JP3688305B2 - 円筒形固体電解質燃料電池 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は、円筒横縞形の固体電解質燃料電池（ＳＯＦＣ）に関し、特に集電手段と支持手段とを兼ねた燃料電極管の構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
固体電解質型の燃料電池は、固体イオン導電体としてのセラミックスのジルコニアにイットリアを固溶した安定化ジルコニア（ＹＳＺ）が電解質に使用され、この電解質層を挟んで燃料電極と空気電極とを形成したものである。この安定化ジルコニアは、１０００℃の高温になると酸素イオンの透過性が高くなり、電子導電性がほとんど無く、酸素や水素のガスを透過しない等の特性を有することから、この特性を電解質に利用している。この場合に、イオン透過性が高いとは言え他の方式と比較すると低いため、固体電解質が極めて薄い膜状に生成される。こうして構成要素の全てが固体になるため、電池構造が簡素化し、高温で作動するため電極反応が非常に活発で効率が良くなり、触媒等も不要になる等の利点を有する。
【０００３】
一方、固体電解質が１０００℃の高温で作動するため、空気電極と燃料電極も必然的にその高温雰囲気となり、高温加熱、強い酸化や還元反応、熱膨張等の影響を受ける。そこで空気電極は、酸素の高温雰囲気で化学的に安定であり、更に電子導電性が高く、酸素ガスの透過性が良く、電解質との熱膨張の整合が良いことが要求され、このような条件を満たす材料として例えばペロブスカイト形ランタン系複合酸化物を使用して薄い多孔質膜に形成されている。燃料電極は、電子導電性や電解質との熱膨張の整合が良く、水素との燃焼反応や反応物の除去等が良いことが要求され、このため例えば金属のニッケルとジルコニアとの混合物のサーメットを使用して薄い多孔質膜に形成されている。また複数個のセルを接続するインターコネクターも、高温雰囲気で安定で導電性の良いセラミックスが使用されている。
【０００４】
これらセラミックスの固体電解質、２つの電極等で実際にセルをを構成する場合は、例えば機械的に支持する多孔絶縁性の支持体を使用し、その支持体の上に各種の薄膜を多層に積層形成して、三層一体化膜に構成される。この薄膜形成の場合には、各膜に要求される異なった条件を満たすため、各種溶射法、スラリ法等が用いられている。また平板形にした場合は端部でのガスシールの問題があるため、円筒形構造にすることが多い。
【０００５】
従来、円筒横縞形の固体電解質燃料電池は、例えば図３のように構成されている。即ち、燃料電池１はアルミナやジルコニアを使用した多孔絶縁性の筒状支持管２を有し、この支持管２の上に例えば３つのセル３ａ〜３ｃが直列配置されている。即ち、支持管２の上の最も内側に燃料電極４が、ニッケルとジルコニアのサーメットの多孔質膜で断続的に形成され、この燃料電極４の外周側と燃料電極４同士との間に安定化ジルコニアの固体電解質５が、絶縁体を兼ねて階段状に形成されている。またインターコネクター６が、燃料電極４の外周側から固体電解質５の側に形成され、固体電解質５とインターコネクター６とに跨がって空気電極７が、複合酸化物の多孔質膜で形成されている。こうしてセル３ａ〜３ｃは、支持管２で支持して三層一体化膜に構成され、セル３ａ〜３ｃ同士が固体電解質５で絶縁され、且つインターコネクター６により電子を通すと共に直列接続されている。
【０００６】
一方、支持管２のセル３ａ，３ｃから外れた左右両側の箇所に集電リード８ａ，８ｂが薄膜で形成されている。これら集電リード８ａ，８ｂは支持管２との熱膨張を整合するため、ニッケル等の金属、またはニッケルとジルコニアのサーメットが使用されている。そして図の右側の正極側集電リード８ａはインターコネクター６を介して右側のセル３ａの空気電極７に接続され、左側の負極側集電リード８ｂは左側のセル３ｃの燃料電極４に接続されている。また集電リード８ａ，８ｂ等の外周側はガスシール層９で被覆され、こうして燃料電池１が全体として細い筒状で３つのセル３ａ〜３ｃを横縞模様に配置した構造となっている。
【０００７】
