JP2003331871A - 平板型の固体酸化物形燃料電池およびセパレータ - Google Patents
平板型の固体酸化物形燃料電池およびセパレータInfo
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- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Abstract
(57)【要約】
【課題】 発電セルの軽量化と発電効率の向上を図る。
【解決手段】 固体酸化物形燃料電池は、固体電解質層
の両面に燃料極層と酸化剤極層を配置し、燃料極層と酸
化剤極層の外側にそれぞれ燃料極集電体と酸化剤極集電
体を配置し、燃料極集電体と酸化剤極集電体の外側にセ
パレータ８を配置して構成される。セパレータ８から燃
料極集電体および酸化剤極集電体を介して燃料極層およ
び酸化剤極層に燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給する。
このセパレータ８は、中央部に第１のガス吐出孔２５を
周辺部に第２のガス吐出孔２４を輪状に設けた金属製薄
板２１と、凸凹状の金属製薄板２２とを含む複数の金属
製薄板を積層して構成される。上記構成では、セパレー
タ８から吐出するガスを集電体を通して電極層全面に供
給することができるため、ガス利用効率の良い効率的な
発電を行うことができる。
の両面に燃料極層と酸化剤極層を配置し、燃料極層と酸
化剤極層の外側にそれぞれ燃料極集電体と酸化剤極集電
体を配置し、燃料極集電体と酸化剤極集電体の外側にセ
パレータ８を配置して構成される。セパレータ８から燃
料極集電体および酸化剤極集電体を介して燃料極層およ
び酸化剤極層に燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給する。
このセパレータ８は、中央部に第１のガス吐出孔２５を
周辺部に第２のガス吐出孔２４を輪状に設けた金属製薄
板２１と、凸凹状の金属製薄板２２とを含む複数の金属
製薄板を積層して構成される。上記構成では、セパレー
タ８から吐出するガスを集電体を通して電極層全面に供
給することができるため、ガス利用効率の良い効率的な
発電を行うことができる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、固体酸化物形燃料
電池に関し、詳しくは、導入ガスを集電体内の全域に亘
って供給することにより電極反応のアンバランスを無く
し、発電効率の向上を図った平板型の固体酸化物形燃料
電池におけるセパレーの構造に関するものである。
電池に関し、詳しくは、導入ガスを集電体内の全域に亘
って供給することにより電極反応のアンバランスを無く
し、発電効率の向上を図った平板型の固体酸化物形燃料
電池におけるセパレーの構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】酸化物イオン伝導体からなる固体電解質
層を空気極層（酸化剤極層）と燃料極層との間に挟んだ
積層構造を持つ固体酸化物形燃料電池は、第三世代の発
電用燃料電池として開発が進んでいる。固体酸化物形燃
料電池では、空気極側に酸素（空気）が、燃料極側には
燃料ガス（Ｈ2 、ＣＯ等）が供給される。空気極と燃料
極は、ガスが固体電解質との界面に到達することができ
るように、いずれも多孔質とされている。
層を空気極層（酸化剤極層）と燃料極層との間に挟んだ
積層構造を持つ固体酸化物形燃料電池は、第三世代の発
電用燃料電池として開発が進んでいる。固体酸化物形燃
料電池では、空気極側に酸素（空気）が、燃料極側には
燃料ガス（Ｈ2 、ＣＯ等）が供給される。空気極と燃料
極は、ガスが固体電解質との界面に到達することができ
るように、いずれも多孔質とされている。
【０００３】空気極側に供給された酸素は、空気極層内
の気孔を通って固体電解質層との界面近傍に到達し、こ
の部分で、空気極から電子を受け取って酸化物イオン
（Ｏ2-）にイオン化される。この酸化物イオンは、燃料
極の方向に向かって固体電解質層内を拡散移動する。燃
料極との界面近傍に到達した酸化物イオンは、この部分
で、燃料ガスと反応して反応生成物（Ｈ2 Ｏ、ＣＯ2
等）を生じ、燃料極に電子を放出する。
の気孔を通って固体電解質層との界面近傍に到達し、こ
の部分で、空気極から電子を受け取って酸化物イオン
（Ｏ2-）にイオン化される。この酸化物イオンは、燃料
極の方向に向かって固体電解質層内を拡散移動する。燃
料極との界面近傍に到達した酸化物イオンは、この部分
で、燃料ガスと反応して反応生成物（Ｈ2 Ｏ、ＣＯ2
等）を生じ、燃料極に電子を放出する。
【０００４】燃料に水素を用いた場合の電極反応は次の
ようになる。 空気極： １／２ Ｏ2 ＋ ２ｅ- → Ｏ2- 燃料極： Ｈ2 ＋ Ｏ2- → Ｈ2 Ｏ＋２ｅ- 全体 ： Ｈ2 ＋ １／２ Ｏ2 → Ｈ2 Ｏ
ようになる。 空気極： １／２ Ｏ2 ＋ ２ｅ- → Ｏ2- 燃料極： Ｈ2 ＋ Ｏ2- → Ｈ2 Ｏ＋２ｅ- 全体 ： Ｈ2 ＋ １／２ Ｏ2 → Ｈ2 Ｏ
【０００５】固体電解質層は、酸化物イオンの移動媒体
であると同時に、燃料ガスと空気を直接接触させないた
めの隔壁としても機能するので、ガス不透過性の緻密な
構造となっている。この固体電解質層は、酸化物イオン
伝導性が高く、空気極側の酸化性雰囲気から燃料極側の
還元性雰囲気までの条件下で化学的に安定で、熱衝撃に
強い材料から構成する必要があり、かかる要件を満たす
材料として、イットリアを添加した安定化ジルコニア
（ＹＳＺ）が一般的に使用されている。
であると同時に、燃料ガスと空気を直接接触させないた
めの隔壁としても機能するので、ガス不透過性の緻密な
構造となっている。この固体電解質層は、酸化物イオン
伝導性が高く、空気極側の酸化性雰囲気から燃料極側の
