JP2769629B2 - 円筒型固体電解質燃料電池 - Google Patents
円筒型固体電解質燃料電池Info
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- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
- H01M8/241—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with solid or matrix-supported electrolytes
- H01M8/2425—High-temperature cells with solid electrolytes
- H01M8/243—Grouping of unit cells of tubular or cylindrical configuration
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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Description
【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 この発明は複数の単電池を内部集電子の周囲に配置し
てスタックを構成し、あるいは複数のスタックを内部集
電子の周囲に配置してモジュールを構成した円筒型の固
体電解質燃料電池に関するものである。
てスタックを構成し、あるいは複数のスタックを内部集
電子の周囲に配置してモジュールを構成した円筒型の固
体電解質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、イットリア安定
化ジルコニア（YSZ）などの酸素イオン透過性のある固
体電解質を挟んで、ペロブスカイト型複合酸化物などか
らなる酸素電極とNiやNi−ZrO2サーメットなどからなる
燃料電極とを設けて単電池を構成し、その単電池を複数
個直列もしくは並列に接続してスタックを構成し、さら
にそのスタックを複数個集合させてモジュール化してお
り、このように多数の単電池を接続することにより必要
とする出力を得ている。従来、この種の単電池あるいは
スタックとして円筒型のものと平板状のモノリシック型
とが知られているが、空気などの酸化性ガスと水素ガス
などの燃料ガスとのシールの容易性や製造の容易性など
の点では円筒型のものが優れている。
化ジルコニア（YSZ）などの酸素イオン透過性のある固
体電解質を挟んで、ペロブスカイト型複合酸化物などか
らなる酸素電極とNiやNi−ZrO2サーメットなどからなる
燃料電極とを設けて単電池を構成し、その単電池を複数
個直列もしくは並列に接続してスタックを構成し、さら
にそのスタックを複数個集合させてモジュール化してお
り、このように多数の単電池を接続することにより必要
とする出力を得ている。従来、この種の単電池あるいは
スタックとして円筒型のものと平板状のモノリシック型
とが知られているが、空気などの酸化性ガスと水素ガス
などの燃料ガスとのシールの容易性や製造の容易性など
の点では円筒型のものが優れている。
第４図は円筒型燃料電池を構成するスタックの一例を
示す断面図であり、また第５図はその単電池の一つを示
す断面図であって、スタック１はNiなどの導電性材料か
らなる筒状の内部集電子２の外周に複数個（図では６
個）の単電池３を配置し、さらにその外周をNiなどの導
電性材料からなる筒状の外部集電子４で被った構造とな
っている。ここで単電池３は第５図に示すように、アル
ミナ（Al2O3）などで多孔構造に形成したセラミック製
支持管５の外周に酸素電極６を形成し、この酸素電極６
に導通したインターコネクタ７を半径方向に突出させて
設けるとともに酸素電極６の外周に固体電解質８を設
け、さらにインターコネクタ７に非導通状態の燃料電極
９を固体電解質８の外周に設けて構成されている。この
単電池３はインターコネクタ７の先端にNiフェルトなど
の導電性フェルト10を介在させて内部集電子２に導通し
ており、また各単電池３の燃料電池９は導電性フェルト
11を介して外部集電子４に導通している。なお、導電性
フェルト10,11を介在させている理由は、各集電子2,4お
よびインターコネク７が弾性のない剛体であり、また各
構成部材の熱膨張率が同一でないので、導通状態を確実
にすると同時に熱膨張を吸収する必要があるためであ
る。
示す断面図であり、また第５図はその単電池の一つを示
す断面図であって、スタック１はNiなどの導電性材料か
らなる筒状の内部集電子２の外周に複数個（図では６
個）の単電池３を配置し、さらにその外周をNiなどの導
電性材料からなる筒状の外部集電子４で被った構造とな
っている。ここで単電池３は第５図に示すように、アル
ミナ（Al2O3）などで多孔構造に形成したセラミック製
支持管５の外周に酸素電極６を形成し、この酸素電極６
に導通したインターコネクタ７を半径方向に突出させて
