JP3056829B2 - 固体電解質型燃料電池 - Google Patents

固体電解質型燃料電池

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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、電解質層の一方の面に
酸素極をかつ他方の面に燃料極を付設した固体電解質型
セルの複数個と、前記酸素極に臨む側に酸素含有ガス流
路を形成すべく配置されかつ導電性部分を備えた酸素側
ガス通路構成材の複数個と、前記燃料極に臨む側に燃料
流路を形成すべく配置されかつ導電性部分を備えた燃料
側ガス通路構成材の複数個とが、隣合うセル同士を前記
両種のガス通路構成材にて導電状態に接続する状態で、
積層状態に並置された固体電解質型燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、セル内での発生熱を除去するため
に、排気により予熱した酸素含有ガスの供給量を、発電
に必要な理論量よりも大幅に増大し、酸素含有ガスを冷
却用ガスに兼用して、セルを冷却し、所定温度に維持す
るように構成していた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかし、酸素含有ガス
での冷却であるから、酸素含有ガスのセルへの入口と出
口での温度差が大きくなり、ひいては、セルの温度勾配
が大きくなって熱歪みが発生するために、耐久性の面で
改良の余地があった。また、酸素含有ガス供給量が膨大
になるために、ひいては、排気量が膨大になるために、
排気で酸素含有ガスを予熱する熱交換器が大型で高価に
なり、かつ、排気による熱損失が大きくなり、経済性及
び設置性の面から改良の余地があった。本発明は、上記
の実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、セル
の発熱による温度上昇を防止するための手段を改良し
て、耐久性の向上を図るとともに、酸素含有ガス予熱用
熱交換器を安価で小型にすると共に排熱ボイラーを不要
にでき、かつ、排気による熱損失を大幅に減少できるよ
うにし、しかも、そのための構成を冷却効率良好なもの
にする点にある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】本発明による固体電解質
型燃料電池の特徴構成は、前記酸素側ガス通路構成材又
は燃料側ガス通路構成材が、隣接する前記ガス通路構成
材と前記セルとの間隔保持のために配置され、かつ、流
路形成のために間隔を隔てて設けられる一対の間隔保持
部材と、それら間隔保持部材の中に充填され、かつ、気
体の通流を許容する形状に形成された柔軟性導電材とか
ら構成され、水冷用の流体案内部が、前記柔軟性導電材
内に、前記隣接するガス通路構成材及び前記セルに対し
て非接触状態で配設されている点にある。
【０００５】
【作用】上記特徴構成によれば、流体案内部に水と水蒸
気との気液混合流体を通流することにより水の蒸発潜熱
によりセルを冷却するので、気液混合流体のセルへの入
口と出口での温度差が殆どなくなって、セルの温度勾配
を極小とすることができ、もって、熱歪みを効果的に解
消することができ、耐久性の面で有利になる。また、上
記のように流体案内部の冷却作用によりセルを冷却する
から、セルへの酸素含有ガス供給量を、前述の従来技術
に比して大幅に減少して、発電に必要な理論量に近づけ
ることができ、ひいては、排気量を大幅に減少できる。
つまり、酸素含有ガス供給量と排気量の大幅減少によっ
て、排気による酸素含有ガスの予熱のための熱交換器を
十分に小型で安価なものにすると共に排熱ボイラーを不
要にでき、設備経費及び設置面で有利になる。また、排
気量の大幅減少により排気熱損失を大幅に減少でき、熱
効率の向上で運転経費を節減できる。しかも、気体の通
