JP2003288913A

JP2003288913A - 固体酸化物燃料電池

Info

Publication number: JP2003288913A
Application number: JP2002089377A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Matsuoka; 聡松岡; Masahiro Kuroishi; 正宏黒石; Toshiya Abe; 俊哉阿部; Hiroaki Takeuchi; 弘明竹内
Original assignee: Toto Ltd
Current assignee: Toto Ltd
Priority date: 2002-03-27
Filing date: 2002-03-27
Publication date: 2003-10-10

Abstract

(57)【要約】【課題】燃料電池の各寸法の、燃料電池ごとに発生す
るばらつきに依存することなく、簡便に燃料電池モジュ
ールを構成するための構造を提供する。【解決手段】固体酸化物燃料電池を少なくとも一部を
接続した状態で内部に保持する略直方体からなり、燃料
電池の開口端に相対する前記略直方体の一平面と長手方
向の一平面とが開口されており、燃料電池の封止端に相
対する面に燃料供給孔を設けた導電性の外殻部材と、外
殻部材の長手方向の開口面に設け、開口部を有した絶縁
性の絶縁部材と、前記開口部を介して燃料電池と接続す
る導電性の外蓋とからなり、外殻部材と外蓋とが絶縁性
の固定手段によって固定される固体酸化物燃料電池のカ
ートリッジ構造を提供する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は固体酸化物燃料電池
に係り、特に組立作業性に好適な構造に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】固体酸化物燃料電池は、片端閉塞円筒形
状の電解質の外側に燃料極を、内側に空気極を設け、か
つ内側の電極の一部を表面に配置した燃料電池を複数連
接し、設置した燃料電池モジュールを発電可能な温度に
加熱し、空気極には酸化剤を、燃料極には燃料ガスを供
給して発電を行うものである。

【０００３】図８において従来の燃料電池の連接の方法
を説明する。燃料電池１７の周辺に接合部材１６を設置
し、これを直列方向及び並列方向に配置する。この時、
前記燃料電池のそり、ゆがみなどに合わせて前記接合部
材１６の厚みを調節して、隣接する前記接合部材の間に
隙間が生じないようにする。これは、接触面積を最大に
して電流のロスを防ぐという理由と、接合部材間の結合
力を最大に保つという理由がある。隣接する燃料電池の
接合部材間の結合には、ニッケルのペーストなどを塗布
し、燃料電池の集合体を過熱することにより溶着してい
た。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、燃料電
池は製造工程の都合上軸方向にそりが発生し、また、円
周方向にもゆがみが発生することが多いため、燃料電池
の接続の為に個々の燃料電池接続用部材の厚みを個別の
燃料電池のそり、及びゆがみに合わせて調節して接合す
るという、非常に手間のかかる方法を採用しており、作
業性及び確実性が大幅に損なわれていた。

【０００５】本発明は、上記課題を解決するためになさ
れたもので、本発明の目的は、燃料電池の各寸法の、燃
料電池ごとに発生するばらつきに依存することなく、簡
便に燃料電池モジュールを構成するためのカートリッジ
構造を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明では、電解質の両側に燃料極と空気極を配し、
内側の電極の一部を表側に配置した片端閉塞円筒型の固
体酸化物燃料電池と、該固体酸化物燃料電池を少なくと
も一部を接続した状態で内部に保持する略直方体からな
り、前記固体酸化物燃料電池の開口端に相対する前記略
直方体の一平面と、長手方向の一平面とが開口されてお
り、前記固体酸化物燃料電池の封止端に相対する一平面
に、前記固体酸化物燃料電池に燃料を供給するための燃
料供給孔を設けた導電性を有する外殻部材と、前記外殻
部材の長手方向の開口面に設けた、絶縁性を有し、か
つ、開口部を有した絶縁部材と、前記絶縁部材の開口部
を介して前記固体酸化物燃料電池と接続する導電性を有
した外蓋と、からなり、前記外殻部材と、前記外蓋と
が、絶縁性を有する固定手段によって固定されているこ
とを特徴とするため、燃料電池の寸法のばらつきは外殻
各部材と外蓋により収束する。また、円筒形状である燃
料電池を直接並列する方法に比べて箱型形状を持った本
発明品のほうが並列させやすく、燃料電池の各部寸法の
ばらつきにより接続部材の調整をする必要が減じるとい
う効果がある。

