燃料電池セル構造部及びそれを含む燃料電池
【課題】製造を容易にすることができる燃料電池セル構造部及び燃料電池を提供する。
【解決手段】本発明は、燃料電池に使用される燃料電池セル構造部、及び、それを含む燃料電池に関する。本発明による燃料電池セル構造部(4)は、管状の燃料電池セル(6)と、燃料電池セルの一方の端部(6a)が貫通し且つ固定される支持板(12)とを有する。燃料電池セル(6)は、内側の電極層(16)と、外側の電極層(20)と、これらの電極層の間に配置された電解質層(18)とを有すると共に、その一方の端部(6a)の外周面に、内側の電極層(16)が露出した内側電極露出周面(16a)を有する。燃料電池セル(6)の一方の端部(6a)と支持板(12)とは、導電性のシール材(32)によって互いにシールされ且つ固定される。シール材(32)は、内側電極露出周面(16a)の上に延び、外側の電極層(20)と間隔をおく。
【解決手段】本発明は、燃料電池に使用される燃料電池セル構造部、及び、それを含む燃料電池に関する。本発明による燃料電池セル構造部(4)は、管状の燃料電池セル(6)と、燃料電池セルの一方の端部(6a)が貫通し且つ固定される支持板(12)とを有する。燃料電池セル(6)は、内側の電極層(16)と、外側の電極層(20)と、これらの電極層の間に配置された電解質層(18)とを有すると共に、その一方の端部(6a)の外周面に、内側の電極層(16)が露出した内側電極露出周面(16a)を有する。燃料電池セル(6)の一方の端部(6a)と支持板(12)とは、導電性のシール材(32)によって互いにシールされ且つ固定される。シール材(32)は、内側電極露出周面(16a)の上に延び、外側の電極層(20)と間隔をおく。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体酸化物形の燃料電池（ＳＯＦＣ）に使用される燃料電池セル構造部、及び、それを含む燃料電池に関し、更に詳細には、管状の燃料電池セルを有する燃料電池セル構造部、及び、それを含む燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、管状の燃料電池セルを有する燃料電池が知られている（例えば、特許文献１参照）。まず、図１１を参照して、従来の燃料電池の一例を説明する。図１１は、従来の燃料電池の概略的な平面図である。
【０００３】
図１１に示すように、燃料電池１００は、ケース１０２と、その中に配置された５本の中空六角形状の燃料電池セル１０４と、燃料電池セル１０４を貫通させてそれを固定する２つの支持板１０６、１０８とを有している。燃料電池セル１０４は、中空六角形状の内側の電極層１１０と、中空六角形状の外側の電極層１１４と、これらの電極層１１０、１１４の間に配置された管状の電解質層１１２と、を有している。支持板１０６、１０８は、ケース１０２に密封式に取付けられ、支持板１０６、１０８と燃料電池セル１０４との間は、シール材１１６でシールされ、それにより、ケース２は、内側の電極層１１０と作用するガスが流れる第１の部屋１１８及び第２の部屋１２０と、外側の電極層１１４と作用するガスが流れる第３の部屋１２２に仕切られている。第１の部屋１１８は、ガスの流入ポート１２４ａを有し、第２の部屋１２０は、ガスの流出ポート１２４ｂを有する。第３の部屋１２２は、ガスの流入ポート１２６ａ及び流出ポート１２６ｂを有する。また、第１の部屋１１８において、内側の電極層１１０は、燃料電池セル１０４の外周面に露出した内側電極外周面１１０ａを有し、この内側電極外周面１１０ａに、内側の電極層１１０の電気を取出すための内側電極接続部材１２８が取付けられる。また、外側の電極層１１４に、その電気を取出すための外側電極接続部材１３０が取付けられる。
【０００４】
内側の電極層１１０と作用するガスを、第１の部屋１１８の流入ポート１２４ａから第１の部屋１１８に流入させ、管状の燃料電池セル１０４の中を通して第２の部屋１２０に流入させ、第２の部屋１２０の流出ポートから流出させる。また、外側の電極層１１４と作用するガスを、第３の部屋１２２の流入ポート１２６ａから流入させ、流出ポート１２６ｂから流出させる。それにより、燃料電池１が作動する。内側の電極層１１０の電気を内側電極接続部材１２８から取出し、外側の電極層１１４の電気を外側電極接続部材１３０から取出す。
【０００５】
この燃料電池１は、例えば、次のように製造される。先ず、管状の燃料電池セル１０４を形成する。この燃料電池セル１０４は、その一方の端部において、内側の電極層１１０が燃料電池セル１０４の外周面に露出している。燃料電池セル１０４の一方の端部を第１支持板１０６に通し、燃料電池セル１０４と第１支持板１０４とをシール材１１６によって互いにシールし且つ固定する。露出させた内側の電極層１１０に、内側電極接続部材１２８を取付け、外側の電極層１１４に、外側電極接続部材１３０を取付ける。次いで、燃料電池セルの他方の端部を第２支持板１０８に通し、燃料電池セル１０４と第２支持板１０８とをシール材１１６によって互いにシールし且つ固定する。
【０００６】
【特許文献１】特開平５−１０１８４２号公報（図１、図６）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述したように、従来技術の燃料電池を製造するとき、燃料電池セル１０４を第１支持板１０６にシールし且つ固定する工程と、内側の電極層１１０に内側電極接続部材１２８を取付ける工程と、外側の電極層１１４に外側電極接続部材１３０を取付ける工程と、燃料電池セル１０４を第２支持板１０８にシールし且つ固定する工程とが必要である。従って、燃料電池１の製造が複雑で、困難であった。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、製造を容易にすることができる燃料電池セル構造部及び燃料電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、燃料電池に使用される本発明による燃料電池セル構造部は管状の外側の電極層と、管状の内側の電極層と、これらの電極層の間に配置された管状の電解質層と、を有すると共に、その一方の端部に、内側の電極層が電解質層及び外側の電極層に対して露出した内側電極露出周面と、それと隣接し且つ電解質層が外側の電極層に対して露出した電解質露出周面と、を有する少なくとも１本の管状の燃料電池セルと、燃料電池セルの一方の端部に取付けられ、且つ、内側の電極層と作用するガスの領域と外側の電極層と作用するガスの領域とを仕切る仕切り部と、を有し、燃料電池セルは、その一方の端部の外周面に、内側電極露出周面を介して内側の電極層と電気的に通じる内側電極外周面を有し、燃料電池セルの一方の端部と仕切り部とは、導電性のシール材によって互いにシールされ且つ固定され、シール材は、内側電極外周面の上に延び、外側の電極層と間隔をおくことを特徴としている。
【００１０】
このように構成された燃料電池セル構造部では、燃料電池セルが管状であり、内側の電極層と作用するガスが、燃料電池セルの管内を流れ、外側の電極層と作用するガスが、燃料電池セルの周りを流れる。燃料電池セルの一方の端部において、内側の電極と作用するガスが流れる領域と外側の電極と作用するガスが流れる領域との間のガスシールは、燃料電池セルの一方の端部に設けられた第１シール材及び仕切り部によって達成される。また、内側の電極層に発生した電気は、内側電極外周面を介して導電性のシール材から取出される。
【００１１】
本発明による燃料電池セル構造部では、燃料電池セル体の外周面である内側電極外周面を介して内側の電極層の電気を取出すこと、及び、導電性のシール材を採用することにより、シール材が、ガスのシール機能と、燃料電池セルの内側の電極から電気を取出す機能の両方を有している。従って、これらの機能を別の構成要素で行っていた従来技術の燃料電池セル構造部と比較して、本発明による燃料電池セル構造部は簡単であり、その製造を容易にすることができる。
【００１２】
また、導電性のシール材は、内側電極外周面の上に延び、外側の電極層と間隔をおいて配置されているため、内側電極と外側電極の電気的短絡は確実に防止される。更に、導電性のシール材は、内側電極外周面に対する密着性がよいため、界面における接触抵抗が小さくなり、発電性能および信頼性に優れた燃料電池セル構造部を容易に製造することができる。
【００１３】
本発明による燃料電池セル構造部の実施形態において、好ましくは、内側電極外周面は、内側電極露出周面によって構成され、シール材は、内側電極露出周面及び電解質露出周面に跨がって延び、電解質層は、内側電極露出周面に向かって薄肉となるテーパ部を有する。
【００１４】
このように構成された燃料電池セル構造部では、燃料電池セルと仕切り部とをシール材によってシールするとき、内側電極露出周面と電解質露出周面との間の段部に残ることがある気泡等によるガスシール機能の低下を防止することができる。それにより、歩留まりが上がり、安定した製造を容易に行うことができる。
【００１５】
