JP2799877B2 - 円筒型固体電解質燃料電池 - Google Patents
円筒型固体電解質燃料電池Info
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- JP2799877B2 JP2799877B2 JP1132036A JP13203689A JP2799877B2 JP 2799877 B2 JP2799877 B2 JP 2799877B2 JP 1132036 A JP1132036 A JP 1132036A JP 13203689 A JP13203689 A JP 13203689A JP 2799877 B2 JP2799877 B2 JP 2799877B2
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- Japan
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- solid electrolyte
- fuel cell
- cell
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- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
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Description
【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 この発明は複数の単電池を内部集電子の周囲に配置し
てスタックを構成し、あるいは複数のスタックを内部集
電子の周囲に配置してモジュールを構成した円筒型の固
体電解質燃料電池に関するものである。
てスタックを構成し、あるいは複数のスタックを内部集
電子の周囲に配置してモジュールを構成した円筒型の固
体電解質燃料電池に関するものである。
従来の技術 周知のように固体電解質燃料電池は、イットリア安定
化ジルコニア（YSZ）などの酸素イオン透過性のある固
体電解質を挟んで、ペロブスカイト型複合酸化物などか
らなる酸素電極とNiやNi−ZrO2サーメットなどからなる
燃料電極とを設けて単電池を構成し、その単電池を複数
個直列もしくは並列に接続してスタックを構成し、さら
にそのスタックを複数個集合させてモジュール化してお
り、このように多数の単電池を接続することにより必要
とする出力を得ている。従来、この種の単電池あるいは
スタックとして円筒型のものと平板状のモノリシック型
とが知られているが、空気などの酸化性ガスと水素ガス
などの燃料ガスとのシールの容易性や製造の容易性など
の点では円筒型のものが優れている。
化ジルコニア（YSZ）などの酸素イオン透過性のある固
体電解質を挟んで、ペロブスカイト型複合酸化物などか
らなる酸素電極とNiやNi−ZrO2サーメットなどからなる
燃料電極とを設けて単電池を構成し、その単電池を複数
個直列もしくは並列に接続してスタックを構成し、さら
にそのスタックを複数個集合させてモジュール化してお
り、このように多数の単電池を接続することにより必要
とする出力を得ている。従来、この種の単電池あるいは
スタックとして円筒型のものと平板状のモノリシック型
とが知られているが、空気などの酸化性ガスと水素ガス
などの燃料ガスとのシールの容易性や製造の容易性など
の点では円筒型のものが優れている。
第４図は円筒型燃料電池を構成するスタックの一例を
示す断面図であり、また第５図はその単電池の一つを示
す断面図であって、スタック１はNiなどの導電性材料か
らなる筒状の内部集電子２の外周に複数個（図では６
個）の単電池３を配置し、さらにその外周をNiなどの導
電性材料からなる筒状の外部集電子４で被った構造とな
っている。ここで単電池３は第５図に示すように、アル
ミナ（Al2O3）などで多孔構造に形成したセラミック製
支持管５の外周に酸素電極６を形成し、この酸素電極６
に導通したインターコネクタ７を半径方向に突出させて
設けるとともに酸素電極６の外周に固体電解質８を設
け、さらにインターコネクタ７に非導通状態の燃料電極
９を固体電解質８の外周に設けて構成されている。この