そこで燃料電池１の作動時には、セル３ａ〜３ｃを１０００℃の高温雰囲気にして支持管２の内部に燃料の水素等を、周囲に空気中の酸素を連続的に供給する。すると空気電極７では酸素が外部回路を流れる電子と反応してイオン化され、この酸素イオンが固体電解質５を通って燃料電極４に達する。そして燃料電極４ではその酸素イオンが水素と結合して電子と水とを生じるのであり、このような電気化学反応により電気を発生する。この場合に、３つのセル３ａ〜３ｃが直列接続されることで、３つのセル３ａ〜３ｃの電圧を加算した合計電圧が、左右の集電リード８ａ，８ｂで集電して外に取り出される。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記従来技術のものにあっては、集電リード８ａ，８ｂが薄膜で長く形成されている。このため集電リード８ａ，８ｂの部分の抵抗が大きくなって、電圧損失が大きい等の問題がある。
【０００９】
この発明は、このような点に鑑み、支持管、燃料電極及び集電リードの部分の構成を改善して、集電抵抗を低減し且つ構造を簡素化することを目的とするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するためこの発明は、材料の異なる集電部、絶縁部及び燃料電極が同一径の筒状に形成されて軸方向一直線上に配置され、燃料電極と同心円上に固体電解質および空気電極が薄膜多層に形成されてセルが構成され、その燃料電極が軸線方向での一端側の集電部に接続され、かつ空気電極が軸線方向での他端側の集電部に接続された円筒形固体電解質燃料電池であって、材料の異なる集電部、絶縁部及び燃料電極の相互の中間部分に、該中間部分の両側に位置する部分の材料を混合し且つその配合割合を軸方向に傾斜化して、複数の異種材料が同種接合される傾斜部を設け、この傾斜部を介し集電部、絶縁部及び燃料電極を順次接合して、集電手段と支持手段とを兼ねた燃料電極管を形成するとともに、前記燃料電極は傾斜部を介して前記集電部に接続され、前記空気電極は、該空気電極の内周側に形成されるインターコネクターと傾斜部とを介して集電部に直列接続されていることを特徴とするものである。
【００１３】
【作用】
上記構成によるこの発明では、燃料電極管が傾斜機能を有する傾斜部を介して集電部、絶縁部及び燃料電極を順次接合して形成されることで、例えば集電部が金属のニッケル、絶縁部がジルコニア、燃料電極がニッケルとジルコニアのサーメットを使用する場合に、これら構成要素のいずれも傾斜部により同種接合した状態になる。
【００１４】
このため１０００℃の高温雰囲気で作動する際に、燃料電極管は材料の異なる集電部、絶縁体部及び燃料電極のいずれの接合箇所も、傾斜部との同種接合の熱膨張により熱的に整合して大きい接着強度が確保され、機械的に強く一体結合して保持される。このため燃料電極管でセルを確実に支持することが可能になって、支持管等が不要になる。またセルで発生した電気は、インターコネクターと傾斜部との直列接続により加算され、この合計電圧がインターコネクターおよび傾斜部を介し、燃料電極管の傾斜部のニッケルを多く含む部分とニッケルの集電部で集電されて、電圧損失が大幅に低減される。
【００１５】
【実施例】
以下、この発明の実施例を図面に基づいて説明する。図１において、円筒横縞形の固体電解質燃料電池の全体の構成について説明する。符号１は固体電解質燃料電池であり、比較的厚い筒状の燃料電極管１０を有し、この燃料電極管１０に例えば２つのセル２０ａ，２０ｂが直列配置される。この燃料電極管１０は、集電部１３として導電性の良い金属のニッケルが使用され、絶縁部１２として絶縁性の良いジルコニアが使用され、多孔質膜の燃料電極１１としてニッケルとジルコニアのサーメットが使用される。これら材料の異なる集電部１３、絶縁部１２及び燃料電極１１が同一径の筒状に形成されて、図１のように軸方向一直線上に配置され、集電と支持を兼ねることが可能になっている。
【００１６】
ここで材料の異なる集電部１３、絶縁部１２及び燃料電極１１を単に接合しただけでは、異種材料の接合となる。このため１０００℃の高温雰囲気では、接合箇所で熱膨張の相違により熱的不整合となって剥離等を生じる。そこでこの高温雰囲気中での燃料電極管１０の異種材料の接合箇所で、熱的に整合して機械的特性を強化するため、２個づつの集電部１３、絶縁部１２及び燃料電極１１が接合する５箇所に、それぞれ第１ないし第５の傾斜部１４ａ〜１４ｅが介設されている。
