JPH02299167A - 固体電解質型燃料電池スタック - 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、１本の円筒状支持管の外周に、複数の燃料
電池単体を、直列に接続した状態に形成した固体電解質
型燃料電池スタックに関するものである。

従来の技術 固体電解質型燃料電池を構成する各燃料電池単体から生
じる電圧は約１Ｖと低電圧で実用的でないため、複数の
燃料電池単体を直列に接続して所定の電圧とするととも
に、高出力とするために並列にも接続する必要がある。

複数の燃料電池単体を直列に接続する方式としては、第
４図に示す内部直列式と第５図に示す外部直列式とがあ
る。

先ず内部直列式は、多孔質で円筒状の支持管１の外周に
、第１電極層２、固体電解質層３、第２電極層４の順に
積層して形成された燃料電池単体５を、支持管１の軸方
向に所定の長さでかつ隣接する燃料電池単体５．５間に
間隙をそれぞれ設けて複数形成され、これら各燃料電池
単体５は、相互の間隙内にインターコネクタ６を設けて
、隣接する一方の燃料電池単体５の第１電極層２と他方
の燃料電池単体５の第２電極層４とをそれぞれ直列に接
続されている。そして、支持管１の両端部には、一方の
端部（第４図において左端）に形成された燃料電池単体
５の第１電極層２に導通された第１出力リード部７が支
持管１の外周に形成されるとともに、他方の端部には、
その端部に形成された燃料電池単体５の第２Ｎ極１１４
に導通された第２出力リード部８がそれぞれ形成され、
全体として一本の棒状のいわゆる燃料電池スタック９を
形成している。

一方、外部直列式に接続して用いる燃料電池単体１５は
、多孔質で円筒状の支持管１１の外周に、第１電極層１
２、固体電解質層１３、第２電極層１４の順に積層した
構造となっており、この各燃料電池単体１５の外周の一
部（第５図においてそれぞれの上部）には、表面から第
１電極１１１２まで達する深さのスリット１６が軸線と
平行に全長に亘って形成されており、このスリット１６
内にはインターコネクタ１７が、前記第１電極１１１２
に接続されるとともに第２電極層１４とは非接触状態に
設けられている。

そして、複数の燃料電池単体１５をそれぞれ平行に配列
して、互いに隣接する各燃料電池単体１５．１５の一方
のインターコネクタ１７の先端を、他方の燃料電池単体
１５の外周の第２電極層１４に、直接または導電性フェ
ルト等の緩衝材１８を介在させて当接させて直列に接続
している。

発明が解決しようとする課題 しかし、前述した従来の燃料電池単体を直列に接続する
形式のうち、前者の内部直列式の場合の燃料電池スタッ
ク９の出力電圧は、１本の円筒状支持管上に形成できる
燃料電池単体５の数によって決定されるもので、各燃料
電池単体５の必要最小限の長さおよび支持１ｉ！１の製
造可能な長さによって制限され、最大出力が決まってい
た。

また、燃料電池スタック９から外部出力させるためには
、支持管の両端部に、出力端子である第１出力リード部
７と第２出力リード部８とを設ける必要があり、両川力
リード部７．８の分だけ電気の流れるパスが長くなり、
内部抵抗が増すとともに、両川力リード部７．８の長さ
だけ、支持管１の有効長が短くなり、形成できる燃料電
池単体５の数が削減されるという問題があった。さらに
、出力電圧を高めるために、燃料電池スタック９同士を
直列に接続しようとした場合には、燃料電池スタック９
の両端に形成された第１出力リード部７と、他の燃料電
池スタック９の第２出力リード部８とを外部配線によっ
て接続する必要があり、接続作業が煩雑となるという問
題があった。

一方、後者の外部直列式の場合には、支持管１１の全長
を燃料電池単体１５として無駄なく使用できるが、１本
の支持！１１上に１個の燃料電池単体１５を形成するた
め１本当りの出力電圧が約１Ｖと低い。そのため、所望
の電圧を取り出すには多数の燃料電池単体１５を直列に
接続しなければならず、燃料電池単体１５の集合体が大
型化するという問題があった。

