JP2843995B2 - 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Info
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- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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- 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相互に並列に接続し、その
集合体を更に相互に直列に接続した燃料電池の構造に関
し、特に円筒状の固体電解質の内外面に酸素電極および
燃料電極を設けた単電池を主体とする燃料電池に関する
ものである。
集合体を更に相互に直列に接続した燃料電池の構造に関
し、特に円筒状の固体電解質の内外面に酸素電極および
燃料電極を設けた単電池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定電解質
を介した酸化・還元反応によって電力を得るものであ
る。
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定電解質
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側は全体を
コンパクト化し易い利点があるものの、酸性化ガスと燃
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。
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側は全体を
コンパクト化し易い利点があるものの、酸性化ガスと燃
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。
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
ックは内部集電子を一方の電極とし、かつ外部集電子を
他方の電極とした独立した発電要素と考えられるから、
これを直列に接続する構造としては、少なくとも内部集
電子の一端部をその軸線方向に突出させ、その突出部分
から半径方向に延びた導電性接続具を他のスタックの外
部集電子の外面にニッケルフェルトなどのクッション性
のある導電材料を介在させて当接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、各スタックで生
じた電流がその一端部に設けられいる接続具に集中して
流れるので接続具での電流密度が高くなり、また接続具
と他のスタックの外部集電子の間の接触抵抗が大きくな
って燃料電池の全体としての発電効率が低下するなどの
問題がある。
して燃料電池として組立てられるが、その場合、各スタ
ックは内部集電子を一方の電極とし、かつ外部集電子を
他方の電極とした独立した発電要素と考えられるから、
これを直列に接続する構造としては、少なくとも内部集
電子の一端部をその軸線方向に突出させ、その突出部分
から半径方向に延びた導電性接続具を他のスタックの外
部集電子の外面にニッケルフェルトなどのクッション性
のある導電材料を介在させて当接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、各スタックで生
じた電流がその一端部に設けられいる接続具に集中して
流れるので接続具での電流密度が高くなり、また接続具
と他のスタックの外部集電子の間の接触抵抗が大きくな
って燃料電池の全体としての発電効率が低下するなどの
問題がある。
この発明は上記の事情を背景としてなされたもので、
発電効率が良好で高出力の燃料電池を提供することを目
的とするものである。
発電効率が良好で高出力の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、スリット
を形成して外径を弾性的に変化させ得るようにした中空
の小径軸部が平板部の一端に設けられるとともに、その
平板部の他端部に平板部の板厚より幅の広いスリットを
形成して内径を弾性的に変化させ得るようにした大径の
筒状部が設けられてなる導電性支持体を備え、前記小径
軸部の外周に、円筒状固体電解質の内周側に第１電極を
設けかつ外周側に第２電極を設けた複数の単電池が各々
の第１電極を小径軸部に導通させた状態で配置され、さ
らにこれらの単電池が他の導電性支持体の筒状部内に第
２電極を該筒状部に導通させた状態で収容されて該筒状
部によって弾性的に締め付けられていることを特徴とす
るものである。
を形成して外径を弾性的に変化させ得るようにした中空
の小径軸部が平板部の一端に設けられるとともに、その
平板部の他端部に平板部の板厚より幅の広いスリットを
形成して内径を弾性的に変化させ得るようにした大径の
筒状部が設けられてなる導電性支持体を備え、前記小径
軸部の外周に、円筒状固体電解質の内周側に第１電極を
設けかつ外周側に第２電極を設けた複数の単電池が各々
の第１電極を小径軸部に導通させた状態で配置され、さ
らにこれらの単電池が他の導電性支持体の筒状部内に第
