JP2816478B2 - 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 この発明は複数の発電要素(例えば単電池)を内部集
電子と外部集電子との間に配置して発電構造体(例えば
スタック)を形成し、その発電構造体を複数個接続して
構成した燃料電池に関し、特に円筒状の固体電解質の内
外面に酸素電極および燃料電極を設けた発電要素を主体
とする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)などの物質が、100℃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。
円筒型の単電池を使用して必要な起電力を得る構造と
して、従来、単電池を縦横のマトリックス状に多数配列
し、例えば縦方向では各単電池を直列接続し、横方向に
は各単電池を並列接続する構造が知られている。しかし
ながらこのような構造では、いずれかの単電池に異常を
来たしてその単電池が起電力を生じなくなった場合、そ
の単電池を含む直列接続した単電池群の全体が機能しな
くなり、あるいはその単電池群での内部抵抗が著しく増
大して発電効率が低下する問題が生じる。このような問
題を解消することのできる構造を本出願人は既に提案し
ており、その基本的な構造は、導電性の内部集電子の外
周に多数の円筒型単電池を配置するとともに、各単電池
の内周側の電極をインターコネクタによって内部集電子
に導通させ、また内部集電子とほぼ同心状に設けた筒状
の外部集電子によって単電池の全体を包囲するとともに
各単電池の外周側の電極を外部集電子に導通させたもの
である。なお、複数の単電池をこのように接続した構造
体はスタックと称されている。
発明が解決しようとする課題 上述したスタックは、更にその複数本を直並列に接続
して燃料電池として組立てられるが、その場合、各スタ
ックにおいては内部集電子が一方の電極となり、外部集
電子が他方の電極となるから、直列に接続する場合には
一方のスタックの内部集電子を他方のスタックの外部集
電子に接続する必要がある。その接続のための構造とし
て、例えば各単電池におけるインターコネクタと同様
に、内部集電子の外面に半径方向に突出た導電板を軸線
方向のほぼ全長に亘って形成する一方、外部集電子には
その導電板を絶縁状態で貫通させるスリットを形成し、
そのスリットから突出させた導電板の端部を隣接するス
タックの外部集電子に接触させる構造が考えられる。し
かしながらこのような構造では、内部集電子の周囲の一
部を導電板が占めることになるために、内部集電子と外
部集電子との間に配列することのできる単電池の数が少
なくなる不都合がある。
また他の接続構造として、内部集電子の外周に等配し
た単電池の間を通過する程度の薄さでかつ幅の狭い導電
板の一端部に内部集電子に嵌合する小径リングを設ける
一方、他端部に外部集電子に嵌合する一部切欠いた大径
リングを設けた接続具を使用し、互いに隣接する二本の
スタックをその接続具によりそれぞれの端部で接続する
構造が考えられる。しかしながらこのような構造では、
単電池の配列本数が少なくならないものの、導電板の断
面積が小さいので、その電気抵抗が大きく、また強度が
不足する問題がある。
この発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、複数
の発電構造を確実に直列に接続し、発電能力に優れた固
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、ほぼ同心
状に配置した内部集電子と筒状の外部集電子との間に、
一方の電極を内部集電子に導通させかつ他方の電極を外
部集電子に導通させた複数の円筒状の発電要素を等配し
て発電構造体を形成し、その第1の発電構造体の内部集
電子を第2の発電構造体の外部集電子に導通させた固体
電解質燃料電池において、内部集電子の外周に等配した
複数の発電要素のうちいずれか一本の発電要素の端部
が、内部集電子の端部より所定寸法軸線方向での中央部
側に後退するとともに前記外部集電子のうち前記一本の
発電要素の端部に対応する部分に内外面に貫通する切欠
部が形成され、また内部集電子の端部には前記一本の発
電要素の端部側を通って前記切欠部から外部集電子の外
面側に延出して先端部が他の発電構造体の外部集電子の
外面に導通させられたコネクター用突起が形成されてい
ることを特徴とするものである。
作用 この発明においても発電要素の内周側と外周側との一
方に空気などの酸化性ガスを流し、かつ他方に水素ガス
などの燃料ガスを流すことにより発電が行なわれる。こ
の発電要素はその一方の電極を内部集電子に導通させた
状態で内部集電子の外周に配置されており、そのうちの
一本の発電要素の端部は、内部集電子の端部より所定寸
法軸線方向での中央部側に後退し、ここにコネクター用
突起のための通過スペースが確保されてる。また内部集
電子の外周に等配した発電要素の外周側はその他方の電
極を導通させた外部集電子によって包囲され、その外部
集電子の端部のうち、端部を後退させた発電要素に対応
する部分に切欠部が形成され、ここをコネクター用突起
が通過する。このコネクター用突起は一方の発電構造体
の内部集電子から半径方向に突出したものであって、そ
の先端部を他方の発電構造体の外部集電子の外面に当接
させるなどのことにより、一方の発電構造体の内部集電
子と他方の発電構造体の外部集電子とを導通させてい
る。そしてこのコネクター用突起の通過するスペースは
一本の発電要素の端部を後退させ、かつ外部集電子に切
欠部を形成することにより確保されるから、コネクター
用突起は電気抵抗の少ないかつ強度の充分なものとする
ことができ、また内部集電子の外周に配置する発電要素
の本数が減じられることはない。
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図はこの発明に係る燃料電池の一部を示す断面正
面図であり、また第2図はそのII−II線に沿う断面図で
あって、6本の単電池1を内蔵したスタック2が直列に
接続されている。この単電池1は所謂円筒型のものであ
って、その一例を第3図に模式的に示してある。すなわ
