JP2799879B2 - 固体電解質燃料電池の構造 - Google Patents

固体電解質燃料電池の構造

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Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 この発明は円筒状の固体電解質の内外面に酸素電極と
燃料電極とを形成した単電池を直並列に接続した燃料電
池に関し、特に単電池およびその集合体の接続構造に関
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)などの物質が、1000℃程度の高温
下で酸素イオン導電性を示すことを利用したものであ
り、その基本的な構造は、YSZなどの固体電解質を挟ん
で、ペロブスカイト型ランタン系複合酸化物などからな
る多孔構造の酸素電極と、ニッケルやニッケル合金ある
いはNi−ZrO2サーメットなどからなる多孔構造の燃料電
極とを設け、高温状態で酸素電極側に空気や酸素ガスな
どの酸化性ガスを流す一方、燃料電極側に水素ガスや一
酸化炭素ガスなどの燃料ガスを流すことによって固体電
解質を介した酸化・還元反応によって電力を得るもので
ある。
この種の単電池によって得られる電圧は、高々1V程度
に過ぎないので、実用に供するためには多数の単電池を
直並列に接続する必要があり、そのため従来から単電池
を円筒型に形成し、これを直並列に接続する構造や、イ
ンターコネクタとなる導電板の間に多数の単電池を形成
してこれを多数積層する平板型などの種々の構造が開発
・検討されている。これらの構造のうち平板型は全体を
コンパクト化し易い利点があるものの、酸化性ガスと燃
料ガスとの混合を防ぐためのシールが困難であるなどの
問題に加え、製造の容易性に欠ける問題があり、したが
って円筒型のものが実用性に富んでいる。
円筒型単電池1の基本的な構造は第2図に示す通りで
あり、これを簡単に説明すると、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2の外周
に、ペロブスカイト型ランタン系複合酸化物などを素材
とした酸素電極3が形成されるとともに、その外面の一
部に、ニッケル合金などを素材としたインターコネクタ
4が突設されており、さらにその酸素電極3の外周に、
イットリア安定化ジルコニア(YSZ)などを素材とした
固体電解質5が形成されている。さらにニッケル合金や
ニッケルとジルコニアとのサーメットなどを素材とした
燃料電極6が前記インターコネクタ4に非導通状態とな
るよう固体電解質5の外周に形成されている。したがっ
て単電池1は、その内周側に空気などの酸化性ガスを流
す一方、外周側に水素ガスなどの燃料ガスを流すことに
より固体電解質5の内外周側での酸素濃度の差に起因す
る電気化学的な反応によって起電力を生じるようになっ
ている。この円筒型の単電池を使用して必要な起電力を
得る構造として、第3図あるいは第4図に示す構造が検
討されている。すなわち第3図に示す構造は、同心状に
配置した内部集電子7と筒状の外部集電子8との間に複
数の単電池1を配列するとともに各単電池1のインター
コネクタ4を内部集電子7にニッケルフェルト9を介在
させて導通させ、また各単電池1の外周側の燃料電極6
をニッケルフェルト10を介在させて外部集電子8に導通
させることにより複数(第3図では5個)の単電池1で
1つのスタック11を構成し、そのスタック11をそれぞれ
の内部集電子7から半径方向に突出させた例えばニッケ
ル製の導電板12を他のスタック11の外部集電子8の外周
面にニッケルフェルト13を介在させて当接させることに
より、スタック11を直列に接続する構造である。また第
4図に示す構造は、多数の単電池1を縦横にマトリック
ス状に配列し、例えば縦方向には一方の単電池1のイン
ターコネクタ4を隣接する他の単電池1の燃料電極6に
ニッケルフェルト14を介在させて当接させることにより
直列に接続し、また横方向には各単電池1の燃料電極6
同士をニッケルフェルト15を介在させて接触させること
により並列接続とした構造である。
発明が解決しようとする課題 しかるに第3図に示す構造では、各スタック11が直列
に接続されているから、いずれかのスタック11に異常が
生じて破損した場合、その破損したスタック11の部分で
電気的な導通が途絶えることになるので出力を得られな
くなる問題がある。また第4図に示す構造では、いずれ
かの単電池1が故障して発電を行なわなくなった場合、
その単電池1を含むよう直列に接続してある一群の単電
池1での電気抵抗が大きくなり、発電効率が低下する問
題がある。さらに第3図および第4図のいずれに示す構
造であっても、発電量の増減による出力の調整は、1本
づつの単電池1の出力を調整することにより行なうこと