２電極を該筒状部に導通させた状態で収容されて該筒状
部によって弾性的に締め付けられていることを特徴とす
るものである。
作用 この発明に係る構造の燃料電池においても各単電池の
固体電解質を挟んだ両側に酸化性ガスと燃料ガスとを流
すことにより起電力が生じる。それら複数の単電池は、
平板部の一端部に設けられた小径軸部の外周に配列さ
れ、かつその状態で外周側を他の導電性支持体における
筒状部によって覆われるとともに内周側に向けて締め付
けられ、したがって各単電池は小径軸部と他の支持体の
筒状部とに密着し、その接触部分での抵抗が実質上無視
できる程度に低くなる。また上記のように保持され単電
池の集合体は、小径軸部と筒状部とを接続されている平
板部によって導通され、その平板部の断面積を広くする
ことができるとにより、電流密度を低くすることが可能
になる。
固体電解質を挟んだ両側に酸化性ガスと燃料ガスとを流
すことにより起電力が生じる。それら複数の単電池は、
平板部の一端部に設けられた小径軸部の外周に配列さ
れ、かつその状態で外周側を他の導電性支持体における
筒状部によって覆われるとともに内周側に向けて締め付
けられ、したがって各単電池は小径軸部と他の支持体の
筒状部とに密着し、その接触部分での抵抗が実質上無視
できる程度に低くなる。また上記のように保持され単電
池の集合体は、小径軸部と筒状部とを接続されている平
板部によって導通され、その平板部の断面積を広くする
ことができるとにより、電流密度を低くすることが可能
になる。
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図はこの発明に係る燃料電池の一部を示す断面正
面図であって、複数本（図では６本）の単電池１を１つ
のスタック２として、これを直列に接続したものであ
る。すなわち各単電池１は所謂円筒型のものであって、
その一例を第２図に模式的に示してあり、アルミナ（Al
2O3）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（YSZ）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。
面図であって、複数本（図では６本）の単電池１を１つ
のスタック２として、これを直列に接続したものであ
る。すなわち各単電池１は所謂円筒型のものであって、
その一例を第２図に模式的に示してあり、アルミナ（Al
2O3）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（YSZ）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において単電池１を保持する支持体８は
第３図に示す構造となっている。すなわちこの支持体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ものであって、単電池１の長
さと同程度もしくはそれ以上の長さの矩形の平板部8aの
一側部に、軸線方向に沿ってスリットを入れることによ
り外径が弾性的に増減する中空の小径軸部8bが設けら
れ、また平板部8aの他側部には、前記小径軸部8bの周囲
に配置した複数本（例えば６本）の単電池を包括する内
径を有しかつ軸線方向に沿うスリットを入れることによ
り内径が弾性的に変化して単電池１の包絡円より小さい
内径からそれより大きい内径に変化する筒状部8cが形成
されている。
第３図に示す構造となっている。すなわちこの支持体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ものであって、単電池１の長
さと同程度もしくはそれ以上の長さの矩形の平板部8aの
一側部に、軸線方向に沿ってスリットを入れることによ
り外径が弾性的に増減する中空の小径軸部8bが設けら
れ、また平板部8aの他側部には、前記小径軸部8bの周囲
に配置した複数本（例えば６本）の単電池を包括する内
径を有しかつ軸線方向に沿うスリットを入れることによ
り内径が弾性的に変化して単電池１の包絡円より小さい
内径からそれより大きい内径に変化する筒状部8cが形成
されている。
そして各単電池１は、そのインターコネクタ５を小径
軸部8bの外周面に突き当てた状態でその小径軸部8bの外
周側に等配されており、これらの単電池１の外周側は、
他の支持体８の筒状部8cによって包囲されている。その
筒状部8cは上述したとおり自由状態での内径が６本の単
電池１の包絡円の径より小さいで、押し開いた状態で単
電池１を包み込んでおり、その結果、各単電池１は筒状
部8cによって小径軸部8bを中心にして締め付けられてい
る。なお、筒状部8cの内周側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９が添設されて
おり、また平板部8aは筒状部8cのスリットを通って筒状
部8cを貫通している。したがって各単電池１はそのイン
ターコネクタ５を一方の支持体８の小径軸部8bの外周面
に密着させ、また外周側の燃料電極７をニッケルフェル
ト９を介して他方の支持体８の筒状部8cの内周面に接触
させた状態で保持されており、このようにして６本の単
電池１を並列に接続してスタック２が構成されている。
