JP2011181412A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池において、ロバスト性を向上することで基体管の破損を防止して耐久性及び信頼性の向上を図る。
【解決手段】筒形状をなす基体管１１の外面に、燃料極１２、固体電解質１３、空気極１４を順次積層して発電素子１５を形成し、この発電素子１５を基体管１１の軸心方向に所定間隔をあけて複数配置し、複数の発電素子１５をインターコネクタ１６により直列に接続して構成し、基体管１１と燃料極１２との間であって、インターコネクタ１６と固体電解質１３との境界面Ｂに対応してガス不透過層１７を設ける。
【選択図】 図１

Description

本発明は、筒型形状をなす燃料電池に関する。

固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）は、炭化水素や含酸素炭化水素を水蒸気と反応させて改質した燃料ガスと酸素とが電気化学的反応をすることによって発電する燃料電池である。この発電時には、水が生成される。燃料電池により逆反応を行うと、水から水素と酸素が生成される。このように用いる燃料電池を水電解装置または水電解セルという。

この固体酸化物型燃料電池は、筒形状をなす基体管の外周面に、燃料極、固体酸化物の電解質、空気極を積層して発電素子を形成し、この発電素子を基体管の軸心方向に所定間隔（隙間）をあけて複数配置し、複数の発電素子をインターコネクタにより直列に接続して構成される。

従って、基体管内には燃料ガスが供給される一方、空気極には酸素が供給されると、空気極に供給された酸素は、イオン化されて電解質膜を透過し、燃料極に達する。そして、燃料極に達した酸素と燃料ガスとの電気化学的反応により、燃料極と空気極との間に電位差が発生し、この発生した電位差を外部に取り出すことで発電が行われる。

このような燃料電池としては、例えば、下記特許文献１に記載されたものがある。この特許文献１に記載された燃料電池は、燃料ガス流路が軸長方向に形成された柱状の支持体の表面に、燃料極、固体電解質、空気極を順次積層してなる発電素子を軸長方向に所定間隔をおいて複数個設け、複数の発電素子をそれぞれインターコネクタで直列に接続して構成し、支持体を、鉄族金属及び／または鉄族金属の酸化物と、無機粉末とを主成分とする多孔質な支持体基部の表面に、支持体基部と発電素子とを電気的に絶縁する多孔質な絶縁層を設けて構成している。

特開２００４−１７９０７１号公報

ところで、この固体酸化物型燃料電池は、基体管の外表面に燃料極と電解質とインターコネクタと空気極の各材料を重ねて塗布し、これを焼成して製造する。この場合、インターコネクタと電解質とは、その組成が異なることから熱膨張率が相違し、焼成後に両者の間の境界面に微小隙間が発生する。そのため燃料電池の異常運転時に、基体管内に燃料ガスの供給量が低下すると、空気極に対して燃料極側の圧力が低下する差圧逆転現象が発生したとき、酸素が空気極側からインターコネクタと電解質の微小隙間を通って燃料極に漏洩する。すると、この漏洩した酸素が燃料極や基体管に含まれるニッケルと反応し、酸化ニッケルとを生成し、燃料極や基体管が膨張（再酸化膨張）することで基体管が破損してしまう可能性がある。即ち、燃料極と基体管の外周部が膨張すると、ここに圧縮応力が発生する一方、基体管の内周部に引張応力が作用し、結果として基体管が内部応力により破損することとなる。

本発明は、上述した課題を解決するものであり、ロバスト性を向上することで基体管の破損を防止して耐久性及び信頼性の向上を図る燃料電池を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するための本発明の燃料電池は、筒形状をなす基体管の外面に、燃料極、固体電解質、空気極が順次積層されて発電素子が形成され、該発電素子が前記基体管の軸心方向に複数配置され、前記複数の発電素子がインターコネクタにより直列に接続される燃料電池において、前記基体管の外面上であって、前記インターコネクタと前記固体電解質との境界部にガス不透過層が設けられる、ことを特徴とするものである。