単電池３はインターコネクタ７の先端にNiフェルトなど
の導電性フェルト10を介在させて内部集電子２に導通し
ており、また各単電池３の燃料電池９は導電性フェルト
11を介して外部集電子４に導通している。なお、導電性
フェルト10,11を介在させている理由は、各集電子2,4お
よびインターコネクタ７が弾性のない剛性であり、また
各構成部材の熱膨張率が同一でないので、導通状態を確
実にすると同時に熱膨張を吸収する必要があるためであ
る。
示す断面図であり、また第５図はその単電池の一つを示
す断面図であって、スタック１はNiなどの導電性材料か
らなる筒状の内部集電子２の外周に複数個（図では６
個）の単電池３を配置し、さらにその外周をNiなどの導
電性材料からなる筒状の外部集電子４で被った構造とな
っている。ここで単電池３は第５図に示すように、アル
ミナ（Al2O3）などで多孔構造に形成したセラミック製
支持管５の外周に酸素電極６を形成し、この酸素電極６
に導通したインターコネクタ７を半径方向に突出させて
設けるとともに酸素電極６の外周に固体電解質８を設
け、さらにインターコネクタ７に非導通状態の燃料電極
９を固体電解質８の外周に設けて構成されている。この
単電池３はインターコネクタ７の先端にNiフェルトなど
の導電性フェルト10を介在させて内部集電子２に導通し
ており、また各単電池３の燃料電池９は導電性フェルト
11を介して外部集電子４に導通している。なお、導電性
フェルト10,11を介在させている理由は、各集電子2,4お
よびインターコネクタ７が弾性のない剛性であり、また
各構成部材の熱膨張率が同一でないので、導通状態を確
実にすると同時に熱膨張を吸収する必要があるためであ
る。
発明が解決しようとする課題 ところで上述した単電池３で得られる電圧は１ボルト
以下であり、また電流密度は100〜300mA程度であり、し
たがって必要な電力を得るには多数の単電池３を直並列
に接続しなければならず、それに伴って接続箇所での抵
抗、あるいは接続の良否が発電能力に大きく影響するこ
とになる。しかるに前記の構成の燃料電池では、内部集
電子２と外部集電子４とが実質的に剛体であるために導
電性フェルト10,11のクッション性によって各単電池３
と各集電子2,4との間の導通状態の確保を図っている
が、導電性クッション10,11の充填量や充填の仕方は設
計上予め定めた量や方法に依らざるを得ないから、単電
池３の配列の偏りや単電池３もしくは各集電子2,4に寸
法誤差があった場合には、導電性フェルト10,11を介し
た接触状態が不均一になり、あるいは部分的に不充分と
なる。また単電池３や集電子2,4が繰り返し熱膨張、熱
収縮することによって導電性フェルト10,11の弾性力が
失われ、接触状態が不充分となる。そのため前述した燃
料電池の構造では単電池３と集電子2,4との接続部分、
あるいは単電池３を直列接続した場合には単電池３同士
の接続部分での抵抗が大きくなって充分な発電効率を得
られないおそれが多分にあった。
以下であり、また電流密度は100〜300mA程度であり、し
たがって必要な電力を得るには多数の単電池３を直並列
に接続しなければならず、それに伴って接続箇所での抵
抗、あるいは接続の良否が発電能力に大きく影響するこ
とになる。しかるに前記の構成の燃料電池では、内部集
電子２と外部集電子４とが実質的に剛体であるために導
電性フェルト10,11のクッション性によって各単電池３
と各集電子2,4との間の導通状態の確保を図っている
が、導電性クッション10,11の充填量や充填の仕方は設
計上予め定めた量や方法に依らざるを得ないから、単電
池３の配列の偏りや単電池３もしくは各集電子2,4に寸
法誤差があった場合には、導電性フェルト10,11を介し
た接触状態が不均一になり、あるいは部分的に不充分と
なる。また単電池３や集電子2,4が繰り返し熱膨張、熱
収縮することによって導電性フェルト10,11の弾性力が
失われ、接触状態が不充分となる。そのため前述した燃
料電池の構造では単電池３と集電子2,4との接続部分、
あるいは単電池３を直列接続した場合には単電池３同士
の接続部分での抵抗が大きくなって充分な発電効率を得
られないおそれが多分にあった。
この発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、単電