になり、出力調整が極めて面倒になる問題があった。
この発明は上記の事情を背景としてなされたもので、
部分的な故障に起因する出力停止のおそれが少なく、ま
た出力調整の容易な燃料電池の構造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、同心状に
配置した中心電極と外周電極との間に複数の発電要素を
配置し、かつ各発電要素の一方の電極を中心電極に導通
させるとともに各発電要素の他方の電極を外周電極に導
通させてなる複数の発電構造体を、それぞれの中心電極
を第2の中心電極に導通させるとともに外周電極を相互
に導通させることにより並列に接続したことを特徴とす
るものである。ここで発電要素とは、前述した単電池の
外に単電池を複数個集合させた構造体、例えば前述した
スタックやそのスタックの集合体をも含む。
作用 この発明では、複数の発電要素は中心電極と外周電極
とによって並列に接続され、このように接続された発電
要素群である発電構造体の複数個が第2の中心電極を介
して並列に接続される。したがって発電要素が単電池で
ある場合、発電構造体がスタックとなるが、いずれかの
単電池あるいはスタックに異常が生じても、他の単電池
やスタックに悪影響を及ぶことがなく、またいずれかの
スタックの出力を低下させても他のスタックに悪影響が
及ばないことにより、スタックごとの出力調整によって
燃料電池全体の出力の調整を行なうことができる。また
この発明ではスタックを発電要素とし、その複数個の並
列接続した集合体を発電構造体とすることができ、この
場合でもいずれかのスタックの異常もしくはいずれかの
スタックの集合体の異常が全体に悪影響を及ぼすことが
ないと同時に、スタックごともしくはその集合体ごとの
出力調整によって燃料電池全体の出力の調整を行なうこ
とができる。
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模式図であって、
ここに示す例は、5本の単電池からなるスタック11を発
電要素とし、そのスタック11を5本並列に接続して発電
構造体20とした例である。すなわち各単電池1は前述し
た第2図に示す構造と同様な構造であり、またその5本
の単電池1からなるスタック11は前述した第3図に示す
構造と同様であって、その5本のスタック11がNiやNi合
金などからなる軸状の中心電極21の外周に配置され、各
スタック11は各々の導電板12をその中心電極21に導電性
緩衝材例えばニッケルフェルトを介在させて突き当てる
ことにより、一方の電極である内部集電子7が中心電極
21に導通させられている。また中心電極21にはスタック
11の間を通って半径方向に突出した導電板22が一体的に
設けられている。さらに中心電極21の外周に配置した5
本のスタック11は、NiやNi合金などの導電性の材料から
なるテープもしくは円筒体である外周電極23によって結
束され、もしくはその内部に収容されており、したがっ
て各スタック11の外部集電子8はその外周電極23によっ
て相互に導通されている。なお、熱膨張を吸収しかつ接
触状態を良好にするために、スタック11と外周電極23と
の間にニッケルフェルトなどの導電性緩衝材を介在させ
ることができる。また外周電極23は前記導電板22とは絶
縁され、その導電板22は外周電極23より外周側に突出し
ている。
上述した構造の4本の発電構造体20が第2の中心電極
30の周囲に配置されている。この第2の中心電極30は前
述した発電構造体20における中心電極21と同様に、Niや
Ni合金などの導電性材料からなる軸状の部材であり、各
発電構造体20は各々の導電板22を第2の中心電極30に放
射状に配置して突き当てることにより、一方の電極であ
る中心電極21を第2の中心電極30に導通させている。な
お、導電性緩衝材であるニッケルフェルト31が第2の中
心電極30と導電板22との間に介在されている。また第2
の中心電極30には発電構造体20の間を通って半径方向に
延びた導電板32が一体的に設けられている。さらに第2
の中心電極30の周囲に配置した4本の発電構造体20は、
NiやNi合金などの導電性材料からなるテープもしくは円
筒体である第2の外周電極33によって結束され、もしく
はその内部に収容されており、したがって各発電構造体
20の外周電極23は相互に導通されている。なお、熱膨張
を吸収しかつ接触状態を良好にするために、発電構造体
20と第2の外周電極33との間にニッケルフェルトが介在
されており、また第2の外周電極33は導電板32に対して
絶縁されている。
そして第2の中心電極30に突設した導電板32の先端部
は、他の複数の発電構造体20を収容している第2の外周
電極30の外面にニッケルフェルト40を介在させて突き当
てることにより直列に接続されている。
上述した構造の燃料電池では、各単電池1の酸素電極