また、本発明による燃料電池セル構造部の実施形態において、好ましくは、仕切り部は、燃料電池セルの一方の端部が貫通する一方の側の支持板を有する。
【００１６】
このように構成された燃料電池セル構造部では、複数の燃料電池セルを支持板に固定することにより、一体的な燃料電池セル構造部を容易に製造することができる。
【００１７】
上記燃料電池セル構造部の実施形態において、好ましくは、更に、燃料電池セル又はそれと長手方向に且つ電気的に直列に接続された他の燃料電池セルの他方の端部が貫通する他方の側の支持板を有し、燃料電池セル又は他の燃料電池セルは、その他方の端部の外周面に、燃料電池セル又は他の燃料電池セルの外側の電極層と電気的に通じる外側電極外周面を有し、燃料電池セル又は他の燃料電池セルの他方の端部と他方の側の支持板とは、導電性のシール材によって互いにシールされ且つ固定され、他方の側のシール材は、外側電極外周面の上に延びる。
【００１８】
このように構成された燃料電池セル構造部では、燃料電池セルの一方の端部に加えて、燃料電池セル又は他の燃料電池セルの他方の端部の製造が容易になる。
【００１９】
この燃料電池セル構造部の実施形態において、外側電極外周面は、燃料電池セル又は他の燃料電池セルの外周面に露出した外側の電極層によって構成されてもよいし、燃料電池セル又は他の燃料電池セルの外側の電極層の外側に設けられた外側電極集電層によって構成されてもよい。
【００２０】
また、上記目的を達成するために、本発明による燃料電池は、上述した燃料電池セル構造部を含む。
【発明の効果】
【００２１】
以上説明した通り、本発明による燃料電池セル構造部及び燃料電池は、その製造を容易にすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、図面を参照して本発明による燃料電池の実施形態を詳細に説明する。
【００２３】
最初、図１〜図３を参照して、本発明による燃料電池の第１の実施形態を説明する。図１は、本発明の第１の実施形態の燃料電池の概略的な平面図である。図２は、燃料電池セルの一方の端部の拡大図であり、図３は、燃料電池セルの他方の端部の拡大図である。
【００２４】
図１に示すように、本発明の第１の実施形態である燃料電池１は、ケース２と、その中に配置された本発明による燃料電池セル構造部４とを有している。
【００２５】
燃料電池セル構造部４は、外周面を有し且つ互いに横方向に並べられた５本の管状の燃料電池セル６、７、８、９、１０と、燃料電池セルの端部が貫通し且つ固定される第１の支持板１２及び第２の支持板１４と、を有している。本実施形態では、燃料電池セル６〜１０は、円筒形である。以下、図１の最も左端の燃料電池セル６に着目して説明する。
【００２６】
燃料電池セル６は、円筒形の内側の電極層１６と、円筒形の外側の電極層２０と、これらの電極層１６、２０の間に配置された円筒形の電解質層１８と、を有している。また、燃料電池セル６の一方の端部６ａに、内側の電極層１６が電解質層１８及び外側の電極層２０に対して露出した内側電極露出周面１６ａと、電解質層１８が外側の電極層２０に対して露出した電解質露出周面１８ａとが設けられ、内側電極露出周面１６ａ及び電解質露出周面１８ａは、燃料電池セル６の外周面を構成している。燃料電池セル６の他方の端部６ｂを含む残部の外周面は、外側の電極層２０が露出した外側電極露出周面２０ａによって構成されている。本実施形態では、内側電極露出周面１６ａは、内側の電極層１６と電気的に通じる内側電極外周面２１でもあり、外側電極露出周面２０ａは、外側の電極層２０と電気的に通じる外側電極外周面２２でもある。
【００２７】
内側の電極層１６は、例えば、Niと、CaやY、Sc等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニアとの混合体、Niと、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリアとの混合体、Niと、Sr、Mg、Co、Fe、Cuから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレートとの混合体、の少なくとも一種から形成される。電解質層１８は、例えば、Y、Sc等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニア、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリア、Sr、Mgから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレート、の少なくとも一種から形成される。外側の電極層２０は、例えば、Sr、Caから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンマンガナイト、Sr、Co、Ni、Cuから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンフェライト、Sr、Fe、Ni、Cuから選ばれる少なくとも一種をドープしたサマリウムコバルト、銀、などの少なくとも一種から形成される。この場合、内側の電極層１６が燃料極になり、外側の電極層２０が空気極になる。内側の電極層１６の厚さは、例えば、１ｍｍであり、電解質層１８の厚さは、例えば、３０μｍであり、外側の電極層２０の厚さは、例えば、３０μｍである。
【００２８】
第１の支持板１２及び第２の支持板１４は、電気絶縁性であり、燃料電池セル６が貫通する孔２２を有し、ケース２に密封式に取付けられている。それにより、ケース２は、燃料電池セル６の長手方向Ａ両側に配置され、且つ、内側の電極層１６と作用するガスが流れる第１の部屋２４及び第２の部屋２５と、燃料電池セル６の長手方向Ａ中央部に配置され、且つ、外側の電極層２０と作用するガスが流れる第３の部屋２６とに仕切られている。従って、支持板１２、１４は、内側の電極層１６と作用するガスの領域と外側の電極層２０と作用するガスの領域とを仕切る仕切り部を構成する。第１の部屋２４は、ガスの流入ポート２８ａを有し、第２の部屋２５は、ガスの流出ポート２８ｂを有している。第３の部屋２６は、ガスの流入ポート３０ａ及び流出ポート３０ｂを有している。支持板１２、１４は、例えば、耐熱性のセラミックスで形成されている。具体的には、アルミナ、ジルコニア、スピネル、フォルステライト、マグネシア、チタニアなどを用いることが好ましい。なお、支持板１２、１４の材質は、その熱膨張係数が燃料電池スタックを構成する各部材の熱膨張係数と近似した材質がより好ましい。また、内側の電極層１６と作用するガスは、例えば、水素や、炭化水素燃料を改質した改質ガスであり、外側の電極層２０と作用するガスは、例えば、空気である。
【００２９】
燃料電池セル６の一方の端部６ａと、第１の支持板１２とは、導電性の第１のシール材３２によって互いにシールされ且つ固定されている。
【００３０】
図２に示すように、内側電極露出周面１６ａ及び電解質露出周面１８ａは、燃料電池セル６の全周にわたって延び、互いに長手方向Ａに隣接している。また、内側電極露出周面１６ａは、燃料電池セル６の先端部６ｃに位置しており、その一部分が第１の支持板１２から突出している。内側電極露出周面１６ａと電解質露出周面１８ａとの間の境界３４は、第１の支持板１２の内部にあり、電解質露出周面１８ａと外側電極露出周面２０ａとの間の境界３６は、第３の部屋２６に位置している。第１のシール材３２は、内側の電極層１６と作用するガスの領域、即ち、第２の部屋２５と外側の電極層２０と作用するガスの領域、即ち、第３の部屋２６とを仕切るように設けられている。
【００３１】
第１のシール材３２は、内側電極露出周面１６ａ及び電解質露出周面１８ａに跨がって全周にわたって延び、電解質露出周面１８ａを介して外側の電極層２０と間隔をおいている。また、電解質露出周面１８ａは、内側電極露出周面１６ａに向かって薄肉となるテーパ部１８ｂを有している。第１のシール材３２は、例えば、銀、銀とガラスの混合物、銀、金、ニッケル、銅、チタンなどを含む各種ロウ材である。
【００３２】
また、燃料電池セルの他方の端部６ｂと第２の支持板１４とは、導電性の第２シール材３８によって互いにシールされ且つ固定されている。
【００３３】
図３に示すように、第２のシール材３８は、内側の電極層１６と作用するガスの領域、即ち第１の部屋２４と、外側の電極層２０と作用するガスの領域、即ち第３の部屋２６とをほぼ仕切るように設けられている。詳細には、外側の電極層２０の端面２０ｂだけが、第１の部屋２４に露出している。
【００３４】
第２のシール材３８は、外側電極露出周面２０ａの上に延びている。外側電極露出周面２０ａは、その一部分が第２の支持板１４から突出している。第２のシール材３８は、例えば、銀、銀とガラスの混合物、銀、金、ニッケル、銅、チタンなどを含む各種ロウ材である。
【００３５】
他の燃料電池セル７〜１０も、燃料電池セル６と同様の構成要素を有している。以下、これらの燃料電池セル７〜１０の構成要素を、燃料電池セル６の構成要素との参照符号と同じ参照符号を指示して説明する。