【０００７】また、第二の発明では、前記外蓋と前記絶
縁部材とを一体化させたことを特徴とするため、カート
リッジ構造の組立工程において部品点数が削減されるた
め、前記発明の効果に加え、組立作業の簡便性が向上す
る効果がある。

【０００８】また、第三の発明では、電解質の両側に燃
料極と空気極を配した片端閉塞円筒型の固体酸化物燃料
電池と、該固体酸化物燃料電池と少なくとも一部を接続
した状態で内部に保持する略直方体からなり、前記固体
酸化物燃料電池の開口端に相対する前記略直方体の一平
面と、長手方向の一平面とが開口されており、前記固体
酸化物燃料電池の封止端に相対する一平面に、燃料を供
給するための燃料供給孔を設けた導電性を有する外殻部
材と、前記外殻部材の長手方向の開口面に設けた、絶縁
性を有し、かつ、開口部を有した絶縁部材と、前記絶縁
部材の開口部を介して前記固体酸化物燃料電池と接続す
る、導電性を有した外蓋と、前記外殻部材と前記外蓋と
が、絶縁性を有する固定手段によって固定されており、
前記固体酸化物燃料電池の内面に、他の固体酸化物燃料
電池との電気的接続を行うための集電部材を設置したこ
とを特徴とするため、外殻部材と外蓋とを直接接続する
ことが可能となる。これにより部品点数の削減と組立工
程の低減が図れるため、前記発明の効果に加え、さらに
組立作業の簡便性が向上する効果がある。

【０００９】また、第四の発明では、前記固定手段が溶
着であることを特徴とするため、前記外殻部材と前期外
蓋とが強固に結合され、分解する恐れが無くなる。その
ため前記発明の効果に加え、組立後のカートリッジ構造
の取扱いの容易性が向上するという効果がある。

【００１０】また、第五の発明では、前記固体酸化物燃
料電池と前記外殻部材とは、少なくとも一つの弾性を有
する導電性の接続部材より接続されていることを特徴と
するため、前記燃料電池と前記外殻部材との接触面およ
び、前記燃料電池と前期外蓋との間の接触面の、接触面
積が増大するため、前記発明の効果に加え、効率よく電
流の伝達を行えるという効果がある。

【００１１】また、第六の発明では、前記接続部材が導
電性繊維のフェルトであることを特徴とするため、前記
燃料電池と前記外殻部材との接触面および、前記燃料電
池と前期外蓋との間の接触面の、接触面積が増大するた
め、前記発明の効果に加え、効率よく電流の伝達を行え
るという効果がある。

【００１２】また、第七の発明では、前記接続部材が導
電性金属の発泡体であることを特徴とするため、前記燃
料電池と前記外殻部材との接触面および、前記燃料電池
と前期外蓋との間の接触面の、接触面積が増大するた
め、前記発明の効果に加え、効率よく電流の伝達を行え
るという効果がある。

【００１３】また、第八の発明では、前記接続部材が導
電性金属の薄板を積層して集合体となしたことを特徴と
するため、前記燃料電池と前記外殻部材との接触面およ
び、前記燃料電池と前期外蓋との間の接触面の、接触面
積が増大するため、前記発明の効果に加え、効率よく電
流の伝達を行えるという効果がある。

【００１４】また、第九の発明では、前記請求項１〜８
のいずれか一項に記載の固体酸化物燃料電池のカートリ
ッジ構造を複数配置したことを特徴とするため、従来の
技術に比べて簡便に燃料電池モジュールを構成すること
ができるという効果がある。

