JP2000067883A - 固体電解質型燃料電池 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】高温の運転温度に加熱しても熱応力によって破
損する恐れのないものとする。 【解決手段】固体電解質の両主面にアノード電極とカソ
ード電極を配した電極・電解質集合体と、流路構成部材
と、セパレータを積層して構成される平板型の固体電解
質型燃料電池において、電極・電解質集合体に接する細
分化された多数の接触板３Ａ，３Ｂ，３Ｃを、それぞれ
個別に、可撓性の高いビーム２Ａ，２Ｂ，２Ｃを介して
セパレータに接する接触板１Ａ，１Ｂ，１Ｃに連結して
流路構成部材を構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、酸化物固体電解
質を用いて電気化学反応により電気エネルギーを得る固
体電解質型燃料電池に係わり、特に平板型の固体電解質
型燃料電池の単位セルに組み込まれる集電機能と反応ガ
ス流路形成機能を備えたリブの構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】イットリア安定化ジルコニア等の酸化物
固体電解質を用いる燃料電池は、作動温度が 800〜1000
℃と高温であるため、発電効率が高く、触媒も不要であ
り、改質系の簡略化も期待できるという利点があり、次
世代の燃料電池として有望視されている。現在開発が進
められている固体電解質型燃料電池には、円筒型と平板
型があり、平板型はさらに自立膜方式と支持膜方式とに
分類される。

【０００３】図８は、従来の平板型支持膜方式の固体電
解質型燃料電池の基本構成を示す積層方向の要部断面図
である。強度を備えた円板状の多孔質基板２１の一方の
主面に、ニッケル・ジルコニアサーメットよりなるアノ
ード電極２２、イットリア安定化ジルコニアよりなる電
解質２３を形成し、さらにその上にランタンマンガナイ
トからなるカソード電極２４を形成して電極・電解質集
合体２０が構成されている。さらに、電極・電解質集合
体２０の両主面に、集電体の機能を果たすとともに燃料
ガスの流路を構成する機能を有するリブ２５Ａを接合し
たニッケルクロム合金製の平板状のセパレータ２６と、
同じく集電体の機能を果たすとともに酸化剤ガスの流路
を構成する機能を有するリブ２５Ｂを接合したニッケル
クロム合金製の平板状のセパレータ２６とを配して単位
セルが構成されており、この単位セルを複数個積層し、
加圧支持することにより固体電解質型燃料電池が構成さ
れている。

【０００４】図９は、リブ２５Ａの配置状況を示すセパ
レータ２６の斜視図である。複数のリブ２５Ａが、中央
部から外周部へと等角度の間隔を保持して放射状に配さ
れている。なお、セパレータ２６の反対面のリブ２５Ｂ
も同様に配されている。本構成において、燃料ガスは、
図８に示したセパレータ２６の燃料ガス導入路２７を通
して中央部の導入孔２７ａより導入され、リブ２５Ａの
間に形成された燃料ガス流路を外周方向へと流れ、多孔
質基板２１の空隙を通してアノード電極２２へと供給さ
れる。また、酸化剤ガスは、図８に示したセパレータ２
６の酸化剤ガス導入路２８を通して中央部の導入孔２８
ａより導入され、リブ２５Ｂの間に形成された酸化剤ガ
ス流路を外周方向へと流れてカソード電極２４へ供給さ
れる。所定の運転温度において、燃料ガスをアノード電
極２２へ供給し、酸化剤ガスをカソード電極２４へ供給
すれば、電気化学反応が生じて両電極間に電圧が発生
し、外部に電気エネルギーが取出されることとなる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ごとく構成した固体電解質型燃料電池においても、な
お、次のごとき問題点がある。すなわち、上記の構成で
は、イットリア安定化ジルコニアよりなる電解質２３を
備えた電極・電解質集合体２０と、リブ２５Ａあるいは
リブ２５Ｂを接合したニッケルクロム合金製のセパレー
タ２６とを積層し、加圧して保持しているが、電極・電
解質集合体２０とセパレータ２６の熱膨張係数が大きく
異なるので、発電運転に際して室温から800〜1000℃の
運転温度へと温度を上昇させると、熱膨張量に差が生じ
て、リブ２５Ａあるいはリブ２５Ｂを介して、電極・電
解質集合体２０とセパレータ２６に熱応力が発生し、相
対的に強度の劣る電極・電解質集合体２０に亀裂が生じ
て破損に到る恐れがある。

