JP2008071710A - 燃料電池セルスタック及びそれを含む燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池セル体の任意の並列及び直列接続を容易に構成することができる燃料電池セルスタック及びそれを含む燃料電池を提供する。
【解決手段】本発明は、燃料電池に使用される燃料電池セルスタック、及び、それを含む燃料電池に関する。本発明による燃料電池セルスタック(4)は、互いに長手方向(A)に対する横方向に整列した複数の管状の燃料電池セル体(6〜10)と、燃料電池セル体(6〜10)の両端部(6a,6b)が固定される電気絶縁性の支持板(12,14)を有する。燃料電池セル体(6〜10)の各々は、内側の電極層(16)と、外側の電極層(20)と、電解質層(18)とを有し、一方の端部(6a)に、内側の電極層(16)が露出した内側電極露出周面(16a)を有する。更に、隣接した燃料電池セル体(6〜10)を任意組合せで電気的に接続するために、各支持板(12,14)に設けられた接続部(5)を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体酸化物形の燃料電池（ＳＯＦＣ）に使用される燃料電池セルスタック、及び、それを含む燃料電池に関し、更に詳細には、管状の燃料電池セルを有する燃料電池セルスタック、及び、それを含む燃料電池に関する。

従来から、管状の燃料電池セルを有する燃料電池セルスタックが知られている（例えば、特許文献１及び２参照）。まず、図１４〜図１６を参照して、特許文献１に記載された従来の燃料電池のセルスタックの一例を説明する。図１４は、従来の燃料電池セルスタックの概略的な斜視図であり、図１５は、従来の別の燃料電池セルスタックの概略的な斜視図であり、図１６は、従来の燃料電池セルスタック組立体の斜視図である。

図１４に示すように、特許文献１に記載された燃料電池セルスタック１００は、複数の円筒形の燃料電池セル１０２を互いに横方向に並べて、その両端部を金属板１０４で支持した構造を有している。この燃料電池セルスタック１００は、燃料電池セル１０２が電気的に並列に接続されている。

また、図１５に示すように、特許文献１に記載された別の燃料電池セルスタック１１０は、燃料電池セル１１２を長手方向に連結し且つ電気的に直列に接続した燃料電池セル体１１４を有している。

また、図１６に示すように、特許文献１に記載された燃料電池セルスタック組立体１２０は、燃料電池セル１２２を電気的に直列に接続するために、複数の燃料電池セルスタック１２４を長手方向に連結した部分１２６と、燃料電池セルスタック１２４を横方向に且つ長手方向逆向きに配置して両者を金属板１２８で連結した部分１３０と、を有している。

また、特許文献２には、中空六角形状の燃料電池セルが記載され、この燃料電池セルの内側の電極は、端部において長手方向に露出している。

特開２００２−２８９２４９号公報（図５、図６及び図７） 特開平５−１０１８４２号公報（図１及び図６）

燃料電池セル単体で発生させることができる電圧は、その寸法にかかわらず一定である。従って、高い電圧を得るためには、燃料電池セルを電気的に直列に接続する必要がある。一方、大きい電流を得るためには、例えば、燃料電池セルを電気的に並列に接続する必要がある。直列又は並列に接続する燃料電池セルの数は、用途に応じて異なっている。

上述した特許文献１に記載された燃料電池セルスタック１００、１１０、１２４は、電気的に並列に接続した複数の燃料電池セル１０２、１１２、１２２を１つの単位として構成している。従って、燃料電池セル１０２、１１２、１２２の電気的な並列接続及び直列接続を構成する場合、燃料電池全体の構成が、電気的に並列に接続される燃料電池セル１０２、１１２、１２２の本数に制限される。即ち、燃料電池セル１０２、１１２、１２２を電気的に直列に接続する場合、複数の燃料電池セル１１２を電気的に直列に接続したものを更に電気的に並列に接続して燃料電池セルスタック１１０にするか（図１５参照）、燃料電池セルスタック１００、１１０、１２４を電気的に直列に接続することになる（図１６参照）。このような構成は、電気的に並列に接続される燃料電池セルの本数が多い大型の燃料電池に向いているが、小型の燃料電池には向いていない。