本発明の燃料電池では、前記ガス不透過層は、前記基体管の外面に所定厚さを有する被覆膜として形成されることを特徴としている。

本発明の燃料電池では、前記ガス不透過層は、少なくとも前記燃料極及び前記固体電解質と熱膨張係数が同じに設定されることを特徴としている。

また、本発明の燃料電池は、筒形状をなす基体管の外面に、燃料極、固体電解質、空気極が順次積層されて発電素子が形成され、該発電素子が前記基体管の軸心方向に複数配置され、前記複数の発電素子がインターコネクタにより直列に接続される燃料電池において、前記基体管の外面上であって、前記インターコネクタと前記固体電解質との境界部に前記基体管より高い強度を有する補強部が設けられる、ことを特徴とするものである。

本発明の燃料電池では、前記ガス不透過層または前記補強部は、前記基体管の軸心方向の領域にて、前記燃料極と前記固体電解質と前記空気極のうち少なくとも一つが積層されていない素子間領域に設けられることを特徴としている。

本発明の燃料電池では、前記ガス不透過層または前記補強部は、非孔質材料により形成されることを特徴としている。

本発明の燃料電池では、前記補強部は、前記基体管の内面側に設けられ、内面が前記基体管の内面と均一に設けられることを特徴としている。

本発明の燃料電池によれば、筒形状をなす基体管の外面に、燃料極、固体電解質、空気極を順次積層して発電素子を形成し、この発電素子を基体管の軸心方向に所定間隔をあけて複数配置し、複数の発電素子をインターコネクタにより直列に接続して構成し、基体管と燃料極との間であってインターコネクタと固体電解質との境界部に対応してガス不透過層を設けている。従って、基体管と燃料極との間におけるインターコネクタと固体電解質との境界部に対応してガス不透過層を設けることで、空気極側から基体管側への空気の漏洩を抑制してロバスト性を向上することができ、その結果、基体管の破損を防止して耐久性及び信頼性の向上を図ることができる。

本発明の燃料電池によれば、ガス不透過層を基体管の外面に所定厚さを有する被覆膜として形成するので、ガス不透過層を燃料極、固体電解質、空気極などと同様な手法で形成することができ、製造工程の複雑化を防止することができる。

本発明の燃料電池によれば、ガス不透過層を少なくとも燃料極及び固体電解質と熱膨張係数を同じに設定するので、ガス不透過層と燃料極と固体電解質とが隙間なく密着することとなり、焼成時における亀裂の発生を抑制することができる。

また、本発明の燃料電池は、筒形状をなす基体管の外面に、燃料極、固体電解質、空気極を順次積層して発電素子を形成し、この発電素子を基体管の軸心方向に所定間隔をあけて複数配置し、複数の発電素子をインターコネクタにより直列に接続して構成し、基体管の外面または内面であってインターコネクタと固体電解質との境界部に対応して基体管より高い強度を有する補強部を設けている。従って、基体管の外面または内面におけるインターコネクタと固体電解質との境界部に対応して基体管より高い強度を有する補強部を設けることで、基体管自体の剛性をあげてロバスト性を向上することができ、その結果、基体管の破損を防止して耐久性及び信頼性の向上を図ることができる。

本発明の燃料電池によれば、ガス不透過層または補強部を、基体管の軸心方向の領域にて燃料極と固体電解質と空気極のうち少なくとも一つが積層されていない素子間領域に設けるので、ガス不透過層、補強部による発電効率の低下を抑制することができる。

本発明の燃料電池によれば、ガス不透過層または補強部を非孔質材料により形成するので、ガス不透過層、補強部の配合を簡素化することができ、製造コストを低減することができる。

本発明の燃料電池によれば、補強部を基体管の内面側に設け、内面を基体管の内面と均一に設けるので、ガス透過性への影響を最小限として基体管の剛性を向上することができると共に、製造工程の複雑化を防止することができる。

図１は、本発明の実施例１に係る燃料電池を表す概略構成図である。 図２は、本発明の実施例２に係る燃料電池を表す概略構成図である。 図３は、本発明の実施例３に係る燃料電池を表す概略構成図である。

