JPH034456A - 固体電解質燃料電池 - 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 この発明は固体電解質を介して空気などの酸化性ガスと
水素ガスなどの燃料ガスとの間で反応を生じさせること
により電力を得る燃料電池に関するものである。

従来の技術 この種の燃料電池として例えばイツトリア安定化ジルコ
ニア（ＹＳＺ）を固体電解質としたものが知られており
、これは、ＹＳＺ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４１Ｉ造の酸素電極と、ニ
ッケルやニッケル合金あるいはＮｉ　−ｌｒ　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ＹＳＺを介した酸化・還
元反応によって電力を得るものである。このような構造
の単電池で得られる電圧は、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
する必要がある。その場合、酸化性ガスと燃料ガスとが
直接反応することを避けるための各ガス流路のシールが
容易なこと、小型化を容易に図れること、製造および制
御性に優れることなどの要請を満すことが望まれ、そこ
で従来、シール性および製造ならびに制御性を重視して
円筒形の単電池を直並列に接続した構造の燃料電池が研
究・開発されている。これは固体電解質を円筒形に形成
するとともに、その内周面に一方の電極、例えば酸素電
極を形成し、かつ外周面に他方の電極、例えば燃料電極
を形成して単電池を構成し、その単電池を、互いに同心
状に配置した内部集電子と外部集電子との間に複数本収
容し、かつ並列に接続してスタックとし、そのスタック
を更に直並列に接続した構造や、多数の単電池をマトリ
ックス状に配置して互いに接続した構造などである。

発明が解決しようとする課題 円筒型単電池を使用した上述した構造の燃料電池では、
各単電池を互いに平行で一定ピッチごとに配列して支持
することになるが、単電池の一方の端部は酸化性ガスも
しくは燃料ガスのいずれか一方の供給端とし、中間部の
外周は他方のガスの雰囲気とする必要があるために、こ
れら両者の区域を気密状態に隔絶し、その状態で各単電
池を支持することになる。そのための支持構造として隔
壁を貫通させて単電池を配置するとともにその隔壁に単
電池を固定し、かつその貫通部をシールする構造が最も
一般的であるが、単一の隔壁にすべての単電池を貫通さ
せた場合には、その貫通部分の間に、隔壁の強度を維持
しかつシールのためのスペースを確保する必要があるた
めに、単電池同士をある程度以上離さざるを得ない。そ
の結果、単電池同士の間の空間部分が、隔壁の強度維持
などの要請から大きくなるために、中位体積当りの単電
池の収容本数すなわち容積効率が低くなり、燃料電池が
大型化する不都合がある。

この発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、円筒型
単電池を使用した燃料電池において単位体積当りの発電
量の増大を図ることを目的としたものである。

課題を解決するための手段 この１発明は、上記の目的を達成するために、筒状の固
体電解質の内周面に第１の電極を設けるとともに外周面
に第２の電極を設けかつ一端部を気密状態に閉じた筒状
の複数の発電要素が、密閉容器内に、各々の開口端を配
列方向において交互に反対向きにして配列されるととも
に各発電要素がその開口端側で片持ち状に支持され、そ
れらの各発電要素に各々の開口端から第１のガス供給管
が挿入され、それらの第１のガス供給管の後端部が前記
密閉容器の軸線方向での両端部に気密状態に形成したガ
ス供給チャンバーに連通され、さらに各発電要素の少な
くとも中間部を気密状態に収容した密閉室が前記密閉容
器内に形成され、その密閉室に第２のガス供給管および
排気管が接続されていることを特徴とするものである。

作　　　　　用 この発明の燃料電池では、密閉容器内に一端部を密閉し
た複数本の円筒型の発電要素が配列され、かつ各発電要
素は隣接するもの同士の開口端が互いに反対向きとなる
よう配置されて各々の開口端側で片持ち状に支持されて
おり、したがって各支持部分では、発電要素の配置密度
の半分程度の配置密度となり、その結果、発電要素の配
置密度を高くしても充分な支持強度あるいはシール性が
確保され、容積効率が高くなる。そして各発電要素では
、第１のガス供給管からその内部に酸化性ガスもしくは
燃料ガスのいずれかが供給されるとともに、密閉室に他
方のガスが供給されることにより、固体電解質を介した
酸化・還元反応が生じて電力を発生する。

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断面図であって、こ
こに示す例は発電要素として６本の円筒型単電池１を使
用して１本のスタック２を形成したものである。ここで
使用されている単電池１について先ず説明すると、第２
図に示すように、イツトリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ
）などを素材として円筒形に形成された固体電解質３の
内周に、ペロブスカイト型ランタン系複合酸化物などを
木材とした酸素電極４が形成されるとともに、この固体
電解質３の外周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素材とした燃料電極５が形成され
た３層構造となっており、この単電池１の最外層の燃料
電極５と中間層の固体電解質３とには、最内層の酸素電
極４に達する深さで軸線と平行なスリット６が形成され
、このスリット６内にはニッケル合金などの導電性材料
からなるインターコネクタ７が、前記ｉＳ！索電極電極
接触しかつ燃料電極５と非接触状態に設けられている。

