JP3096721B2 - 円盤積層固体電解質型燃料電池 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は円盤積層固体電解質型燃料電池に関するもの
である。

（従来技術） 燃料電池は発電効率が高いばかりでなく熱電併給が可
能であり、しかも負荷変動に対する応答が柔軟であるこ
とから、重要な発電技術として期待されている。これに
加えて有害排ガスの発生が極めて少ないこと、将来シス
テムの小型化が予想されるため、従来の電力供給方式即
ち電力消費地から遠く離れた場所に設置されて大きな送
電ロスの生ずるのを避け得ない、現今の発電方式に代り
うる新しい分散型電源としても期待されている。

ところで、燃料電池として例えば第１図に示す分解斜
視図と、第２図に示す組立断面図の如き構成をもつ、円
盤積層固体電解質型燃料電池が提案されている。この電
池は第１図のように固体電解質（1a）と、その両円盤面
に設けた多孔性電極構成材による正電極（1b）と負電極
（1c）よりなる所要複数個の単電池、例えば第１、第２
単電池（1A），（1B）と、セパレータ（２）、第1,第2,
第3,第４のインターコネクタ（3A）（3B）（3C）（3
D）、上蓋（４）と下蓋（５）、供給口（6a）を有する
燃料供給パイプ（６）と燃料排出口（7a）を有する燃料
排法パイプ（７）、供給口（8a）を有する酸化剤（酸素
または空気）供給パイプ（８）と、排出口（9a）を有す
る酸化剤排出パイプ（９）とからなる。

そして、第２図（ａ）に示す第１図のＡ−Ａ′部断面
組立図のように、下蓋（５）、第４インターコネクタ
（3D）、第２単電池（1B）、第３インターコネクタ（3
C）、セパレータ（２）、第２インターコネクタ（3
B）、第１単電池（1A）、第１インターコネクタ（3
A）、上蓋（４）の順序で積層する。このようにして、
燃料供給口（6a）と燃料排出口（7a）が、第２インター
コネクタ（3B）によって単電池（1A）とセパレータ
（２）間に形成される内部空間Ａと、第４インターコネ
クタ（3D）によって第２単電池（1B）と下蓋（５）間に
形成される内部空間Ｂにそれぞれ開口するように、各構
成材との間をガスシール（10）しながら燃料供給パイプ
（６）と燃料排出パイプ（７）とを、第１図のように各
構成材の周辺に近い対向する２箇所にそれぞれ設けた貫
通孔（4a）（3a）（1d）（2a）（3c）（1d）に差し込
む。また第２図（ｂ）に示す第１図のＢ−Ｂ′部断面組
立図のように酸化剤供給口（8a）と排出口（9a）とが第
３インターコネクク（3c）によって、セパレータ（２）
と単電池（1B）間に形成される内部空間Ａ′と第１イン
ターコネクタ（3A）及び第単１電池（1A）によって形成
される内部空間Ｂ′にそれぞれ開口するように、各構成
材との間をガスシール（10）しながら、酸化剤供給及び
排出パイプ（８）（９）を、第１図に示すように燃料供
給及び排出パイプ（６）（７）の各貫通孔と直角な位置
に設けた貫通孔（5a′）（3d′）（1d′）（2a′）（3
d′）（1d′）に差し込み、最後に積層された各構成材
の隙間から燃料及び空気が各構成材聞から漏れないよう
に外周面をガスシール（10）して横成される。そして第
３図に示す発電原理図のようにパイプ（６）（７）によ
り燃料となる例えば水素H2を供給し、またパイプ（８）
（９）により酸化剤である例えば空気を供給して、第1,
第３インターコネクタ（3A）（3C）を介して単電池（1
A）の正電極（1b）と単電池（1B）の負電極（1C）間に
接続された負荷Ｒに電力を供給する。