そこで、本発明は、燃料電池セル体の任意の電気的な並列接続及び直列接続を容易に構成することができる燃料電池セルスタック及びそれを含む燃料電池を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明による燃料電池セルスタックは、燃料電池に使用される燃料電池セルスタックであって、互いに長手方向に対する横方向に整列した複数の管状の燃料電池セル体と、燃料電池セル体の両端部がそれぞれ固定される電気絶縁性の支持板と、を有し、燃料電池セル体の各々は、管状の外側の電極層と、管状の内側の電極層と、これらの電極層の間に配置された管状の電解質層と、を有すると共に、その一方の端部に、内側の電極層が電解質層及び外側の電極層に対して露出した内側電極露出周面を有し、燃料電池セル体の各々は、更に、その一方の端部の外周面に、内側電極露出周面を介して内側の電極層と電気的に通じる内側電極外周面を有し、その他方の端部の外周面に、外側の電極層と電気的に通じる外側電極外周面を有し、更に、隣接した燃料電池セル体の内側電極外周面及び外側電極外周面を任意の組合せで電気的に接続するために、各支持板に設けられた接続部を有することを特徴としている。

このように構成された本発明による燃料電池セルスタックによれば、支持板が電気絶縁性であるので、隣接した燃料電池セル体の内側電極外周面同士、又は、外側電極外周面同士を電気的に接続することにより、燃料電池セル体を電気的に並列に接続することができる。また、隣接した燃料電池セル体の内側電極外周面と外側電極外周面とを電気的に接続すれば、燃料電池セル体を電気的に直列に接続することができる。従って、支持板間の距離を一定にしたまま、任意の燃料電池セル体の並列接続及び直列接続を実現することができる。

また、燃料電池セル体の外周面である内側電極外周面を介して内側の電極層の電気を取出すことにより、外側の電極層の電気の取出しとの共通化を図ることができ、燃料電池セル体の電気的な並列接続及び直列接続が容易になる。

上記燃料電池セルスタックの実施形態において、好ましくは、接続部は、燃料電池セル体の端部と支持板との間を互いにシールし且つ固定する導電性のシール材を有する。

このように構成された燃料電池セルスタックでは、支持板の両側の間のガスシールは、支持板とシール材とによって達成される。また、内側の電極層に発生した電気は、燃料電池セルの外周面に露出した内側電極外周面から、また、外側の電極層に発生した電気は、外側電極外周面からシール材を介して取出される。

この実施形態では、シール材は、燃料電池セル体と支持板とを固定する機能と、燃料電池セル体の内側の電極及び外側の電極から電気を取出す機能とを有している。従って、電気的な直列接続においても並列接続においても、燃料電池セルスタックの構造が簡単になり、その製造を容易にすることができる。また導電性のシール材は、各電極外周面に対する密着性がよいため、界面における接触抵抗が小さくなり、電気的な直列接続においても並列接続においても、発電性能および信頼性に優れた燃料電池セルスタックを得ることができる。

また、上記燃料電池セルスタックの実施形態において、好ましくは、複数の燃料電池セル体の少なくとも一部分が電気的に直列に接続される。

また、上記燃料電池セルスタックの実施形態において、好ましくは、燃料電池セル体は、１本の燃料電池セルからなり、又は、長手方向に連結され且つ電気的に直列に接続された複数の燃料電池セルを有する。

また、上記燃料電池セルスタックの実施形態において、内側電極外周面は、内側電極露出周面によって構成されてもよいし、その外側に設けられた内側電極集電層によって構成されてもよい。また、外側電極外周面は、外側の電極層によって構成されてもよいし、外側の電極層の外側に設けられた外側電極集電層によって構成されてもよい。

また、上記目的を達成するために、本発明による燃料電池は、上述した燃料電池セルスタックを含む。

以上説明した通り、本発明による燃料電池セルスタック及びそれを含む燃料電池によれば、燃料電池セル体の任意の電気的な並列接続及び直列接続を容易に構成することができる。

以下、図面を参照して本発明による燃料電池の実施形態を詳細に説明する。

最初、図１〜図３を参照して、本発明による燃料電池の第１の実施形態を説明する。図１は、本発明の第１の実施形態の燃料電池の概略的な平面図である。図２は、燃料電池セルの一方の端部の拡大図であり、図３は、燃料電池セルの他方の端部の拡大図である。

図１に示すように、本発明の第１の実施形態である燃料電池１は、ケース２と、その中に配置された本発明による燃料電池セルスタック４とを有している。

燃料電池セルスタック４は、外周面を有し且つ互いに長手方向Ａに対する横方向に並べられた５本の管状の燃料電池セル体と、燃料電池セル体の端部が貫通し且つ固定される第１の支持板１２及び第２の支持板１４と、燃料電池セル体を電気的に接続する接続部１５とを有している。本実施形態では、５本の燃料電池セル体はそれぞれ、１本の燃料電池セル６、７、８、９、１０からなり、燃料電池セル６〜１０は、円筒形である。以下、図１の最も左端の燃料電池セル６に着目して説明する。

