JP5708541B2 - 筒型燃料電池の接続構造及び接続方法並びに２次電池型燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、二つの筒型燃料電池の電気的接続を行う接続構造及び接続方法並びに当該接続構造を有する２次電池型燃料電池システムに関する。

燃料電池は、典型的には、固体ポリマーイオン交換膜を用いた固体高分子電解質層膜、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）を用いた固体酸化物電解質層膜等を、燃料極（アノード）と酸化剤極（カソード）とで両側から挟み込んだものを１つのセル構成としている。そして、燃料極に燃料ガス（例えば水素ガス）を供給する燃料ガス流路と、酸化剤極に酸化剤ガス（例えば酸素や空気）を供給する酸化剤ガス流路とが設けられ、これらの流路を介して燃料ガス、酸化剤ガスがそれぞれ燃料極、酸化剤極に供給されることにより発電が行われる。

燃料電池は、原理的に取り出せる電力エネルギーの効率が高いため、省エネルギーになるだけでなく、環境に優れた発電方式であり、地球規模でのエネルギーや環境問題解決の切り札として期待されている。

燃料電池の形状は様々であるが、その中の一つに筒型形状がある。また、高出力を得るために、セル単位の燃料電池同士を電気的に接続してモジュール化することもよく行われている。

そして、筒型燃料電池同士を電気的に接続する方法として、二つの筒型燃料電池を金属チューブに嵌め、高温にて筒型燃料電池と金属チューブとの隙間に銀ロウなどの金属材料を流し込み、その後室温に戻す方法が一般に用いられている。

特開２００６−２４２２８５号公報 特開昭６１−２１８０７７号公報

しかしながら、この方法では、金属チューブへの筒型燃料電池の嵌め込みを容易にするために、金属チューブの内径を大きくして、筒型燃料電池との隙間を大きくすれば、隙間を完全に埋めることが難しくなり、接続部分の電気抵抗の増加や接続部分のガスリークを引き起こすことになる。逆に、金属チューブの内径を小さくすれば、筒型燃料電池の形状に求められる精度が高くなり、製造コストが上昇する。

なお、特許文献１で提案されている配管継手部のシール構造は、電気的な接続を考慮しておらず、接続部分の電気抵抗の増加を抑える技術ではない。一方、特許文献２で提案されている接続要素は、電気的な接続を考慮しているが、要素の噛合いと取り外しができることが特徴であり、接続部分の電気抵抗の増加を抑える技術ではない点において特許文献１と同様である。

本発明は、上記の状況に鑑み、接続部分の電気抵抗の増加を低コストで抑えることができる筒型燃料電池の接続構造及び接続方法並びに当該接続構造を有する２次電池型燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明に係る接続構造は、第１の筒型燃料電池と第２の筒型燃料電池との電気的接続を行う接続構造であって、前記第１の筒型燃料電池の端部及び前記第２の筒型燃料電池の端部が挿入される筒型の形状記憶合金部材と、前記第１の筒型燃料電池の端部及び前記第２の筒型燃料電池の端部と前記形状記憶合金部材との間に設けられ、融点が前記第１の筒型燃料電池及び前記第２の筒型燃料電池の動作温度より高く、かつ前記形状記憶合金部材の形状回復温度以上である金属層とを備える構成（第１の構成）にする。

上記第１の構成の接続構造によると、形状記憶合金部材の変形を利用することで、形状記憶合金部材への第１の筒型燃料電池及び第２の筒型燃料電池の挿入を容易にすることと、第１の筒型燃料電池の端部及び第２の筒型燃料電池の端部と形状記憶合金部材との隙間を小さくすることを両立することができる。これにより、接続部分の電気抵抗の増加を低コストで抑えることができる。

また、第１の筒型燃料電池の端部及び第２の筒型燃料電池の端部と形状記憶合金部材との間に設けられる金属層の融点を形状記憶合金部材の形状回復温度以上にしているので、形状記憶合金部材の形状回復によって第１の筒型燃料電池の端部及び第２の筒型燃料電池の端部と形状記憶合金部材との隙間を小さくなってからその隙間を金属層の溶融によって埋めることができ、接続部分の電気抵抗の増加をより確実に抑えることができる。

上記第１の構成の接続構造において、前記金属層が金属粒子を溶融したものである構成（第２の構成）にしてもよい。

上記第１または第２の構成の接続構造において、前記第１の筒型燃料電池の燃料極と前記第２の筒型燃料電池の燃料極との間に介在して前記第１の筒型燃料電池の燃料極と前記第２の筒型燃料電池の燃料極とを絶縁する絶縁部材、又は、前記第１の筒型燃料電池の酸化剤極と前記第２の筒型燃料電池の酸化剤極との間に介在して前記第１の筒型燃料電池の酸化剤極と前記第２の筒型燃料電池の酸化剤極とを絶縁する絶縁部材を備える構成（第３の構成）にしてもよい。