【００１５】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を図面により
説明する。図１に本発明の一例の略図を示す。また、図
２図１の分解図を示す。また、図３は図２の視点方向を
変更したものである。外殻部材２は導電性の略直方体の
部材であり、これは各面部材を溶接して成型してもよい
し、鍛造などの製造手段を用いて１工程にて製造しても
よい。前記外殻部材２の、燃料電池１の開口端に相対す
る面は開口されており、燃料電池１で消費された燃料を
排出できるようになっている。また、前記外殻部材２の
長手方向の一面は、前記燃料電池１の表面に電気的な極
性が存在するため、短絡を防ぐために開口されている。
底面には燃料電池１の燃料極に燃料を導入するための貫
通孔が設置されている。また、前記外殻部材２と燃料電
池１とは互いに接触している。次に、外殻部材２の長手
方向の開口面に絶縁部材３を設置する。前記絶縁部材３
は、外殻部材２と、外蓋４との間に、電気的な絶縁性を
持たせる。但し、外蓋４と燃料電池１は互いに接触して
いることとするため、絶縁性部材３は、外蓋４と燃料電
池１との接触部を確保するべく開口部を有している。次
に、外蓋４を絶縁部材３に設置する。次に、拘束部材９
および１０を、外殻部材２と外蓋４とを拘束するように
設置する。前記拘束部材については外殻部材２と外蓋４
との間の絶縁性を確保するため、絶縁性の板を拘束部材
と、外殻部材２もしくは外蓋４との間の接触面に接着す
ることや、絶縁性の塗料を塗布するなどの工夫が必要で
ある。絶縁性の板は一般的にはアルミナの薄板が市販さ
れており、また、絶縁性の塗料については無機質の接着
剤が市販されている。たとえば、東亞合成株式会社のア
ロンセラミックが挙げられる。その他同様の効果をもつ
素材を使用しても構わない。また、図示されている拘束
部材については弾性をもつ部材を使用しており、クリッ
プのような働きをさせているが、絶縁性の板二枚をボル
トにて拘束して締め付ける構造でも同様の効果を発揮す
る。

【００１６】従来の燃料電池モジュールでは燃料電池に
接合部材を貼り付け、その後これを直列及び並列方向に
配置していた。この構造だと各燃料電池の寸法のばらつ
きが直列及び並列方向に蓄積され、燃料電池モジュール
では大きな寸法のばらつきとなって現れるため、各燃料
電池の寸法のばらつきを緩和すべく、接合部材の寸法の
調整を各燃料電池ごとに行っていた。この方法を採用す
ると、各燃料電池ごとに詳細な寸法計測と、接合部材の
精密な寸法調整が必要であり、組立に多大な時間がかか
っており、また、工程が多いためミスの発生率も必然的
に増加していた。

【００１７】本発明の構造を採用することにより、燃料
電池寸法のばらつきは外殻部材２及び外蓋４の間にて収
束するため、連接させても全体の寸法のばらつきは最小
限に抑えることができるようになる。

【００１８】また、外蓋と、絶縁部材を一体化させ、組
立時の部品点数の削減を図ることもできる。外蓋と絶縁
部材の一体化の手法としては、外蓋４と絶縁部材を無機
質の接着剤にて接着する方法が考えられる。接着剤とし
ては東亞合成株式会社のアロンセラミックが考えられる
が、その他同等の機能を持つものでもよい。また、外蓋
４に無機質の接着剤を塗布し、そのまま乾燥させても同
様の効果を得ることができる。この場合は、外蓋４と、
燃料電池１とが接触する部分には無機質の接着剤は塗布
しない。

【００１９】また、図４に本発明の別の一例の略図を示
す。これまでの燃料電池１には、表面に電気的な極性を
持たせていた。このため、外殻部材と外蓋との間で電気
的な絶縁性を持たせる必要があり、また、拘束部材と外
殻部材もしくは外蓋との間に絶縁性を持たせる必要があ
った。燃料電池１の表面に電気的な極性が無く、燃料電
池１の電気的極性が、燃料電池１の内側と外側で分かれ
ていれば、外殻部材と外蓋との間の絶縁性や、拘束部材
と外殻部材もしくは外蓋との間の絶縁性は考慮する必要
が無くなる。このため部材点数の削減と、作業性の向上
を図ることができる。具体的には、燃料電池１の内側に
集電部材１１を設置する。集電部材の材質としては、ニ
ッケルや、ＳＵＳが考えられるが、その他高温かつ酸化
雰囲気中での耐性を持つ材質でもよい。また、集電部材
１１の形状としては、直方体形状の長手方向の幅広面の
一面を、燃料電池の形状に合わせて切削したものでもよ
いし、薄板でもよい。さらに、集電部材１１を弾性を持
つ導電性の部材を介して設置してもよい。また、外殻部
材２に外蓋４を直接設置するものとする。さらに、拘束
部材については導電性の金属にて直接拘束してよい。ま
た、外殻部材２と外蓋４とをボルトなどで結合してもよ
いし、溶着する方法をとることもできる。外殻部材２と
外蓋４とを溶着した場合は、組立後のカートリッジ構造
の結合が強固になり、取扱いの容易性が向上する。ま
た、図示はしないが、燃料電池のカートリッジ構造を電
気的に直列方向に連接する場合は、集電部材１１と、別
の燃料電池のカートリッジ構造の外殻部材２もしくは外
蓋４とを、電線や金属製の薄板などの導電性の部材によ
って接続することが必要である。