【００３６】
図１に示すように、５本の燃料電池セル６〜１０は、隣り合った燃料電池セル６〜１０の端部６ａ、６ｂにおいて、内側電極外周面（内側電極露出周面）１６ａと外側電極外周面（外側電極露出周面）２０ａとが隣り合うように、互い違いに配置されている。従って、第２及び第４の燃料電池セル７、９においては、一方の端部６ａと第２の支持板１４とが固定され、他方の端部６ｂと第１の支持板１２とが固定されている。
【００３７】
接続部１５は、更に、隣り合った内側電極露出周面１６ａと外側電極露出周面２０ａとを電気的に接続するための、又は、内側電極露出周面１６ａ又は外側電極露出面２０ａと外部とを電気的に接続するための接続部材４０を有している。この実施形態では、接続部材４０は、支持板１２、１４の第１の部屋２４側又は第２の部屋２５側に設けられている。また、この実施形態では、５本の燃料電池セルが電気的に直列に接続されている。燃料電池セル６の内側電極露出周面１６ａに電気的に接続された接続部材４０及び燃料電池セル１０の外側電極露出周面２０ａに電気的に接続された接続部材４０は、ケース２を貫通し、ケースの外側に電気を取出している。ケース２は、例えば、ステンレス鋼、ニッケル基合金、クロム基合金などの耐熱金属で形成され、ケース２と接続部材４０との間には、絶縁部材４２が配置されている。接続部材４０は、例えば、ステンレス鋼、ニッケル基合金、クロム基合金などの耐熱金属や、ランタンクロマイトなどのセラミック材料で形成される。さらに製造工程の簡略化やコストの観点からは、接続部材４０は支持板１２、１４に予め形成された導電性膜（例えば、銀、ニッケル、銅などで形成された厚さ１〜５００μｍの膜）であることが好ましい。
【００３８】
次に、本発明による燃料電池の動作を説明する。
【００３９】
内側の電極層１６と作用するガス（燃料ガス）は、流入ポート２８ａから第１の部屋２４に入り、管状の燃料電池セル６〜１０の中を通って第２の部屋２５に入り、第２の部屋２５の流出ポート２８ｂから流出する。また、外側の電極層２０と作用するガス（空気）は、第３の部屋の流入ポート３０ａから流入し、流出ポート３０ｂから流出する。それにより、燃料電池１が作動する。また、内側の電極１６の電気を第１のシール材３２及び接続部材４０を介して取出し、外側の電極２０の電気を第２のシール材３８及び接続部材４０を介して取出す。
【００４０】
また、第３の部屋２６には、外側の電極２０の電気を取出す部材が設けられていないので、外側の電極２０と作用するガスの流れの抵抗を小さくすることができる。
【００４１】
内側の電極層１６と作用するガスが、水素や、炭化水素燃料を改質した改質ガス等の燃料ガスである場合、接続部材４０を支持板１２、１４の第１の部屋２４側又は第２の部屋２５側に設けることにより、接続部材４０の酸化劣化を抑制することができる。
【００４２】
また、シール材３２、３８は、燃料電池セル６〜１０と支持板１２、１４とを互いにシールして固定する機能と、燃料電池セルの内側の電極１６又は外側の電極２０から電気を取出す機能とを有している。従って、燃料電池セル構造部の構造は簡単である。
【００４３】
また、内側の電極１６の電気を内側電極露出周面１６ａから取出しているので、内側の電極１５に作用するガスの流れを妨げることがない。また、シール材３２と内側電極外周面１６ａの接触面積を大きくすることができ、それにより、接触抵抗を小さくすることができる。特に、外径が１〜１０ｍｍの燃料電池セルを用いる場合に有利である。
【００４４】
次に、本発明による燃料電池の製造方法の一例を説明する。
【００４５】
先ず、管状の燃料電池セルを形成する。詳細には、先ず、管状の内側の電極層１６を形成し、内側の電極層１６の端部を露出させるように内側の電極層１６の周りに電解質層１８を形成し、更に、電解質層１８の端部を露出させるように電解質層１８の周りに外側の電極層２０を形成する。この後、電解質層１８の端部にテーパ部１８ｂを形成するのがよい。
【００４６】
次いで、支持板１２、１４の上に接続部材４０である導電性膜を形成する。導電性膜は製造簡略化やコストの観点から、スクリーン印刷法、スラリーコート法、シート貼付け法などの湿式法によって予め支持板の上に形成されることが好ましい。
【００４７】
次いで、燃料電池セル６〜１０を所定の方向に配置し、燃料電池セル６〜１０の端部６ａ、６ｂを第１支持板１２及び第２の支持板１４に通し、燃料電池セル６〜１０と第１支持板１２及び第２の支持板１４とを、第１のシール材３２及び第２のシール材３８によって互いにシールし且つ固定する。このとき、シール材３２、３８が燃料電池セル６〜１０と支持板１２、１４上に形成された導電性膜とに確実に接するようにする。それにより、本発明による燃料電池セル構造部４を含む燃料電池セルスタックが形成される。
【００４８】
次いで、燃料電池セルスタックをケース２内に固定し、燃料電池を形成する。
【００４９】
内側電極露出周面１６ａを採用し、且つ、シール材３２、３８を用いることにより、燃料電池セルスタック及び燃料電池１の製造を容易にすることができる。特に、外径が１〜１０ｍｍの燃料電池セル６〜１０を用いる場合に有利である。
【００５０】
また、電解質層１８のテーパ部１８ｂにより、シール材３２を支持板１２と燃料電池セル６〜１０との間に配置する又は充填するとき、内側電極露出周面１６ａと電解質露出周面１８ａとの間に気泡等が残って、シール材３２によるガスシール機能の低下を防止することができる。それにより、歩留まりが上がり、安定した製造を容易に行うことができる。
【００５１】
次に、図４及び図５を参照して、燃料電池セル６の一方の端部６ａの変形例を説明する。
【００５２】
図４は、燃料電池セルの一方の端部の第１の変形例の断面図である。図４に示すように、内側電極露出周面１６ａと電解質露出周面１８ａとの間の境界３４ａを、第１の支持板１２の第３の部屋２６側の面１２ａと同じ平面内に配置し、シール材３２を内側電極露出周面１６ａの周りにだけ配置してもよい。また、接続部材４０を内側電極露出周面１６ａと接するように配置してもよい。
【００５３】
図５は、燃料電池セルの一方の端部の第２の変形例の断面図である。図５に示すように、第１の支持板１２の第２の部屋２５側の面１２ｂに凹部１２ｃを設け、接続部材４０とシール材３２の接触面積を大きくしてもよい。
【００５４】
次に、図６〜８を参照して、燃料電池セル６の他方の端部６ｂの変形例を説明する。
【００５５】
図６は、燃料電池セルの他方の端部の第１の変形例の断面図である。図６に示すように、燃料電池セル６の他方の端部６ｂの先端部６ｄにおいて、電解質層１８を燃料電池セル６の外周面に露出させて第２の電解質露出周面１８ｃを形成し、外側電極露出周面２０ａと第２の電解質露出周面１８ｃとの間の境界３６ａを第２の支持板１４の内部に配置してもよい。それにより、内側の電極層１６と作用するガスの領域、即ち第１の部屋２４と、外側の電極層と２０作用するガスの領域、即ち第３の部屋２６とを仕切ることができる。また、外側の電極２０が、内側の電極１６と作用するガスと接触することによって劣化することを防止することができる。
【００５６】
図７は、燃料電池セルの他方の端部の第２の変形例の断面図である。図７に示すように、燃料電池セル６の外側の電極２０の周り全体又はその一部に、外側電極集電層４４ａを配置してもよい。この変形例では、外側の電極２０と電気的に接続される外側電極外周面２２は、外側電極集電層４４ａによって構成される。外側電極集電層４４ａは、例えば、銀を含有する多孔質導電性膜である。外側電極集電層４４ａの厚さは、例えば１０μｍである。また外側電極集電層４４ａを銀や耐熱金属のワイヤ、メッシュなどで構成してもよい。外側電極集電層４４ａは、外側の電極層２０が薄くて電気を通しにくい場合に電気の通路として役立つ。
【００５７】
図８は、燃料電池セルの他方の端部の第３の変形例の断面図である。図８に示すように、燃料電池セル６の他方の端部６ｂの先端部６ｄにおいて、電解質層１８を燃料電池セル６の外周面に露出させて第２の電解質露出周面１８ｂを形成した後、外側の電極２０及び第２の電解質露出周面１８ｂの周り全体又はその一部に、外側電極集電層４４ｂを配置してもよい。この変形例では、外側の電極２０と電気的に接続される外側電極外周面２２は、外側電極集電層４４ｂによって構成される。外側電極集電層４４ｂの材質、厚さ等は、第２の変形例の外側電極集電層４４ａと同様である。外側電極集電層４４ｂにより、外側の電極２０が、内側の電極１６と作用するガスと接触することによって劣化することを防止することができる。
【００５８】
次に、図９を参照して、本発明による燃料電池の第２の実施形態を説明する。図９は、本発明の第２の実施形態の燃料電池の概略的な平面図である。
【００５９】
図９に示すように、本発明の第２の実施形態である燃料電池６０は、５本の燃料電池セル６〜１０を同じ向きに配置し、支持板１２、１４を導電性の材料で形成し、接続部材を省略したこと以外、第１の実施形態である燃料電池１と同様の構成を有している。燃料電池６０の燃料電池セル６〜１０は、並列に接続されている。
【００６０】