この円盤積層固体電解質型燃料電池は固体のみで形成
されており、他の形式であるリン酸型燃料電池、更には
溶融塩型燃料電池のように液体電解質を扱う不利がな
く、しかも使用温度が800〜1000℃と高温であることか
ら高発電効率が期待できる。これに加えてスチームター
ビン等によるポトミングサイクルの付設や熱電併給にも
有利である。また更にこの円盤積層固体電解質型燃料電
池では前記第２図（ａ）（ｂ）によって明らかなよう
に、電流が正負電極（1b）（1c）と固体電解質（1a）の
盤面と直角な方向に流れるため、内部抵抗は、ほぼ構成
材料の厚みによってのみ左右される。しかもこの形式の
ものは原理上構成材料の厚みを薄くできるのみでなく、
単位面積当りの電極面積の増大が容易であるので、単位
面積当りの出力密度を向上でき、しかも円盤構造をとっ
ていることから大量生産に適するドクタープレード法
や、その他の湿式法を単電池などを生産に採用でき、製
造コストの低下を図りうるなどの各種の利点がある。

また更にこの円盤積層固体電解質型燃料電池によれ
ば、固体電解質型燃料電池の基本型として知られている
円筒型燃料電池のもつ諸問題を解決しうるすぐれた効果
をもつ。

即ち円筒型燃料電池（11）は第４図に示す斜視図のよ
うに、多孔質チューブ（11a）の上に負電極（11b）、電
解質（11c）、正電極（11d）、インターコネクタ（11
e）の順序で構成材を積層して単電池またはその集合体
を構成して、燃料と酸化剤をチューブ（11a）の内と外
に流して発電するものであるが、この型式の燃料電池は
次のような諸問題をもつ。

即ち第４図中の矢印のように電流が電極面に沿って横
方向（周方向）に流れるため電流通路が長くなって内部
抵抗が大きい、円筒型では出力密度を大きくしようとす
る場合、できうる限り長い円チューブを必要とするが、
製造上その長さと細さには限界があるため出力密度の増
大には限度がある、円筒型では円筒状のチューブに電解
質や電極その他を積層する必要があるか、低コストのド
クタープレード法などによる積層法では電解質などのひ
び割れを生じ易いため、製造コストの高い気相法を採用
せざるを得ないなどの諸問題がある。

しかし、これらの問題点は前記したように電流との方
向が単電池などの盤面と直角である、厚みを薄くするこ
とが容易であって電極面積の増大が容易であるなどの各
種の利点をもつ円盤積層構造によって一挙に解消され
る。

（解決すべき問題点） しかしその一方円盤積層固体電解質型燃料電池にも弱
点がある。即ち燃料及び酸化剤の供給がそれぞれ円盤の
外周の２点間において行われてガスが供給口から排出口
に短絡的に流れ易いため、燃料及び酸化剤の流れが電池
面において均一になりにくく電極面積の有効利用を図り
にくい。このため単電池の面積を大きくしても単位面積
当りの出力密度の向上が充分ではない。また層状のイン
ターコネクタを用いているため集電距離の短縮が充分で
はなく内部抵抗の低下が充分ではない。また更に構成材
が円盤状であるため原理的には面積の増大が容易である
が、増大と共に機械的強度が低下するため、この点で大
容量の電池の実現が難しい。また動作温度が1000℃前後
の高温であるため、熱バランスがとりにくく、熱バラン
スを得るためには供給ガスを加熱装置を用いて1000℃前
後に加温して供給する必要があるが、このような高温加
熱は現在の技術では大きな困難を伴い実用が難しいなど
の諸問題がある。従って円盤積層固体電解質型燃料電池
は前記のような数多い利点をもちながら、従来殆ど積極
的な研究開発が行われることなく現在に到っている。

（発明の目的） 本発明は前記した円盤積層固体電解質型燃料電池の数
多くの利点を最大限に生かしながら、上記の諸問題点の
解決を図って、製作面においても性能面においても従来
のものにまさる燃料電池を提供し、電力供給源としての
実用化を促進しうるようにしたものである。

（問題点を解決するための本発明の手段） 本発明の特徴とするところは第１図によって前記した
環状のインターコネクタに代えて、第６図に示すように
中心のガス供給部（12a）と、これに連通し外周部にお
いて開口する供給されたガスが十分に電極表面に供給さ
れるように、ジグザグ状拡散通路（12b）を備え、中心
のガス拡散空間部（12a）に燃料または酸化剤が供給さ
れるようにした点にある。

そして、これにより単電池（１）の電極（1b）（1
c）の広い面積において集電しうるようにして、電流経
路の短縮を図って内部技抗の充分な低下を図る。単電
池の強度補強体となりうるようにして単電池の機械的強
度の増大を図るようにして電解面積の増大の容易化を実
現すると同時に製作保守を容易とする。ジグザグ状拡
散通路（12b）にジグザグ状にガスが流れて燃料などの
良い拡散体として作用するようにして、ガスの流れの均
一化を大きく促進し電極面積の有効な利用を図りうるよ
うにして、発電効率を向上させるようにしたものであ
る。

