JP3217908B2 - 固体電解質型燃料電池の構造 - Google Patents

固体電解質型燃料電池の構造

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    • H01M8/10Fuel cells with solid electrolytes
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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、固体電解質を用いた
筒形の燃料電池に関するものである。
【0002】
【従来の技術】固体電解質型燃料電池は、イットリア安
定化ジルコニア(YSZ)やカルシア安定化ジルコニア
(CSZ)などの固体電解質の両側に空気電極(陽極)
と燃料電極(陰極)とを設け、固体電解質を介して燃料
ガスと空気とを電気化学的に反応させることにより電力
を得るものである。この種の燃料電池では、燃料ガス流
路と空気流路とを気密状態に分離する必要があるので、
従来、例えば固体電解質を筒状に形成し、その内周面お
よび外周面に前記各電極を設けた円筒式のものが知られ
ている。
【0003】図2はこのような円筒式の固体電解質型燃
料電池の一例を示している。この燃料電池100は、例
えば円筒状の固体電解質11の内面側に空気電極12を
有し、外面側に燃料電極13を有する円筒状の単セル1
0を、多孔質な支持管20の外面に取り付け、支持管2
0内に空気を流すとともに、燃料電極13の外方に水素
ガスなどの可燃性の燃料ガスを流して発電を行うもので
ある。なお、21はインターコネクタであって、空気電
極12に導通した状態で単セル10の外面側に突出して
設けられており、このインターコネクタ21と単セル1
0の燃料電極13とから単セル10で発生した電力を外
部に取り出すことができ、また直並列に接続することが
できる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記燃料
電池100は、支持管20の周りに1個の単セル10を
有するのみであるため、この燃料電池100の起電力は
小さく、その大きさの割りには出力密度が小さいという
不都合があった。また、単セル10は、固体電解質11
を挟んで空気電極12と燃料電極13とを設けた3層構
造であるが、これらの各層は極めて薄いものであるか
ら、燃料電池100の全体としての機械的強度が低く、
折れやすいなどの不都合があった。
【0005】この発明は上記の事情に鑑みてなされたも
ので、出力密度が大きく、かつ機械的強度の高い固体電
解質型燃料電池の新規な構造を提供することを目的とす
るものである。
【0006】
【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、筒状の固体電解質の内周面と外周面
とのいずれか一方に空気電極が形成されるとともに、他
方に燃料電極が形成された筒状の単セルを、導電性およ
び気密性を有するセパレータを挟んで、空気電極と燃料
電極とが交互に位置するように同心状に複数積層し、前
記セパレータの各単セルの空気電極に臨む面に空気電極
用ガス流路を形成し、かつ燃料電極に臨む面に燃料電極
用ガス流路を形成したことを特徴とするものである。
【0007】
【作用】この発明の燃料電池においても、空気電極用ガ
ス流路および燃料電極用ガス流路に、空気や燃料ガスを
それぞれ流すことにより、固体電解質を挟んだ酸化・還
元反応により起電力が生じる。この固体電解質および空
気電極ならびに燃料電極からなる単セルは、それぞれ筒
状をなしかつ内周側から外周側に複数層に形成され、し
かも各単セルはセパレータを介して直列に接続した状態
となっている。したがって得られる電力は、各単セルで
の出力の総和になるので、出力を大きくすることができ
る。また積層した単セルが、セパレータを含めて全体と
して肉厚の厚いものとなるので、強度が高くなる。
【0008】
【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。図1はこの発明の一実施例である固体電解質を
用いた円筒式の燃料電池の斜視図およびその単セル周り
の部分拡大図である。この燃料電池1は、円筒状の支持
管20の周りに円筒状の単セル10と円筒状のセパレー
タ30とが交互に同心状に積層された円筒式の燃料電池
であり、この実施例では、支持管20の周りを第1単セ
ル10Aが覆い、この第1単セル10Aの周りをセパレ
ータ30が覆い、さらにこのセパレータ30の周りを第
2単セル10Bが覆った4層構造となっている。
【0009】単セル10は例えばイットリア安定化ジル
コニア(YSZ)から構成される固体電解質11を挟ん
でその一面側に例えばペロブスカイト型ランタン系複合
酸化物から構成される空気電極12(陽極)を取り付
け、他面側に例えばニッケルなどを主体とした燃料電極
13(陰極)を取り付けたものである。
【0010】支持管20は、その内側を流れる空気中の
酸素を単セル10(第1単セル10A)の空気電極12
側に移動させる機能を有するとともに、燃料電池1の全
体強度を保持する機能を有するもので、例えばアルミナ
を素材とした多孔質管から構成されている。セパレータ
30は導電性および気密性を有する材料、例えばニッケ
ルとジルコニアからなるサーメットから構成されてお
り、その第1単セル10Aの燃料電極13側の面には燃
料電池1の軸線方向Aに向かって複数の凹溝からなる燃
料ガス流路31が形成されており、第2単セル10Bの
空気電極12側の面には同様に燃料電池1の軸線方向A