燃料電池セル６は、円筒形の内側の電極層１６と、円筒形の外側の電極層２０と、これらの電極層１６、２０の間に配置された円筒形の電解質層１８と、を有している。また、燃料電池セル６の一方の端部６ａに、内側の電極層１６が電解質層１８及び外側の電極層２０に対して露出した内側電極露出周面１６ａと、電解質層１８が外側の電極層２０に対して露出した電解質露出周面１８ａとが設けられ、内側電極露出周面１６ａ及び電解質露出周面１８ａは、燃料電池セル６の外周面を構成している。燃料電池セル６の他方の端部６ｂを含む残部の外周面は、外側の電極層２０が露出した外側電極露出周面２０ａによって構成されている。本実施形態では、内側電極露出周面１６ａは、内側の電極層１６と電気的に通じる内側電極外周面２１でもあり、外側電極露出周面２０ａは、外側の電極層２０と電気的に通じる外側電極外周面２２でもある。

内側の電極層１６は、例えば、Niと、CaやY、Sc等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニアとの混合体、Niと、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリアとの混合体、Niと、Sr、Mg、Co、Fe、Cuから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレートとの混合体、の少なくとも一種から形成される。電解質層１８は、例えば、Y、Sc等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニア、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリア、Sr、Mgから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレート、の少なくとも一種から形成される。外側の電極層２０は、例えば、Sr、Caから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンマンガナイト、Sr、Co、Ni、Cuから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンフェライト、Sr、Fe、Ni、Cuから選ばれる少なくとも一種をドープしたサマリウムコバルト、銀、などの少なくとも一種から形成される。この場合、内側の電極層１６が燃料極になり、外側の電極層２０が空気極になる。内側の電極層１６の厚さは、例えば、１ｍｍであり、電解質層１８の厚さは、例えば、３０μｍであり、外側の電極層２０の厚さは、例えば、３０μｍである。

第１の支持板１２及び第２の支持板１４は、電気絶縁性であり、燃料電池セル６が貫通する孔２２を有し、ケース２に密封式に取付けられている。それにより、ケース２は、燃料電池セル６の長手方向Ａ両側に配置され、且つ、内側の電極層１６と作用するガスが流れる第１の部屋２４及び第２の部屋２５と、燃料電池セル６の長手方向Ａ中央部に配置され、且つ、外側の電極層２０と作用するガスが流れる第３の部屋２６とに仕切られている。第１の部屋２４は、ガスの流入ポート２８ａを有し、第２の部屋２５は、ガスの流出ポート２８ｂを有している。第３の部屋２６は、ガスの流入ポート３０ａ及び流出ポート３０ｂを有している。支持板１２、１４は、例えば、耐熱性のセラミックスで形成されている。具体的には、アルミナ、ジルコニア、スピネル、フォルステライト、マグネシア、チタニアなどを用いることが好ましい。なお、支持板１２、１４の材質は、その熱膨張係数が燃料電池スタックを構成する各部材の熱膨張係数と近似した材質がより好ましい。また、内側の電極層１６と作用するガスは、例えば、水素や、炭化水素燃料を改質した改質ガスであり、外側の電極層２０と作用するガスは、例えば、空気である。

燃料電池セル６の一方の端部６ａと、第１の支持板１２とは、導電性の第１のシール材３２によって互いにシールされ且つ固定されている。この第１のシール材３２は、後述するように、接続部１５の一部としても機能する。

図２に示すように、内側電極露出周面１６ａ及び電解質露出周面１８ａは、燃料電池セル６の全周にわたって延び、互いに長手方向Ａに隣接している。また、内側電極露出周面１６ａは、燃料電池セル６の先端部６ｃに位置しており、その一部分が第１の支持板１２から突出している。内側電極露出周面１６ａと電解質露出周面１８ａとの間の境界３４は、第１の支持板１２の内部にあり、電解質露出周面１８ａと外側電極露出周面２０ａとの間の境界３６は、第３の部屋２６に位置している。第１のシール材３２は、内側の電極層１６と作用するガスの領域、即ち、第２の部屋２５と外側の電極層２０と作用するガスの領域、即ち、第３の部屋２６とを仕切るように設けられている。