流を許容する形状の柔軟性導電材を間隔保持部材の中に
充填して、隣接するガス通路構成材とセルとに接触させ
てあるから、隣接するガス通路構成材とセルとの間の電
気通路の断面積を柔軟性導電材により拡大できる。ま
た、柔軟性導電材の作用により流体案内部を隣接するガ
ス通路構成材とセルに対して非接触状態で配設し、例え
ば、ガス通路構成材が導電性セラミックス等の導電性材
料で、及び、流体案内部が金属で形成される場合におい
て、隣接するガス通路構成材あるいはセルへの流体案内
部の接触による熱衝撃を防止すると共にセラミックスと
金属との熱膨張の差を柔軟性の導電材にて吸収しなが
ら、隣接するガス通路構成材及びセルから流体案内部へ
の伝熱を促進できる。
【０００６】
【発明の効果】その結果、セルの異常昇温を防止できる
ばかりでなく、耐久性の面で優れ、設備経費及び運転経
費が安くて経済性において優れ、小型で設置面で有利で
あり、冷却性能も優れた固体電解質型燃料電池を提供し
得るに至った。
【０００７】
【実施例】〔第１実施例〕図１及び図２に基づいて、第
１実施例を説明する。
【０００８】四角形の板状電解質層１の一方の面に膜状
又は板状酸素極２をかつ他方の面に膜状又は板状燃料極
３を、夫々全面又はほぼ全面にわたって一体的に貼付け
た状態で付設して、酸素極２と燃料極３から起電力を得
るための固体電解質型燃料電池のセルＣを形成してあ
る。
【０００９】そのセルＣの複数個と、酸素極２に臨む側
に酸素含有ガス流路を形成すべく配置されかつ導電性部
分を備えた酸素側ガス通路構成材４の複数個と、燃料極
３に臨む側に燃料流路Ｆを形成すべく配置されかつ導電
性部分を備えた燃料側ガス通路構成材５の複数個とを、
隣合うセルＣ，Ｃ同士を前記両種のガス通路構成材４，
５にて導電状態に接続する状態で積層状態に並置してあ
る。
【００１０】酸素側ガス通路構成材４を、酸素含有ガス
流路Ｓとして機能する凹溝を複数個有する形状で、例え
ば、導電性セラミック等の導電性材料にて形成し、燃料
側ガス通路構成材５については、所定枚数置き（本実施
例では２枚置き）の燃料側ガス通路構成材５を、隣接す
る酸素側ガス通路構成材４とセルＣとの間隔保持のため
に配置され、かつ、燃料流路Ｆ形成のために間隔を隔て
て設けられる一対の間隔保持部材６，６と、それら間隔
保持部材６，６の中に充填され、かつ、前記並置方向へ
膨出する弾性付勢力を有するとともに燃料ガスの通流を
許容すべく多孔状に形成された柔軟性導電材７とから構
成し、その他の燃料側ガス通路構成材５を、燃料流路Ｆ
として機能する凹溝を複数個有する形状で、例えば、導
電性セラミック等の導電性材料にて形成してある。柔軟
性導電材７内には、金属製の水冷ジャケット８を、隣接
する酸素側ガス通路構成材４とセルＣに対して非接触状
態で配設してある。柔軟性導電材７は、隣接する酸素側
ガス通路構成材４及びセルＣから水冷ジャケット８への
伝熱を促進するとともに、酸素側ガス通路構成材４とセ
ルＣ間の電気通路の断面積を拡大している。
【００１１】柔軟性導電材７は、熱応力の吸収のための
柔軟性と、隣接する酸素側ガス通路構成材４とセルＣと
の良好な電気的接続のための弾性付勢力を有する材料、
例えばＮｉのフェルト状材、その他適当なものから成
る。
【００１２】酸素含有ガス流路Ｓの入口側面に、箱状の
供給路形成材９を取り付けて、酸素含有ガス流路Ｓ夫々
の入口が開口する酸素含有ガス供給路１０を形成し、
又、酸素含有ガス流路Ｓの出口側面に、供給路形成材９
を取り付けて、酸素含有ガス流路Ｓ夫々の出口が開口す
る酸素含有ガス排出路１１を形成し、又、燃料流路Ｆの
入口側面に、供給路形成材９を取り付けて、燃料流路Ｆ
夫々の入口が開口する燃料供給路１２を形成し、又、燃
料流路Ｆの出口側面に、供給路形成材９を取り付けて、
燃料流路Ｆ夫々の出口が開口する燃料排出路１３を形成
