JPH034455A - 固体電解質型燃料電池モジュール - 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を、複数本結束して並列または直列
に接続した固体電解質型燃料電池モジュールに関するも
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１■と低く実用的でないため、複数の燃料
電池単体を組合ぜた燃料電池モジュールとして使用する
のが一般的である。

第５図は従来の燃料電池モジュールの一例を示すもので
、この固体電解質型燃料電池モジュール１は、多孔質で
円筒状の支持管２の外周に、第１電極層３、固体電解質
層４、第２電極層５の順に積層するとともに、第２電極
層５と固体電解質層４とに、第１電極層３まで達する１
本のスリットを軸線方向に形成し、このスリット内にイ
ンターコネクタ６を形成した燃料電池単体７（第６図参
照）を、２枚の電極板８．８間に複数本挟持するととも
に、各燃料電池単体７の相互間および各燃料電池単体７
と雨雪極板８，９間を電気的に接続して、直並列接続状
態に構成されている。

また、第７図は従来の燃料電池モジュールの別の例を示
すもので、この固体電解質型燃料電池モジュール１１は
、円筒形の固体電解質１２の内側に第１電極層１３を、
外側に第２電極層１４をそれぞれ形成するとともに、第
２電極層１４と固体電解質層１２とに、第１電極層１３
まで達する１本のスリットを軸線方向に形成し、このス
リット内にインターコネクタ１５をそれぞれ形成した複
数本の燃料電池単体１６（第８図参照）を、同心円筒状
に設けられた内部集電子管１７と外部集電子管１８との
間に、それぞれのインターコネクタ１５の先端を内部集
電子管１７の外周に接続するとともに、それぞれの第２
電極層１４を外部集電子管１８の内周に接続して、並列
接続状態に構成されている。

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モジュールののうち、
前者の固体電解質型燃料電池モジュール１は、多孔質の
支持管２の外周に積層形成しであるため機械的強度が小
さく、また２枚の電極板８゜９間に、二段あるいはそれ
以上に重ねた状態で保持されているため不安定で、振動
や衝撃等によって崩れたり破損ししたりし易いとともに
、多段に積み重ねられないため広いスペースを必要とし
、また、各燃料電池単体７間の熱伝達が行われにくく、
固体電解質型燃料電池モジュール１内の温度分布にバラ
ツキが生じ、その結釆、発電能力が低下するとともに、
各燃料電池単体７の寿命が短くなる等の問題があった。

また後者の固体電解質型燃料電池モジュール１１の場合
は、各燃料電池単体１６が剛性を有する外部ｉ電子管１
８の内側に収容されて、保護されているため衝撃等に強
いが、各燃料電池単体１６を並列接続しているため、固
体電解質型燃料電池モジュール１１全体の出力電圧は約
１■と低く、一方、出力電流は１００〜３００Ａに達す
るため、内部集電子管１７と外部集電子管１６を流れる
際の電気抵抗による損失が大きくな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、充分な機械
的強度を有し、かつモジュール内の温度分布を均一化し
て発電特性を向上させるとともに、高電圧・小電流型の
出力が得られる固体電解質型燃料電池モジュールの提供
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
数形成し、かつ各燃料電池単体間を直列に接続するとと
もに、支持管の少くとも一方の端部に、その端部に形成
された燃料電池単体の第１電極層に導通する出力端子を
それぞれ設けた複数本の固体電解質型燃料電池スタック
を、それぞれの出力端子を周側端で、かつ最外側に位置
させて環状に配列した状態で、これら固体電解質型燃料
電池スタックの少なくとも両端部の外側を、剛性を有す
る外部スペーサ管で覆った構造としたことを特徴として
いる。

作　　　用 上記のように、複数の燃料電池単体を、支持管の外周に
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
タックを、それぞれの出力端子層が設けられた端部を同
側に揃え、この各固体電解質型燃料電池スタックの一端
側に形成した出力端子層を相互に接続するとともに、各
固体電解質型燃料電池スタックの他端側の燃料電池単体
の第２電極層同士を接続し、さらに外側に剛性を有する
外部スペーサ管を被せれば、環状に配列した固体電解質
型燃料電池スタック同士を並列に接続され、かつ機械的
強度の小さい固体電解質型燃料電池スタックが効果的に
保護された固体電解質型燃料電池モジュールとなる。ま
た、各固体電解質型燃料電池スタックを、その出力端子
層が形成された端部側が交互に並ぶようにすれば、隣接
する固体電解質型燃料電池スタックの一方の出力端子層
が、他方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電極層に当接して、直列に接続した固体電
解質型燃料電池モジュールとなる。