接続部１５の一部としても機能する第１のシール材３２は、内側電極露出周面１６ａ及び電解質露出周面１８ａに跨がって全周にわたって延び、電解質露出周面１８ａを介して外側の電極層２０と間隔をおいている。また、電解質露出周面１８ａは、内側電極露出周面１６ａに向かって薄肉となるテーパ部１８ｂを有している。第１のシール材３２は、例えば、銀、銀とガラスの混合物、銀、金、ニッケル、銅、チタンなどを含む各種ロウ材である。

また、燃料電池セルの他方の端部６ｂと第２の支持板１４とは、導電性の第２シール材３８によって互いにシールされ且つ固定されている。この第２のシール材３２は、後述するように、接続部１５の一部としても機能する。

図３に示すように、第２のシール材３８は、内側の電極層１６と作用するガスの領域、即ち第１の部屋２４と、外側の電極層２０と作用するガスの領域、即ち第３の部屋２６とをほぼ仕切るように設けられている。詳細には、外側の電極層２０の端面２０ｂだけが、第１の部屋２４に露出している。

接続部１５の一部としても機能する第２のシール材３８は、外側電極露出周面２０ａの上に延びている。外側電極露出周面２０ａは、その一部分が第２の支持板１４から突出している。第２のシール材３８は、例えば、銀、銀とガラスの混合物、銀、金、ニッケル、銅、チタンなどを含む各種ロウ材である。

他の燃料電池セル７〜１０も、燃料電池セル６と同様の構成要素を有している。以下、これらの燃料電池セル７〜１０の構成要素を、燃料電池セル６の構成要素との参照符号と同じ参照符号を指示して説明する。

図１に示すように、５本の燃料電池セル６〜１０は、隣り合った燃料電池セル６〜１０の端部６ａ、６ｂにおいて、内側電極外周面（内側電極露出周面）１６ａと外側電極外周面（外側電極露出周面）２０ａとが隣り合うように、互い違いに配置されている。従って、第２及び第４の燃料電池セル７、９においては、一方の端部６ａと第２の支持板１４とが固定され、他方の端部６ｂと第１の支持板１２とが固定されている。

接続部１５は、更に、隣り合った内側電極露出周面１６ａと外側電極露出周面２０ａとを電気的に接続するための、又は、内側電極露出周面１６ａ又は外側電極露出面２０ａと外部とを電気的に接続するための接続部材４０を有している。この実施形態では、接続部材４０は、支持板１２、１４の第１の部屋２４側又は第２の部屋２５側に設けられている。また、この実施形態では、５本の燃料電池セルが電気的に直列に接続されている。燃料電池セル６の内側電極露出周面１６ａに電気的に接続された接続部材４０及び燃料電池セル１０の外側電極露出周面２０ａに電気的に接続された接続部材４０は、ケース２を貫通し、ケースの外側に電気を取出している。ケース２は、例えば、ステンレス鋼、ニッケル基合金、クロム基合金などの耐熱金属で形成され、ケース２と接続部材４０との間には、絶縁部材４２が配置されている。接続部材４０は、例えば、ステンレス鋼、ニッケル基合金、クロム基合金などの耐熱金属や、ランタンクロマイトなどの導電性セラミック材料で形成される。接続部材４０の形状は、板状、ワイヤ状、メッシュ状、薄膜状など適宜のものを用いることができる。さらに製造工程の簡略化やコストの観点からは、接続部材４０は支持板１２、１４に予め形成された導電性膜（例えば、銀、ニッケル、銅などで形成された厚さ１〜５００μｍの膜）であることが好ましい。

次に、本発明による燃料電池の動作を説明する。

内側の電極層１６と作用するガス（燃料ガス）は、流入ポート２８ａから第１の部屋２４に入り、管状の燃料電池セル６〜１０の中を通って第２の部屋２５に入り、第２の部屋２５の流出ポート２８ｂから流出する。また、外側の電極層２０と作用するガス（空気）は、第３の部屋の流入ポート３０ａから流入し、流出ポート３０ｂから流出する。それにより、燃料電池１が作動する。また、内側の電極１６の電気を第１のシール材３２及び接続部材４０を介して取出し、外側の電極２０の電気を第２のシール材３８及び接続部材４０を介して取出す。

第３の部屋２６には、外側の電極２０の電気を取出す部材が設けられていないので、外側の電極２０と作用するガスの流れの抵抗を小さくすることができる。

内側の電極層１６と作用するガスが、水素や、炭化水素燃料を改質した改質ガス等の燃料ガスである場合、接続部材４０を支持板１２、１４の第１の部屋２４側又は第２の部屋２５側に設けることにより、接続部材４０の酸化劣化を抑制することができる。