上記第１または第２の構成の接続構造において、前記第１の筒型燃料電池の端部と前記第２の筒型燃料電池の端部との間に介在し、前記金属層よりもガス遮断性が高いガス遮断部材を備える構成（第４の構成）にしてもよい。

上記目的を達成するために本発明に係る接続方法は、第１の筒型燃料電池と第２の筒型燃料電池との電気的接続を行う接続方法であって、前記第１の筒型燃料電池及び前記第２の筒型燃料電池の筒外径より小さい筒内径を有する筒形状を形状記憶合金部材に記憶させる工程と、前記形状記憶合金部材を、前記第１の筒型燃料電池及び前記第２の筒型燃料電池の筒外径より大きい筒内径を有する筒形状に変形する工程と、前記形状記憶合金部材の筒内部と、前記第１の筒型燃料電池の端部筒外部及び前記第２の筒型燃料電池の端部筒外部との少なくとも一方に、融点が前記第１の筒型燃料電池及び前記第２の筒型燃料電池の動作温度より高く、かつ前記形状記憶合金部材の形状回復温度以上である金属層を形成する工程と、前記第１の筒型燃料電池の端部及び前記第２の筒型燃料電池の端部を変形後の前記形状記憶合金部材に挿入した後、前記形状記憶合金部材を前記形状記憶合金部材の形状回復温度以上に加熱する工程と、加熱により前記金属層を溶融する工程とを備える構成（第５の構成）にする。

上記第５の構成の接続方法によると、形状記憶合金部材の変形を利用することで、形状記憶合金部材への第１の筒型燃料電池及び第２の筒型燃料電池の挿入を容易にすることと、第１の筒型燃料電池の端部及び第２の筒型燃料電池の端部と形状記憶合金部材との隙間を小さくすることを両立することができる。これにより、接続部分の電気抵抗の増加を低コストで抑えることができる。

また、第１の筒型燃料電池の端部及び第２の筒型燃料電池の端部と形状記憶合金部材との間に設けられる金属層の融点を形状記憶合金部材の形状回復温度以上にしているので、形状記憶合金部材の形状回復によって第１の筒型燃料電池の端部及び第２の筒型燃料電池の端部と形状記憶合金部材との隙間を小さくなってからその隙間を金属層の溶融によって埋めることができ、接続部分の電気抵抗の増加をより確実に抑えることができる。

上記目的を達成するために本発明に係る２次電池型燃料電池システムは、第１の筒型燃料電池と、第２の筒型燃料電池と、前記第１の筒型燃料電池と前記第２の筒型燃料電池との電気的接続を行う上記第１〜第４のいずれかの構成の接続構造と、化学反応により燃料を発生し、前記化学反応の逆反応により再生可能な燃料発生部とを備える構成（第６の構成）にする。

本発明に係る筒型燃料電池の接続構造及び接続方法並びに当該接続構造を有する２次電池型燃料電池システムによると、接続部分の電気抵抗の増加を低コストで抑えることができる。

本発明の一実施形態に係る筒型燃料電池の接続構造を示す図である。 本発明の一実施形態に係る筒型燃料電池の接続構造の変形例を示す図である。 本発明の一実施形態に係る筒型燃料電池の接続方法の概略を示す図である。 本発明の第１実施例に係る接続構造の部分断面図である。 本発明の第１実施例で用いられる形状記憶合金部材及び金属層の断面図である。 本発明の第２実施例に係る接続構造の部分断面図である。 形状記憶合金の形状を加熱により回復する前の形状記憶合金、金属層、及び絶縁部材の形状例を示す断面図である。 形状記憶合金の形状を加熱により回復する前の形状記憶合金、金属層、及び絶縁部材の形状例を示す断面図である。 形状記憶合金の形状を加熱により回復する前の形状記憶合金、金属層、及び絶縁部材の形状例を示す断面図である。 本発明の第３実施例に係る接続構造の部分断面図である。 形状記憶合金の形状を加熱により回復する前の形状記憶合金、金属層、及びガラスペースト層の形状例を示す断面図である。 本発明の第３実施例に係る接続構造の変形例を示す部分断面図である。 本発明の第３実施例に係る接続構造の他の変形例を示す部分断面図である。 本発明の一実施形態に係る２次電池型燃料電池システムの部分断面図である。

