JPH02312168A - 固体電解質燃料電池の構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 この発明は円筒状の固体電解質の内外面に酸素電極と燃
料電極とを形成した単電池を直並列に接続した燃料電池
に関し、特に単電池およびその集合体の接Ｆｉ桶造に関
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、イツトリア安定化
ジルコニア（ＹＳＺ）などの物質が、１０００℃程度の
高温下で酸系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、ベロアスカイト型ランタン系複合酸化物などか
らなる多孔４１Ｉｌ造の酸素電極と、ニッケルやニッケ
ル合金あるいはＮｉ−２ｒ　Ｏ２サーメツトなどからな
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がスなどの燃料ガスを流す
ことによって固体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１１１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ｌｌｌ１造のうち平
板型は全体をコンパクト化し易い利点があるものの、酸
化性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、Ｈ３ｎ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
。

円筒型中電池１の基本的な構造１よ第２図に示す通りで
あり、これを簡単に説明すると、アルミナ（ＡＩ！２０
３　）などで多孔桶〕Δに形成したセラミック製支持管
２の外周に、ベロア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３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４が突設されて４３す、さらにその酸素電極３
の外周に、イツ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５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ザーメットなど
を素材とした燃料電極６が前記インターコネクタ４に非
導通状態となるよう固体電解質５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５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。この円筒型の単電池を使用して必
要な起電力を得るａＸとして、第３図あるいは第４図に
示す構造が検討されている。すなわち第３図に示す構造
は、同心状に配置した内部集電子７と筒状の外部集電子
８との間に複数の単電池１を配列するとともに各ｔｔ１
雷池１のインターコネクタ４を内部集電子７にニッケル
フェルト９を介在させて導通させ、また各単電池１の外
周側の燃料電極６をニッケルフェルト１０を介在させて
外部集電子８にＩＰ通させることにより複数（第３図で
は５個）の単電池１で１つのスタック１１を構成し、そ
のスタック１１をそれぞれの内部集電子７から半径方向
に突出させた例えばニッケル製の′＃電板１２を他のス
タック１１の外部集電子８の外周面にニッケルフェルト
１３を介在させて当接させることにより、スタック１１
を直列に接続する構造である。また第４図に示す構造は
、多数の単電池１を縦横にマトリックス状に配列し、例
えば縦方向には一方の単電池１のインターコネクタ４を
隣接する他の単電池１の燃料電極６にニッケルフェルト
１４を介在させて当接させることにより直列に接続し、
また横方向には各単電池１の燃料電極６同士をニッケル
フェルト１５を介在させて接触させることにより並列接
続とした構造である。

発明が解決しようとする課題 しかるに第３図に示す４Ｍ造では、各スタック１１が直
列に接続されているから、いずれかのスタック１１に異
常が生じて破損した場合、その破損したスタック１１の
部分で電気的な導通が途絶えることになるので出力を得
られなくなる問題がある。また第４図に示す構造では、
いずれかの単電池１が故障して発電を行なわなくなった
場合、その単電池１を含むよう直列に接続しである一部
の単電池１での電気抵抗、が大きくなり、発電効率が低
下する問題ある。さらに第３図および第４図のいずれに
示す構造であっても、発電量の増減による出力の調整は
、１本づつの単電池１の出力を調整することにより行な
うことになり、出力調整が極めて面倒になる問題があっ
た。

この発明は上記の事情を費用としてなされたもので、部
分的な故障に起因１ノーる出力停止のおてれが少なく、
また出力調整の容易な燃料電池の＠迄を提供することを
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、同心状に配
置した中心電極と外周電極との間に複数の発電要素を配
置し、かつ各発電要素の一方の電極を中心電極に導通さ
せるとともに各発電要素の他方の電極を外周電極に導通
させてなる複数の発電４１１１造体を、それぞれの中心
電極を第２の中心電極に導通させるとともに外周電極を
相互に導通させることにより並列に接続したことを特徴
とするものである。ここで発電要素とは、前述した単電
池の外に単電池を複数１１！Ｉ集合させた４Ｍ造体、例
えば前述したスタックやそのスタックの集合体をも含む
。