還元性雰囲気までの条件下で化学的に安定で、熱衝撃に
強い材料から構成する必要があり、かかる要件を満たす
材料として、イットリアを添加した安定化ジルコニア
（ＹＳＺ）が一般的に使用されている。
【０００６】一方、電極である空気極（カソード）層と
燃料極（アノード）層はいずれも電子伝導性の高い材料
から構成する必要がある。空気極材料は、７００℃前後
の高温の酸化性雰囲気中で化学的に安定でなければなら
ないため、金属は不適当であり、電子伝導性を持つペロ
ブスカイト型酸化物材料、具体的にはＬａＭｎＯ3 もし
くはＬａＣｏＯ3 、または、これらのＬａの一部をＳ
ｒ、Ｃａ等に置換した固溶体が一般に使用されている。
また、燃料極材料は、Ｎｉ、Ｃｏなどの金属、或いはＮ
ｉ−ＹＳＺ、Ｃｏ−ＹＳＺなどのサーメットが一般的で
ある。
燃料極（アノード）層はいずれも電子伝導性の高い材料
から構成する必要がある。空気極材料は、７００℃前後
の高温の酸化性雰囲気中で化学的に安定でなければなら
ないため、金属は不適当であり、電子伝導性を持つペロ
ブスカイト型酸化物材料、具体的にはＬａＭｎＯ3 もし
くはＬａＣｏＯ3 、または、これらのＬａの一部をＳ
ｒ、Ｃａ等に置換した固溶体が一般に使用されている。
また、燃料極材料は、Ｎｉ、Ｃｏなどの金属、或いはＮ
ｉ−ＹＳＺ、Ｃｏ−ＹＳＺなどのサーメットが一般的で
ある。
【０００７】固体酸化物形燃料電池には、１０００℃前
後の高温で作動させる高温作動型のものと、７００℃前
後の低温で作動させる低温作動型のものとがある。低温
作動型の固体酸化物形燃料電池は、例えば電解質である
イットリアを添加した安定化ジルコニア（ＹＳＺ）の厚
さを１０μｍ程度まで薄膜化して、電解質の抵抗を低く
することにより、低温でも燃料電池として発電するよう
に改良された発電セルを使用する。
後の高温で作動させる高温作動型のものと、７００℃前
後の低温で作動させる低温作動型のものとがある。低温
作動型の固体酸化物形燃料電池は、例えば電解質である
イットリアを添加した安定化ジルコニア（ＹＳＺ）の厚
さを１０μｍ程度まで薄膜化して、電解質の抵抗を低く
することにより、低温でも燃料電池として発電するよう
に改良された発電セルを使用する。
【０００８】高温の固体酸化物形燃料電池では、セパレ
ータには、例えばランタンクロマイト（ＬａＣｒＯ3 ）
等の電子伝導性を有するセラミックスが用いられるが、
低温作動型の固体酸化物燃料電池では、ステンレス等の
金属材料を使用することができる。
ータには、例えばランタンクロマイト（ＬａＣｒＯ3 ）
等の電子伝導性を有するセラミックスが用いられるが、
低温作動型の固体酸化物燃料電池では、ステンレス等の
金属材料を使用することができる。
【０００９】また、固体酸化物形燃料電池の構造には、
円筒型、モノリス型、及び平板型の３種類が提案されて
いる。それらの構造のうち、低温作動型の固体酸化物形
燃料電池には、金属のセパレータを使用できることか
ら、金属のセパレータに形状付与し易い平板型の構造が
適している。
円筒型、モノリス型、及び平板型の３種類が提案されて
いる。それらの構造のうち、低温作動型の固体酸化物形
燃料電池には、金属のセパレータを使用できることか
ら、金属のセパレータに形状付与し易い平板型の構造が
適している。
【００１０】平板型の固体酸化物形燃料電池のスタック
は、発電セル、集電体、セパレータを交互に積層した構
造を持つ。一対のセパレータが発電セルを両面から挟ん
で、一方は空気極集電体を介して空気極と、他方は燃料
極集電体を介して燃料極と接している。燃料極集電体に
は、Ｎｉ基合金等のスポンジ状の多孔質体を使用するこ
とができ、空気極集電体には、Ａｇ基合金等の同じくス
ポンジ状の多孔質体を使用することができる。スポンジ
状多孔質体は、集電機能、ガス透過機能、均一ガス拡散
機能、クッション機能、熱膨脹差吸収機能等を兼ね備え
るので、多機能の集電体材料として適している。
は、発電セル、集電体、セパレータを交互に積層した構
造を持つ。一対のセパレータが発電セルを両面から挟ん
で、一方は空気極集電体を介して空気極と、他方は燃料
極集電体を介して燃料極と接している。燃料極集電体に
は、Ｎｉ基合金等のスポンジ状の多孔質体を使用するこ
とができ、空気極集電体には、Ａｇ基合金等の同じくス
ポンジ状の多孔質体を使用することができる。スポンジ
状多孔質体は、集電機能、ガス透過機能、均一ガス拡散
機能、クッション機能、熱膨脹差吸収機能等を兼ね備え
るので、多機能の集電体材料として適している。
【００１１】セパレータは、発電セル間を電気接続する
と共に、発電セルに対してガスを供給する機能を有する
もので、燃料ガスをセパレータ外周面から導入してセパ
レータの燃料極層に対向する面から吐出させる燃料通路
と、酸化剤ガスをセパレータ外周面から導入してセパレ
ータの酸化剤極層に対向する面から吐出させる酸化剤通
路とをそれぞれ有している。
と共に、発電セルに対してガスを供給する機能を有する
もので、燃料ガスをセパレータ外周面から導入してセパ
レータの燃料極層に対向する面から吐出させる燃料通路
と、酸化剤ガスをセパレータ外周面から導入してセパレ
ータの酸化剤極層に対向する面から吐出させる酸化剤通
路とをそれぞれ有している。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】ところで、低温作動の
固体酸化物形燃料電池の場合、セパレータは厚さ５〜１
０ｍｍ程度の金属板（ステンレス等）を用い、その中央
部に側面より導入された燃料ガスおよび酸化剤ガスを集
電体に吐出するためのガス吐出孔を設けた構造のものが
知られている。図４はその一例を示す燃料電池スタック
の要部断面図で、図４中、符号３は燃料極層、符号６は
燃料極集電体、符号８はセパレータ、符号１１は燃料通