また、シール材３２、３８は、燃料電池セル６〜１０と支持板１２、１４とを互いにシールして固定する機能と、燃料電池セルの内側の電極１６又は外側の電極２０から電気を取出す機能とを有している。従って、燃料電池セルスタック４の構造は簡単である。

また、内側の電極１６の電気を内側電極露出周面１６ａから取出しているので、内側の電極１５に作用するガスの流れを妨げることがない。また、シール材３２と内側電極外周面１６ａの接触面積を大きくすることができ、それにより、接触抵抗を小さくすることができる。特に、外径が１〜１０ｍｍの燃料電池セルを用いる場合に有利である。

次に、本発明による燃料電池の製造方法の一例を説明する。

先ず、管状の燃料電池セルを形成する。詳細には、先ず、管状の内側の電極層１６を形成し、内側の電極層１６の端部を露出させるように内側の電極層１６の周りに電解質層１８を形成し、更に、電解質層１８の端部を露出させるように電解質層１８の周りに外側の電極層２０を形成する。この後、電解質層１８の端部にテーパ部１８ｂを形成するのがよい。

次いで、支持板１２、１４の上に接続部材４０である導電性膜を形成する。導電性膜は製造簡略化やコストの観点から、スクリーン印刷法、スラリーコート法、シート貼付け法などの湿式法によって予め支持板の上に形成されることが好ましい。

次いで、燃料電池セル６〜１０を所定の方向に配置し、燃料電池セル６〜１０の端部６ａ、６ｂを第１支持板１２及び第２の支持板１４に通し、燃料電池セル６〜１０と第１支持板１２及び第２の支持板１４とを、第１のシール材３２及び第２のシール材３８によって互いにシールし且つ固定する。このとき、シール材３２、３８が燃料電池セル６〜１０と支持板１２、１４上に形成された導電性膜とに確実に接するようにする。それにより、燃料電池セルスタック４が形成される。

次いで、燃料電池セルスタック４をケース２内に固定し、燃料電池を形成する。

内側電極露出周面１６ａを採用し、且つ、シール材３２、３８を用いることにより、燃料電池セルスタック４及び燃料電池１の製造を容易にすることができる。特に、外径が１〜１０ｍｍの燃料電池セル６〜１０を用いる場合に有利である。

また、電解質層１８のテーパ部１８ｂにより、シール材３２を支持板１２と燃料電池セル６〜１０との間に配置する又は充填するとき、内側電極露出周面１６ａと電解質露出周面１８ａとの間に気泡等が残って、シール材３２によるガスシール機能の低下を防止することができる。それにより、歩留まりが上がり、安定した製造を容易に行うことができる。

次に、図４及び図５を参照して、燃料電池セル６の一方の端部６ａの変形例を説明する。

図４は、燃料電池セルの一方の端部の第１の変形例の断面図である。図４に示すように、内側電極露出周面１６ａと電解質露出周面１８ａとの間の境界３４ａを、第１の支持板１２の第３の部屋２６側の面１２ａと同じ平面内に配置し、シール材３２を内側電極露出周面１６ａの周りにだけ配置してもよい。また、接続部材４０を内側電極露出周面１６ａと接するように配置してもよい。

図５は、燃料電池セルの一方の端部の第２の変形例の断面図である。図５に示すように、第１の支持板１２の第２の部屋２５側の面１２ｂに凹部１２ｃを設け、接続部材４０とシール材３２の接触面積を大きくしてもよい。

次に、図６〜８を参照して、燃料電池セル６の他方の端部６ｂの変形例を説明する。

図６は、燃料電池セルの他方の端部の第１の変形例の断面図である。図６に示すように、燃料電池セル６の他方の端部６ｂの先端部６ｄにおいて、電解質層１８を燃料電池セル６の外周面に露出させて第２の電解質露出周面１８ｃを形成し、外側電極露出周面２０ａと第２の電解質露出周面１８ｃとの間の境界３６ａを第２の支持板１４の内部に配置してもよい。それにより、内側の電極層１６と作用するガスの領域、即ち第１の部屋２４と、外側の電極層と２０作用するガスの領域、即ち第３の部屋２６とを仕切ることができる。また、外側の電極２０が、内側の電極１６と作用するガスと接触することによって劣化することを防止することができる。