作　　　　　用 この発明では、複数の発電要素は中心電極と外周電極と
によって並列に接続され、このように接続された発電要
素群である発電構造体の複数個が第２の中心電極を介し
て並列に接続される。したがって発電要素が単電池であ
る場合、発電構造体がスタックとなるが、いずれかの単
電池あるいはスタックに異常が生じても、他の単電池や
スタックに悪影響が及ぶことがなく、またいずれかのス
タックの出力を低下させても他のスタックに悪影響が及
ばないことにより、スタックごとの出力調整によって燃
料電池全体の出力の調整を行なうことができる。またこ
の発明ではスタックを発電要素とし、その複数個を並列
接続した集合体を発電＠進体とすることができ、この場
合でもいずれかのスタックの異常もしくはいずれかのス
タックの集合体の異常が全体に悪影響を及ぼすことがな
いと同時に、スタックごともしくはその集合体ごとの出
力調整によって燃料電池全体の出力の調整を行なうこと
ができる。

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図はこの発明の一実施例を示す模式図であって、こ
こに示す例は、５本の単電池からなるスタック１１を発
電要素とし、そのスタック１１を５水替列に接続して発
電＠溶体２０とした例である。すなわち各単電池１は前
述した第２図に示す構造と同様な構造であり、またその
５木の単電池１からなるスタック１１は前述した第３図
に示すＩＩ４造と同様であって、その５本のスタック１
１がＮｉやＮｉ合金などからなる軸状の中心電極２１の
外周に配置され、各スタック１１は各々の導電板１２を
その中心電極２１に導電性緩衝材例えばニッケルフェル
トを介在させて突き当てることにより、一方の電極であ
る内部集電子７が中心電極２１に導通させられている。

また中心電極２１にはスタック１１の間を通って１径方
向に突出した導電板２２が一体的に設けられている。さ
らに中心電極２１の外周に配置した５本のスタック１１
は、ＮｉやＮｉ合金などの導電性の材料からなるテープ
もしくは円筒体である外周電極２３によって結束され、
もしくはその内部に収容されており、したがって各スタ
ック１１の外部集電子８はその外周電極２３によって相
互に導通されている。なお、熱膨張を吸収しかつ接触状
態を良好にするために、スタック１１と外周電極２３と
の間にニッケルフェルトなどの導電性緩衝材を介在させ
ることができる。

また外周電極２３は前記３＃電板２２とは絶縁され、そ
の導電板２２は外周電極２３より外周側に突出している
。

上述した４１１Ｉ造の４木の発電ＩＩ４造体２Ｏが第２
の中心電極３０の周囲に配置されている。この第２の中
心電極３０は前述した発電構造体２０における中心電極
２１と同様に、ＮｉやＮ：合金などの導電性材料からな
る軸状の部材であり、各発電＠進体２０は各々の３＃電
板２２を第２の中心電極３０に放射状に配置して突き当
てることにより、一方の電極である中心電極２１を第２
の中心電極３０に導通さＵている。なお、導電性緩衝材
であるニッケルフェルト３１が第２の中心電極３０と導
電板２２との間に介在されている。また第２の中心電極
３０には発電Ｉｌｎ体２０の間を通って半径方向に延び
た１ｍ板３２が一体的に設けられている。

さらに第２の中心電極３０の周囲に配置した４本の発電
＠進体２０は、ＮｉやＮｉ合金などの導電性材料からな
るテープもしくは円筒体である第２の外周電極３３によ
って結束され、もしくはその内部に収容されており、し
たがって各発電＠進体２０の外周電！２３は相互に導通
されている。なお、熱膨張を吸収しかつ接触状態を良好
にするために、発電構造体２０と第２の外周電極３３と
の間にニッケルフェルトが介在されており、また第２の
外周電極３３は導電板３２に対して絶縁されている。