設けるとともに酸素電極６の外周に固体電解質８を設
け、さらにインターコネクタ７に非導通状態の燃料電極
９を固体電解質８の外周に設けて構成されている。この
単電池３はインターコネクタ７の先端にNiフェルトなど
の導電性フェルト10を介在させて内部集電子２に導通し
ており、また各単電池３の燃料電池９は導電性フェルト
11を介して外部集電子４に導通している。なお、導電性
フェルト10,11を介在させている理由は、各集電子2,4お
よびインターコネク７が弾性のない剛体であり、また各
構成部材の熱膨張率が同一でないので、導通状態を確実
にすると同時に熱膨張を吸収する必要があるためであ
る。
発明が解決しようとする課題 ところで上述した単電池３で得られる電圧は１ボルト
以下であり、また電流密度は100〜300mA程度であり、し
たがって必要な電力を得るには多数の単電池３を直並列
に接続しなければならず、それに伴って接続箇所での抵
抗、あるいは接続の良否が発電能力に大きく影響するこ
とになる。しかるに前記の構成の燃料電池では、内部集
電子２と外部集電子４とが実質的に剛体であるために導
電性フェルト10,11のクッション性によって各単電池３
と各集電子2,4との間の導通状態の確保を図っている
が、導電性フェルト10,11の充填量や充填の仕方は設計
上予め定めた量や方法に依らざるを得ないから、単電池
３の配列の偏りや単電池３もしくは各集電子2,4に寸法
誤差があった場合には、導電性フェルト10,11を介した
接触状態が不均一になり、あるいは部分的に不充分とな
る。そのため前述した燃料電池の構造では単電池３と集
電子2,4との接続部分、あるいは単電池３を直列接続し
た場合には単電池３同士の接続部分での抵抗が大きくな
って充分な発電効率を得られないおそれが多分にあっ
た。
以下であり、また電流密度は100〜300mA程度であり、し
たがって必要な電力を得るには多数の単電池３を直並列
に接続しなければならず、それに伴って接続箇所での抵
抗、あるいは接続の良否が発電能力に大きく影響するこ
とになる。しかるに前記の構成の燃料電池では、内部集
電子２と外部集電子４とが実質的に剛体であるために導
電性フェルト10,11のクッション性によって各単電池３
と各集電子2,4との間の導通状態の確保を図っている
が、導電性フェルト10,11の充填量や充填の仕方は設計
上予め定めた量や方法に依らざるを得ないから、単電池
３の配列の偏りや単電池３もしくは各集電子2,4に寸法
誤差があった場合には、導電性フェルト10,11を介した
接触状態が不均一になり、あるいは部分的に不充分とな
る。そのため前述した燃料電池の構造では単電池３と集
電子2,4との接続部分、あるいは単電池３を直列接続し
た場合には単電池３同士の接続部分での抵抗が大きくな
って充分な発電効率を得られないおそれが多分にあっ
た。
この発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、単電
池やスタック同士もしくはこれらと集電子との接続を確
実にし、もって発電効率の向上を図ることのできる円筒
型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。
池やスタック同士もしくはこれらと集電子との接続を確
実にし、もって発電効率の向上を図ることのできる円筒
型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、酸素イオ
ン透過性のある筒状の固体電解質の内外周両側での酸素
濃度の差によって起電力を生じる複数の発電要素を内部
集電子の外周側に配置し、かつそれらの発電要素をその
外周側に巻付けた導電性テープによって結束したことを
特徴とするものである。
ン透過性のある筒状の固体電解質の内外周両側での酸素
濃度の差によって起電力を生じる複数の発電要素を内部
集電子の外周側に配置し、かつそれらの発電要素をその
外周側に巻付けた導電性テープによって結束したことを
特徴とするものである。
またこの発明では導電性フェルトを用いることもで
き、その場合、導電性フェルトは、内部集電子と発電要
素との間、発電要素と導電性テープとの間の少なくとも
いずれか一方に介在させることができる。
き、その場合、導電性フェルトは、内部集電子と発電要
素との間、発電要素と導電性テープとの間の少なくとも
いずれか一方に介在させることができる。
なおここで、発電要素には、単電池のみならず、支持
管の外周に複数の単電池を形成してなるスタック、複数
の単電池を結束してなるスタック、複数のスタックを結
束してなるモジュール等を含む。
管の外周に複数の単電池を形成してなるスタック、複数
の単電池を結束してなるスタック、複数のスタックを結
束してなるモジュール等を含む。
作用 この発明の燃料電池においては、固体電解質を挟んだ
両側に酸素ガスを含む酸化性ガスと水素ガスなどの燃料
ガスとを流すことにより、固体電解質の内外両側での酸
素濃度の差によって起電力が生じ、各発電要素における
起電力は内部集電子および外周側の導電性テープから出
