JPH07235316A - 円筒形固体電解質燃料電池 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 支持管、燃料電極及び集電体の部分の構成を
改善して、集電抵抗を低減し且つ構造を簡素化する。 【構成】 少なくとも筒状に形成される燃料電極６、固
体電解質５及び空気電極４を径方向に薄膜多層に積層し
てセル３が構成され、これら燃料電極６と空気電極４に
それぞれ集電手段が設けられる円筒形固体電解質燃料電
池であって、金属とセラミックスを混合した多孔質膜の
燃料電極の機能を有する筒状の燃料電極管１０を有し、
この燃料電極管１０は内周に金属の集電部１１を有する
と共に、金属とセラミックスの配合を肉厚方向に傾斜化
して、集電手段と支持手段とを兼ねるように形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、円筒縦縞形の固体電
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、その電解質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、円筒縦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の上に軸方向に長い単
一のセル３が配置されている。即ち、支持管２の上の最
も内側に複合酸化物の多孔質膜の空気電極４が形成さ
れ、この空気電極４の外周側に安定化ジルコニアの固体
電解質５が形成され、固体電解質５の外周側の最も外側
にニッケルとジルコニアのサーメットの多孔質膜の燃料
電極６が形成され、三層一体化膜に構成されている。

【０００６】また集電して外部回路を構成するため、空
気電極４の外周一部の軸方向全域に導電性の良いセラミ
ックスのインターコネクター７が外側に露出した状態で
形成され、このインターコネクター７と最外側の燃料電
極６にそれぞれ金属集電体８，９が接触される。そして
金属集電体８，９によりそれぞれ他のセルの燃料電極
６’とインターコネクター７’とに接続される。こうし
て燃料電池１が全体として細い筒状でセル３を縦縞模様
に配置した構造となる。

【０００７】そこで燃料電池１の作動時には、セル３を
１０００℃の高温雰囲気にして支持管２の内部に空気中
の酸素を、周囲に燃料の水素等を連続的に供給する。す
ると空気電極４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６に達する。そして燃料電極６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的な反応により電気を発生す
る。この場合にセル３の電気は、水素の還元雰囲気中で
インターコネクター７、金属集電体８，９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、特に燃料電極６がニッケルとジル
コニアの一定配合のサーメットであり、この燃料電極６
に金属集電体８，９を単に接触した構成であるから、集
電抵抗が大きくなって、電池の出力低下の原因になって
いる。また金属集電体８，９により隣接するセル同士を
接触しながら接続するため、作業性が悪く、均一な接触
抵抗を得ることが難しい。

【０００９】空気電極４と燃料電極６の集電抵抗を低減
する方法として、金属または金属混合物をインターコネ
クター７や燃料電極６の外表面に形成することが考えら
れるが、製造が面倒になり、他のセルとの接触抵抗の低
減は解消されない等の問題がある。

【００１０】この発明は、このような点に鑑み、支持
管、燃料電極及び集電体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。

【００１１】

【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、少なくとも筒状に形成される燃料電極、固
体電解質及び空気電極を径方向に薄膜多層に積層してセ
ルが構成され、これら燃料電極と空気電極とにそれぞれ
集電手段が設けられた円筒形固体電解質燃料電池であっ
て、金属とセラミックスを混合した多孔質膜の燃料電極
の機能を有する筒状の燃料電極管を有し、この燃料電極
管は内周に金属の集電部を有すると共に、金属とセラミ
ックスとの配合割合を肉厚方向に傾斜化して、集電手段
と支持手段とを兼ねるように形成されていることを特徴
とするものである。

【００１２】

【作用】上記構成によるこの発明では、燃料電極の機能
を有する燃料電極管が内周に金属の集電部を有するが、
その肉厚方向の金属の傾斜機能で、高温雰囲気中で熱的
に整合したものになる。そして電池作動時には、燃料電
極管で発生した電子が軸方向に低抵抗で集電される。

【００１３】また高温雰囲気では、燃料電極管がその肉
厚方向のセラミックスの傾斜機能で固体電解質とセラミ
ックス同士で接合して、大きい接着強度が得られ、固体
電解質と空気電極も熱的に整合する。そこでこれら三者
は、円周及び軸方向の全域で強固に一体結合し、この結
合状態でセルが支持されて支持体等が不要になる。

【００１４】

【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と図２において、円筒縦縞形の固体電解質
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１
０を有し、この燃料電極管１０に単一のセル３が配置さ
れる。燃料電極管１０は、導電性の良い金属のニッケル
と、固体電解質５との熱整合性の良い安定化ジルコニア
を混合したサーメットの多孔質膜に形成され、軸方向全
域で燃料電極としての機能を有する。この場合に、例え
ば溶射法で製造する場合は、材料の配合割合を制御する
ことにより、外周側では安定化ジルコニアが多く、内周
側ではニッケルが多くなるように配合して、肉厚方向に
傾斜化され、最も内周にはニッケルのみの多孔性の集電
部１１が形成されて、集電と支持を兼ねることが可能に
なっている。

