JP2001085034A - 平板型固体電解質燃料電池 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 熱歪みの発生をコンパクトで簡単に防止する
ことができる平板型固体電解質燃料電池を提供する。 【解決手段】 頂部に穴部１６を形成されたディンプル
部１４が複数形成されると共に一方の面と他方の面とを
連通する連通穴部１５が複数形成された発電膜１０と、
発電膜１０と接触するように当該発電膜１０と交互に積
層されて当該発電膜１０の各前記穴部１５，１６とそれ
ぞれ連結する穴部２１，２２が形成されたインタコネク
タ２０と、発電膜１０の連通穴部１５と連結する上段の
インタコネクタ２０の前記穴部２１に酸化剤ガス１を供
給する酸化剤ガス供給手段と、発電膜１０のディンプル
部１４の穴部１６と連結する下端のインタコネクタ１０
の前記穴部２２に燃料ガス２を供給する燃料ガス供給手
段とを備えてなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、平板型固体電解質
燃料電池に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の平板型固体電解質燃料電池のスタ
ックの概略構造を図５に示し、その発電膜の概略構成を
図６に示す。

【０００３】図６に示すように、固体電解質膜１１１の
一方の面に酸化剤極膜１１２を成膜され、他方の面に燃
料極膜１１３を成膜された発電膜１１０は、その酸化剤
極膜１１２側からみて突出した凸ディンプル部１１４
と、窪んだ凹ディンプル部１１５とが所定の間隔で交互
に複数形成されている。この発電膜１１０とインタコネ
クタ１２０とを、図５に示すように、交互に複数積層す
ることにより、スタックが構成されている。

【０００４】図５，６に示すように、発電膜１１０の一
対の対向辺側の酸化剤極膜１１２と対面するインタコネ
クタ１２０との間は、シール材１３０でそれぞれシール
されている。発電膜１１０の他の一対の対向辺側の燃料
極膜１１３と対面するインタコネクタ１２０との間は、
シール材１３０でそれぞれシールされている。言い換え
れば、発電膜１１０の一対の対向辺側の燃料極膜１１３
と対面するインタコネクタ１２０との間は、その一方の
辺側が水素などの燃料ガス２を受け入れる燃料ガス供給
口１３３をなし、その他方の辺側が燃料ガス２を送り出
す燃料ガス排出口１３４をなすように形成され、また、
発電膜１１０の他の一対の対向辺側の酸化剤極膜１１２
と対面するインタコネクタ１２０との間は、その一方の
辺側が空気などの酸化剤ガス１を受け入れる酸化剤ガス
供給口１３１をなし、その他方の辺側が酸化剤ガス１を
送り出す酸化剤ガス排出口１３２をなすように形成され
ている。

【０００５】このようなスタックを備えた平板型固体電
解質燃料電池においては、スタックを所定の温度（８０
０℃〜１０００℃）に加熱し、図５に示すように、前記
酸化剤ガス供給口１３１から酸化剤ガス排出口１３２へ
向けて酸化剤ガス１を供給すると共に、前記燃料ガス供
給口１３３から燃料ガス排出口１３４へ向けて燃料ガス
２を供給すると、これらガス１，２が発電膜１１０で電
気化学的に反応し、スタックの積層方向両端側に設けた
集電部材から電力を得ることができるようになってい
る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】前述したような平板型
固体電解質燃料電池においては、酸化剤ガス１の通過方
向と燃料ガス２の通過方向とが同一平面に沿って直交す
る方向（直交流方向）であることから、発電膜１１０が
上記ガス供給口１３１，１３３側よりも上記ガス排出口
１３２，１３４側の方で高温になりやすく、発電膜１１
０に熱応力を生じやすいため、スタックが歪んで発電不
良を起こす虞があった。このため、上記ガス１，２の通
過方式が種々検討されているものの、コンパクトで簡単
に実現できるものが少なかった。

