JP2988160B2 - 円筒型固体酸化物燃料電池 - Google Patents

円筒型固体酸化物燃料電池

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JP2988160B2
JP2988160B2 JP4303680A JP30368092A JP2988160B2 JP 2988160 B2 JP2988160 B2 JP 2988160B2 JP 4303680 A JP4303680 A JP 4303680A JP 30368092 A JP30368092 A JP 30368092A JP 2988160 B2 JP2988160 B2 JP 2988160B2
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高志 小川
徹 塩満
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、円筒型固体酸化物燃
料電池に関し、特に燃料電池発電管の集電体の構造に特
徴を有する円筒型固体酸化物燃料電池に関するものであ
る。
【0002】
【従来の技術】固体酸化物燃料電池は、気体を活物質と
する第三世代の高温固体電解質形燃料電池型の発電装置
として将来を嘱目されているもので、世界的にその開発
・研究が鋭意行われている。この内、円筒型固体酸化物
燃料電池において重要な因子となっているものの1つ
に、電池セルユニットを構成する各発電管間の電気的接
続方法及び集電手段がある。これらの方法乃至手段に関
する代表的な従来技術として、特開昭57−13038
1号公報に開示されたものがある。
【0003】図2は、この公報に開示された単位セルユ
ニットを構成する従来の発電管の構成を示す斜視図であ
る。図において、発電管1は、円筒状の燃料電池支持管
3の上に空気電極4、固体酸化物からなる電解質5、燃
料電極6を積層させたものを主体として構成されてい
る。しかし、最外層の燃料電極6はその全領域が燃料電
極となっているのではなく、その一部の長手方向に空気
電極4と直接電気的に接続され、燃料電極6とは絶縁さ
れているインターコネクタ(相互接続体)7を有するも
のとなっている。そして、このインターコネクタ7と隣
接する他の発電管(図示せず)の燃料電極とを、金属フ
ェルト等を介して、所定の方式に基づいて接触させるこ
とにより、相互の発電管の電気的接続を行うようになっ
ている。
【0004】現在の発電管では、ランタン・カルシウム
・マンガンペロブスカイト系酸化物等の組成をもつ空気
電極の管状体を直接支持管として使用しているのが前記
の文献の技術レベルより進歩している点といえるが、イ
ンターコネクタ7の基本的構造及び電気的接続方法は前
記の文献の方式の域を出ていないのが現状である。以上
のように、現在の円筒型固体酸化物燃料電池は、発電管
の外側表面の一部に、表面の燃料電極6と絶縁され、同
時に内側の空気電極4と導通しているインターコネクタ
7を有している。そして、このような構造となっている
ため、その製造工程は複雑なものであって、その概要
は、次のようなものである。
【0005】まず、空気電極支持管3上のインターコネ
クタ7形成部分のみに、プラズマスプレー、電気化学蒸
着(EVD)等の方法によって、導電性のインターコネ
クタ材料を管表面に成膜させる。つぎに、インターコネ
クタ7部分以外の空気電極支持管3上にセラミックス電
解質をプラズマスプレー、EVD等の方法で接着させ
る。さらに、インターコネクタ7部分以外の管表面にニ
ッケル・ジルコニアサーメット等の燃料電極5を形成し
た後、最終的にインターコネクタ7の表面にニッケル等
の金属堆積物をメッキ等の方法によって付着させてい
る。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】上記のような従来の円
筒型固体酸化物燃料電池では、その発電管が、例えば内
側の空気電極の集電及び導電部分として管の外側表面に
インターコネクタを有する構造となっているため、発電
管製造の工程が複雑で製造コストの上昇を招き、かつ製
品の歩留まりも悪いという問題があった。さらに、その
構造上、インターコネクタ部分は、電池セルを構成しな
いから、発電に全く寄与しない領域となっているため
に、いわばロス領域となるので、円筒型固体酸化物燃料
電池の発電効率を低下させている。
【0007】さらに、インターコネクタの形成材料と、
空気電極材料、電解質、金属堆積物(例えばニッケルメ
ッキ)等との熱膨張率の違いから、1000℃前後の高
温の電池作動条件下、あるいは昇降温の過程で各層の相
互剥離を生ずることもあり、ひいては、燃料電池が運転
不能に陥る原因を引き起こすこともあり得るということ
が問題となっていた。
【0008】この発明は、上述のような問題点を解決す
るためになされたもので、インターコネクタを必要とし
ないで、簡単な構造の集電体を有し、しかも、発電効率
の向上が得られる発電管からなる円筒型固体酸化物燃料
電池を提供することを目的とするものである。
【0009】
【課題を解決するための手段】この発明に係る円筒型固