以下に添付図面を参照して、本発明に係る燃料電池の好適な実施例を詳細に説明する。なお、この実施例により本発明が限定されるものではない。

図１は、本発明の実施例１に係る燃料電池を表す概略構成図である。

実施例１の燃料電池は、図１に示すように、筒形状をなす基体管１１の外面に外側に向けて、燃料極１２、固体電解質１３、空気極１４を順次積層して発電素子１５が形成され、この発電素子１５が基体管１１の軸心方向に所定間隔をあけて複数配置され、複数の発電素子１５がインターコネクタ１６により直列に接続されて構成されている。そして、基体管１１と燃料極１２との間であって、基体管１１の軸方向に配置された各発電素子１５間に対応して、基体管１１の軸心方向に断続的にガス不透過層１７が設けられる。本実施例では、基体管１１の外面と燃料極１２との間であって、インターコネクタ１６と固体電解質１３との境界部に対応して、このガス不透過層１７が設けられている。

実施例１の燃料電池について具体的に説明する。基体管１１は、セラミックス製の円筒であり、内部改質能を有する鉄属金属（例えば、Ｎｉ）や鉄属金属酸化物（例えば、ＮｉＯ）、これらの合金や合金酸化物を含有するものであり、例えば、ＮｉとＣＳＺ（カルシア安定化ジルコニア−ＣａＯ安定化ＺｒＯ_２）の混合物である。この場合、基体管１１は、燃料通路の燃料ガスを燃料極１２へ通過させる必要があることから、多孔質としており、混合物の粒子径を調整したり、ポアー材を混合させることが必要である。

燃料極１２は、例えば、ＮｉとＹＳＺ（イットリウム安定化ジルコニア−Ｙ_２Ｏ_３安定化ＺｒＯ_２）の混合物であり、多孔質とする。また、固体電解質１３は、例えば、ＹＳＺ（イットリウム安定化ジルコニア−Ｙ_２Ｏ_３安定化ＺｒＯ_２）であり、燃料極ガスと空気極ガスの接触を避けるために非孔質とする。空気極１４は、例えば、ＬａＭｎＯ_３系材料、ＬａＦｅＯ_３系材料、ＬａＣｏＯ_３系材料などの少なくとも一種の多孔質の導電性セラミックスから構成されている。

発電素子１５を構成するために、燃料極１２と、この燃料極１２の外側に隣接する空気極１４とが、インターコネクタ１６により接続され、インターコネクタ１６により被覆されていない燃料極１２は、固体電解質１３により覆われており、この固体電解質１３は、隣接する燃料極１２の隙間にも存在している。このインターコネクタ１６は、例えば、ＳｒＴｉＯ_３などのペロブスカイト型酸化物、ＬａＣｒＯ_３系材料などからなり、ガスの漏出を防止するために非孔質とする。

ガス不透過層１７は、基体管１１の軸心方向の領域にて、燃料極１２と固体電解質１３と空気極１４の全てが積層されていない、つまり、燃料極１２と固体電解質１３と空気極１４のうち少なくともいずれか一つが積層されていない素子間領域Ｗ_０に設けられており、このガス不透過層１７は、基体管１１の外面に所定厚さを有する被覆膜として形成されている。

また、ガス不透過層１７は、少なくとも燃料極１２と熱膨張係数が同じであることが望ましく、燃料極１２、固体電解質１３、空気極１４と熱膨張係数が同じであることが更に望ましい。そして、このガス不透過層１７は、基体管１１より、気孔率が低く設定された緻密層として構成されている。

具体的に、本実施例の燃料電池では、基体管１１の表面側に、燃料極１２と固体電解質１３と空気極１４の全てが積層されていない領域が素子間領域Ｗ_０である。つまり、基体管１１の表面側に、燃料極１２と固体電解質１３と空気極１４のうちの一つでも積層されていない領域が素子間領域Ｗ_０である。一方、燃料極１２と固体電解質１３と空気極１４の全てが積層されている領域が発電領域Ｗ_１である。ガス不透過層１７は、基体管１１の表面を覆うようにこの素子間領域Ｗ_０に設けられている。

そして、インターコネクタ１６は、固体電解質１３の外側に積層され、内側が基体管１１の軸方向に隣接する固体電解質１３の間に配置され、燃料極１２の外側に積層されている。そのため、このインターコネクタ１６は、各固体電解質１３との間に境界面（境界部）Ｂが形成され、この境界面Ｂに対応して、素子間領域Ｗ_０にガス不透過層１７が設けられている。