路、符号２５はガス吐出孔であり、矢印は燃料ガスの透
過状態を示している。
固体酸化物形燃料電池の場合、セパレータは厚さ５〜１
０ｍｍ程度の金属板（ステンレス等）を用い、その中央
部に側面より導入された燃料ガスおよび酸化剤ガスを集
電体に吐出するためのガス吐出孔を設けた構造のものが
知られている。図４はその一例を示す燃料電池スタック
の要部断面図で、図４中、符号３は燃料極層、符号６は
燃料極集電体、符号８はセパレータ、符号１１は燃料通
路、符号２５はガス吐出孔であり、矢印は燃料ガスの透
過状態を示している。
【００１３】ところが、このような従来型のセパレータ
構造は以下のような問題を有していた。
構造は以下のような問題を有していた。
【００１４】即ち、セパレータ８の中央部より吐出した
燃料ガスは、多孔質クッション材より成る燃料極集電体
６を通して燃料極層３の全域に供給される構造である
が、実際はガスの吐出孔２５付近での電極反応によって
燃料ガスが大幅に消費され、ガス吐出孔２５から遠ざか
るに連れてガス濃度が低下するといった問題である。こ
のため、電極全域において電極反応が均一に行われず、
発電セル内で温度勾配が生じ、その際の熱応力によって
発電セルが破壊されたり、非効率的な発電による発電特
性の低下（発電量が発電セルの中央部で大きく周辺部で
小さくなる）を招くこととなった。この問題は特に燃料
極側で顕著であった。
燃料ガスは、多孔質クッション材より成る燃料極集電体
６を通して燃料極層３の全域に供給される構造である
が、実際はガスの吐出孔２５付近での電極反応によって
燃料ガスが大幅に消費され、ガス吐出孔２５から遠ざか
るに連れてガス濃度が低下するといった問題である。こ
のため、電極全域において電極反応が均一に行われず、
発電セル内で温度勾配が生じ、その際の熱応力によって
発電セルが破壊されたり、非効率的な発電による発電特
性の低下（発電量が発電セルの中央部で大きく周辺部で
小さくなる）を招くこととなった。この問題は特に燃料
極側で顕著であった。
【００１５】また、厚さ５〜１０ｍｍといった肉厚の金
属板を使用することにより、単セル自体の重量が重くな
り、複数の電池スタックを縦置きにして構成される固体
酸化物形燃料電池の場合にあっては、下方に配置される
電池スタックの発電セルがその重圧によって破損し易い
といった問題がある。このため、現状ではセル構成を加
重に耐え得る積層数に制限せざるを得ないといった問題
が残されている。因みに、従来構造の場合、電池スタッ
クの重量は１ｋｇ程度有り、この電池スタックを多数積
層した電池モジュールの総重量は２５ｋｇ程になる。従
って、その支持構造も自ずと複雑になってくる。
属板を使用することにより、単セル自体の重量が重くな
り、複数の電池スタックを縦置きにして構成される固体
酸化物形燃料電池の場合にあっては、下方に配置される
電池スタックの発電セルがその重圧によって破損し易い
といった問題がある。このため、現状ではセル構成を加
重に耐え得る積層数に制限せざるを得ないといった問題
が残されている。因みに、従来構造の場合、電池スタッ
クの重量は１ｋｇ程度有り、この電池スタックを多数積
層した電池モジュールの総重量は２５ｋｇ程になる。従
って、その支持構造も自ずと複雑になってくる。
【００１６】本発明は、上記問題に鑑み、集電体内の電
極反応を均一にすることにより発電効率の向上を図ると
共に、セパレータの軽量化を図って破損事故等の弊害を
防止した平板型の固体酸化物形燃料電池および固体酸化
物形燃料電池用セパレータを提供することを目的として
いる。
極反応を均一にすることにより発電効率の向上を図ると
共に、セパレータの軽量化を図って破損事故等の弊害を
防止した平板型の固体酸化物形燃料電池および固体酸化
物形燃料電池用セパレータを提供することを目的として
いる。
【００１７】
【課題を解決するための手段】すなわち、請求項１に記
載の本発明は、固体電解質層の両面に燃料極層と酸化剤
極層を配置し、当該燃料極層と酸化剤極層の外側にそれ
ぞれ燃料極集電体と酸化剤極集電体を配置し、当該燃料
極集電体と酸化剤極集電体の外側にセパレータを配置
し、当該セパレータから前記燃料極集電体および酸化剤
極集電体を介して前記燃料極層および酸化剤極層に燃料
ガスおよび酸化剤ガスを供給する平板型の固体酸化物形
燃料電池において、前記セパレータは、導入されたガス
をその中央部から吐出するための第１のガス吐出孔と周
辺部に沿って環状に吐出するための複数の第２のガス吐
出孔を有することを特徴としている。本構成では、セパ
レータの中央部と周辺部からはガスが輪状に吐出される
ため、集電体全体に十分に行き渡らせることができる。
これにより、電極全域に亘って均一な電極反応が行われ
るようになり、中央部と周辺部とで発電量の差を無くし
た効率的な発電を行うことができる。
載の本発明は、固体電解質層の両面に燃料極層と酸化剤
極層を配置し、当該燃料極層と酸化剤極層の外側にそれ
ぞれ燃料極集電体と酸化剤極集電体を配置し、当該燃料
極集電体と酸化剤極集電体の外側にセパレータを配置
し、当該セパレータから前記燃料極集電体および酸化剤
極集電体を介して前記燃料極層および酸化剤極層に燃料
ガスおよび酸化剤ガスを供給する平板型の固体酸化物形
燃料電池において、前記セパレータは、導入されたガス
をその中央部から吐出するための第１のガス吐出孔と周
辺部に沿って環状に吐出するための複数の第２のガス吐
出孔を有することを特徴としている。本構成では、セパ
レータの中央部と周辺部からはガスが輪状に吐出される
ため、集電体全体に十分に行き渡らせることができる。
これにより、電極全域に亘って均一な電極反応が行われ
るようになり、中央部と周辺部とで発電量の差を無くし
た効率的な発電を行うことができる。
【００１８】また、請求項２に記載の本発明は、請求項
１に記載の平板型の固体電解質形燃料電池において、前