してある。夫々の供給路形成材９の底面には、酸素含有
ガス供給路１０、酸素含有ガス排出路１１、燃料供給路
１２、燃料排出路１３夫々に連通する酸素含有ガス供給
管１４、酸素含有ガス排出管１５、燃料供給管１６、燃
料排出管１７を接続してある。
【００１３】酸素含有ガス排出管１５と燃料排出管１７
とを燃焼器１８に接続し、酸素含有ガス供給管１４から
酸素含有ガス供給路１０に送る酸素含有ガスを燃焼器１
８からの高温排ガスで予熱する熱交換器１９を設けてあ
る。
【００１４】夫々の水冷ジャケット８に対する給水ヘッ
ダ２０を燃料供給路１２内に、夫々の水冷ジャケット８
に対する集水ヘッダ２１を燃料排出路１３内に、それら
ヘッダ２０，２１夫々の一端が供給路形成材９を貫通す
る状態で設け、それらヘッダ２０，２１とを、ポンプ２
２及び気水分離器２３を介装した循環路２４に接続して
ある。そして、夫々の水冷ジャケット８に対して水と水
蒸気との気液混合流体を循環供給することにより、水の
蒸発潜熱により、セルＣを冷却し所定温度に維持するよ
うに構成してある。 〔第２実施例〕次に、図３に基づいて、第２実施例を説
明する。四角形の板状電解質層１の一方の面に膜状又は
板状酸素極２をかつ他方の面に膜状又は板状燃料極３
を、夫々全面又はほぼ全面にわたって一体的に貼付けた
状態で付設して、酸素極２と燃料極３から起電力を得る
ための固体電解質型燃料電池のセルＣを形成してある。
【００１５】そのセルＣの複数個と、酸素極２に臨む側
に酸素含有ガス流路Ｓを形成すべく配置されかつ導電性
部分を備えた酸素側ガス通路構成材４の複数個と、燃料
極３に臨む側に燃料流路Ｆを形成すべく配置されかつ導
電性部分を備えた燃料側ガス通路構成材５の複数個と
を、隣合うセルＣ，Ｃ同士を前記両種のガス通路構成材
４，５にて導電状態に接続する状態で積層状態に並置し
てある。
【００１６】酸素側ガス通路構成材４を、導電性を有す
る板状材２５と、一対の柱状材２６，２６と、それら柱
状材２６，２６の間に設けられ、かつ、隣接するセルＣ
と板状材２５とを導電状態に接続する状態で設けられる
導電性の波状材２７とから構成し、燃料側ガス通路構成
材５については、所定枚数置き（本実施例では２枚置
き）の燃料側ガス通路構成材５を、隣接する酸素側ガス
通路構成材４とセルＣとの間隔保持のために配置され、
かつ、燃料流路Ｆ形成のために間隔を隔てて設けられる
一対の間隔保持部材６，６と、それら間隔保持部材６，
６の中に充填され、かつ、前記並置方向へ膨出する弾性
付勢力を有するとともに燃料ガスの通流を許容すべく多
孔状に形成された柔軟性導電材７とから構成し、その他
の燃料側ガス通路構成材５を、導電性を有する板状材２
５と、一対の柱状材２６，２６と、それら柱状材２６，
２６の間に設けられ、かつ、隣接するセルＣと板状材２
５とを導電状態に接続する状態で設けられる導電性の波
状材２７とから構成してある。尚、板状材２５は、隣接
する酸素側ガス通路構成材４と燃料側ガス通路構成材５
同士で兼用する状態に設けてある。
【００１７】柔軟性導電材７内には、金属製の水冷ジャ
ケット８を、隣接する酸素側ガス通路構成材４とセルＣ
に対して非接触状態で配設してある。柔軟性導電材７
は、隣接する酸素側ガス通路構成材４及びセルＣから水
冷ジャケット８への伝熱を促進するとともに、酸素側ガ
ス通路構成材４とセルＣ間の電気通路の断面積を拡大し
ている。
【００１８】柔軟性導電材７は、熱応力の吸収のための
柔軟性と、隣接する酸素側ガス通路構成材４とセルＣと
の良好な電気的接続のための弾性付勢力を有する材料、
例えばＮｉのフェルト状材、その他適当なものから成
る。
【００１９】尚、その他、酸素含有ガス及び燃料を夫々
供給及び排出するための構成、水冷ジャケット８に対す
る水と水蒸気との気液混合流体の循環供給のための構成
等は、上述の第１実施例と同様であるので説明を省略す
る。
【００２０】〔別実施例〕次に、別実施例を列記する。