本発明の実施形態について図面を参照して以下に説明する。なお、本発明は、後述する実施形態に限られない。

＜接続構造＞
図１は本発明の一実施形態に係る筒型燃料電池の接続構造を示す図である。本発明の一実施形態に係る筒型燃料電池の接続構造は、第１の筒型燃料電池１と第２の筒型燃料電池２との電気的接続（直列接続）を行う接続構造であって、筒型の形状記憶合金部材６と、図１においては形状記憶合金部材６の内側に隠れている金属層７（例えば図４参照）とを備えている。

第１の筒型燃料電池１及び第２の筒型燃料電池２はそれぞれ、内側から外側に向かって燃料極層３、電解質層４、酸化剤極層５の三層構造になっている円筒形状の構造体である。また、第１の筒型燃料電池１及び第２の筒型燃料電池２はそれぞれ、一方の端部の円周面において、燃料極層３及び電解質層４が露出している。

第１の筒型燃料電池１の燃料極層３及び電解質層４が露出していない側の端部と、第２の筒型燃料電池２の燃料極層３及び電解質層４が露出している側の端部とが、円筒型の形状記憶合金部材６に挿入されている。

金属層７は、第１の筒型燃料電池１の燃料極層３及び電解質層４が露出していない側の端部及び第２の筒型燃料電池２の燃料極層３及び電解質層４が露出している側の端部と形状記憶合金部材６との間に設けられる。また、金属層７の融点は形状記憶合金部材６の形状回復温度以上である。

図１に示す実施形態では、第１の筒型燃料電池１及び第２の筒型燃料電池２は、円筒の燃料極層３の外周側に電解質層４、酸化剤極層５を形成したアノードサポート型であるが、この形状に限定されるものではない。筒型多孔質体の外周側に燃料極層、電解質層、酸化剤極層を形成する多孔質体サポート型や筒型酸化剤極層の外周側に電解質層、燃料極層を形成したカソードサポート型であっても構わない。

＜発電動作＞
図１に示す実施形態では、第１の筒型燃料電池１及び第２の筒型燃料電池２の筒内部には燃料ガス（例えば水素ガス）が供給され、第１の筒型燃料電池１及び第２の筒型燃料電池２の筒外部には酸化剤ガス（例えば空気）が供給される。なお、カソードサポート型では逆に筒内部に酸化剤ガスが供給され、筒外部に燃料ガスが供給される。

第１の筒型燃料電池１及び第２の筒型燃料電池２の直列接続体は発電動作時に外部負荷に接続される。第１の筒型燃料電池１及び第２の筒型燃料電池２が固体酸化物燃料電池である場合、発電動作時に燃料極層３において下記の（１）式の反応が起こる。
Ｈ₂＋Ｏ^2-→Ｈ₂Ｏ＋２ｅ^- …（１）

上記の（１）式の反応によって生成された電子は、外部負荷を通って、酸化剤極層５に到達し、酸化剤極層５において下記の（２）式の反応が起こる。
１／２Ｏ₂＋２ｅ^-→Ｏ^2- …（２）

そして、上記の（２）式の反応によって生成された酸素イオンは、電解質層４を通って、燃料極層３に到達する。上記の一連の反応を繰り返すことにより、第１の筒型燃料電池１及び第２の筒型燃料電池２が発電動作を行うことになる。また、上記の（１）式から分かるように、発電動作時には、燃料極層３側において水素ガスが消費され水蒸気が生成されることになる。

上記の（１）式及び（２）式より、発電動作時における第１の筒型燃料電池１及び第２の筒型燃料電池２での反応は下記の（３）式の通りになる。
Ｈ₂＋１／２Ｏ₂→Ｈ₂Ｏ …（３）

上記の（３）式の反応により、第１の筒型燃料電池１及び第２の筒型燃料電池２の燃料極層３と電解質層４との界面における三相界面にて発生した水蒸気は拡散し、第１の筒型燃料電池１及び第２の筒型燃料電池２の筒内部に到達する。

＜形状記憶合金部材＞
形状記憶合金部材６の材料は特に限定されない。例えば、ＴｉＮｉ、ＦｅＭｎＳｉ、ＦｅＭｎＡｌ、ＦｅＮｉＣｏ、ＦｅＮｉ、ＣｕＺｎＡｌ、ＴｉＰｄやこれらにＰｔ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｚｒ、Ｈｆなどの添加材を加えたものを利用することができる。