記セパレータは、少なくとも、前記第１のガス吐出孔と
第２のガス吐出孔を設けた金属製薄板、および凸凹状に
加工した金属製薄板とを含む複数の金属製薄板を積層し
て構成されることを特徴としている。本構成により、セ
パレータ自体を軽量化できると共に、金属製薄板の凸凹
がガス流路を形成するため、導入ガスはセパレータ内全
域に満遍なく拡散されていき、セパレータ中央部の第１
のガス吐出孔へはもとより、周辺部に環状に形成した第
２のガス吐出孔へのガス供給も確実にする。
１に記載の平板型の固体電解質形燃料電池において、前
記セパレータは、少なくとも、前記第１のガス吐出孔と
第２のガス吐出孔を設けた金属製薄板、および凸凹状に
加工した金属製薄板とを含む複数の金属製薄板を積層し
て構成されることを特徴としている。本構成により、セ
パレータ自体を軽量化できると共に、金属製薄板の凸凹
がガス流路を形成するため、導入ガスはセパレータ内全
域に満遍なく拡散されていき、セパレータ中央部の第１
のガス吐出孔へはもとより、周辺部に環状に形成した第
２のガス吐出孔へのガス供給も確実にする。
【００１９】また、請求項３に記載の本発明は、請求項
２に記載の平板型の固体酸化物形燃料電池において、前
記第１のガス吐出孔と第２のガス吐出孔を設けた金属製
薄板が少なくとも前記燃料極集電体側に配設されて成る
ことを特徴としている。集電体内における電極反応の不
均一性は、特に燃料ガスの供給側で顕著である。これ
は、燃料ガスは空気（酸化剤ガス）のように大量に供給
することができず、供給量が限定されているためであ
る。そこで、本構成では、少なくとも燃料極集電体と接
するセパレータ部分にこのようなガス吐出構造を適用し
て燃料極層における電極反応の不均一性を改善するよう
にしている。
２に記載の平板型の固体酸化物形燃料電池において、前
記第１のガス吐出孔と第２のガス吐出孔を設けた金属製
薄板が少なくとも前記燃料極集電体側に配設されて成る
ことを特徴としている。集電体内における電極反応の不
均一性は、特に燃料ガスの供給側で顕著である。これ
は、燃料ガスは空気（酸化剤ガス）のように大量に供給
することができず、供給量が限定されているためであ
る。そこで、本構成では、少なくとも燃料極集電体と接
するセパレータ部分にこのようなガス吐出構造を適用し
て燃料極層における電極反応の不均一性を改善するよう
にしている。
【００２０】また、請求項４に記載の本発明は、各電極
の外側に配した集電体に接して電極側にガス供給用のガ
ス通路を形成する固体酸化物形燃料電池用セパレータで
あって、導入されたガスをその中央部から吐出するため
の第１のガス吐出孔と周辺部に沿って環状に吐出するた
めの複数の第２のガス吐出孔を有することを特徴として
いる。
の外側に配した集電体に接して電極側にガス供給用のガ
ス通路を形成する固体酸化物形燃料電池用セパレータで
あって、導入されたガスをその中央部から吐出するため
の第１のガス吐出孔と周辺部に沿って環状に吐出するた
めの複数の第２のガス吐出孔を有することを特徴として
いる。
【００２１】また、請求項５に記載の本発明は、請求項
４に記載の固体酸化物形燃料電池用セパレータにおい
て、少なくとも、前記第１のガス吐出孔と第２のガス吐
出孔を設けた金属製薄板、および凸凹状に加工した金属
製薄板とを含む複数の金属製薄板を積層して構成される
ことを特徴としている。
４に記載の固体酸化物形燃料電池用セパレータにおい
て、少なくとも、前記第１のガス吐出孔と第２のガス吐
出孔を設けた金属製薄板、および凸凹状に加工した金属
製薄板とを含む複数の金属製薄板を積層して構成される
ことを特徴としている。
【００２２】また、請求項６に記載の本発明は、請求項
５に記載の固体酸化物形燃料電池用セパレータにおい
て、前記第１のガス吐出孔と第２のガス吐出孔を設けた
金属製薄板が、少なくとも燃料極集電体側に配設されて
成ることを特徴としている。
５に記載の固体酸化物形燃料電池用セパレータにおい
て、前記第１のガス吐出孔と第２のガス吐出孔を設けた
金属製薄板が、少なくとも燃料極集電体側に配設されて
成ることを特徴としている。
【００２３】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面に
基づいて説明する。尚、説明を簡略化するため、以下の
説明において従来と共通する部分については同一の符号
を用いた。図１は本発明に係る平板型の固体酸化物形燃
料電池の要部構成を示す分解斜視図、図２は燃料極側の
セパレータ構造を示す図、図３は燃料電池スタックの要
部断面図である。
基づいて説明する。尚、説明を簡略化するため、以下の
説明において従来と共通する部分については同一の符号
を用いた。図１は本発明に係る平板型の固体酸化物形燃
料電池の要部構成を示す分解斜視図、図２は燃料極側の
セパレータ構造を示す図、図３は燃料電池スタックの要
部断面図である。
【００２４】先ず、図１に基づいて本実施形態に係る固
体酸化物形燃料電池の構成を説明する。図１中、符号１
は燃料電池スタックを示し、固体電解質層２の両面に燃
料極層３と空気極層（酸化剤極層）４を配した発電セル
５と、燃料極層３の外側の燃料極集電体６と、空気極層
４の外側の空気極集電体（酸化剤極集電体）７と、各集
電体６、７の外側のセパレータ８をそれぞれ順番に積層
した構造を有する。本実施形態は、燃料極集電体の外周
端にガスシールがないシールレス構造に適用して好適で
ある。
体酸化物形燃料電池の構成を説明する。図１中、符号１
は燃料電池スタックを示し、固体電解質層２の両面に燃
料極層３と空気極層（酸化剤極層）４を配した発電セル
５と、燃料極層３の外側の燃料極集電体６と、空気極層
４の外側の空気極集電体（酸化剤極集電体）７と、各集
電体６、７の外側のセパレータ８をそれぞれ順番に積層
した構造を有する。本実施形態は、燃料極集電体の外周
