JP4511779B2 - Fuel cell - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、矩形平板状の固体電解質電極板を用いた積層構造を有する内部マニホールド型の燃料電池に関するものである。特に、矩形平板状の固体電解質電極板に形成された酸素電極膜と燃料電極膜のそれぞれに電極を接続して構成された単電池を複数積層した燃料電池に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、各種燃料ガスが有している化学エネルギーを電気エネルギーに直接変換できる燃料電池が注目を集めており、特に、環境に優しく効率のよいという特性から種々のタイプが開発され、一部実用化されている。化学エネルギーを電気エネルギーに変換する電解質には各種のものがあるが、開発の焦点は高分子膜の電解質及び固体電解質に集中している。固体電解質を用いた燃料電池には大別すると、円筒型と平板型の２種類がある。この内、平板型燃料電池の酸素ガス及び燃料ガスを導入する方式を大別すると、外部マニホールド型と内部マニホールド型の２種類がある。内部マニホールド型の燃料電池は、ガスの気密性が優れており、コンパクトな燃料電池を作製できる点で優れている。内部マニホールド型の燃料電池としては、種々の構造のものが提案されており、従来の内部マニホールド型の燃料電池の代表的な一例を図面を用いて以下に説明する。
【０００３】
図２１及び図２２は、特許第２９６６５４８号により開示された従来の燃料電池である。図２１は固体電解質の単電池を示す斜視図であり、図２２は図２１の単電池を収納した板状体を複数積層した燃料電池の斜視図である。図２１において、イットリウムをドープしたジルコニアよりなる固体電解質層３４２の一方の表面に燃料極３４３、例えばＮｉとＺｒＯ２のサーメット形成し、他方の表面に酸素極３４１、例えばＬａＭｎＯ３よりなる多孔質電極を形成している。酸素極３４１側には樋状の凹部を有する形状のセパレータ３４４、例えばＬａＣｒＯ３の焼結体が接合されている。凹部の内部には柔軟な導電体３４５、例えばＬａＭｎＯ３のフェルト状体が設けられており、酸化剤ガス、例えば空気が通る複数の流路３４６が形成されている。このように酸素極３４１、固体電解質層３４２、燃料極３４３及びセパレータ３４４により単電池３４０が形成されている。
【０００４】
図２２は図２１に示した単電池３４０を収納した板状体を複数枚積層した燃料電池の分解斜視図であり、単電池を３４０ａ，３４０ｂとして示す。図２２に示すように、第１板状体３５１ａの略中央部分に形成された大きな開口部には単電池３４０ａが接合されている。第１板状体３５１ａには単電池３４０ａにおいて空気が流れる流路３４６の両側の位置に空気用給排路となる開口３５５ａ，３５５ｂが形成されている。第１板状体３５１ａにおいて、それぞれが独立した燃料ガス用給排路となる開口３５２ａ，３５２ｂは、空気用給排路となる開口３５５ａ，３５５ｂと単電池３４０ａの中心に対して略９０゜回転した位置に形成されている。
【０００５】
第２板状体３５１ｂは第１板状体３５１ａの下側に接して配設され積層されている。第２板状体３５１ｂの略中央部分に形成された大きな開口部には燃料ガス流路となる電気伝導性多孔体３５８が接合されており、第１板状体３５１ａの燃料ガス用給排路となる開口３５２ａ，３５２ｂと対応する位置に開口３５３ａ，３５３ｂが形成されている。電気伝導性多孔体３５８は、例えばＮｉのメタルファイバー多孔質材で構成され、第１板状体３５１ａの単電池３４０ａの直下に配置されて単電池３４０ａと電気的に接触するように構成されている。それぞれが独立した空気用給排路となる開口３５６ａ，３５６ｂは、第２板状体３５１ｂの燃料ガス用給排路となる開口３５３ａ，３５３ｂと電気伝導性多孔体３５８の中心に対して略９０゜回転した位置に形成されている。