力される。その各発電要素は内部集電子の外周に配列さ
れ、その状態で導電性テープによって結束されているの
で、導電性テープの巻付け時の張力によって各発電要素
は内部集電子に確実に密着させられ、同時に導電性テー
プにも確実に密着する。その結果、内部集電子および外
部集電子となる導電性テープに対する各発電要素の接触
状態が良好となり、これらの接続部分での抵抗が減じら
れて発電効率が向上する。
両側に酸素ガスを含む酸化性ガスと水素ガスなどの燃料
ガスとを流すことにより、固体電解質の内外両側での酸
素濃度の差によって起電力が生じ、各発電要素における
起電力は内部集電子および外周側の導電性テープから出
力される。その各発電要素は内部集電子の外周に配列さ
れ、その状態で導電性テープによって結束されているの
で、導電性テープの巻付け時の張力によって各発電要素
は内部集電子に確実に密着させられ、同時に導電性テー
プにも確実に密着する。その結果、内部集電子および外
部集電子となる導電性テープに対する各発電要素の接触
状態が良好となり、これらの接続部分での抵抗が減じら
れて発電効率が向上する。
また導電性フェルトを介在させた場合には、内部集電
子や発電要素の外面に凹凸があっても広い接触面積を確
保し、電気的な接続状態が良好になる。
子や発電要素の外面に凹凸があっても広い接触面積を確
保し、電気的な接続状態が良好になる。
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６個の単電池３を内部集電子２の外周に
等配してスタック20を構成した燃料電池の例であり、そ
の単電池３は第５図を参照して説明したものと同一の構
成であるので、ここではその説明を省略する。内部集電
子２はNiやNi合金、Niを含むサーメット等の高融点でか
つ耐水素脆性のある材料によって円筒状に形成されてお
り、６個の単電池３はそのインターコネクタ７を内部集
電子２に向けて配置され、かつ内部集電子２の外周に導
電性フェルト21を巻付けるなどの手段によってインター
コネクタ７と内部集電子２との間に導電性フェルト21が
介在されている。なお導電性フェルト21としては、Niや
Ni合金製のものを使用することができる。そしてこれら
の単電池３の外周側に導電性テープ22が巻付けられて各
単電池３が内部集電子２を中心に結束されている。この
導電性テープ22は燃料電池の動作温度（900〜1200℃程
度）以上の融点を有し、また単電池３の外周面に燃料ガ
スを流す場合には、耐水素脆性に優れたものが使用さ
れ、具体的にはNi、インコネルなどのNi合金等からなる
テープが使用されている。この導電性テープ22は、単電
池３を圧潰しない程度の張力を付与しつつ第２図に略示
するような螺旋状に巻付けられている。その結果、各単
電池３のインターコネクタ７は導電性フェルト21を介し
て内部集電子２に密着し、また当然導電性テープ22にも
密着している。
ここに示す例は６個の単電池３を内部集電子２の外周に
等配してスタック20を構成した燃料電池の例であり、そ
の単電池３は第５図を参照して説明したものと同一の構
成であるので、ここではその説明を省略する。内部集電
子２はNiやNi合金、Niを含むサーメット等の高融点でか
つ耐水素脆性のある材料によって円筒状に形成されてお
り、６個の単電池３はそのインターコネクタ７を内部集
電子２に向けて配置され、かつ内部集電子２の外周に導
電性フェルト21を巻付けるなどの手段によってインター
コネクタ７と内部集電子２との間に導電性フェルト21が
介在されている。なお導電性フェルト21としては、Niや
Ni合金製のものを使用することができる。そしてこれら
の単電池３の外周側に導電性テープ22が巻付けられて各
単電池３が内部集電子２を中心に結束されている。この
導電性テープ22は燃料電池の動作温度（900〜1200℃程
度）以上の融点を有し、また単電池３の外周面に燃料ガ
スを流す場合には、耐水素脆性に優れたものが使用さ
れ、具体的にはNi、インコネルなどのNi合金等からなる
テープが使用されている。この導電性テープ22は、単電
池３を圧潰しない程度の張力を付与しつつ第２図に略示
するような螺旋状に巻付けられている。その結果、各単
電池３のインターコネクタ７は導電性フェルト21を介し
て内部集電子２に密着し、また当然導電性テープ22にも
密着している。
各単電池３における固体電解質８は900〜1200℃程度
で優れた酸素イオン透過性を示すので、固体電解質８を
この程度の温度に加熱昇温した状態で各単電池３の内周
側に酸素ガスを含む酸化性ガスを流し、かつ各単電池３
の外周側に水素ガスなどの燃料ガスを流す。それに伴い
固体電解質８の内外周での酸素濃度の差によって起電力
が生じ、各単電池３では酸素電極６が陽極、燃料電極９
が陰極となる。したがってスタック20の全体としては内
部集電子２が陽極となり、導電性テープ22が陰極とな
る。その場合、各単電池３は導電性テープ22によって締
め付けられて内部集電子２と外部集電子である導電性テ