【０００７】このようなことから、本発明は、熱歪みの
発生をコンパクトで簡単に実現することができる平板型
固体電解質燃料電池を提供することを目的とした。

【０００８】

【課題を解決するための手段】前述した課題を解決する
ための、第一番目の発明による平板型固体電解質燃料電
池は、頂部に穴部を形成されたディンプル部が複数形成
されると共に、一方の面と他方の面とを連通する連通穴
部が複数形成された発電膜と、前記発電膜と接触するよ
うに当該発電膜と交互に積層され、当該発電膜の各前記
穴部と連結する穴部が形成されたインタコネクタと、前
記発電膜の前記連通穴部と連結する積層方向最外端一方
側の前記インタコネクタの前記穴部に酸化剤ガスまたは
燃料ガスのどちらか一方を供給する第一のガス供給手段
と、前記発電膜の前記ディンプル部の前記穴部と連結す
る積層方向最外端他方側の前記インタコネクタの前記穴
部に酸化剤ガスまたは燃料ガスのどちらか他方を供給す
る第二のガス供給手段とを備えてなることを特徴とす
る。

【０００９】第二番目の発明による平板型固体電解質燃
料電池は、第一番目の発明の平板型固体電解質燃料電池
において、前記発電膜の前記ディンプル部の突出した側
と前記インタコネクタとの各間に当該発電膜に沿って酸
化剤ガスまたは燃料ガスのどちらか一方を供給する第三
のガス供給手段を設けたことを特徴とする。

【００１０】第三番目の発明による平板型固体電解質燃
料電池は、第三番目の発明の平板型固体電解質燃料電池
において、前記第一のガス供給手段および前記第三のガ
ス供給手段による供給ガスが酸化剤ガスであることを特
徴とする。

【００１１】

【発明の実施の形態】本発明による平板型固体電解質燃
料電池の実施の形態を図１〜４を用いて説明する。な
お、図１は、その概略構造を表す一部分解斜視図、図２
は、図１の発電膜の概略構造を表す斜視図、図３は、図
１の発電膜のディンプル部周辺の概略構造を表す断面
図、図４は、図１の発電膜の連通穴部周辺の概略構造を
表す断面図である。

【００１２】図２〜４に示すように、固体電解質膜１１
の一方の面に酸化剤極膜１２を成膜されて他方の面に燃
料極膜１３を成膜された発電膜１０は、その酸化剤極膜
１２側からみて突出したディンプル部１４と、一方の面
側と他方の面側とを連通する連通穴部１５とが所定の間
隔で交互に複数形成されている。発電膜１０のディンプ
ル部１４の頂部には、穴部１６が形成されている。発電
膜１０の上記穴部１５，１６の内周面は、シール材１７
によりシールされており、前記酸化剤極膜１２と前記燃
料極膜１３とが直接的に触れることがないようになって
いる。この発電膜１０とインタコネクタ２０とは、図
１，３，４に示すように、接触するように交互に複数積
層され、スタックを構成している。

【００１３】図１，３，４に示すように、インタコネク
タ２０には、発電膜１０の連通穴部１５と連結する穴部
２１と、発電膜１０の前記穴部１６と連結する穴部２２
とがそれぞれ交互に複数形成されている。

【００１４】図１，３に示すように、発電膜１０の一対
の対向辺側の酸化剤極膜１２と対面するインタコネクタ
２０との間は、シール材３０でそれぞれシールされてい
る。発電膜１０の他の一対の対向辺の一方の辺側には、
空気などの酸化剤ガス１を供給する酸化剤ガス入口マニ
ホールド４１が取り付けられている。発電膜１０の他の
一対の対向辺の他方の辺側には、使用済みの酸化剤ガス
１を回収する酸化剤ガス出口マニホールド４２が取り付
けられている。