【００１５】続いて、セル３の構成について説明する
と、上記燃料電極管１０の外周側で軸方向の略全域に安
定化ジルコニアからなる固体電解質５が形成され、固体
電解質５の外周側に同様に複合酸化物の多孔質膜の空気
電極４が形成されている。こうして円筒状の燃料電極管
１０、固体電解質５及び空気電極４が、隙間の無い状態
で径方向に薄膜多層に積層されて、実質的に三層一体化
膜に構成されている。そして燃料電極６と空気電極４と
の配置が従来の場合と逆になることで、内側の燃料電極
管１０に水素が、外側の空気電極４に空気中の酸素が供
給される。

【００１６】一方、集電して外部回路を構成するため、
内側の燃料電極管１０の一端に金属の集電リング１２
が、内周の集電部１１に接するように螺合されている。
また空気電極４の一部には集電リング１３が嵌着され、
これら集電リング１２，１３が結線１４により他のセル
に接続される。

【００１７】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３を１０００℃の
高温雰囲気すると、燃料電極管１０、固体電解質５及び
空気電極４が高温に加熱される。そこで燃料電極管１０
では、肉厚方向のニッケルの傾斜機能により内周のニッ
ケルの集電部１１との接合箇所が熱的に整合し、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。

【００１８】また燃料電極管１０と固体電解質５との接
合箇所は、燃料電極管１０の肉厚方向の安定化ジルコニ
アの傾斜機能により安定化ジルコニア同士の接合となっ
て、熱的に整合する。更に、固体電解質５と空気電極４
との接合箇所は、セラミックス同士の接合で、当然、熱
的に整合する。こうして燃料電極管１０、固体電解質５
及び空気電極４が、高温雰囲気中で円周及び軸方向の全
域で強固に一体結合し、この結合状態でセル３が支持さ
れて支持体等が不要になる。

【００１９】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、燃
料電極管１０、固体電解質５及び空気電極４が、隙間の
無い状態で径方向に薄膜多層に積層することで、これら
の円周及び軸方向の全域で電気化学的に反応する。即
ち、高温雰囲気の空気電極４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５をその特性
により通る。そして燃料電極管１０では固体電解質５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効率良く電気を発生する。

【００２０】このとき燃料電極管１０では軸方向の略全
域で発電するが、この電子が内周のニッケルの集電部１
１により低抵抗で集電され、この電子が集電リング１２
と結線１４により取り出される。また空気電極４では、
結線１４と集電リング１３とにより電子が良好に導入さ
れる。

【００２１】以上、この発明の実施例について説明した
が、燃料電極管の材料、構成が異なる場合も同様に適応
できることは勿論である。

【００２２】

【発明の効果】以上に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、金属とセラミ
ックスを混合した多孔質膜の燃料電極の機能を有する筒
状の燃料電極管を有し、この燃料電極管は内周に金属の
集電部を有して構成されているので、特に燃料電極側の
軸方向の集電抵抗を大幅に低減できる。また燃料電極管
は金属とセラミックスとの配合割合を肉厚方向に傾斜化
して、高温雰囲気で固体電解質と熱的、機械的に強く結
合するように構成されているので、支持体等が不要にな
ってセル構造が単純化し、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
は金属とセラミックスとの材料で製造されるので、低コ
スト化を図ることができる。さらにまた円筒縦縞形とし
て、円筒状の燃料電極管、固体電解質及び空気電極が、
隙間の無い状態で径方向に薄膜多層に積層して構成され
るので、発電効率が向上する上に、集電リングと結線と
により隣接するセル同士が接続されるので、モジュール
化する際の作業性や抵抗の低減など点で優れたものとな
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】同実施例の全体の斜視図である。

【図３】従来の円筒縦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、 ３…セル、 ４…空
気電極、 ５…固体電解質、 １０…燃料電極管、 １
１…集電部。

フロントページの続き (72)発明者 山岡 悟 東京都江東区木場一丁目５番１号 株式会 社フジクラ内 (72)発明者 小野 幹幸 東京都江東区木場一丁目５番１号 株式会 社フジクラ内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 少なくとも筒状に形成される燃料電極、
   固体電解質及び空気電極を径方向に薄膜多層に積層して
   セルが構成され、これら燃料電極と空気電極とにそれぞ
   れ集電手段が設けられた円筒形固体電解質燃料電池にお
   いて、 金属とセラミックスとを混合した多孔質膜の燃料電極の
   機能を有する筒状の燃料電極管を有し、この燃料電極管
   は内周に金属の集電部を有すると共に、金属とセラミッ
   クスとの配合割合を肉厚方向に傾斜化して、集電手段と
   支持手段とを兼ねるように形成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。