体酸化物燃料電池は、電池本体部を空気電極、電解質及
び燃料電池の3つの部分の積層円筒型セルで構成する円
筒型固体酸化物燃料電池であって、前記空気電極に接触
するように該空気電極内側の円筒空間に挿入されて、前
記電極の集電を行う導電材料からなる合金管の集電体を
備えたものにおいて、前記集電体が前記空気電極の内面
に向かって凸状に湾曲した曲率と弾性とを有する板状の
導電性部材を備え、該導電性部材の湾曲した凸面が前記
空気電極の内面と接触しているものである。ここで、前
記集電体は、インコネル上にランタン・ストロンチウム
・コバルト系ペロブスカイト系酸化物をコーティングし
た導電材質からなるものである。
【0010】
【作用】この発明においては、例えば円筒型の空気電極
からなる支持管の表面全周及び長手方向にわたって形成
した均質な電解質薄膜、さらにこの電解質薄膜上に均質
な燃料電極薄膜を有する円筒状電池セルを発電管の本体
部分とし、さらに、この発電管の円筒中心空間に、フィ
ン状又はこれに類似する形状の突起物を取り付けた良導
電性の合金管からなる集電体を発電管のほぼ全長にわた
って挿入したものとしたから、この合金管を介して内側
の空気電極から直接集電することが可能となる。このよ
うにして、従来の同種燃料電池のようなインターコネク
タを必要としないから、インターコネクタが必要として
いた面積領域を含めた全円筒面を電池セルとして有効に
利用できることとなり、少なくともその分だけ従来物よ
り発電効率が向上する。
【0011】さらに、導電性の高い合金でフィンやその
同類物を付設した合金管の集電体を空気電極管の内部全
長にわたって挿入するため、導電抵抗の増大を招くこと
なく、空気電極全域から集電することができ、特性の良
い空気電極集電体として使用できる。また、合金管に設
けたフィン状あるいは類似形状の突起物を、例えば適度
な曲率をもつ薄板状のものとすれば、合金の熱膨張を吸
収するようなものとし得るから、燃料電池発電条件の高
温下での前記合金の熱膨張によって空気電極支持管を破
壊するといったトラブルがなくなる。そして、発電用の
空気は合金管の中空内部を通って発電管末端まで送ら
れ、発電管内部によどみを作ることなく供給される。
【0012】
【実施例】図1はこの発明による発電管の一実施例の構
成を示す部分断面を含む模式斜視図である。図におい
て、発電管11は、円筒状の空気電極14の全表面上に
形成された膜状の電解質15、さらにその上に設けられ
た膜状の燃料電極16からなる円筒状の本体部分を主体
とし、空気電極14の内側空間に例えば湾曲したフィン
17を複数個(図には一例として3個のものを示した)
外側に取り付けた導電性の管状体(中空)からなる合金
管18を集電体として管の全長にわたってフィン17部
分で接触するように挿入した恰好で構成したものであ
る。
【0013】空気電極14は、図2の従来例の燃料電池
支持管3と空気電極4とを合体した機能を持つものとし
たもので、支持管を兼ねた空気電極である。空気電極1
4は内径10mm、外径14mmの例えばランタン・ス
トロンチウム・酸化マンガン系のペロブスカイト(La
0.8Sr0.2MnO3−δ)からなる円筒体であ
る。電解質15は、通常使用されているイットリウム安
定化ジルコニア(YSZ)の膜、燃料電極16は、これ
も同様に通常使用されているニッケル・YSZ・サーメ
ット膜からなるものである。なお、上述の空気電極14
を形成したランタン・ストロンチウム酸化マンガン系の
ペロブスカイトは、これに限定されるものではない。
【0014】そして、フィン17は、合金管18と同じ
材質で形成されるが、適度の曲率と弾性を有する薄い板
状のものからなり、これが合金管18の外側に均等に割
り振って取り付けられている。ただし、フィンに限定さ
れず、図示しないが例えば適切な形状をもつ突起物状の
ものとしてもよい。中空の合金管18は、インコネル6
01で形成された細長い管で、約1000℃の高温下に
おけるインコネルの防錆材を兼ねて、表面にランタン・
ストロンチウム・コバルト系ペロブスカイト(La
1−xSrCoO3−δ)酸化物等をコーティングし
ているものである。なお、このコーティング材もこのペ
ロブスカイトに限定されるものではない。前述したが、
フィン17の表面にもこのコーティングが形成されてい
る。このようなフィン17付き合金管18を空気電極1
4が形成する円筒空間に挿入することにより、フィン1
7と空気電極14とを接触させて、この場合、電池の空
気電極側の集電管を構成している。この集電管(合金管
18)は、図2の従来例のインターコネクタ7と同様な
機能をもつものとなり、図1に示した電池の単位セルの
複数個を積層乃至集合する場合の実装面での直・並列結
合において効果的に使用される。すなわち、上記の合金
管18と燃料電極16とを、合金線、金属フェルト等を
介して所定の方式で接続することにより、発電管相互間
の電気的接続が容易に実施できる。
【0015】ここで、実用面における重要な性能因子と
なるので、1000℃の加熱条件下における空気電極1
4と合金管18との間の導電率及び空気電極14及び合