また、このガス不透過層１７は、基体管１１と発電素子１５との間で、発電素子１５側からのガス（主に酸素）を基体管１１側に透過させないことが必要であり、非孔質としている。なお、ガス不透過層１７が発電領域Ｗ_１には設けられていないため、基体管１１内の燃料ガスが燃料極１２へ通過することに対して悪影響を与えることはほとんどない。

この場合、ガス不透過層１７は、例えば、Ｌａ_２ＺｒＯ_７（ランタンジルコネート）、Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２（イットリウムアルミネート）、ＳｒＴｉ_１＋ｘＯ_３（ストロンチウムチタネート）、Ａｌ_２Ｏ_３（アルミナ）とＭｇＡｌ_２Ｏ_４（マグネシウムアルミネート）の混合物とし、非孔質としてもよい。この場合、多孔質でないことから、粒子径を調整したり、ポアー材を混合させる必要もなく、結果として、ガス不透過層１７は、基体管１１より、気孔率が低くなる。

また、本実施例の燃料電池は、基体管１１の外面に、燃料極１２、ガス不透過層１７、固体電解質１３、インターコネクタ１６を積層して焼結（焼成）することから、この焼結時における割れを注意する必要がある。そのため、ガス不透過層１７は、基体管１１、燃料極１２、固体電解質１３、インターコネクタ１６と熱膨張係数が同じになるように材料の配合が設定されている。

このように構成された実施例１に係る燃料電池は、円柱形状をなす心棒（図示略）の外周面に、押出成形により基体管１１を成形し、この基体管１１の外側に、ガス不透過層１７、燃料極１２、固体電解質１３、インターコネクタ１６を積層した後、空気極１４を成膜し、焼結（たとえば，１１００℃〜１３００℃にて１時間保持）して製造される。この場合、ガス不透過層１７、燃料極１２、固体電解質１３、インターコネクタ１６、空気極１４は、上述した粉末材料に有機系の溶剤を混合して均一に混合されたスラリを形成し、スクリーン印刷法により基体管１１の外面における所定の位置に所定の材料を塗布する。燃料極１２の厚さは、基体管１１の厚さの約３０％であり、ガス不透過層１７の厚さは、数十μｍであり、燃料極１２の厚さの１０％以下にすることが望ましく、５％以下にすることが最適である。一方、ガス不透過層１７における軸方向の長さは、固体電解質１３とインターコネクタ１６との境界面Ｂに対応する位置のみが最小長さであり、この境界面Ｂに対応する位置を含む素子間領域Ｗ_０全てが最大長さであり、この長さ範囲にあればよいものである。なお、製造上、ガス不透過層１７が素子間領域Ｗ_０から発電領域Ｗ_１側に少量だけ延びてしまうことは厭わない。

上述した本実施例の燃料電池は以下の動作によって電池反応をする。即ち、電池反応の燃料となる燃料ガスは、基体管１１の内側を流れ、基体管１１の細孔を通過して燃料極１２に達する。この燃料ガスは、燃料極１２に含まれる活性金属により水蒸気改質される。水蒸気改質により生成された水素は、燃料極１２の細孔を通過して固体電解質１３まで到達する。一方、空気は、基体管１１（空気極１４）の外側を流れる。空気中の酸素は、空気極１４の細孔を通過する途中または固体電解質１３まで到達してイオン化する。イオン化した酸素は固体電解質１３を通過し、燃料極１２に到達する。固体電解質１３を通過した酸素イオンは燃料ガスと反応する。このような電池反応によって生じる電位差は、燃料極１２及び空気極１４から外部に取り出されて発電される。

この燃料電池による発電時に、異常が発生、例えば、基体管１１内への燃料ガスの供給量が低下したとき、空気極１４側に対して燃料極１２側の圧力が低下する差圧逆転現象が発生する。このとき、空気極１４側の酸素が固体電解質１３とインターコネクタ１６との微小隙間を通って燃料極１２に漏洩する。しかし、本実施例では、固体電解質１３とインターコネクタ１６との境界面Ｂに対応して、基体管１１と燃料極１２の間にガス不透過層１７が設けられている。そのため、この漏洩した酸素が、ガス不透過層１７に阻止されて燃料極１２から基体管１１側に漏洩することはなく、基体管１１の再酸化膨張が抑制され、基体管１１の内部応力による破損が防止される。