【００１７】
図の最も右側の第１の傾斜部１４ａは、ジルコニアの絶縁部１２とニッケルの集電部１３の接合箇所であるから、両者のジルコニアとニッケルの材料が混合される。そしてこれら材料の配合割合が、図２のように集電部側境界ではニッケルが略１００％で集電部１３と同種接合し、絶縁部側境界ではジルコニアが略１００％で絶縁部１２と同種接合するように軸方向に変化して傾斜化されている。第２の傾斜部１４ｂは、ニッケルとジルコニアのサーメットの燃料電極１１とジルコニアの絶縁部１２の接合箇所であるから、ニッケルとジルコニアが混合され、その配合割合が同図のように、絶縁部側境界ではジルコニアが略１００％、燃料電極側境界ではサーメットと同一の配合割合に傾斜化されている。
【００１８】
第３と第４の傾斜部１４ｃ，１４ｄは、第２の傾斜部１４ｂと同様に傾斜化される。最も左側の第５の傾斜部１４ｅは、ニッケルの集電部１３とサーメットの燃料電極１１の接合箇所であるから、ニッケルとジルコニアが混合され、その配合割合が燃料電極側境界ではサーメットと同一の配合割合に、集電部側境界ではニッケルが略１００％に傾斜化されている。これら傾斜部１４ａ〜１４ｅの傾斜機能は、例えば溶射法を使用すると、傾斜部成形時の材料供給の際にその配合割合を制御することで、軸方向の配合割合を任意に変化させて傾斜化することができる。
【００１９】
こうして燃料電極管１０の材料の異なる集電部１３、絶縁部１２及び燃料電極１１が、いずれも傾斜部１４ａ〜１４ｅにより、図２のように同種材料の接合状態で順次一直線上に接合して一体化される。また全ての傾斜部１４ａ〜１４ｅでは金属のニッケルが含まれることで、導電性が良好になり、このため傾斜部１４ａ〜１４ｅを電気回路に用いることが可能になる。
【００２０】
続いて、セル２０ａ，２０ｂの構成について説明する。第１のセル２０ａは、燃料電極１１と傾斜部１４ｂとの外周側に安定化ジルコニアからなる固体電解質２１が形成されている。また傾斜部１４ａと絶縁部１２との外周側に、高温雰囲気で安定で導電性の良いセラミックスのインターコネクター２３が形成されている。そして固体電解質２１とインターコネクター２３とに跨がってこれらの外周側に複合酸化物からなる多孔質膜の空気電極２２が形成されて、実質的に三層一体化膜に構成されている。また第２のセル２０ｂは、燃料電極１１と傾斜部１４ｄとの外周側に同一の固体電解質２１が形成され、傾斜部１４ｃと絶縁部１２との外周側に同一のインターコネクター２３が形成されている。そして固体電解質２１とインターコネクター２３とに跨がってこれらの外周側に同一の空気電極２２が形成されて、三層一体化膜に構成されている。更に、左右両端のニッケルの集電部１３の外周側はガスシール層２４によって被覆されている。
【００２１】
こうして２つのセル２０ａ，２０ｂは、燃料電極管１０の外周側にそれぞれ機械的に支持して設けられている。そしてセル２０ａ，２０ｂ同士が絶縁部１２で絶縁され、インターコネクター２３と第３の傾斜部１４ｃで直列接続されている。また第１のセル２０ａの空気電極側がインターコネクター２３と第１の傾斜部１４ａとにより右側の集電部１３に接続され、第２のセル２０ｂの燃料電極側が第５の傾斜部１４ｅにより左側の集電部１３に接続されている。そこで燃料電池１は、全体として細い筒状で２つのセル２０ａ，２０ｂを横縞模様に配置した構造となっている。
【００２２】
次に、この実施例の作用について説明する。先ず、燃料電池１の作動時にセル２０ａ，２０ｂを１０００℃の高温雰囲気すると、燃料電極管１０の材料の異なる集電部１３、燃料電極１１及び絶縁部１２が高温に加熱される。そこで例えばニッケルの集電部１３とジルコニアの絶縁部１２の接合箇所では、それ自体の熱膨張が相違するが、集電部１３と絶縁部１２とのいずれも両者の間の傾斜部１４ａの一部と同種接合となっている。このため集電部１３と絶縁部１２との接合側は傾斜部１４ａの一部と同一に熱膨張して熱的に整合し、このため上記高温雰囲気でも剥離等を生じることなく大きい接着強度が確保される。
【００２３】