【０００６】
第２板状体３５１ｂの下側には第１板状体３５１ａと同じ構成の第３板状体３５１ｃが配設されている。上記のように積層された第１板状体３５１ａから第３板状体３５１ｃの積層体と同様に、第３板状体３５１ｃの下の第４板状体以降の積層体が構成され、燃料電池が構成されている。このように構成された燃料電池において、酸素極３４１（図２１）に連通する空気用給排路となる開口３５５ａ、３５５ｂに空気を流す。また、空気流が絶縁された燃料極３４３に連通する燃料ガス用給排路となる開口３５２ａ、３５２ｂには燃料ガスを流し、固体電解質層３４２を約８００℃に加熱して電力を取り出すよう構成されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
矩形平板状の固体電解質電極板を用いた積層構造の従来の内部マニホールド型の燃料電池においては、下記の課題を有している。
１．セパレータ材料の低コスト化
セパレータ材としては、高温の動作温度に耐え、電気伝導性を有し、その熱膨張係数が使用する固体電解質基板やその他の材料に近似しているという条件を満たす必要がある。従来の燃料電池においてはＬａＣｒＯ３等の酸化物系焼結体やＮｉをベースとした金属材料が用いられており、これらの材料は高価である。
【０００８】
２．燃料電池に用いられている材料の低コスト化
単電池を積層し各単電池を直列に接続して構成された燃料電池から起電力を取り出すためには、各単電池の材料が導電体であることが条件となっている。また、一部の材料はガス体を通す必要がある。さらに、８００℃以上の高温雰囲気中において組成変化しない材料であり、且つ各材料において熱膨張係数がある程度整合することも重要な条件となっている。これらの条件を満たす材料は少なく、選択幅が小さくなっており、その選択幅の中にある材料は高価な材料が主である。したがって、これらの材料で構成された従来の燃料電池は、製造コストの上昇につながっていた。
【０００９】
３．セパレータ製造の容易化
セパレータ材には酸素或いは燃料ガスを通すための流路を形成する必要があり、複数の溝を有するセパレータが用いられている。ＬａＣｒＯ３等の酸化物系焼結体に複数の溝を形成するには高度な加工技能と、高価な設備が必要である。また、金属系材料に溝を形成する場合には切削加工が必要である。このように溝付きのセパレータを形成するためには、いずれの材料を用いた場合でもコストアップにつながっていた。
【００１０】
４．セパレータレスの燃料電池の実現
従来の燃料電池の積層構造において、単電池同士を導電体で連結した直列接続構造であるため、酸化剤ガスと燃料ガスとを分離するためのセパレータは必要であり、セパレータのない燃料電池の実現は不可能であった。
【００１１】
５．単電池の並列接続の実現
従来の燃料電池においては、単電池の酸素電極と燃料電極とを直接接続する構成であるため、単電池の直列接続でしか燃料電池は構成できなかった。低電圧で容量を大きくすることができる並列接続の燃料電池は実現できていなかった。
【００１２】
６．高い気密性
従来の燃料電池において、ガス流路を有するセパレータや前記従来例で示した板状体３５１ａ、３５１ｂ、３５１ｃに対して単電池をガスもれすることなく接合することは困難であった。特に、ジルコニア系固体電解質は８００℃以上の高温度で動作させる必要があるため、材料間の熱膨張係数の少しの違いが接合部の外れにつながり、気密性を保持することが非常に困難であった。
【００１３】
７．ジルコニア系固体電解質の使用による材料限定