この場合、ガス不透過層１７は、非孔質（緻密層）であることから、基体管１１自体の強度が増加している。そのため、空気極１４側の酸素が固体電解質１３、インターコネクタ１６、燃料極１２に到達してこれらが酸化するものの、基体管１１は、再酸化膨張した燃料極１２から作用する応力を十分に受け止めることができ、この点からも基体管１１の破損が防止される。

このように実施例１の燃料電池にあっては、筒形状をなす基体管１１の外面に、燃料極１２、固体電解質１３、空気極１４を順次積層して発電素子１５を形成し、この発電素子１５を基体管１１の軸心方向に所定間隔をあけて複数配置し、複数の発電素子１５をインターコネクタ１６により直列に接続して構成し、基体管１１と燃料極１２との間であって、インターコネクタ１６と固体電解質１３との境界面Ｂに対応してガス不透過層１７を設けている。

従って、基体管１１と燃料極１２との間におけるインターコネクタ１６と固体電解質１３との境界面Ｂに対応してガス不透過層１７を設けることで、空気極１４側から基体管１１側への空気の漏洩が抑制され、非常運転時における対応が可能となり、ロバスト性を向上することができ、その結果、基体管１１の破損を防止して耐久性及び信頼性の向上を図ることができる。

また、実施例１の燃料電池では、ガス不透過層１７を、基体管１１の外面に所定厚さを有する被覆膜として形成している。従って、ガス不透過層１７を燃料極１２、固体電解質１３、空気極１４などと同様な手法で形成することができ、製造工程の複雑化を防止することができる。

また、実施例１の燃料電池では、ガス不透過層１７を、少なくとも燃料極１２、固体電解質１３と熱膨張係数を同じに設定している。従って、ガス不透過層１７と燃料極１２と固体電解質１３とが隙間なく密着することとなり、焼成時における亀裂の発生を抑制することができる。

また、実施例１の燃料電池では、ガス不透過層１７を、基体管１１の軸心方向の領域にて、燃料極１２と固体電解質１３のうち少なくとも一つが積層されていない素子間領域Ｗ_０に設けている。従って、ガス不透過層１７による発電効率の低下を抑制することができる。

また、実施例１の燃料電池では、ガス不透過層１７を非孔質材料により形成している。従って、ガス不透過層１７を製造するとき、粒子径を調整したり、ポアー材を混合させる必要がなく、ガス不透過層１７の配合を簡素化でき、製造コストを低減することができる。

図２は、本発明の実施例２に係る燃料電池を表す概略構成図である。なお、前述した実施例で説明したものと同様の機能を有する部材には同一の符号を付して重複する説明は省略する。

実施例２の燃料電池は、図２に示すように、筒形状をなす基体管１１の外面に外側に向けて、燃料極１２、固体電解質１３、空気極１４を順次積層して発電素子１５が形成され、この発電素子１５が基体管１１の軸心方向に所定間隔をあけて複数配置され、複数の発電素子１５がインターコネクタ１６により直列に接続されて構成されている。そして、基体管１１の内面であって、基体管１１の軸方向に配置された各発電素子１５間に対応して、基体管１１の軸心方向に断続的に補強部２１が設けられる。本実施例では、基体管１１の内面であって、インターコネクタ１６と固体電解質１３との境界部に対応して、基体管１１より高い強度を有する補強部２１が設けられている。

実施例２の燃料電池は、上述した実施例１の燃料電池と、発電素子１５の構成、この発電素子１５がインターコネクタ１６により直列に接続されている点は、ほぼ同様であることから、この点についての詳細な説明は省略する。

補強部２１は、基体管１１の軸心方向の領域にて、燃料極１２と固体電解質１３と空気極１４の全てが積層されていない、つまり、燃料極１２と固体電解質１３と空気極１４のうち少なくともいずれか一つが積層されていない素子間領域Ｗ_０に設けられており、この補強部２１は、基体管１１の内面に所定厚さを有する被覆膜として形成されている。この場合、補強部２１は、基体管１１の内面側に設けられ、内面がこの基体管１１の内面と均一に設けられている。即ち、補強部２１は、基体管１１の内面側にて、その内部に埋設して配置されている。