【００２０】また、図５に本発明の別の一例の略分解図
を示す。また、図６は図５の視点を変更したものであ
る。前記外殻部材２と燃料電池１は、燃料電池１の寸法
のばらつきがあっても電気的な接続を確実にし、かつ外
殻部材２と燃料電池１との間の接触面積を増大させるた
め、図５のように弾性を有する導電性部材５を介して接
続してもよい。前記弾性を有する導電性部材５は、１個
にて接続を行ってもよいし、複数個使用してもよい。外
殻部材２に導電性部材５を設置する方法としては溶着が
望ましいが、製造コスト等の都合により、各種接着剤に
て仮接着を行い、発電時に供給される熱により溶着する
ことも考えられる。前記弾性を有する導電性部材５を設
置した外殻部材２に燃料電池１を設置する。この時、燃
料電池１を設置する方向は、外殻部材２の長手方向の開
口面と燃料電池１の内側の電極が設置されている面が相
対するように設置する。

【００２１】また、外蓋４と燃料電池１を、図６のよう
に弾性を有する導電性部材８を介して接続してもよい。
外蓋４に導電性部材８を設置する方法としては、外殻部
材２に導電性部材５を設置する方法と同様の方法をとる
ことができる。

【００２２】弾性を有する導電性の部材については、導
電性繊維のフェルトを使用することが考えられる。これ
は、導電性の繊維の不織布や導電性繊維を織ったものが
考えられる。フェルトにおいては繊維と繊維の間に微小
な空間を有するため、弾性を持つ。導電性の繊維の径
や、繊維と繊維の間の空間の設定については、必要な弾
性によって選ぶことができる。また、導電性の繊維の材
質については温度などの使用条件によって選定すること
ができるが、ニッケルの繊維や、ＳＵＳの繊維などが考
えられる。弾性を持つため、燃料電池１の寸法のばらつ
きに追随して接触するため接触面積を増大させ、かつ、
外殻部材もしくは外蓋との接触を確実とすることができ
る。

【００２３】また、導電性金属の発泡体を使用すること
も考えられる。これは、種々の製法が実現されている
が、金属の内部に泡状の空間を多数形成し、多孔質体と
したたものであり、多孔質体のため弾性を持ち、燃料電
池１の寸法のばらつきに追随して接触し、かつ、外殻部
材もしくは外蓋との接触を確実とすることができる。導
電性金属の発泡対の材質としてはニッケルや、ＳＵＳが
考えられるが、その他材質を必要に応じて選定すること
ができる。

【００２４】また、導電性金属の薄板を積層して集合体
とした図７のような構造も考えられる。導電性金属の薄
板１４に脚部１３を設置し、前記導電性金属の薄板１４
に、導電性金属の薄板１４より短い導電性金属の薄板１
３を設置する。このようにして薄板を複数枚設置して板
ばねを構成する。このようにこの場合は上記の導電性繊
維のフェルトや導電性金属の発泡体を使用する方法と比
較して、導電性金属の薄板を使用するため、材料の手配
が容易である。

【００２５】本発明の一例の燃料電池のカートリッジ構
造を図８のように、直列方向及び並列方向に連接するこ
とにより、簡便に燃料電池モジュールを構成することが
できる。この場合、互いに電気的に並列方向に連接する
燃料電池のカートリッジ構造については、互いの外殻部
材と外殻部材が接触していることが必要である。また、
電気的に直列方向に連接する燃料電池のカートリッジ構
造については、互いの外殻部材と、外蓋とが接触してい
る必要がある。図８では、外蓋４の、拘束部材９および
拘束部材１０が接触しない領域の厚みを増し、また、外
殻部材２の、拘束部材９及び拘束部材１０が接触しない
領域の厚みを増しているが、その他の方法で接続しても
よい。

【００２６】

【発明の効果】本発明は上記構成により次の効果を発揮
する。燃料電池をカートリッジ構造とすることにより、
燃料電池の各寸法のばらつきに依存することなく、簡便
に燃料電池モジュールを構成することができるようにな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一例の略図