さらに、並列に接続した固体電解質型燃料電池モジュー
ル同士の接続または直列に接続した固体電解質型燃料電
池モジュール同士の接続により、所望の高電圧および高
出力が容易に得られる。

また、電気的に接続した固体電解質型燃料電池スタック
の外側に外部スペーサ管を被せたので、この外部スペー
サ管が固体電解質型燃料電池スタック間の熱伝達を行な
って、固体電解質型燃料電池モジュール全体の均熱化が
図れ、発電特性が向上する。

実　　施　　例 以下、この発明の一実施例を第１図ないし第４図に基づ
いて説明する。

固体電解質型燃料電池モジュール１９は、６本の固体電
解質型燃料電池スタック２０より構成されており、各固
体電解質型燃料電池スタック２０は、１本の長尺な円筒
状の支持管２１の外周に、内側から空気電極層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１！２１の軸方向に所定の長さでか
つ隣接する燃Ｒ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、機械的強度が比較的大きく、
またガス透過性に優れるとともに軽量な、例えばアルミ
ナやカルシア安定化ジルコニア（Ｃ８ｚ）等の多孔質管
が用いられており、この支持管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１１２２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、例えばペロブスカイト型
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
スを透過させない緻密構造の、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２４は、多孔質で電子導電性に優れた、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２
６は、酸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、ニッケル系合金やペロブスカ
イト型ランタン系複合酸化物（例えば１ａＣｒＯａ＞等
で形成されている。

この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２６と
を削って、最内層の空気電極１１２２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２
７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
周面と同じ高さか、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。

そして、このように形成された６本の固体電解質型燃料
電池スタック２０を、それぞれ出力端子層２８が形成さ
れた側を、同側端（第１図において左側端）に揃えると
ともに、はぼ同じ直径の内部スペーサ管２９の絶縁コー
ティング２９ａされた外周面に沿わせて環状に配設し、
さらに、それぞれの出力端子１１２８が環状に配設され
た各固体電解質型燃料電池スタック２０の最も外側、す
なわち固体電解質型燃料電池スタック２０の中心を通る
線上で外側となるように位置決めされている。

そして、環状に配設された６本の固体電解質型燃料電池
スタック２０の前記出力端子１２８が形成されているｆ
！！Ｊ（第１図において左側）の端部外周には、導電性
および剛性を有し、かつ所定の幅に形成された陽極外部
スペーサ管３０が１ｉｌｌ！装されて、これら６本の固
体電解質型燃料電池スタック２０を結束しており、また
各固体電解質型燃料電池スタック２０の出力端子層２８
は、ニッケルフェルト製の緩衝材３１を介してそれぞれ
陽極外部スペーサ管３０の内周に電気的に接続されてい
る。

また、６本の固体電解質型燃料電池スタック２０の他方
の端部の外周には、導電性および剛性を有する陰極外部
スペーサ管３２が嵌装されており、その端部に形成され
た各燃料電池単体２５の燃料電極２４が、ニッケルフェ
ルト製のａ！衝材（図示せず）を介してそれぞれ陰極外
部スペーサ管３２の内周に電気的に接続されて６本の固
体電解質型燃料電池スタック２０を結束している。