ジルコニア系固体電解質は動作温度が高く、通常動作温度は８００℃以上であるため、このジルコニア系固体電解質を用いた燃料電池においては使用できる材料が限定されている。
以上のように、従来の内部マニホールド型の燃料電池においては各種の課題を有していた。
【００１４】
【課題を解決する手段】
本発明に係る第１の観点の燃料電池は、矩形平板状の固体電解質基板の表裏両面の一方の面に酸素電極膜を形成し、他方の面に燃料電極膜を形成した固体電解質電極板と、
前記固体電解質電極板の端部の表裏両面を挟む少なくとも２枚の金属薄板より１組の挟着電極金属板が構成され、前記固体電解質電極板の少なくとも２箇所の端部を挟んだ少なくとも２組の挟着電極金属板と、を有する単電池であって、
前記２組の挟着電極金属板において、一方の組の挟着電極金属板における一方の金属薄板が前記固体電解質電極板の一方の面の前記酸素電極膜を圧接し、当該一方の組の挟着電極金属板における他方の金属薄板が前記固体電解質電極板の他方の面の前記燃料電極膜に接触することなく前記固体電解質電極板を圧接するよう構成されており、
前記２組の挟着電極金属板において、他方の組の挟着電極金属板における一方の金属薄板が前記固体電解質電極板の一方の面の前記酸素電極膜に接触することなく前記固体電解質電極板を圧接し、当該他方の組の挟着電極金属板における他方の金属薄板が前記固体電解質電極板の他方の面の前記燃料電極膜を圧接するように構成されており、
前記固体電解質基板に２組の前記挟着電極金属板が挟着された単電池の一方の面側に多孔質体、燃料ガス分離・分配板、及びセパレータを積層し、そして前記単電池の他方の面側に多孔質体、空気ガス分離・分配板、及びセパレータを積層して構成された単セルを複数積層した積層構成体の燃料電池であって、
前記挟着電極金属板、前記燃料ガス分離・分配板、前記空気ガス分離・分配板、及び前記セパレータのそれぞれの外周部分近傍に燃料ガスが流通するための燃料ガス給排路となる開口及び空気ガスが流通するための空気ガス給排路となる開口がそれぞれ形成されており、当該燃料電池内に前記燃料ガス給排路と前記空気ガス給排路が互いに連通しない２系統のガス給排路となるよう構成されており、
前記単電池、前記燃料ガス分離・分配板、前記空気ガス分離・分配板、及び前記セパレータによる積層構成体において、各々の外周部分に連通する開孔を有し、当該開孔に棒状の電気伝導体が挿入されて、隣接する他の単電池と電気的に接続するよう構成されている。このように構成された本発明に係る第１の観点の燃料電池は、２枚の金属薄板で固体電解質電極板を両側から挟み込み、金属薄板の弾性力で酸素電極膜或いは燃料電極膜に電気的に接続する構造であり、その両面にガス分離・分配板、セパレータを積層し、それらの外周部に２系統の連結しないガス給排路を設けた構成を有し、他の部材を介して隣接する単電池間の導通は挟着電極金属板間で連結する構造を有している。また、このように構成された本発明に係る第１の観点の燃料電池は、固体電解質電極板に形成された表裏両面の電極膜が互いに偏った位置に形成されており、この電極膜の形成されている部分を２組の挟着電極金属板が２枚の弾性を有する金属薄板により挟み込む構造である。一方の組の挟着電極金属板は、２枚の金属薄板の一方が一方の面に形成された電極膜に接触し、他方の金属薄板が他方の電極膜に接触しておらず、他方の組の挟着電極金属板は、２枚の金属薄板の一方が一方の電極膜に接触しておらず、他方の金属薄板が他方の電極膜に接触している構造である。
【００１６】
本発明に係る第２の観点による燃料電池は、前記の第１の観点において、２系統うちの一方のガス給排路が前記固体電解質電極板の酸素電極膜面にガス流を送り、他方のガス給排路が前記固体電解質電極板の燃料電極膜面にガスを送るよう構成されている。このように構成された本発明に係る第２の観点の燃料電池は、ガス流路を従来の如く溝形状のセパレータに形成する必要がないので構造が単純となりコストダウンに大きく貢献できる。