図７は、燃料電池セルの他方の端部の第２の変形例の断面図である。図７に示すように、燃料電池セル６の外側の電極２０の周り全体又はその一部に、外側電極集電層４４ａを配置してもよい。この変形例では、外側の電極２０と電気的に接続される外側電極外周面２２は、外側電極集電層４４ａによって構成される。外側電極集電層４４ａは、例えば、銀を含有する多孔質導電性膜である。外側電極集電層４４ａの厚さは、例えば１０μｍである。また外側電極集電層４４ａを銀や耐熱金属のワイヤ、メッシュなどで構成してもよい。外側電極集電層４４ａは、外側の電極層２０が薄くて電気を通しにくい場合に電気の通路として役立つ。

図８は、燃料電池セルの他方の端部の第３の変形例の断面図である。図８に示すように、燃料電池セル６の他方の端部６ｂの先端部６ｄにおいて、電解質層１８を燃料電池セル６の外周面に露出させて第２の電解質露出周面１８ｂを形成した後、外側の電極２０及び第２の電解質露出周面１８ｂの周り全体又はその一部に、外側電極集電層４４ｂを配置してもよい。この変形例では、外側の電極２０と電気的に接続される外側電極外周面２２は、外側電極集電層４４ｂによって構成される。外側電極集電層４４ｂの材質、厚さ等は、第２の変形例の外側電極集電層４４ａと同様である。外側電極集電層４４ｂにより、外側の電極２０が、内側の電極１６と作用するガスと接触することによって劣化することを防止することができる。

次に、図９を参照して、本発明による燃料電池セルスタックの第１の変形例を説明する。図９は、本発明による燃料電池セルスタックの第１の変形例の概略的な斜視図である。

図９に示すように、本発明による第１の変形例の燃料電池セルスタック５０では、５×４列からなる２０本の燃料電池セル６のすべてが、接続部材４０ａによって電気的に直列に接続されるように配置されている。なお、図９中の符号ａ、ｂは、燃料電池セル６の向きを指示する符号であり、ａは、一方の端部を指示し、ｂは、他方の端部を指示する。

次に、図１０を参照して、本発明による燃料電池セルスタックの第２の変形例を説明する。図１０は、本発明による燃料電池セルスタックの第２の変形例の概略的な斜視図である。

図１０に示すように、本発明による第２の変形例の燃料電池セルスタック６０では、５×４列からなる２０本の燃料電池セル６のうちの２本ずつの１０組が、接続部材４０ｂによって電気的に並列に接続され、更にこれらの組が、接続部材４０ｂによって電気的に直列に接続されるように配置されている。なお、図１０中の符号ａ、ｂは、燃料電池セル６の向きを指示する符号であり、ａは、一方の端部を指示し、ｂは、他方の端部を指示する。

燃料電池セルスタック５０、６０から分かるように、各支持板１２、１４に設けられた接続部材４０ａ、４０ｂによって、隣接した燃料電池セル６の第１の端部６ａの内側電極外周面２１及び他方の端部６ｂの外側電極外周面２２を任意の組合せで電気的に接続することができる。

次に、図１１及び図１２を参照して、本発明による燃料電池の第２の実施形態を説明する。本発明による第２の実施形態の燃料電池７０は、接続部５、第１の端部６ａ、第１のシール材３２、第２のシール材４０以外第１の実施形態の燃料電池１と同様の構成を有している。従って、以下、異なる部分だけを説明する。図１１は、本発明の第２の実施形態の燃料電池の一方の端部の断面図であり、図１２は、本発明の第２の実施形態の燃料電池の他方の端部の断面図である。

図１１に示すように、燃料電池セル６の一方の端部６ａと第１の支持板１２とは、絶縁性の第１のシール材７２によって互いにシールされ且つ固定されている。また、内側電極露出周面１６ａと電解質露出周面１８ａとの間の境界３４ｂは、第２の部屋２５に位置している。第１のシール材７２は、内側の電極層１６と作用するガスの領域、即ち、第２の部屋２５と外側の電極層と２０作用するガスの領域、即ち、第３の部屋２６とを仕切るように設けられている。第１のシール材７２は、例えば、結晶化ガラス、ガラスセラミックスなどである。

図１２に示すように、燃料電池セルの他方の端部６ｂと第２の支持板１４とは、第２シール材７４によって互いにシールされ且つ固定されている。第２のシール材７４は、内側の電極層１６と作用するガスの領域、即ち、第２の部屋２５と外側の電極層と２０作用するガスの領域、即ち、第３の部屋２６とをほぼ仕切るように設けられている。詳細には、外側の電極層の端面２０ｂだけが、第１の部屋に露出している。第２のシール材７４は、例えば、結晶化ガラス、ガラスセラミックスなどである。