次に、図１０を参照して、本発明による燃料電池の第３の実施形態を説明する。図１０は、本発明の第３の実施形態の燃料電池の概略的な平面図である。
【００６１】
図１０に示すように、本発明の第３の実施形態である燃料電池８０では、第１の実施形態である燃料電池１の５本の燃料電池セル６〜１０の代わりに、燃料電池セルを２本ずつ長手方向Ａに連結され且つ電気的に直列に接続された５本の燃料電池セル体８１に置き換えられている。以下、この燃料電池セル体８１について説明する。
【００６２】
各燃料電池セル体８１は、互いに長手方向Ａに連結され且つ電気的に直列に接続された２本の燃料電池セル８２、８４と、燃料電池セル８２の他方の端部８２ｂと燃料電池セル８４の一方の端部８４ａを連結する連結部材８６とを有している。燃料電池セル８２、８４はそれぞれ、第１の実施形態である燃料電池１の燃料電池セル６と同じ構成要素を有しているので、同じ参照符号を付すことにより、それらの説明を省略する。なお、燃料電池セル８２の他方の端部８２ｂは、燃料電池セル６の一方の端部６ｂに対応し、燃料電池セル８４の一方の端部８４ａは、燃料電池セル６の一方の端部６ａに対応する。
【００６３】
連結部材８６は、管状であり、燃料電池セル８２の他方の端部８２ｂ及び燃料電池セル８４の一方の端部８４ａを包囲するように配置されている。連結部材８６は、長手方向Ａ中央部に環状の突出部７８を有している。この突出部８８に、燃料電池セル８２の他方の端部８２ｂが絶縁体９０を介して当接し、燃料電池セル８４の一方の端部８４ａが当接している。連結部材８６は、導電性の材料で形成され、燃料電池セル８２、８４と連結部材８６との間の隙間は、内側の電極層１６に作用するガスの流路を確保するように、導電性のシール材９２でシールされている。例えば、連結部材は、ステンレス鋼、ニッケル基合金、クロム基合金などの耐熱金属や、ランタンクロマイトのセラミック材料で形成される。シール材は、例えば、銀、銀とガラスの混合物、銀、金、ニッケル、銅、チタンなどを含む各種ロウ材で形成される。
【００６４】
以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は、以上の実施の形態に限定されることなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。
【００６５】
上記実施形態では、燃料電池セル６の内側の電極層１６を燃料極とし且つ外側の電極層２０を空気極としたが、それとは逆に、内側の電極層１６を空気極とし且つ外側の電極層２０を燃料極となるように燃料電池セルを構成してもよい。この場合、内側の電極層１６と作用するガスが空気などの酸化ガスであれば、接続部材４０の酸化劣化抑制の観点から、接続部材４０を第３の部屋２６側に設けるのがよい。
【００６６】
また、上記実施形態では、内側電極露出周面１６ａ及び電解質露出周面１８ａは、全周にわたって延びていたが、電気を燃料電池セルの外周面から取出すことができれば、全周にわたって延びていなくてもよい。
【００６７】
また、外側電極外周面２２は、外側の電極２０と電気的に通じる燃料電池セル６の外周面であればよく、上記第１の実施形態のように、燃料電池セル６の外周面に露出した外側の電極２０であってもよいし、上記第１の実施形態の他方の端部の変形例ように、燃料電池セル６の外周面に露出した外側電極集電層４４ａ、４４ｂであってもよいし、その他の形態であってもよい。
【００６８】
また、燃料電池セル６の内側の電極層１６の周り全体又はその一部に、外側電極集電層と同様の内側電極集電層を設けても良い。例えば、内側の電極層１６の内側に内側電極集電層を設けてもよいし、内側電極露出周面１６ａの外側に内側電極集電層を設けてもよい。後者の場合、内側の電極層１６と電気的に通じる内側電極外周面２１は、内側電極集電層によって構成される。
【００６９】
また、上記第３の実施形態における燃料電池セル体８１は、３本以上の燃料電池セルが連結されていても良い。
【００７０】
また、上記第１〜第３の実施形態において、仕切り部を支持板１２、１４として説明したけれども、内側の電極層１６と作用するガスの領域と外側の電極層２０と作用するガスの領域とを仕切ることができれば、仕切り部の形態は任意であり、例えば、燃料電池セル６の端部に被せられるキャップ状のものであってもよい。
【００７１】
また、上記実施形態では、燃料電池セル６を断面が円の円筒形としたが、管状であればその他の形態であってもよい。具体的には、断面が扁平状、あるいは楕円状のフラットチューブ形、断面が多角形の角筒形などの形態であってもよい。
【００７２】
また、本発明の範囲内であれば、上述した実施形態及び変形例を任意に組合せてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】本発明の第１の実施形態の燃料電池の概略的な平面図である。
【図２】燃料電池セルの一方の端部の拡大断面図である。
【図３】燃料電池セルの他方の端部の拡大断面図である。
【図４】燃料電池セルの一方の端部の第１の変形例の断面図である。
【図５】燃料電池セルの一方の端部の第２の変形例の断面図である。
【図６】燃料電池セルの他方の端部の第１の変形例の断面図である。
【図７】燃料電池セルの他方の端部の第２の変形例の断面図である。
【図８】燃料電池セルの他方の端部の第３の変形例の断面図である。
【図９】本発明の第２の実施形態の燃料電池の概略的な平面図である。
【図１０】本発明の第３の実施形態の燃料電池の概略的な平面図である。
【図１１】従来の燃料電池の概略的な平面図である。
【符号の説明】
【００７４】
１、６０、７０ 燃料電池
２ ケース
４ 燃料電池セル構造部
６、７、８、９、１０ 燃料電池セル
６ａ 一方の端部
６ｂ 他方の端部
１２ 第１の支持板
１４ 第２の支持板
１６ 内側の電極層
１６ａ 内側電極露出周面
１８ 電解質層
１８ａ 電解質層露出周面
１８ｂ テーパ部
２０ 外側の電極層
２０ａ 外側電極露出周面
２１ 内側電極外周面
２２ 外側電極外周面
２４ 第１の部屋
２５ 第２の部屋
２６ 第３の部屋
３２ 第１のシール材
３８ 第２のシール材
４４ａ、４４ｂ 集電層
８１ 燃料電池セル体
８２、８４ 燃料電池セル
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体酸化物形の燃料電池（ＳＯＦＣ）に使用される燃料電池セル構造部、及び、それを含む燃料電池に関し、更に詳細には、管状の燃料電池セルを有する燃料電池セル構造部、及び、それを含む燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、管状の燃料電池セルを有する燃料電池が知られている（例えば、特許文献１参照）。まず、図１１を参照して、従来の燃料電池の一例を説明する。図１１は、従来の燃料電池の概略的な平面図である。
【０００３】
図１１に示すように、燃料電池１００は、ケース１０２と、その中に配置された５本の中空六角形状の燃料電池セル１０４と、燃料電池セル１０４を貫通させてそれを固定する２つの支持板１０６、１０８とを有している。燃料電池セル１０４は、中空六角形状の内側の電極層１１０と、中空六角形状の外側の電極層１１４と、これらの電極層１１０、１１４の間に配置された管状の電解質層１１２と、を有している。支持板１０６、１０８は、ケース１０２に密封式に取付けられ、支持板１０６、１０８と燃料電池セル１０４との間は、シール材１１６でシールされ、それにより、ケース２は、内側の電極層１１０と作用するガスが流れる第１の部屋１１８及び第２の部屋１２０と、外側の電極層１１４と作用するガスが流れる第３の部屋１２２に仕切られている。第１の部屋１１８は、ガスの流入ポート１２４ａを有し、第２の部屋１２０は、ガスの流出ポート１２４ｂを有する。第３の部屋１２２は、ガスの流入ポート１２６ａ及び流出ポート１２６ｂを有する。また、第１の部屋１１８において、内側の電極層１１０は、燃料電池セル１０４の外周面に露出した内側電極外周面１１０ａを有し、この内側電極外周面１１０ａに、内側の電極層１１０の電気を取出すための内側電極接続部材１２８が取付けられる。また、外側の電極層１１４に、その電気を取出すための外側電極接続部材１３０が取付けられる。
【０００４】
内側の電極層１１０と作用するガスを、第１の部屋１１８の流入ポート１２４ａから第１の部屋１１８に流入させ、管状の燃料電池セル１０４の中を通して第２の部屋１２０に流入させ、第２の部屋１２０の流出ポートから流出させる。また、外側の電極層１１４と作用するガスを、第３の部屋１２２の流入ポート１２６ａから流入させ、流出ポート１２６ｂから流出させる。それにより、燃料電池１が作動する。内側の電極層１１０の電気を内側電極接続部材１２８から取出し、外側の電極層１１４の電気を外側電極接続部材１３０から取出す。
【０００５】