端にガスシールがないシールレス構造に適用して好適で
ある。
【００２５】ここで、前記固体電解質層２はイットリア
を添加した安定化ジルコニア（ＹＳＺ）等で構成され、
前記燃料極層３はＮｉ、Ｃｏ等の金属あるいはＮｉ−Ｙ
ＳＺ、Ｃｏ−ＹＳＺ等のサーメットで構成され、前記空
気極層４はＬａＭｎＯ3 、ＬａＣｏＯ3 等で構成され、
前記燃料極集電体６はＮｉ基合金等のスポンジ状の多孔
質焼結金属板で構成され、前記空気極集電体７はＡｇ基
合金等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成されてい
る。
を添加した安定化ジルコニア（ＹＳＺ）等で構成され、
前記燃料極層３はＮｉ、Ｃｏ等の金属あるいはＮｉ−Ｙ
ＳＺ、Ｃｏ−ＹＳＺ等のサーメットで構成され、前記空
気極層４はＬａＭｎＯ3 、ＬａＣｏＯ3 等で構成され、
前記燃料極集電体６はＮｉ基合金等のスポンジ状の多孔
質焼結金属板で構成され、前記空気極集電体７はＡｇ基
合金等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成されてい
る。
【００２６】前記セパレータ８は、従来型と同様に発電
セル５間を電気接続すると共に、発電セル５に対してガ
スを供給する機能を有するものであるが、その構造は図
４に示した従来型と相違している。
セル５間を電気接続すると共に、発電セル５に対してガ
スを供給する機能を有するものであるが、その構造は図
４に示した従来型と相違している。
【００２７】即ち、従来のセパレータが肉厚の金属単板
で作製されているのに対し、本実施形態のセパレータ８
は、図２（ａ）、（ｂ）に示すように、複数のガス吐出
孔を設けた金属製の上板２１と、表面を凸凹状に加工し
た中板２２と、平坦形状の下板２３とを順次積層して成
る３層構造を有する。これらは何れも、ステンレス等で
成る薄い金属板が使用されている。前記上板２１には、
中央部に第１の燃料ガス吐出孔２５が形成され、そして
周辺部に複数の第２の燃料ガス吐出孔２４が輪状に整列
して形成されており、セパレータ８の外周端面より燃料
通路１１を介して導入された燃料ガスをこれらのガス吐
出孔２４および２５より吐出し、これと対面する燃料極
集電体６に供給するようになっている。
で作製されているのに対し、本実施形態のセパレータ８
は、図２（ａ）、（ｂ）に示すように、複数のガス吐出
孔を設けた金属製の上板２１と、表面を凸凹状に加工し
た中板２２と、平坦形状の下板２３とを順次積層して成
る３層構造を有する。これらは何れも、ステンレス等で
成る薄い金属板が使用されている。前記上板２１には、
中央部に第１の燃料ガス吐出孔２５が形成され、そして
周辺部に複数の第２の燃料ガス吐出孔２４が輪状に整列
して形成されており、セパレータ８の外周端面より燃料
通路１１を介して導入された燃料ガスをこれらのガス吐
出孔２４および２５より吐出し、これと対面する燃料極
集電体６に供給するようになっている。
【００２８】前記中板２２は、セパレータとしての強度
と厚さを確保するため、表面を凸凹状に加工した板金材
が使用されており、これと上板２１と下板２３を図２
（ｂ）のように組み合わせて中空状のセパレータ８を構
成する。この凸凹による中空部が燃料ガスを拡散し易く
するガス流路として機能し、同時にセパレータ８の軽量
化が実現できる。尚、この凸凹形状は板金の塑性加工に
よって形成することができ、図示のような矩形状でなく
波形（波板）としても良い。また、エンボス加工により
凸凹模様を付けた板材を用いても良い。
と厚さを確保するため、表面を凸凹状に加工した板金材
が使用されており、これと上板２１と下板２３を図２
（ｂ）のように組み合わせて中空状のセパレータ８を構
成する。この凸凹による中空部が燃料ガスを拡散し易く
するガス流路として機能し、同時にセパレータ８の軽量
化が実現できる。尚、この凸凹形状は板金の塑性加工に
よって形成することができ、図示のような矩形状でなく
波形（波板）としても良い。また、エンボス加工により
凸凹模様を付けた板材を用いても良い。
【００２９】前記下板２３は燃料極側と空気極側の隔壁
を構成する。既述した上板２１と中板２３の組み合わせ
は燃料極側のセパレータ構造であり、実際はこの下板２
３を隔て空気極側のセパレータ部分が形成されることに
なるが、本図ではその部分を省略してある。
を構成する。既述した上板２１と中板２３の組み合わせ
は燃料極側のセパレータ構造であり、実際はこの下板２
３を隔て空気極側のセパレータ部分が形成されることに
なるが、本図ではその部分を省略してある。
【００３０】尚、図１に示す燃料スタック１の両端のセ
パレータ８（８Ａ、８Ｂ）は、上記した燃料極側もしく
は空気極側セパレータ構造の何れか一方のみを有する。
パレータ８（８Ａ、８Ｂ）は、上記した燃料極側もしく
は空気極側セパレータ構造の何れか一方のみを有する。
【００３１】以上の構成の平板型の固体酸化物形燃料電
池では、セパレータ８の中心部および周辺部から吐出す
る燃料ガスを燃料極集電体６を通して燃料極層３の全面
に良好な分布で行き渡らせることができ、よって、電極
層の全面に亘って効率的なガス反応が行われるようにで
きる。
池では、セパレータ８の中心部および周辺部から吐出す
る燃料ガスを燃料極集電体６を通して燃料極層３の全面
に良好な分布で行き渡らせることができ、よって、電極
層の全面に亘って効率的なガス反応が行われるようにで
きる。
【００３２】即ち、図４に示すセパレータ８の中央部の
みにガス吐出孔２５を設けた従来型では、ガスが周辺部
にまで十分に行き渡りにくい構造であることから、電極
反応に偏りが生じ、熱応力による発電セルの破壊や発電
効率の低下といった問題を引き起こしていたが、本実施
形態のセパレータ構造によれば、図３に示すように、セ
パレータ外周面より燃料通路１１を介して導入された燃