また更に燃料及び酸化剤の供給と排出を、第２図によ
り前記したように単電池（１）の周辺部に近い対向した
離れた２点において行うことなく、例えば第７図の断面
組立図のように単電池（１）その他の構成材の中心に設
けたパイプ（03）により、第５図で前記したようにイン
ターコネクタ（12）のガス供給部（12）において行うよ
うにし、かつ供給ガスの濃度が単電池（１）の外周方向
に向かうに伴い希薄となったのち外界に排出されるよう
に拡散通路（12b）の長さや幅，形状などを考慮した点
にある。

そして、これにより単電池（１）の中心部の燃料濃
度が高くなるようにして発電性能の向上を図ると同時
に、燃料及び空気がインターコネク（12）の拡散通路
（12b）を通過する間に殆ど消費されるようにして、燃
料の利用率への影響が殆どなく、しかも外周からの放出
ガスの燃焼による温度上昇が殆ど問題にならないように
して、所謂外側ガスシールレス構造としたものである。
即ちガスシールを、中心に設けた燃料及び酸化剤供給パ
イプ（13）と、単電池（１）とその他の構成材間のみに
限定できるようにして、従来のような外周を含むほぼ完
全なシールの必要をなくして製造を著しく容易としたも
のである。またガスシール材（10）よる各構成機の連結
固定に当たって、各構成材の熱膨張係数の差にもとづく
トラブルを少なくして、構成材の使用の自由度を大きく
したものである。また更に中心部からの燃料及び空気
の供給システムにより、その供給ガス温度の低下を図っ
て、従来のように加熱装置により約1000℃の動作温度ま
で加熱供給する困難の解決を図り、実用化を大きく前進
した点にある。即ち本発明のように発電部の中心から外
周に向けて燃料及び酸化剤を流してガス濃度が中心にお
いて高く、外周方向に行くに伴い希薄となるようにすれ
ば、温度は中心か最も高く外周方向に行くに伴い低い分
布となり、中心部の温度は1000℃以上の高温となる。従
って熱バランスを保つためには何等かの対策が必要とな
る。

本発明では欠点とも云える上記の点を逆用して、濃度
差にもとづくジュール熱により燃料及び酸化剤を加熱す
るようにして、実用化の困難な高温供給を回避できるよ
うにしたものである。このようにして、円盤積層固体電
解質型燃料電池のもつ諸問題点の解決を因って、その実
用化を促進しうるようにしたものである。次に本発明の
実施例について説明する。

（実施例） 第５図、第６図、第７図は、本発明の一実施例図を示
し、このうち第５図は分解斜視図、第６図はインターコ
ネクタの平面図、第７図（ａ），（ｂ）は燃料及び酸化
剤供給パイプの断面図、第８図は断面組立図であって、
第１図、第２図と同一符号部分は同等部分を示す。第５
図において（1A）（1B）は単電池、（1a）はその固体電
解質であって、別えばイットリア安定化ジルコニアやイ
ットリア部分安定化ジルコニアなどにより作られる。
（1b）は正電極であって、例えばストロンチウムまたは
マグネシウムをドープしたランタンマンガネートにより
作られる．（1c）は負電極であって、例えばニッケルジ
ルコニアサーメットにより作られる。そして、この単電
池（1A）（1B）の中心には、同一径をもつ長円状のパイ
プ貫通孔（1d）を備える。（２）はセパレータであっ
て、ストロンチウムまたはマグネシウムをドープしたラ
ンタアンクロマイト、もしくはインコネル等のニッケル
クロム合金によって作られ、その中心には前記単電池
（1A）（1B）のパイプ貫通孔と同一大きさ形状の長円状
のパイプ貫通孔（2a）を有する。（12A）（12B）（12
C）（12D）は本究明の要部である第1,第2,第3,第４のイ
ンターコネクタであって、例えばセパレータ（２）と同
一材料で作られ、そのそれぞれの中心には第６図を用い
て前記したように単電池のパイプ貫通孔の径より大きい
円形のガス供給部（12a）とそれぞれ同じ通路長をもっ
たジグザグ状拡散通路（12b）をもち、ガス供給部（12
a）と外周とを接続する。（４）は上蓋、（５）は下蓋
であって、その中心には前記単電池に設けたパイプ貫通
孔と同一寸法の長円状のパイプ貫通孔（4a）と（5a）を
有する。