【００１７】
本発明に係る第３の観点による燃料電池は、前記の第２の観点において、２系統のガス給排路において、前記固体電解質電極板の酸素電極膜面に流れるガス流の方向と、前記固体電解質電極板の燃料電極膜面に流れるガス流の方向が実質的に直角方向に流れるよう構成されている。このように構成された本発明に係る第３の観点の燃料電池は、内部マニホールド型の燃料電池を容易に簡単な構成で実現できる。
【００１８】
本発明に係る第４の観点による燃料電池は、前記の第１乃至３の観点において、単セルが複数個積層された積層構成体の積層方向における両外側部分にガス分離・分配・保温板と、前記ガス分離・分配・保温板のさらに両側最外部分に、ガス給排口を有する剛性のある金属板がそれぞれ積層されている。このように構成された本発明に係る第４の観点の燃料電池は、絶縁性と耐熱性を有し、且つ熱伝導性の悪い材料を用いてガス分離・分配・保温板が形成されて積層構成体の最外層に用いているので、燃料電池からの熱の放散が抑制され省エネルギー効果を実現でき、更に両外側部分に剛性のある金属板を有し、この金属板をビスで締め付ける構成であるためガス漏れの少ない構造を簡単に実現できる。
【００１９】
本発明に係る第５の観点による燃料電池は、前記の第１乃至４の観点において、複数の固体電解質電極板を有する積層構成体において、他の部材を介して隣接する固体電解質電極板の対向する電極膜が異なる極となるように構成されている。このように構成された本発明に係る第５の観点の燃料電池は、直列構造の燃料電池を容易に構成することができる。
【００２０】
本発明に係る第６の観点による燃料電池は、前記の第１乃至５の観点において、固体電解質基板の表裏両面に形成された酸素電極膜と燃料電極膜において、一方の電極膜が前記固体電解質基板の一方の端部近傍に偏って配設され、他方の電極膜が前記固体電解質板の他方の端部近傍に偏って配設されている。このように構成された本発明に係る第６の観点の燃料電池は、固体電解質電極板とほぼ同一平面内で電気的に独立した状態で酸素電極膜及び燃料電極膜に電極板が接続可能となる。
【００２４】
本発明に係る第７の観点による燃料電池は、前記の第４の観点において、ガス分離・分配・保温板の外周部分において、単電池、ガス分離・分配板及びセパレータのそれぞれの開孔と連通する開孔が形成されており、前記単電池、前記ガス分離・分配板、前記セパレータ、及びガス分離・分配・保温板の各開孔に棒状の電気伝導体が挿入されて、隣接する他の単電池と電気的に接続された燃料電池であって、
当該燃料電池から導出する複数個の前記電気伝導体の導出部分に外部リード線を接続した構造を有する。このように構成された本発明に係る第７の観点の燃料電池は、矩形平板状の固体電解質電極板に電気的に独立した挟着電極金属板が形成されており、挟着電極金属板の開孔を設けて電気的に接続する構成であるため、従来の燃料電池のように積層構成体の全ての材料が導電性である必要がなくなり材料選択の幅が広がり絶縁性耐熱性材料が使用でき安価な材料の使用が可能となる。
【００２５】
本発明に係る第８の観点による燃料電池は、前記の第１乃至７の観点において、固体電解質電極板の表裏両面の異なった位置に形成された酸素電極膜又は燃料電極膜を少なくとも２組の挟着電極金属板で挟着した単電池の一方の面側に多孔質体、燃料ガス分離・分配板、及びセパレータを積層し、前記単電池の他方の面側に多孔質体、空気ガス分離・分配板、及びセパレータを積層した単セルを複数積層した積層構成体において、