【図２】図１の分解図

【図３】図２の視点を変更した分解図

【図４】本発明の別の一例の略図

【図５】本発明の別の一例の略分解図

【図６】図５の視点を変更した分解図

【図７】本発明の別の一例の略図

【図８】本発明の別の一例の略図

【図９】従来例の断面図

【符号の説明】

１：燃料電池２：外殻部材３：絶縁部材４：外蓋５：接合部材６：接合部材７：接合部材８：接合部材９：拘束部材１０：拘束部材１１：集電部材１２：開口部１３：板ばね脚部１４：板ばね部材１５：板ばね部材１６：接合部材１７：燃料電池１８：本発明の一例の燃料電池のカートリッジ構造

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者阿部俊哉福岡県北九州市小倉北区中島２丁目１番１号東陶機器株式会社内 (72)発明者竹内弘明福岡県北九州市小倉北区中島２丁目１番１号東陶機器株式会社内Ｆターム(参考） 5H026 AA06 CC06 CV02 CX01 CX02 EE02 EE12

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電解質の両側に燃料極と空気極を配し、
内側の電極の一部を表側に配置した片端閉塞円筒型の固
体酸化物燃料電池と、該固体酸化物燃料電池を少なくとも一部を接続した状態
で内部に保持する略直方体からなり、前記固体酸化物燃
料電池の開口端に相対する前記略直方体の一平面と、長
手方向の一平面とが開口されており、前記固体酸化物燃
料電池の封止端に相対する一平面に、前記固体酸化物燃
料電池に燃料を供給するための燃料供給孔を設けた導電
性を有する外殻部材と、前記外殻部材の長手方向の開口面に設けた、絶縁性を有
し、かつ、開口部を有した絶縁部材と、前記絶縁部材の開口部を介して前記固体酸化物燃料電池
と接続する導電性を有した外蓋と、からなり、前記外殻部材と、前記外蓋とが、絶縁性を有する固定手
段によって固定されていることを特徴とする、固体酸化
物燃料電池のカートリッジ構造。
【請求項２】前記外蓋と前記絶縁部材とを一体化させ
たことを特徴とする、請求項１に記載の固体酸化物燃料
電池のカートリッジ構造。
【請求項３】電解質の両側に燃料極と空気極を配した
片端閉塞円筒型の固体酸化物燃料電池と、該固体酸化物燃料電池と少なくとも一部を接続した状態
で内部に保持する略直方体からなり、前記固体酸化物燃
料電池の開口端に相対する前記略直方体の一平面と、長
手方向の一平面とが開口されており、前記固体酸化物燃
料電池の封止端に相対する一平面に、燃料を供給するた
めの燃料供給孔を設けた導電性を有する外殻部材と、前記外殻部材の長手方向の開口面に設けた、絶縁性を有
し、かつ、開口部を有した絶縁部材と、前記絶縁部材の開口部を介して前記固体酸化物燃料電池
と接続する、導電性を有した外蓋と、前記外殻部材と前記外蓋とが、絶縁性を有する固定手段
によって固定されており、前記固体酸化物燃料電池の内
面に、他の固体酸化物燃料電池との電気的接続を行うた
めの集電部材を設置したことを特徴とする、固体酸化物
燃料電池のカートリッジ構造。
【請求項４】前記固定手段が溶着であることを特徴と
する請求項１〜３のいずれか一項に記載の固体酸化物燃
料電池のカートリッジ構造。
【請求項５】前記固体酸化物燃料電池と前記外殻部材
とは、少なくとも一つの弾性を有する導電性の接続部材
より接続されていることを特徴とする請求項１〜４のい
ずれか一項に記載の固体酸化物燃料電池のカートリッジ
構造。
【請求項６】前記接続部材が導電性繊維のフェルトで
あることを特徴とする請求項５に記載の固体酸化物燃料
電池のカートリッジ構造。
【請求項７】前記接続部材が導電性金属の発泡体であ
ることを特徴とする請求項５に記載の固体酸化物燃料電
池のカートリッジ構造。
【請求項８】前記接続部材が導電性金属の薄板を積層
して集合体となしたことを特徴とする請求項５に記載の
固体酸化物燃料電池のカートリッジ構造。
【請求項９】前記請求項１〜８のいずれか一項に記載
の固体酸化物燃料電池のカートリッジ構造を複数配置し
たことを特徴とする、固体酸化物燃料電池のユニット構
造。