そして酸素電極３およびその外周に形成した固体電解質
３等は第３図に示すように一端部が気密状態に閉じ、他
方の端部のみが開口した形状とされている。したがって
単電池１は、その内周側に酸化性ガス例えば酸素（０２
）を流す一方、外周側に燃料ガス例えば水素ガス（Ｈ２
）を流すことにより固体電解￥Ｌ３の内外周側での酸ｘ
Ｓ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。

上述した構成の６本の単電池１が中心電極８を中心に円
周上に配列され、その状態で密閉容器９の内部に収容さ
れている。その配列状態は第４図に示すとおりであり、
中心電極８はニッケルやその合金もしくは導電性セラミ
ックなどの導電性材料からなる中実軸状もしくは中空軸
状の部材であって、その外周にはクツション性を付与す
るための導電性緩衝材例えばニッケルフェルト１０が巻
き付けられており、６本の単電池１は、そのインターコ
ネクタ５をそのニッケルフェルト１０に密着させた状態
で中心電極８の外周に等配されている。これらの単電池
１の外周には導電性緩衝材例えばニッケルフェルト１１
が配置され、その外周側に１ｊ電性テープ１２を巻き付
けることにより単電池１が結束されている。

上記の単電池１の支持構造は次のとおりである。

６本の単電池１のうち配列方向すなわち円周方向で１本
おきの３本の単電池１はその開口端を第１図の左側に向
け、また他の３本の単電池１はその開口端を第１図の右
側に向けて配置されており、それぞれ３本を１群とした
各群の単電池１は、その間口端部を保持板１３に貫通さ
せ、かつ気密状態にシールして支持されており、一方の
保持板１３を密閉容器９の一端部側に、他方の保持板１
３を密閉容器９の他方の端部側に固定することにより、
密閉容器９内に互いに接近もしくは密着しかつほぼ平行
に収容されている。なお保持板１３は密閉容器９を形成
する本体部９ａとその端部に取付ける円筒部材９ｂとの
間に挟み付けることにより固定されている。したがって
各１１１電池１は、方の一群の単電池１の間に他方の一
群の単電池１を先端部側（目端部側）から差し込んだ状
態に配置され、その結果、それぞれの開口端および支持
端は配列方向において交互に反対５向きとなっている。

また密閉容器９内の中間部には、左右一対の隔壁１４で
気密状態に仕切った密閉室１５が形成され、各−群の単
電池１は各々の保持板１３に近い側の隔壁１４を貫通し
て密閉室１５内に挿入されており、したがってｆｆｉ閉
室１５の内部で６本の単電池１を配列した構造となって
いる。

密閉容器９の両端部のうち単電池１の開口端から離れた
箇所に各保持板１３と平行に他の隔壁１６が設けられ、
その隔！！！１６を挟んで保持板１３とは反対側に第１
のガス例えば空気を供給するためのチャンバー１７が形
成されている。なお、この隔Ｈ１１６は前記円筒部材９
ｂとその端部に固定したキャップ部材９Ｃとの間に挟み
付けることにより固定されている。そして各隔壁１６に
は、それに近接する保持板１３側に開口している単電池
１の内部に挿入されかつ先端部が第３図に示すようにそ
の単電池１の南端近くまで延出した第１のガス例えば空
気を供給する空気供給管１８の後端部が貫通して固定さ
れており、したがって空気チャンバー１７に供給した空
気がここで各空気供給管１８に分配されて各−群の単電
池１の内部に供給されるようになっている。また隔壁１
６と保持板１３との間が第１の残務ガス例えば残務空気
を外部に導き出す残務空気￥１９とされ、各単電池１は
その残務空気ヱ１９に開口し、反応の用に供されなかっ
た空気をここから外部に排出するようになっている。

さらに前記密閉室１５には第２のガス例えば燃料ガスを
供給する燃料ガス供給管２０が前記各隔壁１４を貫通し
て開口しており、この密閉室１５内の残務ガスを排出す
る排出管２１が密閉容器９の中間部外面を貫通して取付
けられている。

したがって上記の構造では、実質的な発電を行なう部分
では６本の単電池１が存在するが、それらの単電池１を
片持ち状に支持する保持板１３の部分では第５図に示す
ように３本のみの単電池１が存在することになり、保持
板１３に余裕があることにより充分なシール性および支
持強度が確保されている。なお、空気供給管１８を貫通
させた第２の隔壁１６についても同様であって、充分な
シール性が確保されている。