【００１５】図１〜４に示すように、酸化剤ガス入口マ
ニホールド４１の上部およびスタックの積層方向最外端
一方側である上段のインタコネクタ２０の前記穴部２１
には、当該マニホールド４１および当該穴部２１へ酸化
剤ガス１を選択して供給する図示しない酸化剤ガス供給
手段が連結されている。スタックの積層方向最外端他方
側である下段のインタコネクタ２０の前記穴部２２に
は、水素などの燃料ガス２を供給する図示しない燃料ガ
ス供給手段が連結されている。また、酸化剤ガス出口マ
ニホールド４２の下部およびスタックの下段のインタコ
ネクタ２０の前記穴部２１には、使用済みの酸化剤ガス
１を回収する図示しない酸化剤ガス回収手段が連結され
ている。スタックの上段のインタコネクタ２０の前記穴
部２２には、使用済みの燃料ガス２を回収する図示しな
い燃料ガス回収手段が連結されている。スタックの上段
および下段のインタコネクタ２０には、集電部材５０が
それぞれ設けられている。

【００１６】なお、本実施の形態では、第一のガス供給
手段を前記酸化剤ガス供給手段などにより構成し、第二
のガス供給手段を前記燃料ガス供給手段などにより構成
し、第三のガス供給手段を前記酸化剤ガス供給手段およ
び酸化剤ガス入口マニホールド４１などにより構成して
いる。

【００１７】このような構造をなす平板型固体電解質燃
料電池は、以下の手順で組み立てられる。

【００１８】（１）スタック組立 下段のインタコネクタ２０の穴部２１，２２の縁端周
辺にシール材を塗布する。 このインタコネクタ２０上に発電膜１０を載置する。 この発電膜１０の連通穴部１５，穴部１６の内周面に
シール材１７を塗布する。 以下、上述と同様な手順を繰り返して上段のインタコ
ネクタ２０まで複数積層して順次組み付ける。 積層後、シール材３０を充填してサイドシール加工す
る。

【００１９】（２）スタック焼成 スタックを焼成炉内に設置する。 スタック上に重石を載置する。 所定の温度で一体化焼成を行う。

【００２０】（３）マニホールド取り付け マニホールド４１，４２のスタックとの合わせ面にシ
ール材を塗布する。 マニホールド４１，４２をスタックに押し付けて接合
する。 焼成炉内に設置する。 所定の温度で一体化焼成を行う。

【００２１】（４）スタック組み込み スタックの下段のインタコネクタ２０の穴部２１を酸
化剤ガス供給手段に連結すると共に、スタックの下段の
インタコネクタ２０の穴部２２を燃料ガス供給手段に連
結する一方、スタックの上段のインタコネクタ２０の穴
部２１を酸化剤ガス回収手段に連結すると共に、スタッ
クの上段のインタコネクタ２０の穴部２２を燃料ガス回
収手段に連結するように、スタックを発電炉内に組み込
んでシール施工する。 酸化剤ガス入口マニホールド４１を酸化剤ガス供給手
段にセラミックパイプを介して連結すると共に、酸化剤
ガス出口マニホールド４２を酸化剤ガス回収手段に連結
し、連結部分をシール施工する。

【００２２】このようにして組み立てられた平板型固体
電解質燃料電池は、以下のようにして用いられる。

【００２３】スタックを所定の温度（８００℃〜１００
０℃）に加熱し、前記酸化剤ガス供給手段および前記燃
料ガス供給手段を作動して、酸化剤ガス１をスタックの
上段のインタコネクタ２０の穴部２１からスタック内に
供給し、燃料ガス２をスタックの下段のインタコネクタ
２０の穴部２２からスタック内に供給すると、酸化剤ガ
ス１は、図１〜４に示すように、上段のインタコネクタ
２０と上段の発電膜１０の酸化剤極膜１２との間に流入
し、ディンプル部１４の突出側表面を始めとして当該酸
化剤極膜１２の表面全体にわたって接触するように当該
間を通過しながら、当該発電膜１０の連通穴部１５内に
流入し、その下側のインタコネクタ２０の穴部２１を介
してその下段のインタコネクタ２０と発電膜１０の酸化
剤極膜１２との間に流入し、以下、上述と同様に通過し
て下段から二番目のインタコネクタ２０と下段の発電膜
１０の酸化剤極膜１２との間にまで流入することによ
り、すべての発電膜１０の酸化剤極膜１２と接触するよ
うに通過していく。

