JPH02312169A - 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 この発明は複数の単電池を相互に並列に接続し、その集
合体を更に相互に直列に接続した燃料電池のＩＩ４造に
関し、特に円筒状の固体電解質の内外面に酸素電極およ
び燃料電極を設けた単電池を主体とする燃料電池に関す
るものである。

従来の技術 周知のように固体型Ｗｉ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
の高温下で酸素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４１１造は、ＹＳｚなどの固体電
解質を挟んで、ぺ０プス力イト型ランタン系複合酸化物
などからなる多孔構造の酸素電極と、ニッケルやニッケ
ル合金あるいはＮｉ−Ｚｒ　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ガ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１■程度
に過ぎないので、実用に供するためには多数の単電池を
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ＩＩ４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ＩＩ造
が開発・検討されている。これらのＩｆ４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、製造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。

円筒型の単電池を使用して必要な起電力を得る構造とし
て、従来、単電池を縦横のマトリックス状に多数配列し
、例えば縦方向では各単電池を直列接続し、横方向には
各単電池を並列接続する構造が知られている。しかしな
がらこのような構造では、いずれかの単電池に異常を来
たしてその単電池が起電力を生じなくなった場合、その
ｉｌｌ電池を含む直列接続した単電池群の全体が機能し
なくなり、あるいはその単電池群での内部抵抗が著しく
増大して発電効率が低下する問題が生じる。このような
問題を解消することのできる構造を本出願人は既に提案
しており、その基本的な構造は、導電性の内部集電子の
外周に多数の円筒型単電池を配置するとともに、各１１
１Ｍ電池の内周側の電極をインターコネクタによって内
部集電子に導通させ、また内部集電子とほぼ同心状に設
けた筒状の外部集電子によって単電池の全体を包囲する
とともに各単電池の外周側の電極を外部集電子に導通さ
せたものである。なお、複数の単電池をこのように接続
した構造体はスタックと称されている。

発明が解決しようとする課題 上述したスタックは、更にその複数本を直並列に接続し
て燃料電池として組立てられるが、その場合、各スタッ
クは内部集電子を一方の電極とし、かつ外部集電子を他
方の電極とした独立した発電要素と考えられるから、こ
れを直列に接続する構造としては、少なくとも内部集電
子の一端部をその軸線方向に突出させ、その突出部分か
ら半径方向に延びた３＃電性接続具を他のスタックの外
部集電子の外面にニッケルフェルトなどのクッション性
のある導電材料を介在させて当接させるｍ造が考えられ
る。しかしながらこのような＃ｌ造では、各スタックで
生じた電流がその一端部に設けられている接続具に集中
して流れるので接続具での電流密度が高くなり、また接
続具と他のスタックの外部集電子の間の接触抵抗が大き
くなって燃料電池の全体としての発電効率が低下するな
どの問題がある。

この発明は上記の事情を背景としてなされたもので、発
電効率が良好で高出力の燃料電池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、平板部の一
端部に中空もしくは中実の小径軸部が設けられるととも
に、その平板体の他端部に平板体の板厚より幅の広いス
リットを設けて内径を弾性的に変化させる大径の筒状部
が設けられてなる導電性支持体を備え、前記小径軸部の
外周に、円筒状固体電解質の内周側に第１Ｔｉ極を設け
かつ外周側に第２電極を設けた複数の単電池が各々の第
１電極を小径軸部に導通さゼた状態で配置され、さらに
これらの単電池が他の導電性支持体の筒状部内に第２電
極を該筒状部に導通させた状態で収容されて該筒状部に
よって弾性的に締め付けられていることを特徴とするも
のである。

作　　　　　用 この発明に係る構造の燃料電池においても各単電池の固
体電解質を挟んだ両側に酸化性ガスと燃料ガスとを流す
ことにより起電力が生じる。それら複数の単電池は、平
板部の一端部に設けられた小径軸部の外周に配列され、
かつその状態で外周側を他の導電性支持体における筒状
部によって覆われるとともに内周側に向けて締め付けら
れ、したがって各単電池は小径軸部と他の支持体の筒状
部とに密着し、その接触部分での抵抗が実質上無視でき
る程度に低くなる。また上記のように保持され単電池の
集合体は、小径軸部と筒状部とを接続している平板部に
よって導通され、その平板部の断面積を広くすることが
できることにより、電流密度を低くすることが可能にな
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図はこの発明に係る燃料電池の一部を示す断面正面
図であって、複数本（図では６本）の単電池１を１つの
スタック２とし、これを直列に接続したものである。す
なわち各単電池１は所謂円筒型のものであって、その−
例を第２図に模式的に示してあり、アルミナ（＾１！２
０３　）などで多孔Ｉｌ造に形成したセラミック製支持
管３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４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５が突設されており、さらにそのＷ１木電極
４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６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サーメットな
どを木材とした燃料電極７が前記インターコネクタ５に
非導通状態となるよう固体電解質６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６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。

各スタック２において単電池１を保持する支持体８は第
３図に示す構造となっている。すなわちこの支持体８は
導電性を備えかつ耐水素脆性に富む材料、例えばニッケ
ル合金などを素材としたものであって、単電池１の長さ
と同程度もしくはそれ以上の長さの矩形の平板部８ａの
一側部に、軸線方向に沿ってスリットを入れることによ
り半径が弾性的に増減する中空の小径軸部８ｂが設けら
れ、また平板部８ａの他側部には、前記小径軸部８ｂの
周囲に配置した複数本（例えば６本）の単電池を包括す
る内径を有しかつ軸線方向に沿うスリットを入れること
により内径が弾性的に変化して単電池１の包絡円より小
さい内径からそれより大きい内径に変化する筒状部８Ｃ
が形成されている。