料ガスがセパレータ８の中空部（凸凹）をガス通路とし
て全面に拡散されるようになり、中央部の第１の燃料ガ
ス吐出孔２５および周辺部の複数の第２の燃料ガス吐出
孔２４より燃料ガスを吐出し、これと対面する燃料極集
電体６を通して燃料極層３の全面に良好な分布で行き渡
らせることができる。これにより、電極全域に亘って均
一な電極反応が行われるようになり、中央部と周辺部と
で発電量の差を無くした効率的な発電を行うことができ
る。
みにガス吐出孔２５を設けた従来型では、ガスが周辺部
にまで十分に行き渡りにくい構造であることから、電極
反応に偏りが生じ、熱応力による発電セルの破壊や発電
効率の低下といった問題を引き起こしていたが、本実施
形態のセパレータ構造によれば、図３に示すように、セ
パレータ外周面より燃料通路１１を介して導入された燃
料ガスがセパレータ８の中空部（凸凹）をガス通路とし
て全面に拡散されるようになり、中央部の第１の燃料ガ
ス吐出孔２５および周辺部の複数の第２の燃料ガス吐出
孔２４より燃料ガスを吐出し、これと対面する燃料極集
電体６を通して燃料極層３の全面に良好な分布で行き渡
らせることができる。これにより、電極全域に亘って均
一な電極反応が行われるようになり、中央部と周辺部と
で発電量の差を無くした効率的な発電を行うことができ
る。
【００３３】加えて、本実施形態のセパレータ８は、内
部を空洞とする積層構造としたので、肉厚構造の従来型
に比べてセパレータ自体の重量を大幅に軽減できる。係
る構造は、多数の電池スタックを縦置きに積層した構造
の燃料電池モジュールにおいては、下方部に位置する発
電セルへの重圧を軽減するという面で極めて有効であ
り、これにより、燃料電池モジュールの支持構造を簡略
化し、且つ、電池スタック積層数の制約を大幅に緩和す
ることも可能となる。これにより、高起電力発電が実現
できる。
部を空洞とする積層構造としたので、肉厚構造の従来型
に比べてセパレータ自体の重量を大幅に軽減できる。係
る構造は、多数の電池スタックを縦置きに積層した構造
の燃料電池モジュールにおいては、下方部に位置する発
電セルへの重圧を軽減するという面で極めて有効であ
り、これにより、燃料電池モジュールの支持構造を簡略
化し、且つ、電池スタック積層数の制約を大幅に緩和す
ることも可能となる。これにより、高起電力発電が実現
できる。
【００３４】以上、本実施形態では、燃料極集電体６に
接するセパレータ部分の構造について説明したが、空気
極集電体７に接する側のセパレータ部分も同様の構造と
することができる。また、図示しないが、上記以外のよ
り単純なガス吐出構造（例えば、中央部のみのガス吐出
構造）とすることもできる。集電体内部での電極反応の
不均一性は、特に燃料ガスの供給側で顕著であるため、
少なくとも燃料極集電体６と対面する側のセパレータ部
分に本実施形態の構造を適用することが重要である。ま
た、本実施形態では、セパレータ８を３枚の金属薄板に
よる３層構造としたが、これに限定されるものではな
く、下板２３を省略した２層構造とすることも勿論可能
である。これにより、セパレータ８の更なる軽量化が期
待できる。
接するセパレータ部分の構造について説明したが、空気
極集電体７に接する側のセパレータ部分も同様の構造と
することができる。また、図示しないが、上記以外のよ
り単純なガス吐出構造（例えば、中央部のみのガス吐出
構造）とすることもできる。集電体内部での電極反応の
不均一性は、特に燃料ガスの供給側で顕著であるため、
少なくとも燃料極集電体６と対面する側のセパレータ部
分に本実施形態の構造を適用することが重要である。ま
た、本実施形態では、セパレータ８を３枚の金属薄板に
よる３層構造としたが、これに限定されるものではな
く、下板２３を省略した２層構造とすることも勿論可能
である。これにより、セパレータ８の更なる軽量化が期
待できる。
【００３５】また、本実施形態では、発電セルの電解質
にイットリアを添加した安定化ジルコニア（ＹＳＺ）を
用いる固体酸化物形燃料電池を示したが、本発明は、そ
の他の固体酸化物形燃料電池、例えばセリア系電解質、
ガレート型電解質を用いる固体酸化物形燃料電池にも適
用することができる。
にイットリアを添加した安定化ジルコニア（ＹＳＺ）を
用いる固体酸化物形燃料電池を示したが、本発明は、そ
の他の固体酸化物形燃料電池、例えばセリア系電解質、
ガレート型電解質を用いる固体酸化物形燃料電池にも適
用することができる。
【００３６】
【発明の効果】以上説明したように、請求項１、請求項
４に記載の本発明によれば、セパレータの中央部と周辺
部にガス吐出孔を設けたので、ガスを集電体全体に十分
に行き渡らせることができる。これにより、電極全域に
亘って均一な電極反応が行われるようになり、発電セル
の中央部と周辺部とで発電量の差を無くした効率的な発
電を行うことができる。
４に記載の本発明によれば、セパレータの中央部と周辺
部にガス吐出孔を設けたので、ガスを集電体全体に十分
に行き渡らせることができる。これにより、電極全域に
亘って均一な電極反応が行われるようになり、発電セル
の中央部と周辺部とで発電量の差を無くした効率的な発
電を行うことができる。
【００３７】また、請求項２、請求項５に記載の本発明
によれば、少なくとも、第１のガス吐出孔と第２のガス
吐出孔を設けた金属製薄板、および凸凹状に加工した金
属製薄板とを含む複数の金属製薄板を積層してセパレー
タを構成したので、セパレータ自体か軽量化され、縦型
燃料電池モジュールにおける電池スタックの積層数を増
やすことができるため、高起電力発電が実現できる。加
えて、凸凹がガス流路を形成するため導入ガスが集電体
全域に供給され易くなり、集電体内部での電極反応の不
均一性を改善した効率的な発電が行えるようになる。
によれば、少なくとも、第１のガス吐出孔と第２のガス