ープ22とに密着し、その接触状態は良好であるから、そ
の接続部分での抵抗が小さく、その結果、燃料電池とし
ての内部抵抗が低減されるので、高出力化が図られる。
で優れた酸素イオン透過性を示すので、固体電解質８を
この程度の温度に加熱昇温した状態で各単電池３の内周
側に酸素ガスを含む酸化性ガスを流し、かつ各単電池３
の外周側に水素ガスなどの燃料ガスを流す。それに伴い
固体電解質８の内外周での酸素濃度の差によって起電力
が生じ、各単電池３では酸素電極６が陽極、燃料電極９
が陰極となる。したがってスタック20の全体としては内
部集電子２が陽極となり、導電性テープ22が陰極とな
る。その場合、各単電池３は導電性テープ22によって締
め付けられて内部集電子２と外部集電子である導電性テ
ープ22とに密着し、その接触状態は良好であるから、そ
の接続部分での抵抗が小さく、その結果、燃料電池とし
ての内部抵抗が低減されるので、高出力化が図られる。
また導電性フェルト21は内部集電子２の外周面やイン
ターコネクタ７の先端面の凹凸を埋めて広い接触面積を
確保するので、この点でも接触状態が良好となって燃料
電池の内部抵抗の低減化が図られる。
ターコネクタ７の先端面の凹凸を埋めて広い接触面積を
確保するので、この点でも接触状態が良好となって燃料
電池の内部抵抗の低減化が図られる。
スタック20の全体を燃料電池の動作温度まで加熱昇温
すると、内部集電子２や単電池３などが熱膨張し、かつ
その膨張量が相違するが、それに起因する相対変位は導
電性フェルト21の弾性的な変形によって吸収され、単電
池３や内部集電子２の応力が緩和される。また反対に温
度低下による熱収縮が生じた場合、導電性テープ22によ
る締付け力が作用しているため、内部集電子２および単
電池３ならびに導電性テープ22の三者の接触状態は良好
に維持される。
すると、内部集電子２や単電池３などが熱膨張し、かつ
その膨張量が相違するが、それに起因する相対変位は導
電性フェルト21の弾性的な変形によって吸収され、単電
池３や内部集電子２の応力が緩和される。また反対に温
度低下による熱収縮が生じた場合、導電性テープ22によ
る締付け力が作用しているため、内部集電子２および単
電池３ならびに導電性テープ22の三者の接触状態は良好
に維持される。
なお、導電性フェルト21は内部集電子２の外周面に設
ける替りに、第３図に示すように導電性テープ22の内周
側に設けてもよく、このような構成であれば、各単電池
３の外面、すなわち燃料電極９の外面の凹凸を導電性フ
ェルト21が埋めることになるので、導電性フェルト21が
熱膨張量の差を吸収すると同時に単電池３と導電性テー
プ22との実質的な接触面積を拡大する。
ける替りに、第３図に示すように導電性テープ22の内周
側に設けてもよく、このような構成であれば、各単電池
３の外面、すなわち燃料電極９の外面の凹凸を導電性フ
ェルト21が埋めることになるので、導電性フェルト21が
熱膨張量の差を吸収すると同時に単電池３と導電性テー
プ22との実質的な接触面積を拡大する。
また上記の実施例では円筒状の単電池を内部集電子の
外周に配置して結束する例を説明したが、多孔質支持管
の外周面に多数の単電池を相互に直列に接続して形成し
てなるスタックも円筒状をなし、かつ並列接続する必要
があるので、この発明は、このようなスタックを第１図
あるいは第２図に示すように内部集電子を介して並列接
続する場合にも適用することができる。さらにこの発明
は第１図もしくは第３図に示すスタックを複数個結束し
てモジュール化する場合にも適用することができる。
外周に配置して結束する例を説明したが、多孔質支持管
の外周面に多数の単電池を相互に直列に接続して形成し
てなるスタックも円筒状をなし、かつ並列接続する必要
があるので、この発明は、このようなスタックを第１図
あるいは第２図に示すように内部集電子を介して並列接
続する場合にも適用することができる。さらにこの発明
は第１図もしくは第３図に示すスタックを複数個結束し
てモジュール化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燃料電池に
よれば、内部集電子の外周側に配置した複数の発電要素
を、その外周に巻いた導電性テープによって結束するか
ら、各発電要素が内部集電子に向けて締め付けられ、そ
の結果、発電要素と内部集電子との接触状態および発電
要素と外部集電子となる導電性テープとの接触状態が良
好に維持され、これらの部分での導通状態が良好になっ
て燃料電池としての内部抵抗が低減され、ひいては発電
効率が向上し、高出力化を図ることができる。またこの
発明によれば、複数の発電要素を結束している導電性テ
ープが外部集電子となるので、内部集電子およびその外
周に複数配置した発電要素ならびに外部集電子からなる
構成体の製造作業性が向上する。さらに発電要素はセラ
ミックが多く使用されるので、導電性フェルトを接触部
分に介在させれば、発電要素の表面の凹凸を埋めて広い
接触面積を確保することができる。
よれば、内部集電子の外周側に配置した複数の発電要素