ちアルミナ(Al2O3)などで多孔構造に形成したセラミ
ック製支持管3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4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5が突設されており、さらにその
酸素電極4の外周に、イットリア安定化ジルコニア(YS
Z)などを素材とした固体電解質6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7が前記インターコネク
タ5に非導通状態となるよう固体電解質6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6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。
各スタック2はほぼ同心状に配置した内部集電子8と
筒状の外部集電子9との間に6本の単電池1を等配する
ことにより構成されている。すなわち内部集電子8は、
導電性を備えかつ耐水素脆性に富む材料、例えばニッケ
ル合金などを素材とした軸状の部材であって、その外周
面にはクッション性を付与するための部材、例えばニッ
ケルフェルト10が設けられており、6本の単電池1は、
そのインターコネクタ6をそのニッケルフェルト10に突
き当てた状態で内部集電子8の外周側に等配されてい
る。この内部集電子8の外周に等配した単電池1のうち
の所定の一本は第2図に示すようにその端部が内部集電
子8の端部より軸線方向で中央部側に後退した状態に設
定されている。これはその単電池1の長さを他の単電池
1より短く構成すること、もしくはその一本の単電池1
を他の単電池1に対して軸線方向にずらして配置するこ
とにより達成される。また外部集電子9は、内部集電子
8と同様な素材で筒状に形成されたものであり、その内
周面に添設したクッション性を付与するための部材、例
えばニッケルフェルト11に各単電池1の外面を接触させ
た状態で6本の単電池1を包囲し、収容している。この
外部集電子9(その内面に添設したニッケルフェルト11
を含む)の端部のうち前記端部を後退させた単電池1に
対応する部分には、単電池1の直径程度もしくはそれ以
上の幅の切欠部12が形成されている。そして内部集電子
8の端部にはその切欠部12を貫通して外周側に延びたコ
ネクター用突起13が半径方向に向けて突設されている。
そしてこのコネクター用突起13は、外周側への通過スペ
ースが、単電池1の一本の端部を後退させ、かつ外部集
電子9に切欠部12を形成することにより確保されている
ので、電気的特性および強度の点での要求を満足する程
度の大きさに設定されている。
以上のように構成したスタック2の接続状態は第1図
に示す通りであり、互いに隣接してほぼ平行に配置され
た二本のスタック2は、一方のスタック2における前記
コネクター用突起13を他方のスタック2の外部集電子9
の外面に導電性緩衝材例えばニッケルフェルト14を介在
させて当接させることにより直列状態に接続されてい
る。また特には図示しないが、第1図の左右方向には外
部集電子9同士を導通させた状態にスタック2が並列に
配列されている。
なお、上記の実施例では、一本の円筒状固体電解質の
内外周に酸素電極と燃料電極とを形成して単電池とし、
これを6本並列に接続してスタックとしたが、この発明
は上記の実施例に限られるものではなく、一本の円筒状
の固体電解質に、互いに直列接続とした多数の単電池を
形成してなる円筒状のスタックを発電要素とし、これを
内部集電子と外部集電子との間に配置して構成した発電
構造体を接続する場合にも適用することができる。
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、互いに隣接する一方の発電構造体の内部
集電子と他方の発電構造体の外部集電子とを接続するコ
ネクター用突起を断面積の大きいものとすることができ
るので、発電構造体の接続部分での電気抵抗を低減しか
つ接続強度を高くすることができ、また内部集電子の外
周に配置する発電要素の数を減じる必要がないので、発
電能力を低下させる要因はなく、したがってこの発明に
よれば、発電能力に優れた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の一部を示す断面正面図、
第2図は第1図のII−II線に沿う断面図、第3図は単電
池の一つを模式的に示す断面図である。 1……単電池、2……スタック、8……内部集電子、9
……外部集電子、12……切欠部、13……コネクター用突
起。
───────────────────────────────────────────────────── 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2−312170(JP,A) (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】ほぼ同心状に配置した内部集電子と筒状の
    外部集電子との間に、一方の電極を内部集電子に導通さ
    せかつ他方の電極を外部集電子に導通させた複数の円筒
    状の発電要素を等配して発電構造体を形成し、その第1
    の発電構造体の内部集電子を第2の発電構造体の外部集
    電子に導通させた固体電解質燃料電池において、 内部集電子の外周に等配した複数の発電要素のうちいず
    れか一本の発電要素の端部が、内部集電子の端部より所
    定寸法軸線方向での中央部側に後退するとともに前記外
    部集電子のうち前記一本の発電要素の端部に対応する部
    分に内外面に貫通する切欠部が形成され、また内部集電
    子の端部には前記一本の発電要素の端部側を通って前記
    切欠部から外部集電子の外面側に延出して先端部が他の
    発電構造体の外部集電子の外面に導通させられたコネク
    ター用突起が形成されていることを特徴とする固体電解
    質燃料電池の構造。
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