酸素側ガス通路構成材４を、所定枚数置きに、隣接
する燃料側ガス通路構成材５とセルＣとの間隔保持のた
めに配置され、かつ、酸素含有ガス流路Ｓ形成のために
間隔を隔てて設けられる一対の間隔保持部材６，６と、
それら間隔保持部材６，６の中に充填され、かつ、前記
並置方向へ膨出する弾性付勢力を有するとともに酸素含
有ガスの通流を許容すべく多孔状に形成された柔軟性導
電材７とから構成し、その柔軟性導電材７内に、水冷ジ
ャケット８を、隣接する燃料側ガス通路構成材４とセル
Ｃに対して非接触状態で配設しても良い。
【００２１】 酸素側ガス通路構成材４及び燃料側ガ
ス通路構成材５夫々を、所定枚数置きに、一対の間隔保
持部材６，６と柔軟性導電材７とから構成し、その柔軟
性導電材７に水冷ジャケット８を配設しても良い。
【００２２】 上記実施例では、気体の通流を許容す
るため、柔軟性導電材７を多孔状で形成する場合を例示
したが、これに代えて、気体の通流を許容するための柔
軟性材料の形状は、どのような形状でも良い。
【００２３】 上記実施例では、柔軟性導電材７を介
して、隣接するガス通路構成材４又は５とセルＣとを良
好に電気的接続するために、柔軟性導電材７の構成を前
記並置方向へ膨出する弾性付勢力を有する構成とした
が、これに代えて、隣接するガス通路構成材４又は５と
セルＣとを良好に電気的接続するための柔軟性導電材７
の構成は、どのような構成でも良い。
【００２４】尚、特許請求の範囲の項に図面との対照を
便利にするために符号を記すが、該記入により本発明は
添付図面の構成に限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】固体電解質型燃料電池の要部斜視図
【図２】同、斜視図
【図３】他の実施例を示す固体電解質型燃料電池の要部
斜視図
【符号の説明】
１ 電解質層 ２ 酸素極 ３ 燃料極 ４ 酸素側ガス通路構成材 ５ 燃料側ガス通路構成材 ６ 間隔保持部材 ７ 柔軟性導電材 ８ 流体案内部 Ｃ セル Ｆ 燃料流路 Ｓ 酸素含有ガス流路
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01M 8/02 H01M 8/12

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 電解質層（１）の一方の面に酸素極
    （２）をかつ他方の面に燃料極（３）を付設した固体電
    解質型セル（Ｃ）の複数個と、前記酸素極（２）に臨む
    側に酸素含有ガス流路（Ｓ）を形成すべく配置されかつ
    導電性部分を備えた酸素側ガス通路構成材（４）の複数
    個と、前記燃料極（３）に臨む側に燃料流路（Ｆ）を形
    成すべく配置されかつ導電性部分を備えた燃料側ガス通
    路構成材（５）の複数個とが、隣合うセル（Ｃ),（Ｃ）
    同士を前記両種のガス通路構成材（４),（５）にて導電
    状態に接続する状態で、積層状態に並置された固体電解
    質型燃料電池であって、 前記酸素側ガス通路構成材（４）又は燃料側ガス通路構
    成材（５）が、隣接する前記ガス通路構成材（４),
    （５）と前記セル（Ｃ）との間隔保持のために配置さ
    れ、かつ、流路形成のために間隔を隔てて設けられる一
    対の間隔保持部材（６),（６）と、それら間隔保持部材
    （６),（６）の中に充填され、かつ、気体の通流を許容
    する形状に形成された柔軟性導電材（７）とから構成さ
    れ、水冷用の流体案内部（８）が、前記柔軟性導電材
    （７）内に、前記隣接するガス通路構成材（４),（５）
    及び前記セル（Ｃ）に対して非接触状態で配設されてい
    る固体電解質型燃料電池。
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