形状記憶合金部材６の形状としては、図２に示すように、接続部以外の部分においても燃料電池を覆う形状にしてもよい。これにより、形状記憶合金部材６と酸化剤極層５との接続面積が増加するので、抵抗損失を減らすことができる。なお、この場合、酸化剤極層５への酸化剤ガスの供給を可能にするために、形状記憶合金部材６がガス通過経路を有するようにする。図２に示す例ではメッシュ形状にすることでガス通過経路を形成している。

＜金属層＞
金属層７の材料としては、融点が第１の筒型燃料電池１及び第２の筒型燃料電池２の動作温度よりも高いものが好ましく、例えば、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｇ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒやこれらの合金を用いることができる。また、バルクを用いた場合は融点が高くなるので、粒子（例えばナノ粒子）を用いて融点を下げることが好ましい。

金属層７の形成方法としては、インクジェット塗布、ディップコートなどの塗布プロセス、メッキプロセス、真空成膜プロセスを用いることができる。膜質としては緻密なものよりも、密度の小さい方が好ましいので、ナノ粒子を溶媒に分散させたものを塗布することが好ましい。具体的な塗布方法としては、スプレーで、形状記憶部材６の筒内部と、第１の筒型燃料電池１の端部筒外部及び第２の筒型燃料電池２の端部筒外部との少なくとも一方に塗布することが好ましい。

＜接続方法＞
図３は本発明の一実施形態に係る筒型燃料電池の接続方法の概略を示す図である。なお、図３において、形状記憶合金部材６は、円筒の中心軸を含む平面で形状記憶合金部材６を切断した場合の切断面のみを図示している。また、図３では金属層７の図示を省略している。

本発明の一実施形態に係る筒型燃料電池の接続方法では、まず始めに第１の筒型燃料電池１及び第２の筒型燃料電池２の筒外径Φ１より小さい筒内径Φ２を有する筒形状を形状記憶合金部材６に記憶させる。形状記憶合金部材６に記憶させる形状は、第１の筒型燃料電池１及び第２の筒型燃料電池２の端部形状に合わせて筒内部に微小な段差を設けた形状にしてもよい。

次に、形状記憶合金部材６を、第１の筒型燃料電池１及び第２の筒型燃料電池２の筒外径Φ１より大きい筒内径Φ３を有する筒形状に変形する。

それから、形状記憶合金部材６の筒内部と、第１の筒型燃料電池１の端部筒外部及び第２の筒型燃料電池２の端部筒外部との少なくとも一方に金属層７を形成する。なお、金属層７の形成は、形状記憶合金部材６の形状記憶や変形の前に行ってもよい。ただし、形状記憶部材６の筒内部に金属層７を形成する場合は、形状記憶合金部材６の変形後の方が、形状記憶合金部材６の内径が大きくなっており金属層７の形成が容易であるため好ましい。

次に、第１の筒型燃料電池１の端部及び第２の筒型燃料電池２の端部を変形後の形状記憶合金部材６に挿入し、その状態で保持する。第１の筒型燃料電池１及び第２の筒型燃料電池２を保持する方法は特に限定されない。例えば、第１の筒型燃料電池１及び第２の筒型燃料電池２それぞれに突起を設け、その突起を利用して第１の筒型燃料電池１及び第２の筒型燃料電池２それぞれを引っ掛けても構わないし、第１の筒型燃料電池１及び第２の筒型燃料電池２それぞれを台の上に横向きに置いて固定しても構わない。また、形状記憶合金部材６の形状回復温度より高い温度で気化する有機材料を用いて第１の筒型燃料電池１及び第２の筒型燃料電池２それぞれを固定しても構わない。

その後、形状記憶合金部材６を形状記憶合金部材６の形状回復温度以上に加熱する。これにより、形状記憶合金部材６は記憶している形状に戻ろうとし、形状記憶合金部材６の筒内径は小さくなる。これにより、形状記憶合金部材６は金属層７を介して第１の筒型燃料電池１の端部及び第２の筒型燃料電池２の端部に密着する。最後に、加熱により金属層７を溶融する。これにより、第１の筒型燃料電池１及び第２の筒型燃料電池２の電極間の接続抵抗を小さくすることができる。

上記の接続方法では、形状記憶合金部材６の変形を利用することで、形状記憶合金部材６への第１の筒型燃料電池１及び第２の筒型燃料電池２の挿入を容易にすることと、第１の筒型燃料電池１の端部及び第２の筒型燃料電池２の端部と形状記憶合金部材６との隙間を小さくすることを両立させている。したがって、接続部分の電気抵抗（第１の筒型燃料電池１及び第２の筒型燃料電池２の電極間の接続抵抗）の増加を低コストで抑えることができる。