吐出孔を設けた金属製薄板、および凸凹状に加工した金
属製薄板とを含む複数の金属製薄板を積層してセパレー
タを構成したので、セパレータ自体か軽量化され、縦型
燃料電池モジュールにおける電池スタックの積層数を増
やすことができるため、高起電力発電が実現できる。加
えて、凸凹がガス流路を形成するため導入ガスが集電体
全域に供給され易くなり、集電体内部での電極反応の不
均一性を改善した効率的な発電が行えるようになる。
【００３８】また、請求項３、請求項６に記載の本発明
によれば、上記した請求項１と請求項２のセパレータ構
造を少なくとも燃料極集電体側のセパレータ部分に適用
するようにしたので、特に燃料ガスの供給側で顕著であ
る燃料極集電体内部での電極反応の不均一現象を効果的
に改善することができ、これにより燃料利用率の高い効
率的な発電を実現できる。
によれば、上記した請求項１と請求項２のセパレータ構
造を少なくとも燃料極集電体側のセパレータ部分に適用
するようにしたので、特に燃料ガスの供給側で顕著であ
る燃料極集電体内部での電極反応の不均一現象を効果的
に改善することができ、これにより燃料利用率の高い効
率的な発電を実現できる。
【図１】本発明に係る固体酸化物形燃料電池の要部構成
を示す分解斜視図。
を示す分解斜視図。
【図２】本発明に係る燃料極側のセパレータ構造を示
し、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図。
し、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図。
【図３】本発明に係る燃料電池スタックの要部断面図。
【図４】従来の燃料電池スタックの要部断面図。
２ 固体電解質層
３ 燃料極層
４ 酸化剤極層（空気極層）
６ 燃料極集電体
７ 酸化剤極集電体（空気極集電体）
８ セパレータ
２１、２２、２３ 金属製薄板（上板、中板、下板）
２４ 第２のガス吐出孔
２５ 第１のガス吐出孔
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 星野 孝二
茨城県那珂郡那珂町向山1002−14 三菱マ
テリアル株式会社総合研究所那珂研究セン
ター内
(72)発明者 細井 敬
茨城県那珂郡那珂町向山1002−14 三菱マ
テリアル株式会社総合研究所那珂研究セン
ター内
Ｆターム(参考） 5H026 AA06 CC03 CX04 EE02 EE12
Claims (6)
- 【請求項１】 固体電解質層の両面に燃料極層と酸化剤
極層を配置し、当該燃料極層と酸化剤極層の外側にそれ
ぞれ燃料極集電体と酸化剤極集電体を配置し、当該燃料
極集電体と酸化剤極集電体の外側にセパレータを配置
し、当該セパレータから前記燃料極集電体および酸化剤
極集電体を介して前記燃料極層および酸化剤極層に燃料
ガスおよび酸化剤ガスを供給する平板型の固体酸化物形
燃料電池において、 前記セパレータは、導入されたガスをその中央部から吐
出するための第１のガス吐出孔と周辺部に沿って環状に
吐出するための複数の第２のガス吐出孔を有することを
特徴とする平板型の固体酸化物形燃料電池。 - 【請求項２】 前記セパレータは、少なくとも、前記第
１のガス吐出孔と第２のガス吐出孔を設けた金属製薄
板、および凸凹状に加工した金属製薄板とを含む複数の
金属製薄板を積層して構成されることを特徴とする請求
項１に記載の平板型の固体酸化物形燃料電池。 - 【請求項３】 前記第１のガス吐出孔と第２のガス吐出
孔を設けた金属製薄板が、少なくとも前記燃料極集電体
側に配設されて成ることを特徴とする請求項２に記載の
平板型の固体酸化物形燃料電池。 - 【請求項４】 各電極の外側に配した集電体に接して電
極側にガス供給用のガス通路を形成する固体酸化物形燃
料電池用セパレータであって、導入されたガスをその中
央部から吐出するための第１のガス吐出孔と周辺部に沿
って環状に吐出するための複数の第２のガス吐出孔を有
することを特徴とする固体酸化物形燃料電池用セパレー
タ。 - 【請求項５】 少なくとも、前記第１のガス吐出孔と
第２のガス吐出孔を設けた金属製薄板、および凸凹状に
加工した金属製薄板とを含む複数の金属製薄板を積層し
て構成されることを特徴とする請求項４に記載の固体酸
化物形燃料電池用セパレータ。 - 【請求項６】 前記第１のガス吐出孔と第２のガス吐出
孔を設けた金属製薄板が、少なくとも燃料極集電体側に
配設されて成ることを特徴とする請求項５に記載の固体
酸化物形燃料電池用セパレータ。
Priority Applications (8)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2003049581A JP2003331871A (ja) | 2002-03-04 | 2003-02-26 | 平板型の固体酸化物形燃料電池およびセパレータ |
| PCT/JP2003/002202 WO2003075384A1 (fr) | 2002-03-04 | 2003-02-27 | Pile a combustible en oxyde solide et separateur |
| AU2003211785A AU2003211785A1 (en) | 2002-03-04 | 2003-02-27 | Solid oxide type fuel cell and separator |
| US10/506,526 US7201991B2 (en) | 2002-03-04 | 2003-02-27 | Solid oxide fuel cell and separator |
| EP03707136A EP1482585B1 (en) | 2002-03-04 | 2003-02-27 | Solid oxide type fuel cell and separator |