池やスタック同士もしくはこれらと集電子との接続を確
実にし、もって発電効率の向上を図ることのできる円筒
型固体電解質燃料電池を提供することを目的とするもの
である。
池やスタック同士もしくはこれらと集電子との接続を確
実にし、もって発電効率の向上を図ることのできる円筒
型固体電解質燃料電池を提供することを目的とするもの
である。
課題を解決するための手段 この発明は、上記の目的を達成するために、酸素イオ
ン透過性のある筒状の固体電解質の内外周両側での酸素
濃度の差によって起電力を生じる複数の発電要素を内部
集電子の外周側に配設し、かつこれらの発電要素の外周
側を外部集電子で覆った円筒型固体電解質燃料電池にお
いて、前記内部集電子と外部集電子との少なくともいず
れか一方を、弾性的に半径が増大もしくは減少する筒状
体によって形成したことを特徴とするものである。
ン透過性のある筒状の固体電解質の内外周両側での酸素
濃度の差によって起電力を生じる複数の発電要素を内部
集電子の外周側に配設し、かつこれらの発電要素の外周
側を外部集電子で覆った円筒型固体電解質燃料電池にお
いて、前記内部集電子と外部集電子との少なくともいず
れか一方を、弾性的に半径が増大もしくは減少する筒状
体によって形成したことを特徴とするものである。
なおここで発電要素には、単電池のみならず、支持管
の外周に複数の単電池を形成してなるスタック、複数の
単電池を結束してなるスタック、複数のスタックを結束
してなるモジュール等を含む。
の外周に複数の単電池を形成してなるスタック、複数の
単電池を結束してなるスタック、複数のスタックを結束
してなるモジュール等を含む。
作用 この発明の燃料電池においては、固体電解質を挟んだ
両側に酸素ガスを含む酸化性ガスと水素ガスなどの燃料
ガスとを流すことにより、固体電解質の内外両側での酸
素濃度の差によって起電力が生じ、各発電要素における
起電力は内部集電子および外部集電子から出力される。
その各発電要素の内周側にある内部集電子もしくは外周
側にある外部集電子のいずれか一方は弾性的に半径が増
加もしくは減少する筒状体であるから、各発電要素はそ
の筒状体の弾性力によって内部集電子の外面もしくは外
部集電子の内面に押し付けられる。その結果、各発電要
素は内部集電子および外部集電子に対して密着し、それ
ぞれの間の導電状態が良好に維持される。また熱膨張が
生じた場合には、内部集電子もしくは外部集電子が弾性
的に変形するから、その変形によって熱膨張が吸収さ
れ、過大な熱応力が生じることが防止される。
両側に酸素ガスを含む酸化性ガスと水素ガスなどの燃料
ガスとを流すことにより、固体電解質の内外両側での酸
素濃度の差によって起電力が生じ、各発電要素における
起電力は内部集電子および外部集電子から出力される。
その各発電要素の内周側にある内部集電子もしくは外周
側にある外部集電子のいずれか一方は弾性的に半径が増
加もしくは減少する筒状体であるから、各発電要素はそ
の筒状体の弾性力によって内部集電子の外面もしくは外
部集電子の内面に押し付けられる。その結果、各発電要
素は内部集電子および外部集電子に対して密着し、それ
ぞれの間の導電状態が良好に維持される。また熱膨張が
生じた場合には、内部集電子もしくは外部集電子が弾性
的に変形するから、その変形によって熱膨張が吸収さ
れ、過大な熱応力が生じることが防止される。
実 施 例 つぎにこの発明の実施例を図面を参照して説明する。
第１図はこの発明の一実施例を示す断面図であって、
ここに示す例は６個の単電池３を内部集電子21と外部集
電子22との間に等配してスタック23を構成した燃料電池
の例であり、その単電池３は第５図を参照して説明した
ものと同一の構成であるので、ここではその説明を省略
する。内部集電子21はNiやNi合金、Niを含むサーメット
などの導電性に加え高融点でかつ耐水素脆性のある材料
によって円筒状に形成されており、この内部集電子21は
第２図に斜視図として示してあるようにスリット21aを
形成することにより弾性的に変形して半径が増減するよ
うに構成されている。また外部集電子22も内部集電子21
と同様な材料によって円筒状に形成され、かつ第３図に
斜視図として示すようにスリット22aを形成することに