一つの単電池の表面側を酸素電極膜とした場合、積層された単電池の全ての表面側が酸素電極膜となり、裏面側が燃料電極膜となるように積層され、且つ、表面側及び裏面側の各電極膜の位置が互い違いに異なるように形成されており、前記酸素電極膜が一方の前記挟着電極金属板に接続されており、燃料電極膜が他方の挟着電極金属板に接続された構成を有し、
前記積層構成体における複数の単セルにおいて、他の部材を介して隣接する単セルにおける下側の単電池の酸素電極膜が上側の単電池の燃料電極膜に電気的に接続され、当該下側の単電池の燃料電極が更に下側の単電池の酸素電極膜に電気的に接続されることにより、前記積層構成体における複数の単セルの単電池が直列に接続されている。このように構成された本発明に係る第８の観点の燃料電池は、積層された挟着電極金属板を有する単電池において、挟着電極金属板を接続するという簡単な構成で直列接続の燃料電池を実現できる。本発明においては挟着電極金属板により電気的に接続する構成であるため、多孔質体やセパレータは導電性材料である必要がなく絶縁材料が使用できる。
【００２６】
本発明に係る第９の観点による燃料電池は、前記の第１乃至７の観点において、固体電解質電極板の表裏両面の一方の面に酸素電極膜が形成され、他方の面に燃料電極膜が形成され、少なくとも２組の挟着電極金属板で挟着した単電池の一方の面側に多孔質体、燃料ガス分離・分配板、及びセパレータを積層し、前記単電池の他方の面側に多孔質体、空気ガス分離・分配板、及びセパレータを積層した単セルを複数積層した積層構成体において、
一つの単電池の表面側を酸素電極膜とした場合、積層された単電池の全ての表面側が酸素電極膜となり、裏面側が燃料電極膜となるように積層され、且つ、表面側及び裏面側の各電極膜の位置が同一方向に変位した位置にて形成されており、前記酸素電極膜が一方の前記挟着電極金属板を介して一方の電気伝導体に接続され、前記燃料電極膜が他方の前記挟着電極金属板を介して他方の電気伝導体に接続されることにより、前記積層構成体における複数の単セルの単電池が並列に接続されている。このように構成された本発明に係る第９の観点の燃料電池は、積層した単電池における挟着電極金属板の開孔で電気的に接続することにより、簡単に積層構成体内での並列接続の燃料電池を実現できる。
【００２７】
本発明に係る第１０の観点による燃料電池は、矩形平板状の固体電解質基板の表裏両面の一方の面に酸素電極膜を形成し、他方の面に燃料電極膜を形成した固体電解質電極板と、
前記固体電解質電極板の端部の表裏両面を挟む少なくとも２枚の金属薄板より１組の挟着電極金属板が構成され、前記固体電解質電極板の少なくとも２箇所の端部を挟んだ少なくとも２組の挟着電極金属板と、を有する単電池であって、
前記２組の挟着電極金属板において、一方の組の挟着電極金属板における一方の金属薄板が前記固体電解質電極板の一方の面の前記酸素電極膜を圧接し、当該一方の組の挟着電極金属板における他方の金属薄板が前記固体電解質電極板の他方の面の前記燃料電極膜に接触することなく前記固体電解質電極板を圧接するよう構成されており、
他方の組の挟着電極金属板における一方の金属薄板が前記固体電解質電極板の一方の面の前記酸素電極膜に接触することなく前記固体電解質電極板を圧接し、当該他方の組の挟着電極金属板における他方の金属薄板が前記固体電解質電極板の他方の面の前記燃料電極膜を圧接するように構成されており、
前記単電池の一方の面側に多孔質体、及び燃料ガス分離・分配板を積層し、前記単電池の他方の面側に多孔質体、及び空気ガス分離・分配板を積層して構成された単セルを複数積層した積層構成体の燃料電池であって、