| US11/634,143 US7517605B2 (en) | 2002-03-04 | 2006-12-06 | Solid oxide fuel cell and separator |
| US12/289,506 US20090098433A1 (en) | 2002-03-04 | 2008-10-29 | Solid oxide fuel cell and separator |
| US12/379,804 US7989121B2 (en) | 2002-03-04 | 2009-03-02 | Solid oxide fuel cell and separator |
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002057057 | 2002-03-04 | ||
| JP2002-57057 | 2002-04-03 | ||
| JP2003049581A JP2003331871A (ja) | 2002-03-04 | 2003-02-26 | 平板型の固体酸化物形燃料電池およびセパレータ |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003331871A true JP2003331871A (ja) | 2003-11-21 |
Family
ID=29713692
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2003049581A Pending JP2003331871A (ja) | 2002-03-04 | 2003-02-26 | 平板型の固体酸化物形燃料電池およびセパレータ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2003331871A (ja) |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006049072A (ja) * | 2004-08-04 | 2006-02-16 | Mitsubishi Materials Corp | 燃料電池用セパレータおよび固体酸化物形燃料電池 |
| JP2006302749A (ja) * | 2005-04-22 | 2006-11-02 | Nissan Motor Co Ltd | 固体電解質型燃料電池及びスタック構造体 |
| JP2007317643A (ja) * | 2006-04-28 | 2007-12-06 | Mitsubishi Materials Corp | 多孔質集電体の圧力損失の測定方法並びにこの測定方法を用いた燃料電池の製造方法及び燃料電池 |
| JP2008533677A (ja) * | 2005-03-18 | 2008-08-21 | コミツサリア タ レネルジー アトミーク | 変形金属分配シートを用いた燃料電池用バイポーラプレート |
| JP2008251238A (ja) * | 2007-03-29 | 2008-10-16 | Mitsubishi Materials Corp | 固体酸化物形燃料電池 |
| KR101093702B1 (ko) * | 2004-08-30 | 2011-12-15 | 삼성에스디아이 주식회사 | 연료 전지 시스템 및 스택 |
| JP2012009211A (ja) * | 2010-06-23 | 2012-01-12 | Honda Motor Co Ltd | 燃料電池 |
-
2003
- 2003-02-26 JP JP2003049581A patent/JP2003331871A/ja active Pending
Cited By (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006049072A (ja) * | 2004-08-04 | 2006-02-16 | Mitsubishi Materials Corp | 燃料電池用セパレータおよび固体酸化物形燃料電池 |
| JP4517764B2 (ja) * | 2004-08-04 | 2010-08-04 | 三菱マテリアル株式会社 | 燃料電池用セパレータおよび固体酸化物形燃料電池 |
| KR101093702B1 (ko) * | 2004-08-30 | 2011-12-15 | 삼성에스디아이 주식회사 | 연료 전지 시스템 및 스택 |
| JP2008533677A (ja) * | 2005-03-18 | 2008-08-21 | コミツサリア タ レネルジー アトミーク | 変形金属分配シートを用いた燃料電池用バイポーラプレート |
| JP2006302749A (ja) * | 2005-04-22 | 2006-11-02 | Nissan Motor Co Ltd | 固体電解質型燃料電池及びスタック構造体 |
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| JP2008251238A (ja) * | 2007-03-29 | 2008-10-16 | Mitsubishi Materials Corp | 固体酸化物形燃料電池 |
| JP2012009211A (ja) * | 2010-06-23 | 2012-01-12 | Honda Motor Co Ltd | 燃料電池 |
| US8735020B2 (en) | 2010-06-23 | 2014-05-27 | Honda Motor Co., Ltd. | Fuel cell |
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