を、その外周に巻いた導電性テープによって結束するか
ら、各発電要素が内部集電子に向けて締め付けられ、そ
の結果、発電要素と内部集電子との接触状態および発電
要素と外部集電子となる導電性テープとの接触状態が良
好に維持され、これらの部分での導通状態が良好になっ
て燃料電池としての内部抵抗が低減され、ひいては発電
効率が向上し、高出力化を図ることができる。またこの
発明によれば、複数の発電要素を結束している導電性テ
ープが外部集電子となるので、内部集電子およびその外
周に複数配置した発電要素ならびに外部集電子からなる
構成体の製造作業性が向上する。さらに発電要素はセラ
ミックが多く使用されるので、導電性フェルトを接触部
分に介在させれば、発電要素の表面の凹凸を埋めて広い
接触面積を確保することができる。
第１図はこの発明の一実施例を示す断面図、第２図は導
電性テープの巻付け状態を示す部分側面図、第３図は他
の実施例を示す断面図、第４図は従来のスタックの一例
を示す断面図、第５図は単電池の一例を示す断面図であ
る。 ２……内部集電子、３……単電池、６……酸素電極、７
……インターコネクタ、８……固体電解質、９……燃料
電極、20……スタック、21……導電性フェルト、22……
導電性テープ。
電性テープの巻付け状態を示す部分側面図、第３図は他
の実施例を示す断面図、第４図は従来のスタックの一例
を示す断面図、第５図は単電池の一例を示す断面図であ
る。 ２……内部集電子、３……単電池、６……酸素電極、７
……インターコネクタ、８……固体電解質、９……燃料
電極、20……スタック、21……導電性フェルト、22……
導電性テープ。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 丹 正之 東京都江東区木場１丁目５番１号 藤倉 電線株式会社内 (72)発明者 山之内 宏 東京都江東区木場１丁目５番１号 藤倉 電線株式会社内 (72)発明者 永田 雅克 東京都江東区木場１丁目５番１号 藤倉 電線株式会社内 (56)参考文献 特開 昭58−175267（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) H01M 8/00 - 8/02 H01M 8/08 - 8/24
Claims (2)
- 【請求項１】酸素イオン透過性のある筒状の固体電解質
の内外周両側での酸素濃度の差によって起電力を生じる
複数の発電要素を内部集電子の外周側に配置し、かつそ
れらの発電要素をその外周側に巻付けた導電性テープに
よって結束したことを特徴とする円筒型固体電解質燃料
電池。 - 【請求項２】前記内部集電子の外周面と発電要素との間
もしくは前記導電性テープの内周面と発電要素との間の
いずれか一方に導電性フェルトが介在されていることを
特徴とする請求項１に記載の円筒型固体電解質燃料電
池。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1119987A JP2769629B2 (ja) | 1989-05-12 | 1989-05-12 | 円筒型固体電解質燃料電池 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1119987A JP2769629B2 (ja) | 1989-05-12 | 1989-05-12 | 円筒型固体電解質燃料電池 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH02299168A JPH02299168A (ja) | 1990-12-11 |
| JP2769629B2 true JP2769629B2 (ja) | 1998-06-25 |
Family
ID=14775104
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1119987A Expired - Fee Related JP2769629B2 (ja) | 1989-05-12 | 1989-05-12 | 円筒型固体電解質燃料電池 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2769629B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| NL1019397C2 (nl) * | 2001-11-19 | 2003-06-13 | Willem Jan Oosterkamp | Brandstofcelstapel in een drukvat. |
-
1989
- 1989-05-12 JP JP1119987A patent/JP2769629B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH02299168A (ja) | 1990-12-11 |
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