この燃料電池１は、例えば、次のように製造される。先ず、管状の燃料電池セル１０４を形成する。この燃料電池セル１０４は、その一方の端部において、内側の電極層１１０が燃料電池セル１０４の外周面に露出している。燃料電池セル１０４の一方の端部を第１支持板１０６に通し、燃料電池セル１０４と第１支持板１０４とをシール材１１６によって互いにシールし且つ固定する。露出させた内側の電極層１１０に、内側電極接続部材１２８を取付け、外側の電極層１１４に、外側電極接続部材１３０を取付ける。次いで、燃料電池セルの他方の端部を第２支持板１０８に通し、燃料電池セル１０４と第２支持板１０８とをシール材１１６によって互いにシールし且つ固定する。
【０００６】
【特許文献１】特開平５−１０１８４２号公報（図１、図６）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述したように、従来技術の燃料電池を製造するとき、燃料電池セル１０４を第１支持板１０６にシールし且つ固定する工程と、内側の電極層１１０に内側電極接続部材１２８を取付ける工程と、外側の電極層１１４に外側電極接続部材１３０を取付ける工程と、燃料電池セル１０４を第２支持板１０８にシールし且つ固定する工程とが必要である。従って、燃料電池１の製造が複雑で、困難であった。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、製造を容易にすることができる燃料電池セル構造部及び燃料電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、燃料電池に使用される本発明による燃料電池セル構造部は管状の外側の電極層と、管状の内側の電極層と、これらの電極層の間に配置された管状の電解質層と、を有すると共に、その一方の端部に、内側の電極層が電解質層及び外側の電極層に対して露出した内側電極露出周面と、それと隣接し且つ電解質層が外側の電極層に対して露出した電解質露出周面と、を有する少なくとも１本の管状の燃料電池セルと、燃料電池セルの一方の端部に取付けられ、且つ、内側の電極層と作用するガスの領域と外側の電極層と作用するガスの領域とを仕切る仕切り部と、を有し、燃料電池セルは、その一方の端部の外周面に、内側電極露出周面を介して内側の電極層と電気的に通じる内側電極外周面を有し、燃料電池セルの一方の端部と仕切り部とは、導電性のシール材によって互いにシールされ且つ固定され、シール材は、内側電極外周面の上に延び、外側の電極層と間隔をおくことを特徴としている。
【００１０】
このように構成された燃料電池セル構造部では、燃料電池セルが管状であり、内側の電極層と作用するガスが、燃料電池セルの管内を流れ、外側の電極層と作用するガスが、燃料電池セルの周りを流れる。燃料電池セルの一方の端部において、内側の電極と作用するガスが流れる領域と外側の電極と作用するガスが流れる領域との間のガスシールは、燃料電池セルの一方の端部に設けられた第１シール材及び仕切り部によって達成される。また、内側の電極層に発生した電気は、内側電極外周面を介して導電性のシール材から取出される。
【００１１】
本発明による燃料電池セル構造部では、燃料電池セル体の外周面である内側電極外周面を介して内側の電極層の電気を取出すこと、及び、導電性のシール材を採用することにより、シール材が、ガスのシール機能と、燃料電池セルの内側の電極から電気を取出す機能の両方を有している。従って、これらの機能を別の構成要素で行っていた従来技術の燃料電池セル構造部と比較して、本発明による燃料電池セル構造部は簡単であり、その製造を容易にすることができる。
【００１２】
また、導電性のシール材は、内側電極外周面の上に延び、外側の電極層と間隔をおいて配置されているため、内側電極と外側電極の電気的短絡は確実に防止される。更に、導電性のシール材は、内側電極外周面に対する密着性がよいため、界面における接触抵抗が小さくなり、発電性能および信頼性に優れた燃料電池セル構造部を容易に製造することができる。
【００１３】
本発明による燃料電池セル構造部の実施形態において、好ましくは、内側電極外周面は、内側電極露出周面によって構成され、シール材は、内側電極露出周面及び電解質露出周面に跨がって延び、電解質層は、内側電極露出周面に向かって薄肉となるテーパ部を有する。
【００１４】
このように構成された燃料電池セル構造部では、燃料電池セルと仕切り部とをシール材によってシールするとき、内側電極露出周面と電解質露出周面との間の段部に残ることがある気泡等によるガスシール機能の低下を防止することができる。それにより、歩留まりが上がり、安定した製造を容易に行うことができる。
【００１５】
また、本発明による燃料電池セル構造部の実施形態において、好ましくは、仕切り部は、燃料電池セルの一方の端部が貫通する一方の側の支持板を有する。
【００１６】
このように構成された燃料電池セル構造部では、複数の燃料電池セルを支持板に固定することにより、一体的な燃料電池セル構造部を容易に製造することができる。
【００１７】
上記燃料電池セル構造部の実施形態において、好ましくは、更に、燃料電池セル又はそれと長手方向に且つ電気的に直列に接続された他の燃料電池セルの他方の端部が貫通する他方の側の支持板を有し、燃料電池セル又は他の燃料電池セルは、その他方の端部の外周面に、燃料電池セル又は他の燃料電池セルの外側の電極層と電気的に通じる外側電極外周面を有し、燃料電池セル又は他の燃料電池セルの他方の端部と他方の側の支持板とは、導電性のシール材によって互いにシールされ且つ固定され、他方の側のシール材は、外側電極外周面の上に延びる。
【００１８】
このように構成された燃料電池セル構造部では、燃料電池セルの一方の端部に加えて、燃料電池セル又は他の燃料電池セルの他方の端部の製造が容易になる。
【００１９】
この燃料電池セル構造部の実施形態において、外側電極外周面は、燃料電池セル又は他の燃料電池セルの外周面に露出した外側の電極層によって構成されてもよいし、燃料電池セル又は他の燃料電池セルの外側の電極層の外側に設けられた外側電極集電層によって構成されてもよい。
【００２０】
また、上記目的を達成するために、本発明による燃料電池は、上述した燃料電池セル構造部を含む。
【発明の効果】
【００２１】
以上説明した通り、本発明による燃料電池セル構造部及び燃料電池は、その製造を容易にすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、図面を参照して本発明による燃料電池の実施形態を詳細に説明する。
【００２３】
最初、図１〜図３を参照して、本発明による燃料電池の第１の実施形態を説明する。図１は、本発明の第１の実施形態の燃料電池の概略的な平面図である。図２は、燃料電池セルの一方の端部の拡大図であり、図３は、燃料電池セルの他方の端部の拡大図である。
【００２４】
図１に示すように、本発明の第１の実施形態である燃料電池１は、ケース２と、その中に配置された本発明による燃料電池セル構造部４とを有している。
【００２５】
燃料電池セル構造部４は、外周面を有し且つ互いに横方向に並べられた５本の管状の燃料電池セル６、７、８、９、１０と、燃料電池セルの端部が貫通し且つ固定される第１の支持板１２及び第２の支持板１４と、を有している。本実施形態では、燃料電池セル６〜１０は、円筒形である。以下、図１の最も左端の燃料電池セル６に着目して説明する。
【００２６】
燃料電池セル６は、円筒形の内側の電極層１６と、円筒形の外側の電極層２０と、これらの電極層１６、２０の間に配置された円筒形の電解質層１８と、を有している。また、燃料電池セル６の一方の端部６ａに、内側の電極層１６が電解質層１８及び外側の電極層２０に対して露出した内側電極露出周面１６ａと、電解質層１８が外側の電極層２０に対して露出した電解質露出周面１８ａとが設けられ、内側電極露出周面１６ａ及び電解質露出周面１８ａは、燃料電池セル６の外周面を構成している。燃料電池セル６の他方の端部６ｂを含む残部の外周面は、外側の電極層２０が露出した外側電極露出周面２０ａによって構成されている。本実施形態では、内側電極露出周面１６ａは、内側の電極層１６と電気的に通じる内側電極外周面２１でもあり、外側電極露出周面２０ａは、外側の電極層２０と電気的に通じる外側電極外周面２２でもある。
【００２７】
内側の電極層１６は、例えば、Niと、CaやY、Sc等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニアとの混合体、Niと、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリアとの混合体、Niと、Sr、Mg、Co、Fe、Cuから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレートとの混合体、の少なくとも一種から形成される。電解質層１８は、例えば、Y、Sc等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニア、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリア、Sr、Mgから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレート、の少なくとも一種から形成される。外側の電極層２０は、例えば、Sr、Caから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンマンガナイト、Sr、Co、Ni、Cuから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンフェライト、Sr、Fe、Ni、Cuから選ばれる少なくとも一種をドープしたサマリウムコバルト、銀、などの少なくとも一種から形成される。この場合、内側の電極層１６が燃料極になり、外側の電極層２０が空気極になる。内側の電極層１６の厚さは、例えば、１ｍｍであり、電解質層１８の厚さは、例えば、３０μｍであり、外側の電極層２０の厚さは、例えば、３０μｍである。