また、補強部２１は、少なくとも基体管１１と熱膨張係数が同じであることが望ましく、燃料極１２、固体電解質１３、空気極１４と熱膨張係数が同じであることが更に望ましい。そして、この補強部２１は、基体管１１より、気孔率が低く設定された緻密層として構成されている。

具体的に、本実施例の燃料電池では、基体管１１の表面側に、燃料極１２と固体電解質１３と空気極１４のうちの一つでも積層されていない領域が素子間領域Ｗ_０である。一方、燃料極１２と固体電解質１３と空気極１４の全てが積層されている領域が発電領域Ｗ_１である。補強部２１は、基体管１１の内面を覆うようにこの素子間領域Ｗ_０に設けられている。

そして、インターコネクタ１６は、固体電解質１３の外側に積層され、内側が基体管１１の軸方向に隣接する固体電解質１３の間に配置され、燃料極１２の外側に積層されている。そのため、このインターコネクタ１６は、各固体電解質１３との間に境界面（境界部）Ｂが形成され、この境界面Ｂに対応して、素子間領域Ｗ_０に補強部２１が設けられている。

また、この補強部２１は、基体管１１の内面側にてこの基体管１１の強度より高い強度を有することが必要である。また、補強部２１は、基体管１１の内面側にて、発電素子１５側からのガス（主に酸素）を基体管１１側に透過させないことが有効であり、非孔質とすることが望ましい。なお、ガス不透過層１７が発電領域Ｗ_１には設けられていないため、基体管１１内の燃料ガスが燃料極１２へ通過することに対して悪影響を与えることはほとんどない。

この場合、補強部２１は、Ｌａ_２ＺｒＯ_７（ランタンジルコネート）、Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２（イットリウムアルミネート）、ＳｒＴｉ_１＋ｘＯ_３（ストロンチウムチタネート）、Ａｌ_２Ｏ_３（アルミナ）とＭｇＡｌ_２Ｏ_４（マグネシウムアルミネート）の混合物を用いる。この場合、補強部２１は、多孔質であっても、非孔質であってもよい。

また、本実施例の燃料電池は、基体管１１の外面に、燃料極１２、固体電解質１３、インターコネクタ１６を積層し、内面に補強部２１を積層して焼結（焼成）することから、この焼結時における割れを注意する必要がある。そのため、補強部２１は、基体管１１、燃料極１２、固体電解質１３、インターコネクタ１６と熱膨張係数が同じになるように材料の配合が設定されている。

このように構成された実施例２に係る燃料電池は、円柱形状をなす心棒（図示略）の外周面に、多重（二重）押出成形により補強部２１と基体管１１を成形し、この基体管１１の外側に、燃料極１２、固体電解質１３、インターコネクタ１６、空気極１４を積層した後、焼結（例えば、１３５０℃〜１４００℃にて、１時間保持）して製造される。この場合、燃料極１２、固体電解質１３、インターコネクタ１６、空気極１４は、上述した粉末材料に有機系の溶剤を混合して均一に混合されたスラリを形成し、スクリーン印刷法により基体管１１の外面における所定の位置に所定の材料を塗布する。この場合、補強部２１における軸方向の長さは、固体電解質１３とインターコネクタ１６との境界面Ｂに対応する位置のみが最小長さであり、この境界面Ｂに対応する位置を含む素子間領域Ｗ_０全てが最大長さであり、この長さ範囲にあればよいものである。なお、製造上、補強部２１が素子間領域Ｗ_０から発電領域Ｗ_１側に少量だけ延びてしまうことは厭わない。

そして、本実施例の燃料電池による発電時に、異常が発生、例えば、基体管１１内への燃料ガスの供給量が低下したとき、空気極１４側に対して燃料極１２側の圧力が低下する差圧逆転現象が発生する。このとき、空気極１４側の酸素が固体電解質１３とインターコネクタ１６との微小隙間を通って燃料極１２に漏洩する。そのため、空気極１４側の酸素が固体電解質１３、インターコネクタ１６、燃料極１２に到達してこれらが酸化してしまう。しかし、補強部２１が強固であることから、基体管１１自体の強度が増加している。そのため、基体管１１は、再酸化膨張した燃料極１２から作用する応力を十分に受け止めることができ、この基体管１１の破損が防止される。