よ弾性的に変形して半径が増減するよう構成されてい
る。そして６個の単電池３はそのインターコネクタ７を
内部集電子21に向けて配置され、これらの単電池３の外
周に外部集電子22が嵌合させられている。ここで外部集
電子22として、自然状態での半径が、内部集電子21の外
周に配列した６個の単電池３を包囲する半径より若干小
さい半径のものが使用されており、その結果、各単電池
３は内部集電子21側に押圧されてそのインターコネクタ
７が内部集電子21の外周に密着し、また当然外部集電子
22が各単電池３の外面に密着している。なお、この場
合、内部集電子21が内周側に若干撓むから、各単電池３
は内部集電子21の弾性力によっても外周側に押圧され
る。
ここに示す例は６個の単電池３を内部集電子21と外部集
電子22との間に等配してスタック23を構成した燃料電池
の例であり、その単電池３は第５図を参照して説明した
ものと同一の構成であるので、ここではその説明を省略
する。内部集電子21はNiやNi合金、Niを含むサーメット
などの導電性に加え高融点でかつ耐水素脆性のある材料
によって円筒状に形成されており、この内部集電子21は
第２図に斜視図として示してあるようにスリット21aを
形成することにより弾性的に変形して半径が増減するよ
うに構成されている。また外部集電子22も内部集電子21
と同様な材料によって円筒状に形成され、かつ第３図に
斜視図として示すようにスリット22aを形成することに
よ弾性的に変形して半径が増減するよう構成されてい
る。そして６個の単電池３はそのインターコネクタ７を
内部集電子21に向けて配置され、これらの単電池３の外
周に外部集電子22が嵌合させられている。ここで外部集
電子22として、自然状態での半径が、内部集電子21の外
周に配列した６個の単電池３を包囲する半径より若干小
さい半径のものが使用されており、その結果、各単電池
３は内部集電子21側に押圧されてそのインターコネクタ
７が内部集電子21の外周に密着し、また当然外部集電子
22が各単電池３の外面に密着している。なお、この場
合、内部集電子21が内周側に若干撓むから、各単電池３
は内部集電子21の弾性力によっても外周側に押圧され
る。
各単電池３における固体電解質８は900〜1200℃程度
で優れた酸素イオン透過性を示すので、固体電解質８を
この程度の温度に加熱昇温した状態で各単電池３の内周
側に酸素ガスを含む酸化性ガスを流し、かつ各単電池３
の外周側に水素ガスなどの燃料ガスを流す。それに伴い
固体電解質８の内外周での酸素濃度の差によって起電力
が生じ、各単電池３では酸素電極６が陽極、燃料電極９
が陰極となる。したがってスタック23の全体としては内
部集電子21が陽極となり、外部集電子22が陰極となる。
スタック23の全体を燃料電池の動作温度まで加熱昇温す
ると、内部集電子21や単電池３などが熱膨張し、かつそ
の膨張量がそれぞれ相違するが、それに起因する相対変
位は内部集電子21もしくは外部集電子22が弾性的に変形
することにより吸収され、単電池３に過大な熱応力が生
じることが防止される。また各単電池３は内外の集電子
21,22の弾性力によってそれぞれの集電子21,22の間に挟
み込まれており、しかもその状態は熱膨張や収縮が生じ
た場合にも維持されるから、各単電池３の内外各集電子
21,22に対する密着状態は常時良好であり、したがって
その接触部分での抵抗が小さく、その結果、燃料電池と
しての内部抵抗を低減して高出力化を図ることができ
る。
で優れた酸素イオン透過性を示すので、固体電解質８を
この程度の温度に加熱昇温した状態で各単電池３の内周
側に酸素ガスを含む酸化性ガスを流し、かつ各単電池３
の外周側に水素ガスなどの燃料ガスを流す。それに伴い
固体電解質８の内外周での酸素濃度の差によって起電力
が生じ、各単電池３では酸素電極６が陽極、燃料電極９
が陰極となる。したがってスタック23の全体としては内
部集電子21が陽極となり、外部集電子22が陰極となる。
スタック23の全体を燃料電池の動作温度まで加熱昇温す
ると、内部集電子21や単電池３などが熱膨張し、かつそ
の膨張量がそれぞれ相違するが、それに起因する相対変
位は内部集電子21もしくは外部集電子22が弾性的に変形
することにより吸収され、単電池３に過大な熱応力が生