図１１及び図１２に示すように、本実施形態では、内側電極露出周面１６ａは、内側の電極層１６と電気的に通じる内側電極外周面２１でもあり、外側電極露出周面２０ａは、外側の電極層２０と電気的に通じる外側電極外周面２２でもある。接続部１５は、隣り合った内側電極外周面２１と外側電極外周面２２とを電気的に接続するための接続部材７６を有し、この接続部材７６は、支持体１２の第２の部屋２５側の面１２ｂ及び支持体１４の第１の部屋２４側の面１４ｂに設けられている。接続部材７６は、内側電極外周面２１又は外側電極外周面２２と接触する接触面７８を有し、板状部材であってもよいし、ワイヤであってもよい。

次に、図１３を参照して、本発明による燃料電池の第３の実施形態を説明する。図１３は、本発明の第３の実施形態の燃料電池の概略的な平面図である。

図１３に示すように、本発明の第３の実施形態である燃料電池８０では、外周面を有し且つ互いに横方向に並べられた５本の管状の燃料電池セル体が、第１の実施形態である燃料電池１の５本の燃料電池セル６〜１０の代わりに、燃料電池セルを２本ずつ長手方向Ａに連結し且つ電気的に直列に接続した５本の燃料電池セル体８１に置き換えられている。以下、この燃料電池セル体８１について説明する。

各燃料電池セル体８１は、互いに長手方向Ａに連結され且つ電気的に直列に接続された２本の燃料電池セル８２、８４と、燃料電池セル８２の他方の端部８２ｂと燃料電池セル８４の一方の端部８４ａを連結する連結部材８６とを有している。燃料電池セル８２、８４はそれぞれ、第１の実施形態である燃料電池１の燃料電池セル６と同じ構成要素を有しているので、同じ参照符号を付すことにより、それらの説明を省略する。なお、燃料電池セル８２の他方の端部８２ｂは、燃料電池セル６の一方の端部６ｂに対応し、燃料電池セル８４の一方の端部８４ａは、燃料電池セル６の一方の端部６ａに対応する。

連結部材８６は、管状であり、燃料電池セル８２の他方の端部８２ｂ及び燃料電池セル８４の一方の端部８４ａを包囲するように配置されている。連結部材８６は、長手方向Ａ中央部に環状の突出部７８を有している。この突出部８８に、燃料電池セル８２の他方の端部８２ｂが絶縁体９０を介して当接し、燃料電池セル８４の一方の端部８４ａが当接している。連結部材８６は、導電性の材料で形成され、燃料電池セル８２、８４と連結部材８６との間の隙間は、内側の電極層１６に作用するガスの流路を確保するように、導電性のシール材９２でシールされている。例えば、連結部材は、ステンレス鋼、ニッケル基合金、クロム基合金などの耐熱金属や、ランタンクロマイトのセラミック材料で形成される。シール材は、例えば、銀、銀とガラスの混合物、銀、金、ニッケル、銅、チタンなどを含む各種ロウ材で形成される。

以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は、以上の実施の形態に限定されることなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。

上記実施形態では、燃料電池セル６の内側の電極層１６を燃料極とし且つ外側の電極層２０を空気極としたが、それとは逆に、内側の電極層１６を空気極とし且つ外側の電極層２０を燃料極となるように燃料電池セルを構成してもよい。この場合、内側の電極層１６と作用するガスが空気などの酸化ガスであれば、接続部材４０の酸化劣化抑制の観点から、接続部材４０を第３の部屋２６側に設けるのがよい。

また、上記実施形態では、内側電極露出周面１６ａ及び電解質露出周面１８ａは、全周にわたって延びていたが、電気を燃料電池セルの外周面から取出すことができれば、全周にわたって延びていなくてもよい。

また、外側電極外周面２２は、外側の電極２０と電気的に通じる燃料電池セル６の外周面であればよく、上記第１の実施形態のように、燃料電池セル６の外周面に露出した外側の電極２０であってもよいし、上記第１の実施形態の他方の端部の変形例のように、燃料電池セル６の外周面に露出した外側電極集電層４４ａ、４４ｂであってもよいし、その他の形態であってもよい。

また、燃料電池セル６の内側の電極層１６の周り全体又はその一部に、外側電極集電層と同様の内側電極集電層を設けても良い。例えば、内側の電極層１６の内側に内側電極集電層を設けてもよいし、内側電極露出周面１６ａの外側に内側電極集電層を設けてもよい。後者の場合、内側の電極層１６と電気的に通じる内側電極外周面２１は、内側電極集電層によって構成される。