次に、（13）は燃料と酸化剤の供給パイプであって、
ここには上端が閉塞の燃料供給流路（13a）と、下端が
閉塞された空気供給流路（13b）とを有する。また燃料
供給流路（13a）には第７図（ａ）（ｂ）に示すパイプ
の断面図のように燃料の供給空間の間隔に応じた間隔を
おいてパイプ（13）を貫通するように設けた、１乃至放
射状に設けた複数個の燃料供給口（13al）を有し、空気
供給流路（13b）には空気の供給空間め間隔に応じた間
隔をおいて、パイプ（13）を貫通して設けた１乃至放射
状に設けた空気供給路（13bl）を有する。

そして、以上の各部は次のように組立られる。

先ず下蓋（５）の長円状貫通孔（5a）内に供給パイプ
（13）を挿通して、第８図のように下蓋（５）とパイプ
（13）間をニッケル合金などのシール材にガスシール
（10）したのち、パイプ（13）に第４インターコネクタ
（12D）をその中心のガス供給部（12a）を差込んで重ね
合わせて、供給パイプ（13）の燃料供給路（13a）が、
第８図のように第４インターコネクタ（12D）のガス供
給部（12a）部分に開口するようにする。次にパイプ貫
通孔（1d）をパイプ（13）に差込むことにより、第４イ
ンターコネクタ（12D）上に第２単電池（1B）を重ね合
わせたのち、ガス供給部（12a）をパイプ（13）に差込
んで、第３インターコネクタ（12C）を第２単電池（1
B）上に重ね合わせる。そしてパイプ（13）と第２単電
池（1B）間をガスシール（13）し、かつ、この第３イン
ターコネクタ（12C）のガス洪給部（12a）に空気供給路
（13bl）が開口するようにする。そして、更に第３イン
ターコネクタ（12C）上にセパレータ（２）を重ね合わ
せたのち、以下同一要領により第２インターコネクタ
（12B）のガス供給部（12a）に燃料供給路（13al）が開
口し、第１インターコネクタ（12A）のガス供給部（12
a）に空気供給路（13bl）が開口するように、第２イン
ターコネクタ（12B）、第１単電池（1A）第１インター
コネクタ（12A）、上蓋（４）の順序でガスシール（1
0）しながら重ね合わせて第８図のように構成する。

そして、下蓋（５）外に露呈したパイプ（13）の燃料
供給流路（13a）に燃料例えば所要温度に加熱された水
素H₂を供給して、その燃料供給路（13al）により、第４
インターコネクタ（12D）によって下蓋（５）と第２単
電池（1B）間に形成されるジグザグ状拡散通路（12b）
と、第２インターコネクタ（12B）によってセパレータ
（２）と買１単電池（1A）問に形成されるジグザグ状拡
散通路（12b）に送りこむ。

また一方上蓋（４）外に突出したパイプ（13）の酸化
剤洪給通路（13b）に酸化剤例えば所要温度に加熱され
た空気を供給し、その供給路（13al）により第３インタ
ーコネクタ（12C）によって第２単電池とセパレータ
（２）間に形成されるジグザグ状拡散通路（12b）と、
第１インターコネクタによって第１単電池（1A）と上蓋
間に形成されるジグザグ状拡散通路（12b）に送りこん
で発電する。

なお以上においてはインクコネクタのガス拡散通路
（12b）をジグザグ状とした例について説明した。また
単電池の機械的強度の補強力を有し、しかも電池全面へ
のガスの拡散と電池の広い面積に亘る集電がよく行われ
るものであれば、他の通路形状或いは材質を用いて形成
できる。例えば、インターコネクタに気孔率の高い（60
％好ましくは80％以上）発泡体ないしはフェルト体を用
いることにより、セパレータと電極の間の通電経路を増
加させて内部抵抗を減少させ、しかも多孔質体がガスを
分散させる作用をなすのでガス分散効率を向上させう
る。