【０００６】本発明の目的は、このような従来技術の難
点を解消し、高温の運転温度に加熱しても熱応力によっ
て破損する恐れがなく、安定して運転できる高信頼性の
固体電解質型燃料電池を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明においては、板状の固体電解質の両主面に
アノード電極とカソード電極を配してなる電極・電解質
集合体と、該電極・電解質集合体の一方の主面に配され
た集電機能ならびにガス流路構成機能を有する流路構成
部材と、電極・電解質集合体のもう一方の主面に配され
た中央部に反応ガス供給部を有するセパレータとからな
る単位セルを複数個積層して構成される固体電解質型燃
料電池において、 （１）上記の流路構成部材を、前記の電極・電解質集合
体に接する第１の接触板と、前記のセパレータに接する
第２の接触板と、第１の接触板と第２の接触板を連結す
るビームとから構成することとし、 （２）さらに、上記の第１の接触板は、面内で細分化さ
れ、上記の第２の接触板にビームを介してそれぞれ独立
に連結された第１の小平板の集合体より形成することと
する。

【０００８】（３）また上記の（２）において、第２の
接触板は、面内で細分化され、上記の第１の小平板にビ
ームを介してそれぞれ独立に連結された第２の小平板の
集合体より形成することとする。 （４）また、第１の接触板と第２の接触板を連結する上
記のビームを、単位セルの中央部から外周部へ延伸する
方向を肉厚方向とする薄肉板より形成することとし、さ
らに、この薄肉板を、単位セルの中央部から外周部へ延
伸する方向へ湾曲させてビームを形成することとする。

【０００９】上記の（１）のごとくとすれば、第１の接
触板は電極・電解質集合体に拘束されて、また、第２の
接触板はセパレータに拘束されて熱膨張することとなる
が、これらの間はビームにより連結されているので、電
極・電解質集合体とセパレータの熱膨張係数に差があっ
ても、熱膨張による変位の差はビームの弾性変形によっ
て吸収されることとなり、電極・電解質集合体とセパレ
ータに加わる熱応力は低レベルに抑えられる。特に、第
１の接触板を電極・電解質集合体の熱膨張係数に近い熱
膨張係数を備えた部材により形成し、第２の接触板をセ
パレータの熱膨張係数に近い熱膨張係数を備えた部材に
より形成し、ビームを十分な可撓性を有するものとすれ
ば、電極・電解質集合体とセパレータに加わる熱応力は
極微量となる。

【００１０】また、上記の（２）のごとく、第１の接触
板を第２の接触板にビームを介して独立に連結された小
平板の集合体より形成すれば、第１の接触板と電極・電
解質集合体の熱膨張係数に差があっても、電極・電解質
集合体に加わる熱応力は低く抑えられる。したがって、
第１の接触板とビームと第２の接触板をセパレータを形
成する材料と同一材料により形成したものにおいても、
電極・電解質集合体とセパレータに加わる熱応力が低レ
ベルに抑えられる。

【００１１】また、上記の（３）のごとくとすれば、第
２の接触板とセパレータの熱膨張係数に差があっても、
相互に作用する熱応力は低く抑えられる。したがって、
第２の接触板をセパレータと異なる材料により形成する
場合の熱応力の緩和に効果的である。また、上記の
（４）のごとくとすれば、第１の接触板と第２の接触板
を連結するビームが可撓性に富むものとして形成される
ので、電極・電解質集合体とセパレータに加わる熱応力
がより一層緩和されることとなる。

【００１２】

【発明の実施の形態】＜実施例１＞図１は、本発明の固
体電解質型燃料電池の第１の実施例に用いられている流
路構成部材の構成図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面
図である。また、図２は本流路構成部材の要部の斜視図
であり、図３は、本流路構成部材の単位セルへの組み込
み状態を示す構成図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面
図である。

【００１３】図１に見られるように、本実施例の流路構
成部材は、円形の単位セルへ組み込まれるもので、中心
部、中間部、外周部の３個の流路構成部材よりなる。こ
のうち外周部の流路構成部材は、セパレータに接する環
状の接触板１Ａと、周方向に分割された多数の小平板よ
りなる接触板３Ａと、接触板３Ａの小平板を接触板１Ａ
にそれぞれ独立に連結するビーム２Ａとからなり、これ
らを一体化して、セパレータと同一材料を用いて形成さ
れている。同様に、中間部の流路構成部材も、セパレー
タに接する環状の接触板１Ｂと、周方向に分割された多
数の小平板よりなる接触板３Ｂと、接触板３Ｂの小平板
と接触板１Ｂを連結するビーム２Ｂを一体化して形成さ
れており、セパレータと同一材料が用いられている。ま
た、中心部の流路構成部材は、セパレータに接する円板
状の接触板１Ｃと、周方向に分割された多数の小平板よ
りなる接触板３Ｃと、接触板３Ｃの小平板と接触板１Ｃ
を連結するビーム２Ｃを一体化して形成されており、同
様にセパレータと同一材料からなる。