そして各単電池１は、そのインターコネクタ５を小径軸
部８ｂの外周面に突き当てた状態でその小径軸部８ｂの
外周側に等配されており、これらの単電池１の外周側は
、他の支持体８の筒状部８Ｃによって包囲されている。

その節状部８Ｃは上述したとおり自由状態での内径が６
本の単電池１の包絡円の径より小さいので、押し開いた
状態で単電池１を包み込んでおり、その結果、各単電池
１は筒状部８Ｃによって小径軸部８ｂを中心にして締め
付けられている。なお、筒状部８Ｃの内周側にはクッシ
ョン性を付与するための部材、例えばニッケルフェルト
９が添設されており、また平板部８ａは筒状部８Ｃのス
リットを通って筒状部８Ｃを貫通している。したがって
各単電池１はそのインターコネクタ５を一方の支持体８
の小径軸部８ｂの外周面に密着させ、また外周側の燃料
電極７をニッケルフェルト９を介して他方の支持体８の
筒状部８Ｃの内周面に接触させた状態で保持されており
、このようにして６本の単ｆｆ１ｌｔ！！１を並列に接
続してスタック２が構成されている。各スタック２は筒
状部８Ｃの外面から平板部８ａを介して小径軸部８ｂを
突出させ、また中心部の小径軸部８ｂから他の平板部８
ａを介して筒状部８Ｃを突出させた状態になっており、
それらの小径軸部８ｂおよび筒状部８Ｃのそれぞれにつ
いて上述した構成と同様なスタック２が形成され、その
結果、複数のスタック２が、一方の電極となる小径軸部
８ｂと他方の電極となる筒状部８Ｃとを平板部８ａで順
次導通させて直列に接続されている。

上記の＠造の燃料電池においては、各ｌｌ１ｔ池１の内
周側に空気などのＭＩＡガスを含む酸化性ガスを流し、
かつ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６を介した酸化・還元反応により起電力が生
じ、そして各スタック２では単電池１の酸素電極４がイ
ンターコネクタ５を介して小径軸部８ｂに導通している
ことによりその小径軸部８ｂが陽極側で筒状部８Ｃが陰
極側となり、さらに隣接するスタック２同士は小径軸部
８ｂをこれと一体の平板部８ａを介して他のスタツク２
側の筒状部８Ｃに導通しているので、電流はその平板部
８ａを流れる。そして始端側のスタック２の筒状部８Ｃ
を陰極とし、終端側のスタック２の小径軸部８ｂを陽極
として出力される。したがって隣接するスタック２同士
では支持体８の平板部８ａを介して電流が流れ、その平
板部８ａは単電池１の軸長程度の長さで広い断面積を備
えているので、この平板部８ａでの電流密度が特に高く
なることはなく、また各単電池１は筒状部８Ｃの弾性力
で締め付けられているので、小径軸部８ｂおよび筒状部
８Ｃに対して確実に導通し、その接触部分での抵抗が実
質上無視できる程度に小さくなる。

なお、上記の実施例では、小径軸部８ｂもその半径が弾
性的変化する構造としたが、この発明では、筒状部が単
電池を締め付けるので小径軸部は、第４図に示すように
ｉＩｊ純な円筒状であってもよく、もしくは中実輪状で
あってもよい。また小径軸部の外周にニッケルフェルト
などの導電性緩衝材を設けてもよい。さらに上述のよう
に直列に接続したスタック群同士を互いに並列に接続す
ることは任意である。

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ａ
造によれば、複数のｉｐ主電池らなるスタック間の電路
が断面積の広い平板体で確保されるので、電流密度が低
くなり、しかも各単電池は小径軸部を中心にして外周側
から筒状部によって締め付けられるので、各単電池と小
径軸部および筒状部との接触状態が確突くなって両者の
間の接触抵抗が実質上無視できる程度に低くなる。その
結果、この発明によれば、内部抵抗が低く、光電効率お
よび出力の高い燃料電池を得ることができる。

４、図面のｆ！！１ｉｔｐな説明 第１図はこの発明の一実施例の一部を示す断面正面図、
第２図はＩＩＩ電池の一つを模式的に示す断面図、第３
図はその支持体を示す部分斜視図、第４図は他の支持体
の断面図である。

１・・・ｉ１１電池、　２・・・スタック、　４・・・
′Ｍ素電極、５・・・インターコネクタ、　６・・・固
体電解質、　７・・・燃料電極、　８・・・支持体、　
８ａ・・・平板部、８ｂ・・・小径軸部、　８Ｃ・・・
筒状部。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 平板部の一端部に中空もしくは中実の小径軸部が設けら
   れるとともに、その平板体の他端部に平板体の板厚より
   幅の広いスリットを設けて内径を弾性的に変化させる大
   径の筒状部が設けられてなる導電性支持体を備え、前記
   小径軸部の外周に、円筒状固体電解質の内周側に第１電
   極を設けかつ外周側に第２電極を設けた複数の単電池が
   各々の第１電極を小径軸部に導通させた状態で配置され
   、さらにこれらの単電池が他の導電性支持体の筒状部内
   に第２電極を該筒状部に導通させた状態で収容されて該
   筒状部によつて弾性的に締め付けられていることを特徴
   とする固体電解質燃料電池の構造。