【００２８】
第１の支持板１２及び第２の支持板１４は、電気絶縁性であり、燃料電池セル６が貫通する孔２２を有し、ケース２に密封式に取付けられている。それにより、ケース２は、燃料電池セル６の長手方向Ａ両側に配置され、且つ、内側の電極層１６と作用するガスが流れる第１の部屋２４及び第２の部屋２５と、燃料電池セル６の長手方向Ａ中央部に配置され、且つ、外側の電極層２０と作用するガスが流れる第３の部屋２６とに仕切られている。従って、支持板１２、１４は、内側の電極層１６と作用するガスの領域と外側の電極層２０と作用するガスの領域とを仕切る仕切り部を構成する。第１の部屋２４は、ガスの流入ポート２８ａを有し、第２の部屋２５は、ガスの流出ポート２８ｂを有している。第３の部屋２６は、ガスの流入ポート３０ａ及び流出ポート３０ｂを有している。支持板１２、１４は、例えば、耐熱性のセラミックスで形成されている。具体的には、アルミナ、ジルコニア、スピネル、フォルステライト、マグネシア、チタニアなどを用いることが好ましい。なお、支持板１２、１４の材質は、その熱膨張係数が燃料電池スタックを構成する各部材の熱膨張係数と近似した材質がより好ましい。また、内側の電極層１６と作用するガスは、例えば、水素や、炭化水素燃料を改質した改質ガスであり、外側の電極層２０と作用するガスは、例えば、空気である。
【００２９】
燃料電池セル６の一方の端部６ａと、第１の支持板１２とは、導電性の第１のシール材３２によって互いにシールされ且つ固定されている。
【００３０】
図２に示すように、内側電極露出周面１６ａ及び電解質露出周面１８ａは、燃料電池セル６の全周にわたって延び、互いに長手方向Ａに隣接している。また、内側電極露出周面１６ａは、燃料電池セル６の先端部６ｃに位置しており、その一部分が第１の支持板１２から突出している。内側電極露出周面１６ａと電解質露出周面１８ａとの間の境界３４は、第１の支持板１２の内部にあり、電解質露出周面１８ａと外側電極露出周面２０ａとの間の境界３６は、第３の部屋２６に位置している。第１のシール材３２は、内側の電極層１６と作用するガスの領域、即ち、第２の部屋２５と外側の電極層２０と作用するガスの領域、即ち、第３の部屋２６とを仕切るように設けられている。
【００３１】
第１のシール材３２は、内側電極露出周面１６ａ及び電解質露出周面１８ａに跨がって全周にわたって延び、電解質露出周面１８ａを介して外側の電極層２０と間隔をおいている。また、電解質露出周面１８ａは、内側電極露出周面１６ａに向かって薄肉となるテーパ部１８ｂを有している。第１のシール材３２は、例えば、銀、銀とガラスの混合物、銀、金、ニッケル、銅、チタンなどを含む各種ロウ材である。
【００３２】
また、燃料電池セルの他方の端部６ｂと第２の支持板１４とは、導電性の第２シール材３８によって互いにシールされ且つ固定されている。
【００３３】
図３に示すように、第２のシール材３８は、内側の電極層１６と作用するガスの領域、即ち第１の部屋２４と、外側の電極層２０と作用するガスの領域、即ち第３の部屋２６とをほぼ仕切るように設けられている。詳細には、外側の電極層２０の端面２０ｂだけが、第１の部屋２４に露出している。
【００３４】
第２のシール材３８は、外側電極露出周面２０ａの上に延びている。外側電極露出周面２０ａは、その一部分が第２の支持板１４から突出している。第２のシール材３８は、例えば、銀、銀とガラスの混合物、銀、金、ニッケル、銅、チタンなどを含む各種ロウ材である。
【００３５】
他の燃料電池セル７〜１０も、燃料電池セル６と同様の構成要素を有している。以下、これらの燃料電池セル７〜１０の構成要素を、燃料電池セル６の構成要素との参照符号と同じ参照符号を指示して説明する。
【００３６】
図１に示すように、５本の燃料電池セル６〜１０は、隣り合った燃料電池セル６〜１０の端部６ａ、６ｂにおいて、内側電極外周面（内側電極露出周面）１６ａと外側電極外周面（外側電極露出周面）２０ａとが隣り合うように、互い違いに配置されている。従って、第２及び第４の燃料電池セル７、９においては、一方の端部６ａと第２の支持板１４とが固定され、他方の端部６ｂと第１の支持板１２とが固定されている。
【００３７】
接続部１５は、更に、隣り合った内側電極露出周面１６ａと外側電極露出周面２０ａとを電気的に接続するための、又は、内側電極露出周面１６ａ又は外側電極露出面２０ａと外部とを電気的に接続するための接続部材４０を有している。この実施形態では、接続部材４０は、支持板１２、１４の第１の部屋２４側又は第２の部屋２５側に設けられている。また、この実施形態では、５本の燃料電池セルが電気的に直列に接続されている。燃料電池セル６の内側電極露出周面１６ａに電気的に接続された接続部材４０及び燃料電池セル１０の外側電極露出周面２０ａに電気的に接続された接続部材４０は、ケース２を貫通し、ケースの外側に電気を取出している。ケース２は、例えば、ステンレス鋼、ニッケル基合金、クロム基合金などの耐熱金属で形成され、ケース２と接続部材４０との間には、絶縁部材４２が配置されている。接続部材４０は、例えば、ステンレス鋼、ニッケル基合金、クロム基合金などの耐熱金属や、ランタンクロマイトなどのセラミック材料で形成される。さらに製造工程の簡略化やコストの観点からは、接続部材４０は支持板１２、１４に予め形成された導電性膜（例えば、銀、ニッケル、銅などで形成された厚さ１〜５００μｍの膜）であることが好ましい。
【００３８】
次に、本発明による燃料電池の動作を説明する。
【００３９】
内側の電極層１６と作用するガス（燃料ガス）は、流入ポート２８ａから第１の部屋２４に入り、管状の燃料電池セル６〜１０の中を通って第２の部屋２５に入り、第２の部屋２５の流出ポート２８ｂから流出する。また、外側の電極層２０と作用するガス（空気）は、第３の部屋の流入ポート３０ａから流入し、流出ポート３０ｂから流出する。それにより、燃料電池１が作動する。また、内側の電極１６の電気を第１のシール材３２及び接続部材４０を介して取出し、外側の電極２０の電気を第２のシール材３８及び接続部材４０を介して取出す。
【００４０】
また、第３の部屋２６には、外側の電極２０の電気を取出す部材が設けられていないので、外側の電極２０と作用するガスの流れの抵抗を小さくすることができる。
【００４１】
内側の電極層１６と作用するガスが、水素や、炭化水素燃料を改質した改質ガス等の燃料ガスである場合、接続部材４０を支持板１２、１４の第１の部屋２４側又は第２の部屋２５側に設けることにより、接続部材４０の酸化劣化を抑制することができる。
【００４２】
また、シール材３２、３８は、燃料電池セル６〜１０と支持板１２、１４とを互いにシールして固定する機能と、燃料電池セルの内側の電極１６又は外側の電極２０から電気を取出す機能とを有している。従って、燃料電池セル構造部の構造は簡単である。
【００４３】
また、内側の電極１６の電気を内側電極露出周面１６ａから取出しているので、内側の電極１５に作用するガスの流れを妨げることがない。また、シール材３２と内側電極外周面１６ａの接触面積を大きくすることができ、それにより、接触抵抗を小さくすることができる。特に、外径が１〜１０ｍｍの燃料電池セルを用いる場合に有利である。
【００４４】
次に、本発明による燃料電池の製造方法の一例を説明する。
【００４５】
先ず、管状の燃料電池セルを形成する。詳細には、先ず、管状の内側の電極層１６を形成し、内側の電極層１６の端部を露出させるように内側の電極層１６の周りに電解質層１８を形成し、更に、電解質層１８の端部を露出させるように電解質層１８の周りに外側の電極層２０を形成する。この後、電解質層１８の端部にテーパ部１８ｂを形成するのがよい。
【００４６】
次いで、支持板１２、１４の上に接続部材４０である導電性膜を形成する。導電性膜は製造簡略化やコストの観点から、スクリーン印刷法、スラリーコート法、シート貼付け法などの湿式法によって予め支持板の上に形成されることが好ましい。
【００４７】
次いで、燃料電池セル６〜１０を所定の方向に配置し、燃料電池セル６〜１０の端部６ａ、６ｂを第１支持板１２及び第２の支持板１４に通し、燃料電池セル６〜１０と第１支持板１２及び第２の支持板１４とを、第１のシール材３２及び第２のシール材３８によって互いにシールし且つ固定する。このとき、シール材３２、３８が燃料電池セル６〜１０と支持板１２、１４上に形成された導電性膜とに確実に接するようにする。それにより、本発明による燃料電池セル構造部４を含む燃料電池セルスタックが形成される。