なお、第７図に示すように、前記中心電極８は導電性テ
ープ１２を非導通状態で貫通する導電板２２によって、
密閉容器９の外部に設けた端子２３に導通され、また単
電池１を結束している導電性テープ１２は他の導電板２
４によって、密閉容器９の外部に設けた端子２５に導通
されている。

したがって上記の構成のスタック２では、各空気チャン
バー１７に空気を送り込めば、ここから各空気供給管１
８に空気が分配されて各単電池１内の先端部に供給され
、しかる後に単電池１の内面に沿って開口端側に向けて
流される。また燃料ガス供給管２０から水素ガスなどの
燃料ガスを送り込めば、６本の単電池１が収容されてい
る密閉室１５に燃料ガスが充満する。したがって各単電
池１では固体電解質３を挟んだ内周側と外周側とでの酸
素濃度差に起因して固体電解質３を介した酸化・還元反
応が生じ、それに伴って酸素電極４が陽極となり、また
燃料電極５が陰極となるよう起電力が生じる。そしてそ
の電力は、中心電極８およびこれを導通させである端子
２３と導電テープ１２およびこれを導通させである端子
２５とを介して取出される。

こうして取出される電力は、温度や各ガスの濃度などの
反応条件が一定であれば、各単電池１の前記密閉室１５
の内部での長さによってほぼ決まるが、上述した構造で
は、３本を一群とした各群の単電池１の支持端が互いに
反対側にあり、その支持端の寸法上の制約が密閉室１５
内での単電池１の配置密度に影響を及ぼさずに各単電池
１を互いに密着する程度に接近させて配置できるので、
容積効率が高くなって単位体積当りの発電力が大きくな
る。

なお、上記の実施例では６本の単電池１で１本のスタッ
ク２を構成した例について説明したが、この発明は上記
の実施例に限定されるものではなく、スタックを構成す
る単電池の本数は適宜に設定すればよい。またこの発明
における発電要素は上記の実施例で示した単電池に限定
されるものではなく、例えば多孔構造の支持管の外周に
Ｗ１索電極および固体電解質ならびに燃料電極の３層構
造の単電池を複数個形成し、それぞれをインターコネク
タで直列に接続した高電圧型のスタックであってもよく
、その場合には、円筒状の複数本のスタックを密閉容器
に収容したモジュールとなる。

さらにこの発明では、各発電要素の内部にガス供給管を
挿入するので、このガス供給管を導電性、材料とし、こ
れを一方の電極とすることもできる。

したがってその場合には、上記の実施例で示した中心電
極は不要になる。

発明の効果 以上の説明から明らかなようにこの発明の固体電解質燃
料電池によれば、発電要素を片持ち状に支持する箇所で
の寸法上の制約が発電要素の配置密度に影響しないので
、発電要素を可及的に接近させて配置し、容積効率を高
くすることができ、その結果、単位体積当りの発電量の
増大を図ることができ、換言すれば小型で高出力の燃料
電池を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例を示す断面図、第２図はそ
の単電池の一例を示す模式的な斜視図、第３図は単電池
の先端部分を示す断面図、第４図は第１図のＩＶ−ＩＶ
線に沿う拡大断面図、第５図は第１図のｖ−ｖ線に沿う
拡大断面図、第６図は第１図のＶｌ−Ｖｌ線に沿う拡大
断面図、第７図は中心電極およびと導電性テープと各端
子とのそれぞれの接続状態を示す各断面図である。 １・・・単電池、　２・・・スタック、　３・・・固体
電解質、　４・・・酸素電極、　５・・・燃料電極、　
９・・・密閉容器、　１３・・・保持板、　１４．１６
・・・隔壁、１５・・・密閉室、　１７・・・空気チャ
ンバー　　１８・・・空気供給管、　２０・・・燃料ガ
ス供給管、　２１・・・排気管。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 筒状の固体電解質の内周面に第１の電極を設けるととも
   に外周面に第２の電極を設けかつ一端部を気密状態に閉
   じた筒状の複数の発電要素が、密閉容器内に、各々の開
   口端を配列方向において交互に反対向きにして配列され
   るとともに各発電要素がその開口端側で片持ち状に支持
   され、それらの各発電要素に各々の開口端から第１のガ
   ス供給管が挿入され、それらの第１のガス供給管の後端
   部が前記密閉容器の軸線方向での両端部に気密状態に形
   成したガス供給チャンバーに連通され、さらに各発電要
   素の少なくとも中間部を気密状態に収容した密閉室が前
   記密閉容器内に形成され、その密閉室に第２のガス供給
   管および排気管が接続されていることを特徴とする固体
   電解質燃料電池。