この発明は上記事情に鑑みなされたもので、内部直列式
の燃料電池スタックで、スタック相互の直列接続および
並列接続が容易であるとともに、外部出力が簡便に行な
える固体電解質型燃料電池スタックを提供することを目
的としている。

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、円筒状の支
持管の外周に、内側から第１電極層、固体電解質層、第
２電極層の順に積層した燃料電池単体を、軸方向に所定
の長さでかつ隣接する燃料電池単体間に間隙を設けて複
数形成するとともに、軸方向に互いに隣接する一方の燃
料電池単体の第１電極層と他方の燃料電池単体の第２電
極層とを接続する導電性接続体を支持管の外周の各間隙
内に形成して直列に接続した固体電解質型燃料電池スタ
ックにおいて、前記直列に接続された複数の燃料電池単
体のうちの少なくとも支持管の一端に形成された燃料電
池単体は、その表面から第１電極層まで達する深さのス
リットが設けられるとともに、このスリット内の第１電
極層上に出力端子層が所定の厚さに形成されていること
を特徴としている。

作　　　用 上記のように、固体電解質型燃料電池スタックを、１本
の支持管の外周に、複数の燃料電池単体を導電性接続体
で相互間を直列に接続した状態に形成するとともに、端
部に形成された燃料電池単体の外周面には、その最内側
の第１電極層に接続してスリット内に設けられた出力端
子層の一部が、最外側の第２電極層と非接触状態に配設
されていることから、外部出力が容易となり、また、こ
の固体電解質型燃料電池スタック同士を直列に複数接続
する場合には、端部に形成された前記出力端子層が、隣
接する他の固体電解質型燃料電池スタックの端部の燃料
電池単体の第２電極層にそれぞれ接触するように、出力
端子層の位賃が、例えば左右交互となるようにして、互
いに接近させて平行に配列すると、各燃料電池単体の出
力端子層が、それぞれ隣接する別の固体電解質型燃料電
池スタックの端部の第２１極層に当接して容易に直列接
続される。また出力リード部を介さずに直接的に接続で
きるため、内部抵抗による電力ロスが低減される。

また、固体電解質型燃料電池スタックの両端にそれぞれ
設ければ、各端部の燃料電池単体の第２電極層と出力端
子層とを、択一的に使用することにより直列接続および
並列接続を任意に行なうことができ、また直並列接続も
容易となり、所望の高電圧および高出力が容易に得られ
る。

実施例 以下、この発明の一実施例を第１図ないし第３図に基づ
いて説明する。

固体電解質型燃料電池スタック２ｏは、１本の長尺な円
筒状の支持管２１の外周に、内側がら空気電極層２２、
固体電解質層２３、燃料電極層２４の順に積層した燃料
電池単体２５を、支持管２１の軸方向に所定の長さでか
つ隣接する燃料電池単体２５．２５間に所定の間隙を設
けて複数形成するとともに、軸方向に互いに隣接する各
燃料電池単体２５のうちの一方の燃料電池単体２５の空
気電極層２２と、他方の燃料電池単体２５の燃料電極層
２４とを接続するようにインターコネクタ２６が支持管
２１の外周の各間隙内に形成されて、各燃料電池単体２
５を直列に接続して１本の棒状に形成されている。

また前記支持管２１には、機械的強度が大きく、またガ
ス透過性に優れるとともに軽量な、例えばアルミナ管や
カルシア安定化ジルコニア管（Ｃ３Ｚ）等が用いられて
おり、この支持！！２１の外周に形成された各燃料電池
単体２５の最内層の空気電極層２２は、高温酸化雰囲気
中で化学的に安定するとともに、高い導電性でかつガス
透過性に優れた、例えばベロアスカイト型ランタン系複
合酸化物で形成されている。また前記固体電解質層２３
には、酸素イオンの選択透過性を有し、ガスを透過さぜ
ない緻密構造の、例えばイツトリア安定化ジルコニア（
ＹＳＺ）等が使用され、さらに、最外側の燃料電極層２
４は、多孔質で電子導電性に帰れた、例えばニッケルあ
るいはニッケルとジルコニアとのサーメット等から形成
されている。

