JPH034457A - 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 この発明は複数の発電要素（例えば単電池）を内部ＩＡ
主電子外部集電子との間に配置して発電構造体く例えば
スタック）を形成し、その発電構造体を複数個接続して
構成した燃料電池に関し、特に円筒状の固体電解質の内
外面にｉ！素電極および燃料電極を設けた発電要素を主
体とする燃料電池に関するものである。

従来の技術 周知のように固体電解質燃料電池は、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、その基本的な構造は、ＹＳＺなどの固体電解質を
挟んで、ペロプスカ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−２ｒ　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構造や、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構造が開発
・検討されている。これらの構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
単電池を含む直列接続した単電池群の全体がは能しなく
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、各単電池の
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
クにおいては内部集電子が一方の電極となり、外部集電
子が他方の電極となるから、直列に接続する場合には一
方のスタックの内部集電子を他方のスタックの外部集電
子に接続する必要がある。その接続のための構造として
、例えば各単電池におけるインターコネクタと同様に、
内部集電子の外面に半径方向に突出た導電板を軸線方向
のほぼ全長に亘って形成する一方、外部集電子にはその
′＃導電板絶縁状態で貫通させるスリットを形成し、そ
のスリットから突出させた導電板の端部を隣接するスタ
ックの外部集電子に接触させる構造が考えられる。しか
しながらこのような構造では、内部集電子の周囲の一部
を導電板が占めることになるために、内部集電子と外部
集電子との間に配列することのできる単電池の数が少な
くなる不都合がある。

また他の接続４Ｉ４造として、内部集電子の外周に等配
した単電池の間を通過する程度の薄さでかつ幅の狭い導
電板の一端部に内部集電子に嵌合する小径リングを設け
る一方、他端部に外部集電子に嵌合する一部切欠いた大
径リングを設けた接続具を使用し、互いに隣接する二本
のスタックをその接続具によりそれぞれの端部で接続す
る構造が考えられる。しかしながらこのような構造では
、単電池の配列本数が少なくならないものの、導電板の
断面積が小さいので、その電気抵抗が大きく、また強度
が不足する問題がある。

この発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、複数の
発電構造体を確実に直列に接続し１発電能力に優れた固
体電解質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、ほぼ同心状
に配置した内部集電子と筒状の外部集電子との間に、一
方の電極を内部集電子に導通させかつ他方の電極を外部
集電子に導通させた複数の円筒状の発電要素を等配して
発電構造体を形成し、その第１の発電構造体の内部集電
子を第２の発電構造体の外部集電子に導通させた固体電
解買燃料電池において、内部集電子の外周に等配した複
数の発電要素のうちいずれか一本の発電要素の端部が、
内部集電子の端部より所定寸法軸線方向での中央部側に
後退するとともに前記外部集電子のうち前記一本の発電
要素の端部に対応する部分に内外面に貫通する切欠部が
形成され、また内部ｆＩｇ電子の端部には前記一本の発
電要素の端部側を通って前記切欠部から外部集電子の外
面側に延出して先端部が他の発電構造体の外部集電子の
外面に導通させられたコネクター用突起が形成されてい
ることを特徴とするものである。

作　　　　用 この発明においても発電要素の内周側と外周側との一方
に空気などの酸化性ガスを流し、かつ他方に水素ガスな
どの燃料ガスを流すことにより発電が行なわれる。この
発電要素はその一方の電極を内部集電子に導通させた状
態で内部＊電子の外周に配置されており、そのうちの一
本の発電要素の端部は、内部集電子の端部より所定寸法
軸線方向での中央部側に後退し、ここにコネクター用突
起のための通過スペースが確保されている。また内部集
電子の外周に等配した発電要素の外周側はその他方の電
極を導通させた外部集電子によって包囲され、その外部
集電子の端部のうち、端部を後退させた発電要素に対応
する部分に切欠部が形成され、ここをコネクター用突起
が通過する。このコネクター用突起は一方の発電構造体
の内部集電子から半径方向に突出したものであって、そ
の先端部を他方の発電構造体の外部集電子の外面に当接
させるなどのことにより、一方の発電構造体の内部集電
子と他方の発電構造体の外部集電子とを導通させている
。そしてこのコネクター用突起の通過するスペースは一
本の発電要素の端部を後退させ、かつ外部集電子に切欠
部を形成することにより確保されるから、コネクター用
突起は電気抵抗の少ないかつ強度の充分なものとするこ
とができ、また内部集電子の外周に配置する発電要素の
本数が減じられることはない。