各スタック２は筒状部8cの外面から平板面8aを介して小
径軸部8bを突出させ、また中心部の小径軸部8bから他の
平板部8aを介して筒状部8cを突出させた状態になってお
り、それらの小径軸部8bおよび筒状部8cのそれぞれにつ
いて上述した構成と同様なスタック２が形成され、その
結果、複数のスタック２が、一方の電極となる小径軸部
8bと他方の電極となる筒上部8cとを平板部8aで順次導通
させて直列に接続されている。
軸部8bの外周面に突き当てた状態でその小径軸部8bの外
周側に等配されており、これらの単電池１の外周側は、
他の支持体８の筒状部8cによって包囲されている。その
筒状部8cは上述したとおり自由状態での内径が６本の単
電池１の包絡円の径より小さいで、押し開いた状態で単
電池１を包み込んでおり、その結果、各単電池１は筒状
部8cによって小径軸部8bを中心にして締め付けられてい
る。なお、筒状部8cの内周側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９が添設されて
おり、また平板部8aは筒状部8cのスリットを通って筒状
部8cを貫通している。したがって各単電池１はそのイン
ターコネクタ５を一方の支持体８の小径軸部8bの外周面
に密着させ、また外周側の燃料電極７をニッケルフェル
ト９を介して他方の支持体８の筒状部8cの内周面に接触
させた状態で保持されており、このようにして６本の単
電池１を並列に接続してスタック２が構成されている。
各スタック２は筒状部8cの外面から平板面8aを介して小
径軸部8bを突出させ、また中心部の小径軸部8bから他の
平板部8aを介して筒状部8cを突出させた状態になってお
り、それらの小径軸部8bおよび筒状部8cのそれぞれにつ
いて上述した構成と同様なスタック２が形成され、その
結果、複数のスタック２が、一方の電極となる小径軸部
8bと他方の電極となる筒上部8cとを平板部8aで順次導通
させて直列に接続されている。
上記の構造の燃料電池においては、各単電池１の内周
側に空気などの酸素ガスを含む酸化性ガスを流し、かつ
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を介した酸化・還元反応により起電力が生じ、
そして各スタック２では単電池１の酸素電極４がインタ
ーコネクタ５を介して小径軸部8bに導通していることに
よりその小径軸部8bが陽極側で筒状部8cが陰極側とな
り、さらに隣接するスタック２同士は小径軸部8bをこれ
と一体の平板部8aを介して他のスタック２側の筒状部8c
に導通しているので、電流はその平板部8aを流れる。そ
して始端側のスタック２の筒状部8cを陰極とし、終端側
のスタック２の小径軸部8bを陽極として出力される。し
たがって隣接するスタック２同士では支持体８の平板部
8aを介して電流が流れ、その平板部8aは単電池１の軸長
程度の長さで広い断面積を備えているので、この平板部
8aでの電流密度が特に高くなることはなく、また各単電
池１は筒状部8cの弾性力で締め付けられているので、小
径軸部8bおよび筒状部8cに対して確実に導通し、その接
触部分での抵抗が実質上無視できる程度に小さくなる。
側に空気などの酸素ガスを含む酸化性ガスを流し、かつ
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を介した酸化・還元反応により起電力が生じ、
そして各スタック２では単電池１の酸素電極４がインタ
ーコネクタ５を介して小径軸部8bに導通していることに
よりその小径軸部8bが陽極側で筒状部8cが陰極側とな
り、さらに隣接するスタック２同士は小径軸部8bをこれ
と一体の平板部8aを介して他のスタック２側の筒状部8c
に導通しているので、電流はその平板部8aを流れる。そ
して始端側のスタック２の筒状部8cを陰極とし、終端側
のスタック２の小径軸部8bを陽極として出力される。し
たがって隣接するスタック２同士では支持体８の平板部
8aを介して電流が流れ、その平板部8aは単電池１の軸長
程度の長さで広い断面積を備えているので、この平板部
8aでの電流密度が特に高くなることはなく、また各単電
池１は筒状部8cの弾性力で締め付けられているので、小
径軸部8bおよび筒状部8cに対して確実に導通し、その接
触部分での抵抗が実質上無視できる程度に小さくなる。
なお、小径軸部8bもその外径が弾性的変化する構造と
しているため、筒状部8cが単電池を締め付けるに伴なっ
て、小径軸部8bの外径も弾性的に縮小し、その弾発力に
より小径軸部8bとインターコネクタ５との間も密着し、
その接触部分での抵抗も著しく小さくなる。なおまた、
小径軸部8bの外周上にニッケルフェルトなどの導電性緩
衝材を設けてもよい。さらに上述のように直列に接続し
たスタック群同士を互いに並列に接続することは任意で
ある。
しているため、筒状部8cが単電池を締め付けるに伴なっ
て、小径軸部8bの外径も弾性的に縮小し、その弾発力に
より小径軸部8bとインターコネクタ５との間も密着し、
その接触部分での抵抗も著しく小さくなる。なおまた、
小径軸部8bの外周上にニッケルフェルトなどの導電性緩
衝材を設けてもよい。さらに上述のように直列に接続し