また前記インターコネクタ２１．ｉｌ化還元雰囲気中で
化学的に安定するとともに、高い電子導電性を有する、
ニッケル系合金やプロブスカイト型ランタン系複合酸化
物（例えばＬａＣｒ０３）等で形成されている。

そして、固体電解質型燃料電池スタック２０の一端側（
第１図において左端側）に形成された燃料電池単体２５
には、最外側の燃料電極層２４と中間の固体電解質層２
６とを削って、最内層の空気電極層２２の表面に達する
深さで、かつ支持管２１の軸線と平行な方向に一定の幅
で延びるスリット２７が形成されており、このスリット
２７内の前記空気電極層２２上には、前記インターコネ
クタ２６とほぼ同様の素材からなる出力端子層２８が、
燃料電極層２４と非接触状態でかつその電池外周側端部
（第２図において上端）が、最外層の燃料電極層２４の
外周面と同じ高さが、またはこれより若干外側に突出す
る高さに形成されている。

次に、上記のように構成されるこの実施例の作用を説明
する。

固体電解質型燃料電池スタック２０は、ケーシング（図
示せず）内に収納された状態で使用され、円筒状の支持
管２１の内側の空間に酸素あるいは空気が供給されると
ともに、直列に接続された各燃料電池単体２５の周囲の
ケーシング内の空間に、水素（Ｈ２）あるいは−酸化炭
素（Ｃｏ）等の燃料ガスが供給されると、各燃料電池単
体２５毎に、それぞれ固体電解質２３を挟んだ両側の雰
囲気の酸素濃度を平衡させるように、固体電解質層２３
を介して酸化・還元反応が起きて電気が生じる。

そして各燃料電池単体２６に生じた電気は、それぞれイ
ンターコネクタ２６を介して直列に接続されているため
、一端の燃料電池単体２５の空気電極層２２に接続した
出力端子１１８と、他端の燃料電池単体２５の燃料電極
層２４とが、固体電解質型燃料電池スタック２０全体の
陽極と陰極となり、直列に接続されて形成されている燃
料電池単体２５の数だけ加算された電圧として出力され
る。

また、さらに高電圧を得るために、固体電解質型燃料電
池スタック２０同士を直列に接続する場合には、各固体
電解質型燃料電池スタック２ｏの一端に形成された燃料
電池単体２５の出力端子層２８が、それぞれ隣接する他
の固体電解質型燃料電池スタック２０の端部に形成され
た燃料電池単体２５の燃料電極ＷＡ２４に接触するよう
に、各固体電解質型燃料電池スタック２０の前記出力端
子層２８の位置が、例えば左右交互となるようにして、
互いに接近させて平行に配列すると、各燃料電池単体２
８の出力端子層２８が、それぞれ隣接する別の固体電解
質型燃料電池スタック２０の端部の燃料電池単体２５の
燃料電極層２４に当接して容易に接続され、接続のため
の外部配線等を用いずに、所望の電圧を得るために必要
な数だけ固体電解質型燃料電池スタック２０を容易に接
続することができる（第３図参照）。

また、固体電解質型燃料電池スタックの両端にそれぞれ
形成された燃料電池単体２５．２５の両方に、それぞれ
出力端子層２８を形成することもでき、この場合には、
固体電解質型燃料電池スタック２０の両端の極性を任意
に選択することが可能となり、また両端の燃料電池単体
２５．２５上に形成する出力端子Ｍ２８の位置および数
を適宜決定することにより、固体電解質型燃料電池スタ
ック２０の向きを左右交互に配列する等の配慮が不要と
なり、また固体電解質型燃料電池スタック２０同士を直
列に接続する場合もまた並列に接続する場合も、前記出
力端子層２８を、隣接の固体電解質型燃料電池スタック
２０の燃料電極層２４と出力端子１１２８のどちらに接
触させるかにより接続方式を選択でき、固体電解質型燃
料電池スタック２０の集合体の全体としての直並列接続
も容易となる。