金管18の形状変化の2つの項目について、試験した結
果について説明する。その結果、空気電極14側に空
気、燃料電極16側に水素を流通させ、1000℃で無
負荷電圧1.02Vの状態での空気電極と合金管との間
の導電率は10mΩcmであり、良好な値を得た。ま
た、25℃と1000℃との温度の間での昇降温繰り返
しテストにおいても、空気電極管の割れ等の破壊を生ず
ることなく、形状の変化に対しても不都合なトラブルは
なかった。これらの試験結果は、この発明の有効性を実
証するものである。
【0016】以上のように、この発明による発電管は従
来のようなインターコネクタ構造を必要としないため、
その製造工程において、前述のインターコネクタ部分の
製造に従来必要としていたような導電性のインターコネ
クタ部材のプラズマスプレーあるいはEVD等の方法に
よる成膜、インターコネクタ表面へのニッケル等の金属
堆積物のメッキ等による付着等の工程やこれらの工程に
欠かせないマスキング、デマスキング等の工程・作業が
全て不要となり、製造工程の大幅短縮乃至簡略化が可能
となる。この工程簡略化により製品歩留まりの向上も達
成される。
【0017】さらに、この発電管は、円周方向及び長手
方向に、すべて軸対称で均一な構造をもつことになるの
で、従来のように、インターコネクタ部と他の材質部と
の間の熱膨張の違いからインターコネクタ部と他の材質
部が相互剥離を起こすといった故障はなくなる。したが
って、発電管の信頼性の向上、発電運転の長期安定化に
大きく寄与するものとなる。また、発電管の全円筒表面
が電池セルの有効発電部となるから、従来のインターコ
ネクタ部がロス部となっていた面積分だけ発電効率の向
上が得られる。
【0018】
【発明の効果】以上のようにこの発明によれば、円筒型
固体酸化物燃料電池の発電管の空気電極を兼ねる空気電
極支持管の内側円筒空間に、フィン状あるいはこれに類
似する突起物を有する導電性と耐熱性に優れた合金管を
内装し、この合金管を集電体として用い、この合金管を
介して集電するようにしたから、従来品のようなインタ
ーコネクタを必要としない発電管の構造が得られ、この
構造により発電管の全表面が有効発電部となるので、発
電効率が大きく向上した。さらに、前記のように、イン
ターコネクタ部を必要としない構造としたので、発電管
の製造工程を大幅に簡略化することができた。この工程
簡略化により、製造コストの大幅低減と製品歩留まりの
向上が達成された。また、この発電管は、円筒面の全域
にわたって軸対称でかつ均質な構造をもつため、従来の
ように熱膨張の違いからインターコネクタ部と他の材質
部との剥離が発生するというようなことは起こり得なく
なるから、発電管そのものの信頼性向上に大きく寄与す
る効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の一実施例の発電管の構造を示す部分
断面斜視図である。
【図2】従来の発電管の構造を示す部分断面斜視図であ
る。
【符号の説明】 1,11 発電管 3 燃料電池支持管 4,14 空気電極 5,15 電解質 6,16 燃料電極 7 インターコネクタ 17 フィン 18 合金管
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 大野 陽太郎 東京都千代田区丸の内一丁目1番2号 日本鋼管株式会社内 (56)参考文献 特開 平3−59955(JP,A) 特開 昭62−246267(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01M 8/00

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 電池本体部を空気電極、電解質及び燃料
    電池の3つの部分の積層円筒型セルで構成する円筒型固
    体酸化物燃料電池であって、 前記空気電極に接触するように該空気電極内側の円筒空
    間に挿入されて、前記電極の集電を行う導電材料からな
    合金管の集電体を備えたものにおいて、 前記集電体が前記空気電極の内面に向かって凸状に湾曲
    した曲率と弾性とを有する板状の導電性部材を備え、該
    導電性部材の湾曲した凸面が前記空気電極の内面と接触
    していることを特徴とする円筒型固体酸化物燃料電池。
  2. 【請求項2】 前記集電体は、インコネル上にランタン
    ・ストロンチウム・コバルト系ペロブスカイト系酸化物
    をコーティングした導電材質からなるものであることを
    特徴とする請求項1記載の円筒型固体酸化物燃料電池。
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FR2877496B1 (fr) * 2004-11-02 2006-12-15 Commissariat Energie Atomique Module de pile a combustible a interconnecteurs flexibles.
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