【００４８】
次いで、燃料電池セルスタックをケース２内に固定し、燃料電池を形成する。
【００４９】
内側電極露出周面１６ａを採用し、且つ、シール材３２、３８を用いることにより、燃料電池セルスタック及び燃料電池１の製造を容易にすることができる。特に、外径が１〜１０ｍｍの燃料電池セル６〜１０を用いる場合に有利である。
【００５０】
また、電解質層１８のテーパ部１８ｂにより、シール材３２を支持板１２と燃料電池セル６〜１０との間に配置する又は充填するとき、内側電極露出周面１６ａと電解質露出周面１８ａとの間に気泡等が残って、シール材３２によるガスシール機能の低下を防止することができる。それにより、歩留まりが上がり、安定した製造を容易に行うことができる。
【００５１】
次に、図４及び図５を参照して、燃料電池セル６の一方の端部６ａの変形例を説明する。
【００５２】
図４は、燃料電池セルの一方の端部の第１の変形例の断面図である。図４に示すように、内側電極露出周面１６ａと電解質露出周面１８ａとの間の境界３４ａを、第１の支持板１２の第３の部屋２６側の面１２ａと同じ平面内に配置し、シール材３２を内側電極露出周面１６ａの周りにだけ配置してもよい。また、接続部材４０を内側電極露出周面１６ａと接するように配置してもよい。
【００５３】
図５は、燃料電池セルの一方の端部の第２の変形例の断面図である。図５に示すように、第１の支持板１２の第２の部屋２５側の面１２ｂに凹部１２ｃを設け、接続部材４０とシール材３２の接触面積を大きくしてもよい。
【００５４】
次に、図６〜８を参照して、燃料電池セル６の他方の端部６ｂの変形例を説明する。
【００５５】
図６は、燃料電池セルの他方の端部の第１の変形例の断面図である。図６に示すように、燃料電池セル６の他方の端部６ｂの先端部６ｄにおいて、電解質層１８を燃料電池セル６の外周面に露出させて第２の電解質露出周面１８ｃを形成し、外側電極露出周面２０ａと第２の電解質露出周面１８ｃとの間の境界３６ａを第２の支持板１４の内部に配置してもよい。それにより、内側の電極層１６と作用するガスの領域、即ち第１の部屋２４と、外側の電極層と２０作用するガスの領域、即ち第３の部屋２６とを仕切ることができる。また、外側の電極２０が、内側の電極１６と作用するガスと接触することによって劣化することを防止することができる。
【００５６】
図７は、燃料電池セルの他方の端部の第２の変形例の断面図である。図７に示すように、燃料電池セル６の外側の電極２０の周り全体又はその一部に、外側電極集電層４４ａを配置してもよい。この変形例では、外側の電極２０と電気的に接続される外側電極外周面２２は、外側電極集電層４４ａによって構成される。外側電極集電層４４ａは、例えば、銀を含有する多孔質導電性膜である。外側電極集電層４４ａの厚さは、例えば１０μｍである。また外側電極集電層４４ａを銀や耐熱金属のワイヤ、メッシュなどで構成してもよい。外側電極集電層４４ａは、外側の電極層２０が薄くて電気を通しにくい場合に電気の通路として役立つ。
【００５７】
図８は、燃料電池セルの他方の端部の第３の変形例の断面図である。図８に示すように、燃料電池セル６の他方の端部６ｂの先端部６ｄにおいて、電解質層１８を燃料電池セル６の外周面に露出させて第２の電解質露出周面１８ｂを形成した後、外側の電極２０及び第２の電解質露出周面１８ｂの周り全体又はその一部に、外側電極集電層４４ｂを配置してもよい。この変形例では、外側の電極２０と電気的に接続される外側電極外周面２２は、外側電極集電層４４ｂによって構成される。外側電極集電層４４ｂの材質、厚さ等は、第２の変形例の外側電極集電層４４ａと同様である。外側電極集電層４４ｂにより、外側の電極２０が、内側の電極１６と作用するガスと接触することによって劣化することを防止することができる。
【００５８】
次に、図９を参照して、本発明による燃料電池の第２の実施形態を説明する。図９は、本発明の第２の実施形態の燃料電池の概略的な平面図である。
【００５９】
図９に示すように、本発明の第２の実施形態である燃料電池６０は、５本の燃料電池セル６〜１０を同じ向きに配置し、支持板１２、１４を導電性の材料で形成し、接続部材を省略したこと以外、第１の実施形態である燃料電池１と同様の構成を有している。燃料電池６０の燃料電池セル６〜１０は、並列に接続されている。
【００６０】
次に、図１０を参照して、本発明による燃料電池の第３の実施形態を説明する。図１０は、本発明の第３の実施形態の燃料電池の概略的な平面図である。
【００６１】
図１０に示すように、本発明の第３の実施形態である燃料電池８０では、第１の実施形態である燃料電池１の５本の燃料電池セル６〜１０の代わりに、燃料電池セルを２本ずつ長手方向Ａに連結され且つ電気的に直列に接続された５本の燃料電池セル体８１に置き換えられている。以下、この燃料電池セル体８１について説明する。
【００６２】
各燃料電池セル体８１は、互いに長手方向Ａに連結され且つ電気的に直列に接続された２本の燃料電池セル８２、８４と、燃料電池セル８２の他方の端部８２ｂと燃料電池セル８４の一方の端部８４ａを連結する連結部材８６とを有している。燃料電池セル８２、８４はそれぞれ、第１の実施形態である燃料電池１の燃料電池セル６と同じ構成要素を有しているので、同じ参照符号を付すことにより、それらの説明を省略する。なお、燃料電池セル８２の他方の端部８２ｂは、燃料電池セル６の一方の端部６ｂに対応し、燃料電池セル８４の一方の端部８４ａは、燃料電池セル６の一方の端部６ａに対応する。
【００６３】
連結部材８６は、管状であり、燃料電池セル８２の他方の端部８２ｂ及び燃料電池セル８４の一方の端部８４ａを包囲するように配置されている。連結部材８６は、長手方向Ａ中央部に環状の突出部７８を有している。この突出部８８に、燃料電池セル８２の他方の端部８２ｂが絶縁体９０を介して当接し、燃料電池セル８４の一方の端部８４ａが当接している。連結部材８６は、導電性の材料で形成され、燃料電池セル８２、８４と連結部材８６との間の隙間は、内側の電極層１６に作用するガスの流路を確保するように、導電性のシール材９２でシールされている。例えば、連結部材は、ステンレス鋼、ニッケル基合金、クロム基合金などの耐熱金属や、ランタンクロマイトのセラミック材料で形成される。シール材は、例えば、銀、銀とガラスの混合物、銀、金、ニッケル、銅、チタンなどを含む各種ロウ材で形成される。
【００６４】
以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は、以上の実施の形態に限定されることなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。
【００６５】
上記実施形態では、燃料電池セル６の内側の電極層１６を燃料極とし且つ外側の電極層２０を空気極としたが、それとは逆に、内側の電極層１６を空気極とし且つ外側の電極層２０を燃料極となるように燃料電池セルを構成してもよい。この場合、内側の電極層１６と作用するガスが空気などの酸化ガスであれば、接続部材４０の酸化劣化抑制の観点から、接続部材４０を第３の部屋２６側に設けるのがよい。
【００６６】
また、上記実施形態では、内側電極露出周面１６ａ及び電解質露出周面１８ａは、全周にわたって延びていたが、電気を燃料電池セルの外周面から取出すことができれば、全周にわたって延びていなくてもよい。
【００６７】
また、外側電極外周面２２は、外側の電極２０と電気的に通じる燃料電池セル６の外周面であればよく、上記第１の実施形態のように、燃料電池セル６の外周面に露出した外側の電極２０であってもよいし、上記第１の実施形態の他方の端部の変形例ように、燃料電池セル６の外周面に露出した外側電極集電層４４ａ、４４ｂであってもよいし、その他の形態であってもよい。
【００６８】
また、燃料電池セル６の内側の電極層１６の周り全体又はその一部に、外側電極集電層と同様の内側電極集電層を設けても良い。例えば、内側の電極層１６の内側に内側電極集電層を設けてもよいし、内側電極露出周面１６ａの外側に内側電極集電層を設けてもよい。後者の場合、内側の電極層１６と電気的に通じる内側電極外周面２１は、内側電極集電層によって構成される。
【００６９】
また、上記第３の実施形態における燃料電池セル体８１は、３本以上の燃料電池セルが連結されていても良い。
【００７０】
また、上記第１〜第３の実施形態において、仕切り部を支持板１２、１４として説明したけれども、内側の電極層１６と作用するガスの領域と外側の電極層２０と作用するガスの領域とを仕切ることができれば、仕切り部の形態は任意であり、例えば、燃料電池セル６の端部に被せられるキャップ状のものであってもよい。
【００７１】
また、上記実施形態では、燃料電池セル６を断面が円の円筒形としたが、管状であればその他の形態であってもよい。具体的には、断面が扁平状、あるいは楕円状のフラットチューブ形、断面が多角形の角筒形などの形態であってもよい。
【００７２】