そして第２の中心電極３０に突設した導電板３２の先端
部は、他の複数の発電ｖ４構造２０を収容している第２
の外周電極３０の外面にニッケルフェルト４０を介在さ
せて突き当てることにより直列に接続されている− 上述した４１ＩＩ造の燃料電池では、各単電池１の酸素
電極３側に空気などの醇化性ガスを流し、かつ燃刺電＃
１６側に水素ガスなどの燃料ガスを流すことにより各単
電池１で起電力が生じる。各単電池１は陽極である酸素
電極３がインターコネクタ４を介して内部集電子７に導
通し、陰極である燃料電極６が外部集電子８に導通して
互いに並列に接続され、したがってこれらの単電池１の
集合体であるスタック１１は内部集電子７が陽極で外部
集電子８が陰極の発電要素となる。そしてその各スタッ
ク１１の内部集電子７が導電板１２を介して中心電＃Ａ
２１に導通し、かつそれぞれの外部集電子８が外周Ｎ極
２３に電気的に接続されて互いに導通していることによ
り各スタック１１が中心電極２１および外周電極２３に
よって並列に接続し、そして５木のスタック１１かうな
る各発電構造体２ｏでは中心電極２１が陽極となり、か
つ外周電極２３が陰極となる。さらにその発電構造体２
０は、スタック１１と同様に、第２の中心’Ｆｓ　ｆｉ
３０おＪ：び第２の外周層４Ｎ！３３によって互いに並
列に接続され、その結果、第２の中心電極３ｏが陽極と
なり、第２の外周電極３３が陰極となる。したがって第
２の中心電極３０の周囲に発電構造体２０およびその要
素であるスタック１１の桐成部材として多数配置される
各１３１電池１はいずれも並列に接続されることになり
、各単電池１で生じた電流が第２の中心雷＃Ａ３０およ
び第２の外周電極３３を介して取出される。そして各ｉ
ｐ主電池同士および各スタック１１＠士ならびに各発電
構造体２０同士は並列に接続されているので、いずれか
の単電池１もしくはスタック１１あるいは発電構造体２
０に異常が生じてもその影響が他の部分に及ばず、発電
効率が低下ダることはない。またスタック１１ごとに、
もしくは発電構造体２０ごとに出力を増減してもその出
力の変更に伴う影響が他に及ばないので、スタック１１
こともしくは発電構造体２０ごとの出力の調整によって
燃料電池全体としての出力の調整を行なうことができる
。

なお上記の実施例では、スタック１１を発電要素とした
例について疎開したが、この発明は上記の実施例に限ら
れるものではなく、互いに並列に接続した複数のスタッ
クを発電要素とすることもできるのであり、その場合は
互いに並列に接続した一部のスタックを更に中心電極と
外周電極とによって並列に接続してなる集合体が発電構
造体となり、これを更に他の中心電極と外周電極とによ
って互いに並列に接続することになる。

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、発電要素およびその集合体である発Ｗ　ｔ
ｆ４造体進体れぞれ互いに独立しているので、それらの
うちのいずれかに異常があっても燃料電池全体としての
発電効率が損われることがなく、同時に発電要素ごとの
みならず発電＠進体ごとに出力を調整することにより燃
料電池の全体としての出力を調整でさ、したがってこの
発明によれば、発電効率を良好な状態に安定して維持で
き、また出力調整の容易な″ＭｐＦ電池を桿ることがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例を示す模式図、第２図は円
筒型の単電池の一例を模式的に示す断面図、第３図はス
タックを直列に接続した構造を示す説明図、第４図は４
１電池をマトリックス状に接続した構造を示す説明図で
ある。 １・・・単電池、　３・・・酸素電極、　４・・・イン
ターコネクタ、　５・・・固体電解質、　６・・・燃料
電極、７・・・内部集電子、　８・・・外部集電子、　
１１・・・スタック、　２０・・・発電構造体、　２１
・・・中心電極、２２・・・導電板、　２３・・・外周
電極、　３ｏ・・・第２の中心７ｍ極、　３２・・・導
電板、　３３・・・第２の外周電極。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 同心状に配置した中心電極と外周電極との間に複数の発
   電要素を配置し、かつ各発電要素の一方の電極を中心電
   極に導通させるとともに各発電要素の他方の電極を外周
   電極に導通させてなる複数の発電構造体を、それぞれの
   中心電極を第２の中心電極に導通させるとともに外周電
   極を相互に導通させることにより並列に接続したことを
   特徴とする固体電解質燃料電池の構造。