じることが防止される。また各単電池３は内外の集電子
21,22の弾性力によってそれぞれの集電子21,22の間に挟
み込まれており、しかもその状態は熱膨張や収縮が生じ
た場合にも維持されるから、各単電池３の内外各集電子
21,22に対する密着状態は常時良好であり、したがって
その接触部分での抵抗が小さく、その結果、燃料電池と
しての内部抵抗を低減して高出力化を図ることができ
る。
なお上記の実施例では導電性フェルトを特には設けて
いないが、この発明では導電性フェルトを単電池３と各
集電子21,22との間に介在させてもよく、そのようにす
れば、導電性フェルトが単電池３の外面の凹凸を埋める
ことになるので、それらの接触面積が拡大され、電気的
な導通状態が更に良好になる。
いないが、この発明では導電性フェルトを単電池３と各
集電子21,22との間に介在させてもよく、そのようにす
れば、導電性フェルトが単電池３の外面の凹凸を埋める
ことになるので、それらの接触面積が拡大され、電気的
な導通状態が更に良好になる。
また上記の実施例では円筒状の単電池を内部集電子と
外部集電子との間に配列したスタックを例に取って説明
したが、多孔質支持管の外周面に多数の単電池を相互に
直列に接続して形成してなるスタックも円筒状をなし、
かつ並列に接続する必要があるので、この発明はそのよ
うなスタックを第１図に示すように内部集電子を介して
並列接続する場合にも適用することができる。さらにこ
の発明は第１図もしくは第４図に示すスタックを複数個
結束してモジュール化する場合にも適用することができ
る。
外部集電子との間に配列したスタックを例に取って説明
したが、多孔質支持管の外周面に多数の単電池を相互に
直列に接続して形成してなるスタックも円筒状をなし、
かつ並列に接続する必要があるので、この発明はそのよ
うなスタックを第１図に示すように内部集電子を介して
並列接続する場合にも適用することができる。さらにこ
の発明は第１図もしくは第４図に示すスタックを複数個
結束してモジュール化する場合にも適用することができ
る。
そして上記の実施例では、内部集電子と外部集電子と
の両方を、半径が弾性的に変化する円筒体としたが、こ
の発明は、上記の実施例に限られず、内部集電子と外部
集電子とのいずれか一方が弾性的に半径の変化するもの
であればよい。
の両方を、半径が弾性的に変化する円筒体としたが、こ
の発明は、上記の実施例に限られず、内部集電子と外部
集電子とのいずれか一方が弾性的に半径の変化するもの
であればよい。
発明の効果 以上の説明から明らかなようにこの発明の燃料電池に
よれば、単電池などの発電要素を挟み込んでいる内部集
電子と外部集電子とのいずれか一方が、弾性的に変形し
て半径が変化する構成であるから、熱膨張や熱収縮など
に起因する相対変位をそのいずれか一方の集電子の変形
によって吸収でき、それに伴って発電要素の熱応力を低
減でき、また発電要素と各集電子との接触状態を集電子
の弾性力によって維持するから、発電要素と集電子との
接触状態が加熱・冷却が繰り返し生じても常時良好でそ
の部分での電気抵抗が低くなり、そのためこの発明によ
れば内部抵抗を低減して発電効率を向上させ、かつ高出
力化を図ることのできる燃料電池を得ることができる。
よれば、単電池などの発電要素を挟み込んでいる内部集
電子と外部集電子とのいずれか一方が、弾性的に変形し
て半径が変化する構成であるから、熱膨張や熱収縮など
に起因する相対変位をそのいずれか一方の集電子の変形
によって吸収でき、それに伴って発電要素の熱応力を低
減でき、また発電要素と各集電子との接触状態を集電子
の弾性力によって維持するから、発電要素と集電子との
接触状態が加熱・冷却が繰り返し生じても常時良好でそ
の部分での電気抵抗が低くなり、そのためこの発明によ
れば内部抵抗を低減して発電効率を向上させ、かつ高出
力化を図ることのできる燃料電池を得ることができる。
第１図はこの発明の一実施例を示す断面図、第２図はそ
の内部集電子を示す略解斜視図、第３図は外部集電子を
示す略解斜視図、第４図は従来のスタックの一例を示す
断面図、第５図は単電池の一例を示す断面図である。 ３……単電池、６……酸素電極、７……インターコネク
タ、８……固体電解質、９……燃料電極、21……内部集