【００１４】また、図２に代表例として外周側の流路構
成部材の要部を示したごとく、接触板３Ａの小平板と接
触板１Ａを連結するビーム２Ａは間隙を設けて配されて
おり、この間隙を通して反応ガスが流れるよう構成され
ている。上記の中心部、中間部、外周部の３個の流路構
成部材は、図３に見られるように、接触板１Ａ，１Ｂ，
１Ｃをセパレータ５に接し、接触板３Ａ，３Ｂ，３Ｃを
図示しない電極・電解質集合体に接して組み込まれる。
本構成において、燃料ガスは、セパレータ５の中央部の
燃料ガス供給溝６より供給され、接触板１Ｃの中央に設
けられたガス通流孔８を通流して、セパレータ５と電極
・電解質集合体との間の空間へ入り、前記のビームとビ
ームの間隙を外周方向へと順次流れて、電極・電解質集
合体のアノード電極へと送られる。酸化剤ガスも、同様
に、セパレータ５の中央部の酸化剤ガス供給溝７より供
給され、セパレータ５と電極・電解質集合体との間の空
間へ入り、ビームの間隙を外周方向へと順次流れて、電
極・電解質集合体のカソード電極へと送られる。

【００１５】本構成で用いられている流路構成部材は、
上述のようにセパレータ５と同一材料から構成されてお
り、電極・電解質集合体に比べて熱膨張係数が大きいの
で、運転温度に昇温すると電極・電解質集合体とこれに
接する流路構成部材の接触板３Ａ，３Ｂ，３Ｃとの間に
熱膨張量の差に伴って熱応力が発生することとなる。し
かしながら、本構成では、接触板３Ａ，３Ｂ，３Ｃはい
ずれも細分化された小平板よりなるため面内での応力は
小さく抑えられ、かつビーム２Ａ，２Ｂ，２Ｃによって
接触板１Ａ，１Ｂ，１Ｃに連結される構成であるため、
ビーム２Ａ，２Ｂ，２Ｃの撓みにより熱膨張量の差が吸
収されるので電極・電解質集合体へ加わる熱応力は低レ
ベルに抑えられ、熱応力による破損の危険性が回避され
る。

【００１６】＜実施例２＞図４は、本発明の固体電解質
型燃料電池の第２の実施例に用いられている流路構成部
材の要部の斜視図である。第１の実施例に用いられてい
た流路構成部材が、接触板１Ａ，１Ｂ，１Ｃの外周側に
ビーム２Ａ，２Ｂ，２Ｃを配し、さらにその外周側に延
伸するよう接触板３Ａ，３Ｂ，３Ｃを配していたのに対
して、本実施例では、セパレータに接する接触板１Ｄと
電極・電解質集合体に接する接触板３Ｄを面内で重なり
合うように配置したのが特徴である。

【００１７】したがって、本実施例の構成では、第１の
実施例と同様に、電極・電解質集合体へ加わる熱応力が
低レベルに抑えられ、熱応力による破損の危険性が回避
されるばかりでなく、セパレータにより接触板１Ｄが受
ける力の作用線と、電極・電解質集合体により接触板３
Ｄが受ける力の作用線が同一となるので、接触板１Ｄと
接触板３Ｄを連結するビーム２Ｄに回転力が作用するこ
とがなくなるので、より安定して運転できることとな
る。

【００１８】＜実施例３＞図５は、本発明の固体電解質
型燃料電池の第３の実施例に用いられている流路構成部
材の要部の斜視図である。本実施例の構成の第２の実施
例との差異は、流路構成部材のセパレータに接する接触
板１Ｅと電極・電解質集合体に接する接触板３Ｅを連結
するビーム２Ｅが円弧状に湾曲した形状に形成されてい
ることにある。

【００１９】したがって、本構成では、ビーム２Ｅが極
めて可撓性に富んだ形状に形成されているので、熱膨張
差にともなう熱応力が、第１あるいは第２の実施例に比
べてより一層緩和されることとなり、電極・電解質集合
体の破損の危険性が効果的に回避されることとなる。 ＜実施例４＞図６は、本発明の固体電解質型燃料電池の
第４の実施例に用いられている流路構成部材の要部の斜
視図である。本実施例の構成の第１の実施例との差異
は、流路構成部材のセパレータに接する接触板が分割し
て配され、電極・電解質集合体に接する接触板３Ａ、お
よびこれに連結するビーム２Ａに対応してそれぞれ独立
に分割型接触板９が配されていることにあり、分割型接
触板９は、周方向に設けた突起部と切欠き部とを結合さ
せることにより、隣接する分割型接触板９と周方向に連
続して接続できるよう構成されている。