しかし、このままではガス供給部より短絡的にガス排
出口に向かってガスが流れるので、電極全面にガスが均
等に行きわたらないおそれがある。そのためには例え
ば、多孔質円盤体と、ガス流の邪魔板となる前記したジ
グザグ状の形状のガス拡散通路と併用するのが望まし
い。

（発明の効果） 以上のように本発明ではインターコネクタを中心から
外周に向かうジグザグ状としているので、燃料と酸化
剤を単電池の広い面積においてよく接触させることがで
き、しかも従来より遥かに広い面積に亘って集電でき
る。また支持体としての役割りを果たして面積の増大が
容易であるので、体積当たりの実効電極面積を容易に拡
散して出力密度を増大しうる。これに加えて本発明の
インターコネククは板の打抜きにより形成できるので製
作が容易であり、しかも盤状であるのでコストの安いド
クターブレード法などの湿式法により製造できる。

また本発明では電池の中心部から燃料ならびに酸化剤
を供給し、外周部から排出するようにして燃料と酸化剤
の濃度差による発電性能の差にもとづくジュール熱を利
用して供給ガスを加熱するようにしている．従って、
現状では技術的に困難なガスの高温供給を考える必要が
なく、しかも、積層後、電解質とインターコネクタ，
インターコネクタとセパレータ間など外周部のガスシー
ルの必要がない。従って製作条件が大きく緩和され低い
コスト化を期待できる。またシール材を用いて異種材
による各構成部材を固定する部分が中央のみですむの
で、熱膨張の異なる材料を使い易いなど、従来の問題点
を解決した円盤積層固体電解質型燃料電池が提供が可能
となり電力供給源としての性能向上に大きく寄与でき
る。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図は従来装置の説明図、第３図は燃料電池
の発電原理図、第４図は円筒型燃料電池の説明図、第５
図、第６図、第７図、第８図は本発明の一実施例の説明
図である。 （1A）（1B）……単電池、（1a）……固体電解質、（1
b）……正電極、（1c）……負電極、（1d）……パイプ
貫通孔、（２）……セパレータ、（3A）（3B）（3C）
（3D）……第1,第2,第３、第４インターコネクタ、
（４）……上蓋、（4a）……パイプ貫通孔、（５）……
下蓋、（5a）……パイプ貫通孔、（６）……燃料供給パ
イプ、（6a）……供給口、（７）……燃料排出パイプ、
（7a）……排出口、（８）……酸化剤供給パイプ、（8
a）……供給口、（９）……酸化剤排出パイプ、（9a）
……排出口、（10）……ガスシール材、（11a）……支
持チューブ、（11b）……負電極、（11c）……電解質、
（11d）……正電極、（11e）……インターコネクタ、
（12A）（12B）（12C）（12D）（12）……第1,第2,第3,
築４インターコネクタ、（12a）……ガス供給部、（12
b）……ジグザグ状拡散通路、（13）……燃料及び酸化
剤供給パイプ、（13a）……燃料供給流路、（13al）…
…供給路、（13b）……酸化剤供給流路、（13bl）……
供給路。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 土器屋 正之 茨城県つくば市東１丁目１番地工業技術 院 化学技術研究所内

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】円盤状固体電解質の片面に正電極物質を配
   置し、他面に負電極物質を配置した単電池を、中心に設
   けたガス供給部と、これと連通し外周部において開口す
   る拡散通路を備えた燃料ガス及び酸化剤ガス拡散通路を
   有するインターコネクタにより挟んで円盤状セパレータ
   を介して上蓋と下蓋間に積層する円盤積層固体電解質型
   燃料電池において、積層体の中心部には前記正電極側の
   インターコネクタのガス供給部に連通する燃料ガス供給
   路と、負電極側のインターコネクタのガス供給部にそれ
   ぞれ連通する酸化剤ガス供給路とを設け、燃料ガス供給
   路及び酸化剤ガス供給路は、それぞれ円周方向にジグザ
   グ状に進行する複数の拡散通路を有するものであって、
   燃料ガス及び酸化剤ガスの拡散通路の円の中心部にある
   拡散通路の濃度が高く、外周に至るに従い濃度が低くな
   るように、燃料ガス及び酸化性ガスを正電極側及び負電
   極側インターコネクタのガス拡散通路に流すようにし、
   外周部より排出することを特徴とする円盤積層固体電解
   質型燃料電池。