たスタック群同士を互いに並列に接続することは任意で
ある。
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、複数の単電池からなるスタック間の電路
が断面積の広い平板体で確保されるので、電流密度が低
くなり、しかも各単電池は小径軸部を中心にして外周側
から筒状部によって締め付けられるので、各単電池と小
径軸部および筒状部との接触状態が確実になって両者の
間の接触抵抗が実質上無視できる程度に低くなる。その
結果、この発明によれば、内部抵抗が低く、発電効率お
よび出力の高い燃料電池を得ることができる。
構造によれば、複数の単電池からなるスタック間の電路
が断面積の広い平板体で確保されるので、電流密度が低
くなり、しかも各単電池は小径軸部を中心にして外周側
から筒状部によって締め付けられるので、各単電池と小
径軸部および筒状部との接触状態が確実になって両者の
間の接触抵抗が実質上無視できる程度に低くなる。その
結果、この発明によれば、内部抵抗が低く、発電効率お
よび出力の高い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の一部を示す断面正面図、
第２図は単電池の一つを模式的に示す断面図、第３図は
その支持体を示す部分斜視図である。 １……単電池、２……スタック、４……酸素電極、５…
…インターコネクタ、６……固体電解質、７……燃料電
極、８……支持体、8a……平板部、8b……小径軸部、8c
……筒状部。
第２図は単電池の一つを模式的に示す断面図、第３図は
その支持体を示す部分斜視図である。 １……単電池、２……スタック、４……酸素電極、５…
…インターコネクタ、６……固体電解質、７……燃料電
極、８……支持体、8a……平板部、8b……小径軸部、8c
……筒状部。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (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 (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２−312166（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)
- 【請求項１】スリットを形成して外径を弾性的に変化さ
せ得るようにした中空の小径軸部が平板部の一端部に設
けるられるとともに、その平板部の他端部に平板部の板
厚より幅の広いスリットを形成して内径を弾性的に変化
させ得るようにした大径の筒状部が設けられてなる導電
性支持体を備え、前記小径軸部の外周に、円筒状固体電
解質の内周側に第１電極を設けかつ外周側に第２電極を
設けた複数の単電池が各々の第１電極を小径軸部に導通
させた状態で配置され、さらにこれらの単電池が他の導
電性支持体の筒状部内に第２の電極を該筒状部に導通さ
せた状態で収容されて該筒状部によって弾性的に締め付
けられていることを特徴とする固体電解質燃料電池の構
造。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1132040A JP2843995B2 (ja) | 1989-05-25 | 1989-05-25 | 固体電解質燃料電池の構造 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1132040A JP2843995B2 (ja) | 1989-05-25 | 1989-05-25 | 固体電解質燃料電池の構造 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH02312169A JPH02312169A (ja) | 1990-12-27 |
| JP2843995B2 true JP2843995B2 (ja) | 1999-01-06 |
Family
ID=15072105
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1132040A Expired - Fee Related JP2843995B2 (ja) | 1989-05-25 | 1989-05-25 | 固体電解質燃料電池の構造 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2843995B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| NL1019397C2 (nl) * | 2001-11-19 | 2003-06-13 | Willem Jan Oosterkamp | Brandstofcelstapel in een drukvat. |
-
1989
- 1989-05-25 JP JP1132040A patent/JP2843995B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH02312169A (ja) | 1990-12-27 |
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