以下同様にして、他の集電部１３、燃料電極１１及び絶縁部１２の接合箇所でも、傾斜部１４ｂ〜１４ｅにより高温雰囲気で熱的に整合して、大きい接着強度が確保される。そこで高温雰囲気中の燃料電極管１０は、材料の異なる集電部１３、燃料電極１１及び絶縁部１２を強固に一体結合した状態に保持され、この燃料電極管１０により２つのセル２０ａ，２０ｂが確実に支持される。
【００２４】
続いて、燃料電極管１０の内部に燃料の水素等を、周囲に空気中の酸素を連続的に供給すると、絶縁部１２で絶縁された２つのセル２０ａ，２０ｂでそれぞれ電気化学反応する。即ち、高温雰囲気の空気電極２２では酸素が外部回路を流れる電子と活発に反応してイオン化され、このイオンが高温雰囲気の安定化ジルコニアの固体電解質２１をその特性により通る。そして燃料電極１１では固体電解質２１を通った酸素イオンが水素と活発に結合し、電子と水とを生じるように燃焼反応して電気を発生する。このとき２つのセル２０ａ，２０ｂで発生した電圧は、インターコネクター２３と第３の傾斜部１４ｃの直列接続により加算され、この合計電圧がインターコネクター２３、左右両端の傾斜部１４ａ，１４ｅを介し集電部１３で集電される。
【００２５】
この場合に、左右両端の傾斜部１４ａ，１４ｅは集電部側境界に金属のニッケルを多く含んでいる。また左右の集電部１３は金属のニッケルであり、且つ燃料電極管１０の構成要素として比較的厚く形成されるため抵抗が非常に小さい。そこで、これら傾斜部１４ａ，１４ｅと集電部１３により電圧損失が非常に小さい状態で効率良く集電される。
【００２６】
以上、この発明の実施例について説明したが、燃料電極管の集電部、絶縁部及び燃料電極の材料、配置が異なる場合、他の構成要素を付加する場合にも同様に適応できることは勿論である。
【００２７】
【発明の効果】
以上、説明したようにこの発明によれば、円筒形固体電解質燃料電池において、材料の異なる集電部、絶縁部及び燃料電極を互いに接合する部分に、両者の材料を混合し且つその配合割合を軸方向に傾斜化した傾斜部を設け、この傾斜部を介し集電部、絶縁部及び燃料電極を順次接合して燃料電極管を形成する構成であるから、高温雰囲気中でいずれの接合箇所も熱的に整合して、機械的に強い燃料電極管にすることができる。またセルで発生した電気は、インターコネクターと傾斜部との直列接続により加算され、この合計電圧がインターコネクターおよび傾斜部を介し、燃料電極管の金属の多い傾斜部と金属の集電管で集電するので、集電抵抗を大幅に低減できる。さらに燃料電極管によりセルを直接支持するので、支持管等が不要になって、構造が大幅に単純化され、構造の単純化により、製造時間が短縮化し、コスト低減が図れる。そして燃料電極管は金属を中心とした材料で製造されるので、低コスト化を図ることができるなどの効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係る円筒形固体電解質燃料電池の実施例を示す断面図である。
【図２】燃料電極管の材料の配分状態を示す図である。
【図３】従来の円筒横縞形固体電解質燃料電池を示す断面図である。
【符号の説明】
１…円筒形固体電解質燃料電池、 １０…燃料電極管、 １１…燃料電極、 １２…絶縁部、 １３…集電部、 １４ａ，〜１４ｅ…傾斜部、 ２０ａ，２０ｂ…セル、 ２１…固体電解質、 ２２…空気電極。

Claims (1)

1. 材料の異なる集電部、絶縁部及び燃料電極が同一径の筒状に形成されて軸方向一直線上に配置され、燃料電極と同心円上に固体電解質および空気電極が薄膜多層に形成されてセルが構成され、その燃料電極が軸線方向での一端側の集電部に接続され、かつ空気電極が軸線方向での他端側の集電部に接続された円筒形固体電解質燃料電池において、
   材料の異なる集電部、絶縁部及び燃料電極の相互の中間部分に、該中間部分の両側に位置する部分の材料を混合し且つその配合割合を軸方向に傾斜化して、複数の異種材料が同種接合される傾斜部を設け、この傾斜部を介し集電部、絶縁部及び燃料電極を順次接合して、集電手段と支持手段とを兼ねた燃料電極管を形成するとともに、前記燃料電極は傾斜部を介して前記集電部に接続され、前記空気電極は、該空気電極の内周側に形成されるインターコネクターと傾斜部とを介して前記集電部に直列接続されていることを特徴とする円筒形固体電解質燃料電池。

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