に向かって複数の凹溝からなる空気流路32が形成され
ている。
【0011】つぎにこの燃料電池1の作用を説明する。
燃料電池1の支持管20内およびセパレータ30の空気
流路32内には、燃料電池1の軸線方向Aに向かって空
気が流され、セパレータ30の燃料ガス流路31内およ
び第2単セル10Bの燃料電極13の外方には、燃料電
池1の軸線方向Aに向かって水素(H2 )を主体とした
燃料ガスが流される。この場合、支持管20内の空気中
の酸素(O2 )は第1単セル10Aの空気電極12に達
した後、酸素イオンとなってその固体電解質中を通過し
燃料電極13側に達する。そして、この酸素イオンはセ
パレータ30の燃料ガス流路31を流れる燃料ガス中の
2 と電気化学的に反応して水(H2 O)となり、この
際に、第1単セル10Aには所定の起電力が発生する。
【0012】また、セパレータ30の空気流路32を流
れる空気中のO2 は第2単セル10Bの空気電極12に
達した後、酸素イオンとなって固体電解質11中を通過
し燃料電極13側に達する。そして、この酸素イオンは
燃料電極13の外方を流れる燃料ガス中のH2 と電気化
学的に反応することによりH2 Oとなり、この際に、第
2単セル10Bには所定の起電力が発生する。この場
合、第1単セル10Aの燃料電極13と第2単セル10
Bの空気電極12とがセパレータ30を介して電気的に
接続され、第1単セル10Aと第2単セル10Bとが電
気的に直列に接続されているため、第1単セル10Aの
空気電極12と第2単セル10Bの燃料電極13とから
は、第1単セル10Aの起電力に第2単セル10Bの起
電力を加えた合計の起電力を取り出すことができる。
【0013】なお、上記実施例では2個の単セル10と
1個のセパレータ30とで燃料電池1を構成したが、こ
れに限らず、3個以上の単セル10とこれに対応する2
個以上のセパレータ30とで燃料電池1を構成してもよ
いことは勿論である。また単セル10の空気電極12と
燃料電極13とを入れ替え、空気と燃料ガスの流れを上
記実施例の場合と逆にするようにしてもよいことは勿論
である。
【0014】以上のように円筒状の単セル10を、導電
性および気密性を有するセパレータ30を挟んで、その
空気電極12と燃料電極13とが交互に位置するよう同
心状に複数積層し、前記セパレータ30の単セル10の
空気電極12および燃料電極13側にそれぞれ空気流路
32および燃料ガス流路31を設けたため、1つの円筒
形状をした燃料電池1に互いに直列に連絡された複数の
単セル10を備えることができ、円筒状燃料電池1の出
力密度の向上を図ることができる。また、この燃料電池
1では、複数の単セル10と1または2以上のセパレー
タ30とを同心状に積層しているため、その分、燃料電
池1の機械的強度の増加を図ることができる。
【0015】なお、この発明は、インターコネクタの使
用を排除するものではなく、従来と同様なインターコネ
クタにより支持管20に最も近い単セル10の電極(上
記の実施例の場合は第1単セル10Aの空気電極12)
の接合部を燃料電池1の外方に取り出し、このインター
コネクタを介して複数の燃料電池1を直列または直並列
等に連結して、複数の燃料電池1によりモジュールを形
成するようにしてもよい。この場合、インターコネクタ
と他の電極12,13およびセパレータ30等とを充分
に絶縁する必要がある。
【0016】
【発明の効果】以上の説明から明らかなようにこの発明
によれば、固体電解質を有する筒状の単セルを、セパレ
ータを挟んで、互いに直列に接続されるよう同心状に複
数積層し、かつ、このセパレータに空気電極用ガス流路
および燃料電極用ガス流路を設けているため、この円筒
状の燃料電池にて複数の単セルに対応した合計分の電力
を得ることができ、筒状をした燃料電池の出力密度の向
上を図ることができる。また、この燃料電池では単セル
およびセパレータが同心状に複数積層されているため、
その分、従来の円筒状の燃料電池に比べ機械的強度の向
上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の一実施例を示す燃料電池の斜視図お
よび部分拡大図である。
【図2】従来の燃料電池の斜視図である。
【符号の説明】
10…単セル、 11…固体電解質、 12…空気電
極、 13…燃料電極、30…セパレータ、 31…燃
料ガス流路、 32…空気流路。
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平1−298647(JP,A) 特開 平3−95869(JP,A) 特開 平2−227964(JP,A) 特公 昭48−36297(JP,B1) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01M 8/02 H01M 8/12

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 筒状の固体電解質の内周面と外周面との
    いずれか一方に空気電極が形成されるとともに、他方に
    燃料電極が形成された筒状の単セルを、導電性および気
    密性を有するセパレータを挟んで、空気電極と燃料電極
    とが交互に位置するように同心状に複数積層し、前記セ
    パレータの各単セルの空気電極に臨む面に空気電極用ガ
    ス流路を形成し、かつ燃料電極に臨む面に燃料電極用ガ
    ス流路を形成したことを特徴とする固体電解質型燃料電
    池の構造。
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