3側に空気などの酸素性ガスを流し、かつ燃料電極6側
に水素ガスなどの燃料ガスを流すことにより各単電池1
で起電力が生じる。各単電池1は陽極である酸素電極3
がインターコネクタ4を介して内部集電子7に導通し、
陰極である燃料電極6が外部集電子8に導通して互いに
並列に接続され、したがってこれらの単電池1の集合体
であるスタック11は内部集電子7が陽極で外部集電子8
が陰極の発電要素となる。そしてその各スタック11の内
部集電子7が導電板12を介して中心電極21に導通し、か
つそれぞれの外部集電子8が外周電極23に電気的に接続
されて互いに導通していることにより各スタック11が中
心電極21および外周電極23によって並列に接続し、そし
て5本のスタック11からなる各発電構造体20では中心電
極21が陽極となり、かつ外周電極23が陰極となる。さら
にその発電構造体20は、スタック11と同様に、第2の中
心電極30および第2の外周電極33によって互いに並列に
接続され、その結果、第2の中心電極30が陽極となり、
第2の外周電極33が陰極となる。したがって第2の中心
電極30の周囲に発電構造体20およびその要素であるスタ
ック11の構成部材として多数配置される各単電池1はい
ずれも並列に接続されることになり、各単電池1で生じ
た電流が第2の中心電極30および第2の外周電極33を介
して取出される。そして各単電池1同士および各スタッ
ク11同士ならびに各発電構造体20同士は並列に接続され
ているので、いずれかの単電池1もしくはスタック11あ
るいは発電構造体20に異常が生じてもその影響が他の部
分に及ばず、発電効率が低下することはない。またスタ
ック11ごとに、もしくは発電構造体20ごとに出力を増減
してもその出力の変更に伴う影響が他に及ばないので、
スタック11ごともしくは発電構造体20ごとの出力の調整
によって燃料電池全体としての出力の調整を行なうこと
ができる。
なお上記の実施例では、スタック11を発電要素とした
例について説明したが、この発明は上記の実施例に限ら
れるものではなく、互いに並列に接続した複数のスタッ
クを発電要素とすることもできるのであり、その場合は
互いに並列に接続した一群のスタックを更に中心電極と
外周電極とによって並列に接続してなる集合体が発電構
造体となり、これを更に他の中心電極と外周電極とによ
って互いに並列に接続することになる。
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の
構造によれば、発電要素およびその集合体である発電構
造体がそれぞれ互いに独立しているので、それらのうち
のいずれかに異常があっても燃料電池全体としての発電
効率が損われることがなく、同時に発電要素ごとのみな
らず発電構造体ごとに出力を調整することにより燃料電
池の全体としての出力を調整でき、したがってこの発明
によれば、発電効率を良好な状態に安定して維持でき、
また出力調整の容易な燃料電池を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
第1図はこの発明の一実施例を示す模式図、第2図は円
筒型の単電池の一例を模式的に示す断面図、第3図はス
タックを直列に接続した構造を示す説明図、第4図は単
電池をマトリックス状に接続した構造を示す説明図であ
る。 1……単電池、3……酸素電極、4……インターコネク
タ、5……固体電解質、6……燃料電極、7……内部集
電子、8……外部集電子、11……スタック、20……発電
構造体、21……中心電極、22……導電板、23……外周電
極、30……第2の中心電極、32……導電板、33……第2
の外周電極。
───────────────────────────────────────────────────── 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 丹 正之 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 (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)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】同心状に配置した中心電極と外周電極との
    間に複数の発電要素を配置し、かつ各発電要素の一方の
    電極を中心電極に導通させるとともに各発電要素の他方
    の電極を外周電極に導通させてなる複数の発電構造体
    を、それぞれの中心電極を第2の中心電極に導通させる
    とともに外周電極を相互に導通させることにより並列に
    接続したことを特徴とする固体電解質燃料電池の構造。
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