また、金属層７の融点を形状記憶合金部材６の形状回復温度以上にしているので、形状記憶合金部材６の形状回復によって第１の筒型燃料電池１の端部及び第２の筒型燃料電池２の端部と形状記憶合金部材６との隙間を小さくなってからその隙間を金属層７の溶融によって埋めることができ、接続部分の電気抵抗の増加をより確実に抑えることができる。

＜第１実施例＞
図４は本発明の第１実施例に係る接続構造の部分断面図である。第１実施例は図１に示した本発明の一実施形態に係る筒型燃料電池の接続構造の一例である。なお、図４や後述する他の断面図においては、円筒の中心軸を含む平面で切断した場合の切断面のみを図示している。

まず、粉末状の酸化ニッケルとイットリウム安定化酸化ジルコニウムとを同重量ずつ混合して導電体粉末とした後、バインダとしてポリビニルブチラール系バインダを、溶剤としてエタノール、トルエンを適当量加えて燃料極層用スラリーを作製した。作製した燃料極層用スラリーを直径３．０ｍｍの円柱状の犠牲体上にディップコート法によりコーティングした。

次に、前記導電体粉末の代わりに粉末状のイットリウム安定化酸化ジルコニウムを用いて電解質層用スラリーを作製し、同じくディップコート法によりコーティングした。

次に、前記導電体粉末の代わりに粉末状のランタンマンガナイト用いて酸化剤極層用スラリーを作製し、同じくディップコート法によりコーティングした。

最後に水素雰囲気下で焼成して燃料極層３、電解質層４、酸化剤極層５を形成し、第１の筒型燃料電池１及び第２の筒型燃料電池２を得た。なお、前記犠牲体は焼成中に気化する。

形状記憶部材６には、ＴｉＮｉを用いた。４８０℃の熱処理を行い、形状記憶部材６に内径２．８ｍｍ、外径３．０ｍｍの円筒形状を記憶させた。続いて、形状記憶部材６を室温に戻してから、内径４．０ｍｍになるように形状記憶部材６を変形させた。それから、形状記憶部材６の筒内部にスプレー法を用いてＡｇナノ粒子の分散液を塗布し、室温で乾燥させ、図５に示すように形状記憶部材６の筒内部に層厚１００μｍの金属層（Ａｇ層）７を形成した。

次に、形状記憶部材６の筒内部に、第１の筒型燃料電池１及び第２の筒型燃料電池２を挿入し、第１の筒型燃料電池１の端部と第２の筒型燃料電池２の端部とを円筒の中心軸方向に所定の距離だけ離して保持し、電気炉にて加熱した。まず、形状記憶合金部材６の形状回復温度である６５℃に加熱し、１時間維持した。これにより、他の構造体（第１の筒型燃料電池１の端部及び第２の筒型燃料電池２の端部）による形状回復の阻害がない部分における形状記憶合金部材６の外径は３．０ｍｍに戻り、他の構造体による形状回復の阻害が有る部分における形状記憶合金部材６の外径は３．０ｍｍ迄は戻らないが４．０ｍｍよりも小さくなる。その後、引き続いてＡｇナノ粒子の溶融温度である７００℃まで加熱し、３０分維持した。これにより、Ａｇナノ粒子は溶融し、第１の筒型燃料電池１の端部及び第２の筒型燃料電池２の端部と形状記憶合金部材６との隙間が金属層７によって埋まる。最後に、室温に戻すことによって、図４に示す形状を得た。

なお、形状記憶部材６の筒内部に金属層（Ａｇ層）７を形成することに代えて、或いは、形状記憶部材６の筒内部に金属層（Ａｇ層）７を形成することに加えて、第１の筒型燃料電池１の端部の酸化剤極層５上と第２の筒型燃料電池２の端部の燃料極層３上とに金属層（Ａｇ層）７を形成してもよい。

＜第２実施例＞
図６は本発明の第２実施例に係る接続構造の部分断面図である。第２実施例も図１に示した本発明の一実施形態に係る筒型燃料電池の接続構造の一例である。

第２実施例は、第１実施例の場合とは第１の筒型燃料電池１の端部構造が異なっている。そのため、第２実施例では、第１の筒型燃料電池１の燃料極層３と第２の筒型燃料電池２の燃料極層３とが電気的に接続されることを防止するために、絶縁部材８を設けている。