電子、21a……スリット、22……外部集電子、22a……ス
リット、23……スタック。
の内部集電子を示す略解斜視図、第３図は外部集電子を
示す略解斜視図、第４図は従来のスタックの一例を示す
断面図、第５図は単電池の一例を示す断面図である。 ３……単電池、６……酸素電極、７……インターコネク
タ、８……固体電解質、９……燃料電極、21……内部集
電子、21a……スリット、22……外部集電子、22a……ス
リット、23……スタック。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 長谷川 正一 東京都江東区木場１丁目５番１号 藤倉 電線株式会社内 (72)発明者 山之内 宏 東京都江東区木場１丁目５番１号 藤倉 電線株式会社内 (72)発明者 永田 雅克 東京都江東区木場１丁目５番１号 藤倉 電線株式会社内 (56)参考文献 特開 平２−312169（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−258364（ＪＰ，Ａ) 実開 昭63−106066（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) H01M 8/00 - 8/02 H01M 8/08 - 8/24
Claims (1)
- 【請求項１】酸素イオン透過性のある筒状の固体電解質
の内外周両側での酸素濃度の差によって起電力を生じる
複数の発電要素を内部集電子の外周側に配設し、かつこ
れらの発電要素の外周側を外部集電子で覆った円筒型固
体電解質燃料電池において、 前記内部集電子と外部集電子との少なくともいずれか一
方が、弾性的に半径が増大もしくは減少する筒状体によ
って形成されていることを特徴とする円筒型固体電解質
燃料電池。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1132036A JP2799877B2 (ja) | 1989-05-25 | 1989-05-25 | 円筒型固体電解質燃料電池 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1132036A JP2799877B2 (ja) | 1989-05-25 | 1989-05-25 | 円筒型固体電解質燃料電池 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH02312165A JPH02312165A (ja) | 1990-12-27 |
| JP2799877B2 true JP2799877B2 (ja) | 1998-09-21 |
Family
ID=15072003
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1132036A Expired - Fee Related JP2799877B2 (ja) | 1989-05-25 | 1989-05-25 | 円筒型固体電解質燃料電池 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2799877B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2004356014A (ja) * | 2003-05-30 | 2004-12-16 | Sanyo Electric Co Ltd | 固体酸化物燃料電池、固体酸化物燃料電池アセンブリ、固体酸化物燃料電池モジュール及び固体酸化物燃料電池発電装置 |
| JP2006216416A (ja) * | 2005-02-04 | 2006-08-17 | Toyota Motor Corp | チューブ型燃料電池用膜電極複合体バンドル |
-
1989
- 1989-05-25 JP JP1132036A patent/JP2799877B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH02312165A (ja) | 1990-12-27 |
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