，本发明的燃料电池510具有相同的结构，因此对于相同的结构要素标注相同的参照符号，并省略其说明。此外，负极燃料物质体514、加热器516、绝热体518分别与负极燃料物质体14、加热器16、绝热体18相对应，虽然其形状不同，但基本功能是相同的，因此省略其说明。另外，图7、图8示出了从燃料电池510取下了加热器516、绝热体518的状态。

[0097] 取代电极复合体12，电极复合体512包括固体电解质体512a(未图示)、正极512b(未图示)和负极512c(未图示)，两端的状态根据接合的电极支承体526a、526b的材料而不同。

[0098] 在本发明的燃料电池510中，密闭容器520还可以具备端壁524、两个筒状的电极支承体526a、526b和用于更换负极燃料物质体514的帽件538。端壁524配置在外壁522的开口方向的至少一端。两个筒状的电极支承体526a、526b分别与电极复合体512的两端接合。端壁524的外周与帽件538抵接，并通过使帽件538装卸自如地与外壁522的开口方向的一端螺合，从而经由帽件538与外壁522的开口方向的一端接合，端壁524的内周与电极支承体526b的端面抵接。帽件538具备与水注入量控制单元48相连的供水部532a、根据需要将注入的水排出的排水部532b和对电极复合体512内侧的空气进行排气的排气管538a。

[0099] 即，图6的燃料电池510的负极燃料物质体514与上述图1的(A)的燃料电池10同样地成为从多重筒状构造的内侧起的第五个，或者与上述图3的燃料电池210同样地成为第六个，因而能够将其体积设得比使用了内侧负极类型电极复合体的燃料电池的负极燃料物质体的体积大。此外，在将燃料电池510作为仅进行放电的一次电池来使用的情况下，需要将成为氧化物的负极燃料物质体514更换为原始的负极燃料物质体514。因此，通过设为这样的结构，从而本发明的燃料电池510能够成为简单且紧凑、并且电池容量以及能量密度足够大的结构，并且能够使维护性良好到与以往同等以上。

[0100] 在本发明的燃料电池510中，可以是固体电解质体512a的材料为陶瓷，密闭容器520的材料为不锈钢。在这种情况下，端壁524以及电极支承体526a、526b的至少一个具有用于吸收固体电解质体512a以及外壁522的热膨胀率的差异的弹性变形部(未图示)。

[0101] 即，端壁524是如隔膜那样的形状的不锈钢部件，可以在外周和内周之间具有弹性变形部。此外，电极支承体526b在与电极复合体512接合的不锈钢的部分和与端壁524的内周接合的不锈钢的部分之间夹入橡胶等弹性变形部，也可以通过粘结等一体化。

[0102] 在固体电解质体512a是陶瓷材料而密闭容器520是不锈钢材料的情况下，若由加热器516进行加热，则由于固体电解质体512a以及外壁522的热膨胀率的差异而有可能在长度上产生差异，并由于产生龟裂而有可能导致气密性降低。对此，本发明的燃料电池510的弹性变形部吸收上述长度差，因此能够消除气密性降低的可能。因此，通过设为这样的结构，从而本发明的燃料电池510能够使可靠性良好到与以往同等以上。另外，这种情况下的电极复合体512和电极支承体526a、526b的接合方法与上述图1的(A)、图1的(B)的燃料电池10同样，因此省略其说明。

[0103] 在本发明的燃料电池510中，包括固体电解质体512a以及电极支承体526a、526b的密闭容器520的材料也可以是陶瓷。这种情况下的电极复合体512和电极支承体526a、526b的接合方法与上述图4的(A)、图4的(B)的燃料电池310同样，因此省略其说明。

[0104] 本发明的燃料电池基本上如上构成。

[0105] 以上，对本发明的燃料电池进行了详细说明，但本发明并不限定于上述记载，在不脱离本发明的主旨的范围内，当然也可以进行各种改善、变更。另外，本发明的第一实施方式的燃料电池的变形例1、2不仅能够应用于第一实施方式也能够应用于第二实施方式～第四实施方式。

[0106] 产业上的可利用性

[0107] 关于本发明的燃料电池，除了具有能够成为简单且紧凑、并且电池容量以及能量密度足够大的结构这样的效果之外，还具有能够将供电的稳定性提高到与以往同等以上，并且能够使可靠性、维护性、能量效率良好这样的效果，因此在产业上是有用的。

[0108] 符号说明

[0109] 10、110、210、310、410、510：燃料电池

[0110] 12、312、412、512：电极复合体(SOFC管)

[0111] 12a、312a、412a：固体电解质体

[0112] 12b、312b、412b：正极

[0113] 12c、312c、412c：负极

[0114] 12p、312p、412p：正极引线

[0115] 12n、312n、412n：负极引线

[0116] 14、514：负极燃料物质体

[0117] 16、216、516：加热器

[0118] 18、118、218、518：绝热体

[0119] 20、120、320、420、520：密闭容器

[0120] 22、122、322、422、522：外壁

[0121] 24、324、424、524：端壁

[0122] 26、326、526a、526b：电极支承体

[0123] 28、328：管接头

[0124] 30：盖板

[0125] 32a、532a：供水部

[0126] 32b、532b：排水部

[0127] 32c：安全阀连接部

[0128] 34：连接构件

[0129] 42：温度测量单元

[0130] 44：电压测量单元

[0131] 46：流量调整单元

[0132] 48：水注入量控制单元

[0133] 52：安全阀

[0134] 216a、216b：引线

[0135] 236：加热器支承体

[0136] 236a：孔

[0137] 538：帽件

[0138] 538a：排气管。

标题	发布/更新时间	阅读量
燃料电池-专利编号CN103081197A	2020-05-11	121
燃料电池-专利编号CN101485020B	2020-05-11	531
燃料电池堆-专利编号CN101557007B	2020-05-13	309
燃料电池堆-专利编号CN101557007A	2020-05-13	453
燃料电池-专利编号CN101485020A	2020-05-12	936
燃料电池-专利编号CN107565154A8	2020-05-11	713
燃料电池-专利编号CN107565154A	2020-05-11	568
燃料电池堆-专利编号CN101841052A	2020-05-12	910
燃料电池系统-专利编号CN107646152A	2020-05-13	684
燃料电池-专利编号CN207459078U	2020-05-12	584

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