絶縁部材８は、例えばガラス、ジルコニアなどの酸化物微粒子を含有するペーストを用いて形成することができる。図６に示す例では、形状記憶合金６の形状を加熱により回復する前の形状記憶合金６、金属層７、及び絶縁部材８を図７Ａのようにしているが、図７Ｂや図７Ｃに示す形状にしてもよい。なお、図７Ａや図７Ｃに示す形状を採用した場合、第１の筒型燃料電池１と第２の筒型燃料電池２との位置決めが容易になるという効果も得られる。さらに、絶縁部材８のガス遮断性を金属層７よりも高くすることで、第１の筒型燃料電池１と第２の筒型燃料電池２との継ぎ目部分のガスリークをより確実に抑えることができるという効果も生じる。

＜第３実施例＞
図８は本発明の第３実施例に係る接続構造の部分断面図である。第３実施例は図１に示した本発明の一実施形態に係る筒型燃料電池の接続構造の変形例であり、第１の筒型燃料電池１及び第２の筒型燃料電池２をアノードサポート型から多孔質体サポート型に変更している。

多孔質体９は、気体が通過でき、かつ絶縁性を有していればよい。多孔質体９の材料としては、例えば、酸化アルミニウム、シリカ、シリカ−アルミナ、ムライト、コージェライト、ジルコニア、安定化ジルコニア、イットリウム安定化ジルコニア、部分安定化ジルコニア、アルミナ、マグネシア、ランタンカルシウム、ランタンクロマイト、ランタンストロンチウム、多孔質ガラス等のセラミックス材料を用いることができる。

第３実施例では、多孔質体９の材料にイットリウム安定化ジルコニア（ＹＳＺ）を用いた。粒径が数百ｎｍのＹＳＺ微粒子と、粒径が約５μｍのＦｅ₂Ｏ₃微粒子とに、バインダとしてのポリブチラール系化合物と、増孔剤としてのアクリルパウダーやカーボンパウダーと、水とを添加して混合し粘土状にした。この混合物を押し出し形成機を用いて外形３．０ｍｍ、内径２．４ｍｍの円筒状に形成し、５０℃で１０時間乾燥した。

この混合物上に、第１実施例と同様の各スラリーをコーティングし、水素雰囲気下で焼成して多孔質体９、燃料極層３、電解質層４、酸化剤極層５を形成した。

形状記憶部材６には、ＴｉＰｄを用いた。９００℃の熱処理を行い、形状記憶部材６に内径２．８ｍｍ、外径３．０ｍｍの円筒形状を記憶させた。続いて、形状記憶部材６を室温に戻してから、内径４．０ｍｍになるように形状記憶部材６を変形させた。それから、形状記憶部材６の筒内部にスプレー法を用いてＡｇナノ粒子の分散液を塗布し、室温で乾燥させ、次に７００℃で溶融するガラスペーストを形状記憶部材６の筒内部の一部分にコーティングし、２００℃で乾燥し、図９に示すように形状記憶部材６の筒内部に金属層（Ａｇ層）７及びガラスペースト層１０を形成した。

次に、金属層（Ａｇ層）７及びガラスペースト層１０を筒内部に形成した形状記憶部材６の筒内部に、第１の筒型燃料電池１及び第２の筒型燃料電池２を挿入し、第１の筒型燃料電池１の端部と第２の筒型燃料電池２の端部とを突き合わせて保持し、電気炉にて加熱した。まず、形状記憶合金部材６の形状回復温度である４５０℃に加熱し、１時間維持した。これにより、形状記憶合金部材６は記憶している形状に戻ろうとして、形状記憶合金部材６と第１の筒型燃料電池１の端部及び第２の筒型燃料電池２の端部との隙間が狭くなる。その後、引き続いてＡｇナノ粒子の溶融温度である７００℃まで加熱し、３０分維持した。これにより、Ａｇナノ粒子は溶融し、第１の筒型燃料電池１の端部及び第２の筒型燃料電池２の端部と形状記憶合金部材６との隙間が金属層７によって埋まる。また、ガラスペースト層１０も７００℃で溶融して、金属層７よりもガス遮断性が高いガス遮断部材１１になる。最後に、室温に戻すことによって、図８に示す形状を得た。さらに、金属層７よりもガス遮断性が高いガス遮断部材１１が第１の筒型燃料電池１の端部と第２の筒型燃料電池２の端部との間に介在するので、第１の筒型燃料電池１と第２の筒型燃料電池２との継ぎ目部分のガスリークをより確実に抑えることができるという効果が得られる。