【００２４】一方、燃料ガス２は、図１〜３に示すよう
に、下段のインタコネクタ２０と下段の発電膜１０のデ
ィンプル部１４の内側との間に流入し、当該発電膜１０
の燃料極膜１３と接触しながら当該ディンプル部１４の
前記穴部１６を介して、下段から二番目のインタコネク
タ２０の穴部２２から当該インタコネクタ２０と下段か
ら二番目の発電膜１０のディンプル部１４の内側との間
に流入し、以下、上述と同様に通過して上段から二番目
のインタコネクタ２０と上段の発電膜１０のディンプル
部１４の内側との間にまで流入することにより、すべて
の発電膜１０の燃料極膜１３と接触するように通過して
いく。

【００２５】このようにして上記各ガス１，２がスタッ
ク内を通過すると、発電膜１０で電気化学反応を生じ
て、集電部材５０から電力を得ることができると共に、
酸化剤ガス１と燃料ガス２とが発電膜１０の厚さ方向へ
互いに向き合いながら通過するので（垂直対交流）、各
発電膜１０ごとの温度分布が一様になりやすい。

【００２６】このため、各発電膜１０ごとの熱応力が非
常に小さくなり、スタックが歪みにくくなる。

【００２７】また、何らかの原因でスタック内の温度が
上昇してスタックに熱歪みを生じてしまうような場合に
は、酸化剤入口マニホールド４１内にも酸化剤ガス１を
供給するように前記酸化剤供給手段を作動させると、酸
化剤ガス１が酸化剤出口マニホールド４２側へ向かうよ
うにインタコネクタ２０と発電膜１０の酸化剤極膜１２
との各間を当該発電膜１０に沿って通過する。

【００２８】このため、スタック内に多量の酸化剤ガス
１を簡単に通過させることができるので、スタック内の
温度上昇を簡単に抑制することができると共に、各発電
膜１０に新鮮な酸化剤ガス１を供給することができるの
で、各発電膜の温度差を確実に抑えることができる。

【００２９】したがって、このような平板型固体電解質
燃料電池によれば、スタックの熱歪みをコンパクトで簡
単に抑制することができる。

【００３０】

【発明の効果】第一番目の発明による平板型固体電解質
燃料電池は、頂部に穴部を形成されたディンプル部が複
数形成されると共に、一方の面と他方の面とを連通する
連通穴部が複数形成された発電膜と、前記発電膜と接触
するように当該発電膜と交互に積層され、当該発電膜の
各前記穴部と連結する穴部が形成されたインタコネクタ
と、前記発電膜の前記連通穴部と連結する積層方向最外
端一方側の前記インタコネクタの前記穴部に酸化剤ガス
または燃料ガスのどちらか一方を供給する第一のガス供
給手段と、前記発電膜の前記ディンプル部の前記穴部と
連結する積層方向最外端他方側の前記インタコネクタの
前記穴部に酸化剤ガスまたは燃料ガスのどちらか他方を
供給する第二のガス供給手段とを備えてなることから、
酸化剤ガスと燃料ガスとを発電膜の厚さ方向へ互いに向
き合いながら通過させることができるので、各発電膜ご
との温度分布を一様にしやすくなり、各発電膜ごとの熱
応力を非常に小さくすることができ、熱歪みをコンパク
トで簡単に抑制することができる。

【００３１】第二番目の発明による平板型固体電解質燃
料電池は、第一番目の発明の平板型固体電解質燃料電池
において、前記発電膜の前記ディンプル部の突出した側
と前記インタコネクタとの各間に当該発電膜に沿って酸
化剤ガスまたは燃料ガスのどちらか一方を供給する第三
のガス供給手段を設けたことから、インタコネクタと発
電膜との各間を当該発電膜に沿って当該ガスを通過させ
ることができるので、多量の上記ガスを簡単に通過させ
ることができ、温度上昇等を簡単に抑制することができ
ると共に、各発電膜に新鮮な上記ガスを供給することが
でき、各発電膜の温度差を確実に抑えることができる。