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。

６本の固体電解質型燃料電池スタック２０を結束した固
体電解質型燃料電池モジュール１９は、ケーシング（図
示せず）内に収納された、状態で使用され、各固体電解
質型燃料電池スタック２０の円筒状の支持管２１の内側
の空間にＭＩＡ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）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力が生
じる。そして各固体電解質型燃料電池スタック２０のそ
れぞれの燃料電池単体２６に生じた電力は、各インター
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
子層２８と、他端の燃料電池単体２５の燃料電極層２４
とが、各固体電解質型燃料電池スタック２０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、さらに
、６本の固体電解質型燃料電池スタック２０の出力は、
各固体電解質型燃料電池スタック２０の一方の端部の出
力端子層２８同士を接続している陽極外部スペーサ３０
と、他方の端部の燃料電極層２４同士を接続している陰
極外部スペーサ管３２とにより並列接続され、この陽極
外部スペーサ管３０と陰極外部スペーサ管３２との間で
取出すことができる。また、所望の電圧および電流を得
るために必要な数だけ固体電解質型燃料電池モジュール
１９を容易に直並列接続することができる。また、固体
電解質型燃料電池モジュール１９の内部スペーサ管２９
の一端（第１図において右端）の絶縁コーティング２９
ａを除去しておき、各固体電解質型燃料電池スタック２
０の対応する端部の燃料電極２４と電気的に接続させれ
ば、前記陽極外部スペーサ管３０と内部スペーサ管２９
との間で７１ＩＡ流を取出すこともできる。

また、上記実施例においては、各固体７４解賀型燃料電
池スタツク２０の固体電解質２３の内側に空気電極層２
２を、外側に燃料電極１１２４を形成した固体電解質型
燃料電池モジュール１９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からなる固体電解質型
燃料電池モジュール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し、か
つ各゛燃料電池単体間を直列に接続するとともに、支持
管の少くとも一方の端部に、その端部に形成された燃料
電池単体の第１電極層に導通する出力端子をそれぞれ設
けた複数本の固体電解質型燃料電池スタックを、それぞ
れの出力端子を同側端で、かつ最外側に位置させて環状
に配列した状態で、これら固体電解質型燃料電池スタッ
クの少なくとも両端部の外側を、剛性を有する外部スペ
ーサ管で覆った構造としたので、固体電解質型燃料電池
スタックを容易に組合せて、剛性の高い固体電解質型燃
料電池モジュールを構成することができるとともに、固
体電解質型燃料電池モジュール同士の接続も容易となり
、所望の電圧および電流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４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モジュールの斜視図、
第２図は同じく断面正面図、第３図は固体電解質型撚′
ｎ電池モジュールを構成している固体電解質型燃料電池
スタックの斜視図、第４図は固体電解質型燃料電池スタ
ックの断面側面図、第５図ないし第８図は従来例を示し
、第５図は従来の固体電解質型燃料電池モジュールの一
例の断面正面図、第６図はそれに使用されている燃料電
池単体の斜視図、第７図は別の従来の固体電解質型燃料
電池モジュールの断面正面図、第８図はそれに使用され
ている燃料電池単体の斜視図である。 １９・・・固体電解質型燃料電池モジュール、　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、　２８・・・出力端子
層、２９・・・内部スペーサ管、　２９ａ・・・絶縁コ
ーティング、　３０・・・陽極外部スペーサ管、　３２
・・・陰極外部スペーサ管。 第３図 第４図 フへ 第５図

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （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し、かつ各燃料電池単体間を直
   列に接続するとともに、支持管の少くとも一方の端部に
   、その端部に形成された燃料電池単体の第１電極層に導
   通する出力端子をそれぞれ設けた複数本の固体電解質型
   燃料電池スタックを、それぞれの出力端子を同側端で、
   かつ最外側に位置させて環状に配列した状態で、これら
   固体電解質型燃料電池スタックの少なくとも両端部の外
   側を、剛性を有する外部スペーサ管で覆った構造とした
   ことを特徴とする固体電解質型燃料電池モジュール。
2. （２）前記外部スペーサ管を導電性材料で形成するとと
   もに長さ方向に二分し、この各外部スペーサ管で、環状
   に配列した複数本の固体電解質型燃料電池スタックの両
   端外側を別々に結束して並列に接続したことを特徴とす
   る請求項１記載の固体電解質型燃料電池モジュール。
3. （３）前記固体電解質型燃料電池スタックは、支持管の
   一方の端部に形成された燃料電池単体に、その表面から
   第１電極層まで達する深さのスリットを設けてこのスリ
   ット内の第１電極層上に出力端子層が形成されているこ
   とを特徴とする請求項１または２記載の固体電解質型燃
   料電池モジュール。
4. （４）前記複数本の固体電解質型燃料電池スタックが、
   中空円筒状の内部スペーサ管の外周に環状に配設されて
   いることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記
   載の固体電解質型燃料電池モジュール。