また、本発明の範囲内であれば、上述した実施形態及び変形例を任意に組合せてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】本発明の第１の実施形態の燃料電池の概略的な平面図である。
【図２】燃料電池セルの一方の端部の拡大断面図である。
【図３】燃料電池セルの他方の端部の拡大断面図である。
【図４】燃料電池セルの一方の端部の第１の変形例の断面図である。
【図５】燃料電池セルの一方の端部の第２の変形例の断面図である。
【図６】燃料電池セルの他方の端部の第１の変形例の断面図である。
【図７】燃料電池セルの他方の端部の第２の変形例の断面図である。
【図８】燃料電池セルの他方の端部の第３の変形例の断面図である。
【図９】本発明の第２の実施形態の燃料電池の概略的な平面図である。
【図１０】本発明の第３の実施形態の燃料電池の概略的な平面図である。
【図１１】従来の燃料電池の概略的な平面図である。
【符号の説明】
【００７４】
１、６０、７０ 燃料電池
２ ケース
４ 燃料電池セル構造部
６、７、８、９、１０ 燃料電池セル
６ａ 一方の端部
６ｂ 他方の端部
１２ 第１の支持板
１４ 第２の支持板
１６ 内側の電極層
１６ａ 内側電極露出周面
１８ 電解質層
１８ａ 電解質層露出周面
１８ｂ テーパ部
２０ 外側の電極層
２０ａ 外側電極露出周面
２１ 内側電極外周面
２２ 外側電極外周面
２４ 第１の部屋
２５ 第２の部屋
２６ 第３の部屋
３２ 第１のシール材
３８ 第２のシール材
４４ａ、４４ｂ 集電層
８１ 燃料電池セル体
８２、８４ 燃料電池セル
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池に使用される燃料電池セル構造部であって、
管状の外側の電極層と、管状の内側の電極層と、これらの電極層の間に配置された管状の電解質層と、を有すると共に、その一方の端部に、前記内側の電極層が前記電解質層及び前記外側の電極層に対して露出した内側電極露出周面と、それと隣接し且つ前記電解質層が前記外側の電極層に対して露出した電解質露出周面と、を有する少なくとも１本の管状の燃料電池セルと、
前記燃料電池セルの一方の端部に取付けられ、且つ、前記内側の電極層と作用するガスの領域と前記外側の電極層と作用するガスの領域とを仕切る仕切り部と、を有し、
前記燃料電池セルは、その一方の端部の外周面に、前記内側電極露出周面を介して前記内側の電極層と電気的に通じる内側電極外周面を有し、
前記燃料電池セルの一方の端部と前記仕切り部とは、導電性のシール材によって互いにシールされ且つ固定され、前記シール材は、前期内側電極外周面の上に延び、前記外側の電極層と間隔をおくことを特徴とする燃料電池構造部。
【請求項２】
前記内側電極外周面は、前記内側電極露出周面によって構成され、
前記シール材は、前記内側電極露出周面及び前記電解質露出周面に跨がって延び、
前記電解質層は、前記内側電極露出周面に向かって薄肉となるテーパ部を有することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池セル構造部。
【請求項３】
前記仕切り部は、前記燃料電池セルの一方の端部が貫通する一方の側の支持板を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池セル構造部。
【請求項４】
更に、前記燃料電池セル又はそれと長手方向に且つ電気的に直列に接続された他の燃料電池セルの他方の端部が貫通する他方の側の支持板を有し、
前記燃料電池セル又は前記他の燃料電池セルは、その他方の端部の外周面に、前記燃料電池セル又は前記他の燃料電池セルの外側の電極層と電気的に通じる外側電極外周面を有し、
前記燃料電池セル又は前記他の燃料電池セルの他方の端部と前記他方の側の支持板とは、導電性のシール材によって互いにシールされ且つ固定され、
前記他方の側のシール材は、前記外側電極外周面の上に延びることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池セル構造部。
【請求項５】
前記外側電極外周面は、前記燃料電池セル又は前記他の燃料電池セルの外周面に露出した外側の電極層によって構成されることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池セル構造部。
【請求項６】
前記燃料電池セル又は前記他の燃料電池セルは、更に、前記外側の電極層の外側に設けられた外側電極集電層を有し、
前記外側電極外周面は、前記外側電極集電層によって構成されることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池セル構造部。
【請求項７】
請求項１〜６の何れか１項に記載の燃料電池セル構造部を含むことを特徴とする燃料電池。
【請求項１】
燃料電池に使用される燃料電池セル構造部であって、
管状の外側の電極層と、管状の内側の電極層と、これらの電極層の間に配置された管状の電解質層と、を有すると共に、その一方の端部に、前記内側の電極層が前記電解質層及び前記外側の電極層に対して露出した内側電極露出周面と、それと隣接し且つ前記電解質層が前記外側の電極層に対して露出した電解質露出周面と、を有する少なくとも１本の管状の燃料電池セルと、
前記燃料電池セルの一方の端部に取付けられ、且つ、前記内側の電極層と作用するガスの領域と前記外側の電極層と作用するガスの領域とを仕切る仕切り部と、を有し、
前記燃料電池セルは、その一方の端部の外周面に、前記内側電極露出周面を介して前記内側の電極層と電気的に通じる内側電極外周面を有し、
前記燃料電池セルの一方の端部と前記仕切り部とは、導電性のシール材によって互いにシールされ且つ固定され、前記シール材は、前期内側電極外周面の上に延び、前記外側の電極層と間隔をおくことを特徴とする燃料電池構造部。
【請求項２】
前記内側電極外周面は、前記内側電極露出周面によって構成され、
前記シール材は、前記内側電極露出周面及び前記電解質露出周面に跨がって延び、
前記電解質層は、前記内側電極露出周面に向かって薄肉となるテーパ部を有することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池セル構造部。
【請求項３】
前記仕切り部は、前記燃料電池セルの一方の端部が貫通する一方の側の支持板を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池セル構造部。
【請求項４】
更に、前記燃料電池セル又はそれと長手方向に且つ電気的に直列に接続された他の燃料電池セルの他方の端部が貫通する他方の側の支持板を有し、
前記燃料電池セル又は前記他の燃料電池セルは、その他方の端部の外周面に、前記燃料電池セル又は前記他の燃料電池セルの外側の電極層と電気的に通じる外側電極外周面を有し、
前記燃料電池セル又は前記他の燃料電池セルの他方の端部と前記他方の側の支持板とは、導電性のシール材によって互いにシールされ且つ固定され、
前記他方の側のシール材は、前記外側電極外周面の上に延びることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池セル構造部。
【請求項５】
前記外側電極外周面は、前記燃料電池セル又は前記他の燃料電池セルの外周面に露出した外側の電極層によって構成されることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池セル構造部。
【請求項６】
前記燃料電池セル又は前記他の燃料電池セルは、更に、前記外側の電極層の外側に設けられた外側電極集電層を有し、
前記外側電極外周面は、前記外側電極集電層によって構成されることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池セル構造部。
【請求項７】
請求項１〜６の何れか１項に記載の燃料電池セル構造部を含むことを特徴とする燃料電池。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２００８−７１７１１（Ｐ２００８−７１７１１Ａ）
【公開日】平成２０年３月２７日（２００８．３．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−２５１５２９（Ｐ２００６−２５１５２９）
【出願日】平成１８年９月１５日（２００６．９．１５）
【出願人】（００００１００８７）ＴＯＴＯ株式会社 (3,889)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年３月２７日（２００８．３．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年９月１５日（２００６．９．１５）
【出願人】（００００１００８７）ＴＯＴＯ株式会社 (3,889)
【Ｆターム（参考）】
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