このように実施例２の燃料電池にあっては、筒形状をなす基体管１１の外面に、燃料極１２、固体電解質１３、空気極１４を順次積層して発電素子１５を形成し、この発電素子１５を基体管１１の軸心方向に所定間隔をあけて複数配置し、複数の発電素子１５をインターコネクタ１６により直列に接続して構成し、基体管１１の内面であって、インターコネクタ１６と固体電解質１３との境界面Ｂに対応して基体管１１より高い強度を有する補強部２１を設けている。

従って、基体管１１の内面におけるインターコネクタ１６と固体電解質１３との境界面Ｂに対応して基体管１１より高い強度を有する補強部２１を設けることで、基体管１１自体の剛性をあげて非常運転時における対応が可能となり、ロバスト性を向上することができ、その結果、基体管１１の破損を防止して耐久性及び信頼性の向上を図ることができる。

また、実施例２の燃料電池では、補強部２１を、基体管１１の軸心方向の領域にて、燃料極１２と固体電解質１３のうち少なくとも一つが積層されていない素子間領域Ｗ_０に設けている。従って、補強部２１による発電効率の低下を抑制することができる。

また、実施例２の燃料電池では、補強部２１を非孔質材料により形成している。従って、補強部２１を製造するとき、粒子径を調整したり、ポアー材を混合させる必要がなく、補強部２１の配合を簡素化でき、製造コストを低減することができる。

また、実施例２の燃料電池では、補強部２１を基体管１１の内面側に設け、内面を基体管１１の内面と均一に設けている。従って、基体管１１の内周面を凹凸のない平滑面とすることで、燃料ガスのガス流動性、基体管１１のガス透過性への影響を最小限として基体管１１の剛性を向上することができると共に、製造工程の複雑化を防止することができる。

図３は、本発明の実施例３に係る燃料電池を表す概略構成図である。なお、前述した実施例で説明したものと同様の機能を有する部材には同一の符号を付して重複する説明は省略する。

実施例３の燃料電池は、図３に示すように、筒形状をなす基体管１１の外面に外側に向けて、燃料極１２、固体電解質１３、空気極１４を順次積層して発電素子１５が形成され、この発電素子１５が基体管１１の軸心方向に所定間隔をあけて複数配置され、複数の発電素子１５がインターコネクタ１６により直列に接続されて構成されている。そして、基体管１１の内面であって、基体管１１の軸方向に配置された各発電素子１５間に対応して、基体管１１の軸心方向に断続的に補強部２２が設けられる。本実施例では、基体管１１の内面であって、インターコネクタ１６と固体電解質１３との境界部に対応して、基体管１１より高い強度を有する補強部２２が設けられている。

実施例３の燃料電池は、上述した実施例１、２の燃料電池と、発電素子１５の構成、この発電素子１５がインターコネクタ１６により直列に接続されている点は、ほぼ同様であることから、この点についての詳細な説明は省略する。

補強部２２は、基体管１１の軸心方向の領域にて、燃料極１２と固体電解質１３と空気極１４の全てが積層されていない、つまり、燃料極１２と固体電解質１３と空気極１４のうち少なくともいずれか一つが積層されていない素子間領域Ｗ_０に設けられており、この補強部２２は、基体管１１の内面に所定厚さを有する被覆膜として形成されている。この場合、補強部２２は、基体管１１の内面側に設けられ、基体管１１の内面から内側に向けて突出するように配置されている。

なお、この補強部２２は、実施例２の補強部２１と、その組成等は同様であることから、詳細な説明は省略する。

実施例３に係る燃料電池は、円柱形状をなす心棒（図示略）の外周面に、押出成形により基体管１１を成形し、この基体管１１の外側に、燃料極１２、固体電解質１３、インターコネクタ１６を積層した後、基体管１１から心棒を抜取り、この基体管１１の内面に補強部２２を積層し、焼結（例えば、１３５０℃〜１４００℃にて、１時間保持）し、この後，空気極１４を成膜し，焼結（たとえば，１１００℃〜１３００℃にて１時間保持）して製造される。この場合、燃料極１２、固体電解質１３、インターコネクタ１６、補強部２２は、上述した粉末材料に有機系の溶剤を混合して均一に混合されたスラリを形成し、スクリーン印刷法により基体管１１の外面及び内面における所定の位置に所定の材料を塗布する。