なお、第３実施例では、第１の筒型燃料電池１の燃料極層３と第２の筒型燃料電池２の燃料極層３との間に第１の筒型燃料電池１の電解質層４が介在しているので、ガス遮断部材は絶縁性、導電性のいずれであっても構わない。したがって、例えばガラスペースト層１０を溶融して得たガス遮断部材１１を、図１０に示すように、バルク金属によって構成されており、金属層７よりもガス遮断性が高いガス遮断部材１２に変更してもよい。

また、第３実施例の構成からガス遮断部材１１を取り除いて、図１１に示す構成に変更することも可能である。図１１に示す構成では金属層７が二つに分割されているが、形状記憶合金部材６が導電性を有しているので、第１の筒型燃料電池１の酸化剤極層５と第２の筒型燃料電池２の燃料極層３とは電気的に接続される。

＜２次電池型燃料電池システム＞
図１２は本発明の一実施形態に係る２次電池型燃料電池システムの部分断面図である。図１２に示す本発明の一実施形態に係る２次電池型燃料電池システムは、第１の筒型燃料電池１と、第２の筒型燃料電池２と、上述した第２実施例に係る接続構造と、第１の筒型燃料電池１及び第２の筒型燃料電池２の筒内部に設けられる燃料発生部材１３とを備えている。

なお、図１２では図示していないが、第１の筒型燃料電池１及び第２の筒型燃料電池２の接続されていない側の端部は閉塞されており、第１の筒型燃料電池１及び第２の筒型燃料電池２の各燃料極層３と燃料発生部材１３とは密閉空間内に配置される。

燃料発生部材１３の材料としては、例えば、金属を母材として、その表面に金属または金属酸化物が添加されており、酸化性ガス（例えば水蒸気）との酸化反応によって燃料（例えば水素）を発生し、還元性ガス（例えば水素）との還元反応により再生可能なものを用いることができる。母材の金属としては例えば、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｐｄ、Ｖ、Ｍｇやこれらを基材とする合金が挙げられ、特にＦｅは安価で、加工も容易なので好ましい。また、添加される金属としては、Ａｌ、Ｒｄ、Ｐｄ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｃｏ、Ｖ、Ｍｏが挙げられ、添加される金属酸化物としてはＳｉＯ₂、ＴｉＯ₂が挙げられる。ただし、母材となる金属と、添加される金属は同一の材料ではない。なお、本実施形態においては、燃料発生部材１３として、Ｆｅを主体とする燃料発生部材を用いる。

Ｆｅを主体とする燃料発生部材は、例えば、下記の（４）式に示す酸化反応により、酸化性ガスである水蒸気を消費して燃料（還元性ガス）である水素ガスを生成することができる。
４Ｈ₂Ｏ＋３Ｆｅ→４Ｈ₂＋Ｆｅ₃Ｏ₄ …（４）

上記の（４）式に示す鉄の酸化反応が進むと、鉄から酸化鉄への変化が進んで鉄の残量が減っていくが、上記の（４）式の逆反応すなわち下記の（５）式に示す還元反応により、燃料発生部材１３を再生することができる。なお、上記の（４）式に示す鉄の酸化反応及び下記の（５）式の還元反応は６００℃未満の低い温度で行うこともできる。
４Ｈ₂＋Ｆｅ₃Ｏ₄→３Ｆｅ＋４Ｈ₂Ｏ …（５）

燃料発生部材１３においては、その反応性を上げるために単位体積当りの表面積を大きくすることが望ましい。燃料発生部材１３の単位体積当りの表面積を増加させる方策としては、例えば、燃料発生部材１３の主体を微粒子化し、その微粒子化したものを成型すればよい。微粒子化の方法は例えばボールミル等を用いた粉砕によって粒子を砕く方法が挙げられる。さらに、機械的な手法などにより微粒子にクラックを発生させることで微粒子の表面積をより一層増加させてもよく、酸処理、アルカリ処理、ブラスト加工などによって微粒子の表面を荒らして微粒子の表面積をより一層増加させてもよい。また、燃料発生部材１３としては、微粒子をガスが通過する程度の空隙を残して固めたものであってもよいし、ペレット状の粒に形成してこの粒を多数空間内に埋める形態であっても構わない。

発電動作時には、上記の（３）式の反応により、第１の筒型燃料電池１及び第２の筒型燃料電池２の燃料極層３と電解質層４との界面における三相界面にて発生した水蒸気が拡散して、第１の筒型燃料電池１及び第２の筒型燃料電池２の筒内部に到達する。したがって、燃料発生部材１３は上記の（４）式に示す酸化反応により、第１の筒型燃料電池１及び第２の筒型燃料電池２から供給される水蒸気を消費して、水素ガスを発生させ、水素ガスを第１の筒型燃料電池１及び第２の筒型燃料電池２に供給する。