【００３２】第三番目の発明による平板型固体電解質燃
料電池は、第二番目の発明の平板型固体電解質燃料電池
において、前記第一のガス供給手段および前記第三のガ
ス供給手段による供給ガスが酸化剤ガスであるので、上
述した各効果を効率よく得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による平板型固体電解質燃料電池の実施
の形態の概略構造を表す一部分解斜視図である。

【図２】図１の発電膜の概略構成を表す斜視図である。

【図３】図１の発電膜のディンプル部周辺の概略構造を
表す断面図である。

【図４】図１の発電膜の連通穴部周辺の概略構造を表す
断面図である。

【図５】従来の平板型固体電解質燃料電池のスタックの
概略構造を表す分解斜視図である。

【図６】図５の発電膜の概略構成を表す断面図である。

【符号の説明】

１ 酸化剤ガス ２ 燃料ガス １０ 発電膜 １１ 固体電解質膜 １２ 酸化剤極膜 １３ 燃料極膜 １４ ディンプル部 １５ 連通穴部 １６ 穴部 １７ シール材 ２０ インタコネクタ ２１，２２ 穴部 ３０ シール材 ４１ 酸化剤ガス入口マニホールド ４２ 酸化剤ガス出口マニホールド ５０ 集電部材

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 江崎 義美 愛知県名古屋市緑区大高町字北関山20番地 の１ 中部電力株式会社技術開発本部電力 技術研究所内 (72)発明者 服部 雅俊 愛知県名古屋市緑区大高町字北関山20番地 の１ 中部電力株式会社技術開発本部電力 技術研究所内 (72)発明者 榊 嘉範 愛知県名古屋市緑区大高町字北関山20番地 の１ 中部電力株式会社技術開発本部電力 技術研究所内 (72)発明者 南條 房幸 兵庫県神戸市兵庫区和田崎町一丁目１番１ 号 三菱重工業株式会社神戸造船所内 (72)発明者 武信 弘一 兵庫県神戸市兵庫区和田崎町一丁目１番１ 号 三菱重工業株式会社神戸造船所内 (72)発明者 吉本 和博 兵庫県神戸市兵庫区和田崎町一丁目１番１ 号 三菱重工業株式会社神戸造船所内 Ｆターム(参考） 5H026 AA06 CC04

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 頂部に穴部を形成されたディンプル部が
   複数形成されると共に、一方の面と他方の面とを連通す
   る連通穴部が複数形成された発電膜と、 前記発電膜と接触するように当該発電膜と交互に積層さ
   れ、当該発電膜の各前記穴部と連結する穴部が形成され
   たインタコネクタと、 前記発電膜の前記連通穴部と連結する積層方向最外端一
   方側の前記インタコネクタの前記穴部に酸化剤ガスまた
   は燃料ガスのどちらか一方を供給する第一のガス供給手
   段と、 前記発電膜の前記ディンプル部の前記穴部と連結する積
   層方向最外端他方側の前記インタコネクタの前記穴部に
   酸化剤ガスまたは燃料ガスのどちらか他方を供給する第
   二のガス供給手段とを備えてなることを特徴とする平板
   型固体電解質燃料電池。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の平板型固体電解質燃料
   電池において、 前記発電膜の前記ディンプル部の突出した側と前記イン
   タコネクタとの各間に当該発電膜に沿って酸化剤ガスま
   たは燃料ガスのどちらか一方を供給する第三のガス供給
   手段を設けたことを特徴とする平板型固体電解質燃料電
   池。
3. 【請求項３】 請求項２に記載の平板型固体電解質燃料
   電池において、 前記第一のガス供給手段および前記第三のガス供給手段
   による供給ガスが酸化剤ガスであることを特徴とする平
   板型固体電解質燃料電池。