そして、本実施例の燃料電池による発電時に、異常が発生、例えば、基体管１１内への燃料ガスの供給量が低下したとき、空気極１４側に対して燃料極１２側の圧力が低下する差圧逆転現象が発生する。このとき、空気極１４側の酸素が固体電解質１３とインターコネクタ１６との微小隙間を通って燃料極１２に漏洩する。そのため、空気極１４側の酸素が固体電解質１３、インターコネクタ１６、燃料極１２に到達してこれらが酸化してしまう。しかし、補強部２２が強固であることから、基体管１１自体の強度が増加している。そのため、基体管１１は、再酸化膨張した燃料極１２から作用する応力を十分に受け止めることができ、この基体管１１の破損が防止される。

このように実施例３の燃料電池にあっては、筒形状をなす基体管１１の外面に、燃料極１２、固体電解質１３、空気極１４を順次積層して発電素子１５を形成し、この発電素子１５を基体管１１の軸心方向に所定間隔をあけて複数配置し、複数の発電素子１５をインターコネクタ１６により直列に接続して構成し、基体管１１の内面であって、インターコネクタ１６と固体電解質１３との境界面Ｂに対応して基体管１１より高い強度を有する補強部２２を設けている。

従って、基体管１１の内面におけるインターコネクタ１６と固体電解質１３との境界面Ｂに対応して基体管１１より高い強度を有する補強部２２を設けることで、基体管１１自体の剛性をあげて非常運転時における対応が可能となり、ロバスト性を向上することができ、その結果、基体管１１の破損を防止して耐久性及び信頼性の向上を図ることができる。

なお、上述した実施例２、３にて、補強部２１，２２を基体管１１の内面に設けたが、実施例１のガス不透過層１７のように、基体管１１の外面に設けてもよい。

本発明に係る燃料電池は、インターコネクタと固体電解質との境界部に対応してガス不透過層または補強部を設けることで、ロバスト性を向上して基体管の破損を防止して耐久性及び信頼性の向上を図るものであり、いずれの種類の燃料電池にも適用することができる。

１１ 基体管
１２ 燃料極
１３ 固体電解質
１４ 空気極
１５ 発電素子
１６ インターコネクタ
１７ ガス不透過層（補強部）
２１，２２ 補強部
Ｂ 境界面（境界部）

Claims (7)

1. 筒形状をなす基体管の外面に、燃料極、固体電解質、空気極が順次積層されて発電素子が形成され、該発電素子が前記基体管の軸心方向に複数配置され、前記複数の発電素子がインターコネクタにより直列に接続される燃料電池において、
   前記基体管の外面上であって、前記インターコネクタと前記固体電解質との境界部にガス不透過層が設けられる、
   ことを特徴とする燃料電池。
2. 前記ガス不透過層は、前記基体管の外面に所定厚さを有する被覆膜として形成されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記ガス不透過層は、少なくとも前記燃料極及び前記固体電解質と熱膨張係数が同じに設定されることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池。
4. 筒形状をなす基体管の外面に、燃料極、固体電解質、空気極が順次積層されて発電素子が形成され、該発電素子が前記基体管の軸心方向に複数配置され、前記複数の発電素子がインターコネクタにより直列に接続される燃料電池において、
   前記基体管の外面上であって、前記インターコネクタと前記固体電解質との境界部に前記基体管より高い強度を有する補強部が設けられる、
   ことを特徴とする燃料電池。
5. 前記ガス不透過層または前記補強部は、前記基体管の軸心方向の領域にて、前記燃料極と前記固体電解質と前記空気極のうち少なくとも一つが積層されていない素子間領域に設けられることを特徴とする請求項１または４に記載の燃料電池。
6. 前記ガス不透過層または前記補強部は、非孔質材料により形成されることを特徴とする請求項１または４に記載の燃料電池。
7. 前記補強部は、前記基体管の内面側に設けられ、内面が前記基体管の内面と均一に設けられることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池。

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