なお、上記実施例においては、固体電解質型燃料電池ス
タック２０の端部に形成された燃料電池単体２５に出力
端子層２８を設けた場合について説明したが、固体電解
質型燃料電池スタック２０の中間部に形成された燃料電
池単体２５に出力端子層２８を形成することもできる。

また、上記実施例においては、固体電解質２３の内側に
空気電極層２２を、外側に燃料電極層２４を形成した固
体電解質型燃料電池スタック２０の場合について説明し
たが、固体電解質の内側に燃料電極を、外側に空気電極
を形成した固体電解質型燃料電池スタックの場合にも同
様に実施することができる。

発明の詳細 な説明したようにこの発明は、円筒状の支持管の外周に
、内側から順に第１電極層、固体電解質層、第２電極層
の３１！！！ｔかうなる複数の燃料電池単体を、相互間
にインターコネクタを設けて直列に接続した固体電解質
型燃料電池スタックにおいて、前記複数の燃料電池単体
のうちの少なくとも支持管の一端に形成された燃料電池
単体に、第１電極層まで達する深さのスリットを形成し
てここに出力端子層を形成したので、固体電解質型燃料
電池スタックの両端に従来設けていた出力リード部が不
要となり、支持管の全長を有効に利用でき、１本の支持
管上に形成可能な燃料電池単体の数が増加するので、ス
タック当りの出力電圧を高めることができる。また、出
力リード部が不要となるため、内部抵抗による電力ロス
を低減することができる。

また、固体電解質型燃料電池スタック同士を直列に接続
する場合には、各固体電解質型燃料電池スタックの一端
の出力端子層が、それぞれ隣接する他の固体電解質型燃
料電池スタックの端部の燃料電池単体の外周の第２電極
層に接触するように配列するだけで、外部配線等を用い
ることなく容易に接続でき、また固体電解質型燃料電池
スタック同士の並列接続も容易となるので、所望の電圧
を容易に得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第３図はこの発明の一実施例を示すもので
、第１図は固体電解質型燃料電池スタックの斜視図、第
２図は同じく断面側面図、第３図はスタック間の直列接
続を示す模式図、第４図および第５図はそれぞれ従来例
を示すもので、第４図は内部直列式の燃料電池の接続方
法を示す断面側面図、第５図は外部直列式の接続方法を
示す断面正面図である。 ２０・・・固体電解質型燃料電池スタック、　２１・・
・支持管、　２２・・・空気電極層、　２３・・・固体
電解質層、　２４・・・燃料電極層、　２５・・・燃料
電池単体、　２６・・・インターコネクタ、　２７・・
・スリット、　２８・・・出力端子層。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 円筒状の支持管の外周に、内側から第１電極層、固体電
   解質層、第２電極層の順に積層した燃料電池単体を、軸
   方向に所定の長さでかつ隣接する燃料電池単体間に間隙
   を設けて複数形成するとともに、軸方向に互いに隣接す
   る一方の燃料電池単体の第１電極層と他方の燃料電池単
   体の第２電極層とを接続する導電性接続体を支持管の外
   周の各間隙内に形成して直列に接続した固体電解質型燃
   料電池スタックにおいて、前記直列に接続された複数の
   燃料電池単体のうちの少なくとも支持管の一端に形成さ
   れた燃料電池単体は、その表面から第１電極層まで達す
   る深さのスリットが設けられるとともに、このスリット
   内の第１電極層上に出力端子層が所定の厚さに形成され
   ていることを特徴とする固体電解質型燃料電池スタック
   。