発電動作時には、第１の筒型燃料電池１と第２の筒型燃料電池２の直列接続体を外部電源に電気的に接続する。この場合、第１の筒型燃料電池１と第２の筒型燃料電池２が電気分解器として作動して、上記の（３）式の逆反応が起こり、第１の筒型燃料電池１及び第２の筒型燃料電池２の燃料極層３と電解質層４との界面における三相界面にて水蒸気が消費され水素ガスが生成され、燃料発生部材１３は、上記の（５）式に示す還元反応により、酸化鉄から鉄への変化を進めて鉄の残量を増やし、すなわち燃料発生部材１３は再生されて、第１の筒型燃料電池１及び第２の筒型燃料電池２から供給される水素ガスを消費して、水蒸気を発生させ、水蒸気を第１の筒型燃料電池１及び第２の筒型燃料電池２に供給する。

なお、上述した各実施形態や各実施例及びそれらの変形例では、２つの筒型燃料電池のみを用いているが、筒型燃料電池を３つ以上用意し、同様の接続構造を二つ以上設けるようにしてもよい。

１ 第１の筒型燃料電池
２ 第２の筒型燃料電池
３ 燃料極層
４ 電解質層
５ 酸化剤極層
６ 形状記憶合金部材
７ 金属層
８ 絶縁部材
９ 多孔質体
１０ ガラスペースト層
１１、１２ ガス遮断部材
１３ 燃料発生部材

Claims (6)

1. 第１の筒型燃料電池と第２の筒型燃料電池との電気的接続を行う接続構造であって、
   前記第１の筒型燃料電池の端部及び前記第２の筒型燃料電池の端部が挿入される筒型の形状記憶合金部材と、
   前記第１の筒型燃料電池の端部及び前記第２の筒型燃料電池の端部と前記形状記憶合金部材との間に設けられ、融点が前記第１の筒型燃料電池及び前記第２の筒型燃料電池の動作温度より高く、かつ前記形状記憶合金部材の形状回復温度以上である金属層とを備えることを特徴とする接続構造。
2. 前記金属層が金属粒子を溶融したものであることを特徴とする請求項１に記載の接続構造。
3. 前記第１の筒型燃料電池の燃料極と前記第２の筒型燃料電池の燃料極との間に介在して前記第１の筒型燃料電池の燃料極と前記第２の筒型燃料電池の燃料極とを絶縁する絶縁部材、又は、前記第１の筒型燃料電池の酸化剤極と前記第２の筒型燃料電池の酸化剤極との間に介在して前記第１の筒型燃料電池の酸化剤極と前記第２の筒型燃料電池の酸化剤極とを絶縁する絶縁部材を備えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の接続構造。
4. 前記第１の筒型燃料電池の端部と前記第２の筒型燃料電池の端部との間に介在し、前記金属層よりもガス遮断性が高いガス遮断部材を備える請求項１または請求項２に記載の接続構造。
5. 第１の筒型燃料電池と第２の筒型燃料電池との電気的接続を行う接続方法であって、
   前記第１の筒型燃料電池及び前記第２の筒型燃料電池の筒外径より小さい筒内径を有する筒形状を形状記憶合金部材に記憶させる工程と、
   前記形状記憶合金部材を、前記第１の筒型燃料電池及び前記第２の筒型燃料電池の筒外径より大きい筒内径を有する筒形状に変形する工程と、
   前記形状記憶合金部材の筒内部と、前記第１の筒型燃料電池の端部筒外部及び前記第２の筒型燃料電池の端部筒外部との少なくとも一方に、融点が前記第１の筒型燃料電池及び前記第２の筒型燃料電池の動作温度より高く、かつ前記形状記憶合金部材の形状回復温度以上である金属層を形成する工程と、
   前記第１の筒型燃料電池の端部及び前記第２の筒型燃料電池の端部を変形後の前記形状記憶合金部材に挿入した後、前記形状記憶合金部材を前記形状記憶合金部材の形状回復温度以上に加熱する工程と、
   加熱により前記金属層を溶融する工程とを備えることを特徴とする接続方法。
6. 第１の筒型燃料電池と
   第２の筒型燃料電池と、
   前記第１の筒型燃料電池と前記第２の筒型燃料電池との電気的接続を行う請求項１〜４のいずれか一項に記載の接続構造と、
   化学反応により燃料を発生し、前記化学反応の逆反応により再生可能な燃料発生部とを備えることを特徴とする２次電池型燃料電池システム。