また、上記第３の実施形態における燃料電池セル体８１は、３本以上の燃料電池セルが連結されていても良い。

また、上記実施形態では、燃料電池セル６を断面が円の円筒形としたが、管状であればその他の形態であってもよい。具体的には、断面が扁平状、あるいは楕円状のフラットチューブ形、断面が多角形の角筒形などの形態であってもよい。

また、本発明の範囲内であれば、上述した実施形態及び変形例を任意に組合せてもよい。

本発明の第１の実施形態の燃料電池の概略的な平面図である。 燃料電池セルの一方の端部の拡大断面図である。 燃料電池セルの他方の端部の拡大断面図である。 燃料電池セルの一方の端部の第１の変形例の断面図である。 燃料電池セルの一方の端部の第２の変形例の断面図である。 燃料電池セルの他方の端部の第１の変形例の断面図である。 燃料電池セルの他方の端部の第２の変形例の断面図である。 燃料電池セルの他方の端部の第３の変形例の断面図である。 本発明の燃料電池セルスタックの第１の変形例を示す斜視図である。 本発明の燃料電池セルスタックの第２の変形例を示す斜視図である。 本発明の第２の実施形態の一方の端部の断面図である。 本発明の第２の実施形態の他方の端部の断面図である。 本発明の第３の実施形態の燃料電池の概略的な平面図である。 従来の燃料電池セルスタックの概略的な斜視図である。 従来の燃料電池セルスタックの概略的な斜視図である。 従来の燃料電池セルスタック組立体の概略的な斜視図である。

符号の説明

１ 燃料電池
２ ケース
４ 燃料電池セルスタック
６、７、８、９、１０ 燃料電池セル（燃料電池セル体）
６ａ 一方の端部
６ｂ 他方の端部
１２ 第１の支持板
１４ 第２の支持板
１５ 接続部
１６ 内側の電極層
１６ａ 内側電極露出周面
１８ 電解質層
１８ａ 電解質層露出周面
２０ 外側の電極層
２０ａ 外側電極露出周面
２１ 内側電極外周面
２２ 外側電極外周面
２４ 第１の部屋
２５ 第２の部屋
２６ 第３の部屋
３２ 第１のシール材
３８ 第２のシール材
４０ 接続部材
４４ａ、４４ｂ 集電層
８１ 燃料電池セル体
８２、８４ 燃料電池セル

Claims (8)

1. 燃料電池に使用される燃料電池セルスタックであって、
   互いに長手方向に対する横方向に整列した複数の管状の燃料電池セル体と、
   前記燃料電池セル体の両端部がそれぞれ固定される電気絶縁性の支持板と、を有し、
   前記燃料電池セル体の各々は、
   管状の外側の電極層と、
   管状の内側の電極層と、
   これらの電極層の間に配置された管状の電解質層と、を有すると共に、
   その一方の端部に、前記内側の電極層が前記電解質層及び前記外側の電極層に対して露出した内側電極露出周面を有し、
   前記燃料電池セル体の各々は、更に、一方の端部の外周面に、前記内側電極露出周面を介して前記内側の電極と電気的に通じる内側電極外周面を有し、
   その他方の端部の外周面に、前記外側の電極層と電気的に通じる外側電極外周面を有し、
   更に、隣接した前記燃料電池セル体の内側電極外周面及び外側電極外周面を任意の組合せで電気的に接続するために、前記各支持板に設けられた接続部を有することを特徴とする燃料電池セルスタック。
2. 前記接続部は、前記燃料電池セル体の端部と前記支持板との間を互いにシールし且つ固定する導電性のシール材を有することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池セルスタック。
3. 前記複数の燃料電池セル体の少なくとも一部分が電気的に直列に接続されることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池セルスタック。
4. 前記燃料電池セル体は、１本の燃料電池セルからなり、又は、長手方向に連結され且つ電気的に直列に接続された複数の燃料電池セルを有する、請求項１〜３の何れか１項に記載の燃料電池セルスタック。
5. 前記内側電極外周面は、前記内側電極露出周面によって構成されることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の燃料電池セルスタック。
6. 前記外側電極外周面は、前記外側の電極層によって構成されることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の燃料電池セルスタック。
7. 前記燃料電池セル体は、更に、前記外側の電極層の外側に設けられた外側電極集電層を有し、
   前記外側電極外周面は、前記外側電極集電層によって構成されることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の燃料電池セルスタック。
8. 請求項１〜７の何れか１項に記載の燃料電池セルスタックを含む燃料電池。

Images