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
図であり、また第２図はその■−■線に沿う断面図であ
って、６本の単電池１を内蔵したスタック２が直列に接
続されている。この単電池１は所謂円筒型のものであっ
て、その−例を第３図に模式的に示しである。すなわち
アルミナ（＾Ｑ２０３）などで多孔構造に形成したセラ
ミック製支持管３の外周に、ペロプ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
の酸素電極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
ーメットなどを素材とした燃料電極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！ＩＩＩ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はほぼ同心状に配置した内８１！ＩＩＰ、
電子８と筒状の外部集電子９との間に６本の単電池１を
等配することにより構成されている。すなわち内部集電
子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輪状の部材であって、
その外周面にはクツ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１０が設けられており、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に突き当てた状態で内部集電子８の外周側に等
配されている。この内部集電子８の外周に等配した単電
池１のうちの所定の一本は第２図に示すようにその端部
が内部集電子８の端部より軸線方向で中央部側に後退し
た状態に設定されている。

これはその単電池１の長さを他の単電池１より短く構成
すること、もしくはその一本の単電池１を他の単電池１
に対して軸線方向にずらして配置することにより達成さ
れる。また外部集電子９は、内部集電子８と同様な素材
で筒状に形成されたものであり、その内周面に添設した
クツ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１１に各単電池１の外面を接触させた状態で６本
の単電池１を包囲し、収容している。この外部１！ｅ電
子９（その内面に添設したニッケルフェルト１１を含む
）の端部のうち前記端部を後退させた単電池１に対応す
る部分には、単電池１の直径程度もしくはそれ以上の幅
の切欠部１２が形成されている。そして内部集電子８の
端部にはその切欠部１２を貫通して外周側に延びたコネ
クター用突起１３が半径方向に向けて突設されている。

そしてこのコネクター用突起１３は、外周側への通過ス
ペースが、単電池１の一本の端部を後退させ、かつ外部
集電子９に切欠部１２を形成することにより確保されて
いるので、電気的特性および強度の点での要求を満足す
る程度の大きさに設定されている。

以上のように構成したスタック２の接続状態は第１図に
示す通りであり、互いに隣接してほぼ平行に配置された
二本のスタック２は、一方のスタック２における前記コ
ネクター用突起１３を他方のスタック２の外部集電子９
の外面に導電性緩衝材例えばニッケルフェルト１４を介
在させて当接させることにより直列状態に接続されてい
る。また特には図示しないが、第１図の左右方向には外
部集電子９同士を導通させた状態にスタック２が並列に
配列されている。

なお、上記の実施例では、一本の円筒状固体電解質の内
外周に酸素電極と燃料電極とを形成して単電池とし、こ
れを６本並列に接続してスタックとしたが、この発明は
上記の実施例に限られるものではなく、一本の円筒状の
固体電解質に、互いに直列接続とした多数の単電池を形
成してなる円筒状のスタックを発電要素とし、これを内
部集電子と外部集電子との間に配置して構成した発電構
造体を接続する場合にも適用することができる。

発明の効果 以上の説明から明らかなようにこの発明のｇａ電池の構
造によれば、互いに隣接する一方の発電構造体の内部集
電子と他方の発電構造体の外部集電子とを接続するコネ
クター用突起を断面積の大きいものとすることができる
ので、発電ＩＩ構造体接続部分での電気抵抗を低減しか
つ接続強度を高くすることができ、また内部集電子の外
周に配置する発電要素の数を減じる必要がないので、発
電能力を低下させる要因はなく、したがってこの発明に
よれば、発電能力に優れた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の一部を示す断面正面図、
第２図は第１図の■−■線に沿う断面図、第３図は単電
池の一つを模式的に示す断面図である。 １・・・単電池、　２・・・スタック、　８・・・内部
集電子、　９・・・外部集電子、　１２・・・切欠部、
　１３・・・コネクター用突起。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ほぼ同心状に配置した内部集電子と筒状の外部集電子と
   の間に、一方の電極を内部集電子に導通させかつ他方の
   電極を外部集電子に導通させた複数の円筒状の発電要素
   を等配して発電構造体を形成し、その第１の発電構造体
   の内部集電子を第２の発電構造体の外部集電子に導通さ
   せた固体電解質燃料電池において、 内部集電子の外周に等配した複数の発電要素のうちいず
   れか一本の発電要素の端部が、内部集電子の端部より所
   定寸法軸線方向での中央部側に後退するとともに前記外
   部集電子のうち前記一本の発電要素の端部に対応する部
   分に内外面に貫通する切欠部が形成され、また内部集電
   子の端部には前記一本の発電要素の端部側を通つて前記
   切欠部から外部集電子の外面側に延出して先端部が他の
   発電構造体の外部集電子の外面に導通させられたコネク
   ター用突起が形成されていることを特徴とする固体電解
   質燃料電池の構造。