【００２０】本構成では、セパレータに接する接触板９
が分割して配されているので、接触板９をセパレータと
異なる材料により構成し、熱膨張量に差異のある場合に
あっても、接触板９とセパレータとの間に生じる熱応力
は緩和されるので、電極・電解質集合体あるいは流路構
成部材の破損が回避される。 ＜実施例５＞図７は、本発明の固体電解質型燃料電池の
第５の実施例に用いられている流路構成部材の要部の斜
視図である。本実施例の構成の特徴は、第４の実施例と
同様に、流路構成部材のセパレータに接する接触板９Ａ
が分割して配し、さらに突起部と切欠き部とを結合させ
ることにより、隣接する分割型接触板９Ａと径方向に連
続して接続できるよう構成されていること、また、図４
に示した第２の実施例と同様に、セパレータに接する接
触板９Ａと電極・電解質集合体に接する接触板３Ｄを面
内で重なり合うように配置し、ビーム２Ｄに回転力が加
わらないよう構成していることにある。

【００２１】したがって、本構成では、セパレータと同
一材料よりなる流路構成部材を組み込む場合ばかりでな
く、セパレータと熱膨張係数が異なる材料により流路構
成部材を形成する場合にあっても、熱応力が緩和され、
電極・電解質集合体あるいは流路構成部材の破損が回避
されることとなる。

【００２２】

【発明の効果】上述のように、本発明によれば、固体電
解質型燃料電池を請求項１〜５に記載のごとくに構成す
ることとしたので、電極・電解質集合体とセパレータと
の間に組み込まれる流路構成部材が可撓性に富むものと
なり、電極・電解質集合体とセパレータの熱膨張量の差
による熱応力が緩和され、電極・電解質集合体の亀裂の
発生が回避されて、安定して運転できる高信頼性の固体
電解質型燃料電池が選られることとなった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の固体電解質型燃料電池の第１の実施例
に用いられている流路構成部材の構成図で、（ａ）は平
面図、（ｂ）は断面図

【図２】本発明の固体電解質型燃料電池の第１の実施例
の流路構成部材の要部斜視図

【図３】第１の実施例の流路構成部材の単位セルへの組
み込み状態を示す構成図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は
断面図

【図４】本発明の固体電解質型燃料電池の第２の実施例
の流路構成部材の要部斜視図

【図５】本発明の固体電解質型燃料電池の第３の実施例
の流路構成部材の要部斜視図

【図６】本発明の固体電解質型燃料電池の第４の実施例
の流路構成部材の要部斜視図

【図７】本発明の固体電解質型燃料電池の第５の実施例
の流路構成部材の要部斜視図

【図８】従来の平板型支持膜方式の固体電解質型燃料電
池の基本構成を示す積層方向の要部の断面図

【図９】図８に示した従来の固体電解質型燃料電池にお
けるリブの配置状況を示すセパレータの斜視図

【符号の説明】

１Ａ，１Ｂ，１Ｃ 接触板 １Ｄ，１Ｅ 接触板 ２Ａ，２Ｂ，２Ｃ ビーム ２Ｄ，２Ｅ ビーム ３Ａ，３Ｂ，３Ｃ 接触板 ３Ｄ，３Ｅ 接触板 ５ セパレータ ６ 燃料ガス供給溝 ７ 酸化剤ガス供給溝 ８ ガス通流孔 ９，９Ａ 接触板

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】板状の固体電解質の両主面にアノード電極
   とカソード電極を配してなる電極・電解質集合体と、該
   電極・電解質集合体の一方の主面に配された集電機能な
   らびにガス流路構成機能を有する流路構成部材と、電極
   ・電解質集合体のもう一方の主面に配された中央部に反
   応ガス供給部を有するセパレータとからなる単位セルを
   複数個積層して構成される固体電解質型燃料電池におい
   て、 前記の流路構成部材が、前記の電極・電解質集合体に接
   する第１の接触板と、前記のセパレータに接する第２の
   接触板と、第１の接触板と第２の接触板を連結するビー
   ムとからなることを特徴とする固体電解質型燃料電池。
2. 【請求項２】前記の第１の接触板が、面内で細分化さ
   れ、前記の第２の接触板にビームを介してそれぞれ独立
   に連結された第１の小平板の集合体よりなることを特徴
   とする請求項１に記載の固体電解質型燃料電池。
3. 【請求項３】前記の第２の接触板が、面内で細分化さ
   れ、前記の第１の小平板にビームを介してそれぞれ独立
   に連結された第２の小平板の集合体よりなることを特徴
   とする請求項２に記載の固体電解質型燃料電池。
4. 【請求項４】第１の接触板と第２の接触板を連結する前
   記のビームが、単位セルの中央部から外周部へ延伸する
   方向を肉厚方向とする薄肉板よりなることを特徴とする
   請求項２または３に記載の固体電解質型燃料電池。
5. 【請求項５】前記の薄肉板よりなるビームが、単位セル
   の中央部から外周部へ延伸する方向へ湾曲して形成され
   ていることを特徴とする請求項４に記載の固体電解質型
   燃料電池。