前記積層構成体の両側最外部分にガス分離・分配・保温板が配置され積層されており、前記挟着電極金属板、前記燃料ガス分離・分配板、前記空気ガス分離・分配板、及びガス分離・分配・保温板のそれぞれの外周部分近傍に燃料ガスが流通するための燃料ガス給排路となる開口及び空気ガスが流通するための空気ガス給排路となる開口がそれぞれ形成されており、当該燃料電池内に前記燃料ガス給排路と前記空気ガス給排路が互いに連通しない２系統のガス給排路となるよう構成されており、
前記単電池、前記燃料ガス分離・分配板、前記空気ガス分離・分配板、及びガス分離・分配・保温板による積層構成体において、各々の外周部分に連通する開孔を有し、当該開孔に棒状の電気伝導体を挿入して、隣接する他の単電池と電気的に接続するよう構成されており、
前記積層構成体において、他の部材を介して隣接する固体電解質電極板の対向する電極が同じ極となるように構成され、隣り合い対向する固体電解質電極板の間の空間には同一のガスが流れ、前記固体電解質電極板における対向しない面には前記ガスと直交する別のガスが流れるように構成されている。このように構成された本発明に係る第１０の観点の燃料電池においては、固体電解質電極板をセパレータの機能を持たせているため、セパレータレスの構成が簡単に作製でき、材料削減が可能となり大きくコストダウンを図ることができる。また、本発明に係る第１０の観点の燃料電池は、固体電解質電極板を挟着電極板により接続する構成とすることにより、セパレータレスの燃料電池が実現できる。さらに、本発明に係る第１０の観点の燃料電池においては、固体電解質電極板の表裏の電極面を挟着電極金属板により接続する単電池を用いて、他の部材を介して隣接する単電池の対向する電極膜が同極同士でも挟着電極金属板により電気的に接続できるため、対向する電極面を同極にすることによりセパレータなしの燃料電池を実現している。前記のように構成された本発明に係る第１０の観点の燃料電池は、固体電解質電極板の電極膜との接続を挟着電極金属板による構造としたため、単電池の間の接続が任意にできるようになり固体電解質電極板をセパレータとして兼用でき、従来の燃料電池におけるセパレータを省略することが実現できる。
【００２８】
本発明に係る第１１の観点による燃料電池は、前記の第１０の観点において、単セルが複数個積層された積層構成体の積層方向における両最外部にガス給排口を有する剛性のある金属板を積層している。
【００３２】
本発明に係る第１２の観点による燃料電池は、前記の第１０又は１１の観点における複数の単セルを有する積層構成体の両側最外部分にガス分離・分配・保温板が配置された積層体において、
挟着電極金属板とガス分離・分配板の外周部分に１個或いは複数個のガス給排路となる開口部を有して２系統のガス給排路が形成され、
隣り合い対向する固体電解質電極板において一方の固体電解質電極板の酸素電極膜を挟着した酸素側挟着電極金属板と他方の固体電解質電極板の燃料電極膜を挟着した燃料側挟着電極金属板とを電気伝導体により連結し、
更に前記他方の固体電解質電極板の酸素電極膜を挟着した酸素側挟着電極金属板と当該固体電解質電極板と隣り合い対向する別の固体電解質電極板の燃料電極膜を挟着した燃料側挟着電極金属板とを別の電気伝導体により連結し、
順次交互に各電極膜に接続された酸素側挟着電極金属板と燃料側挟着電極金属板とを異なる電気伝導体により連結して複数の単セルを電気的直列接続で構成している。このように構成された本発明に係る第１２の観点の燃料電池においては、積層された単電池を直列接続して且つセパレータを無くした燃料電池を実現できる。
【００３３】
本発明に係る第１３の観点による燃料電池は、矩形平板状の固体電解質基板の表裏両面の一方の面に酸素電極膜を形成し、他方の面に燃料電極膜を形成した固体電解質電極板と、
前記固体電解質電極板の端部の表裏両面を挟む少なくとも２枚の金属薄板より１組の挟着電極金属板が構成され、前記固体電解質電極板の端部を挟んだ複数組の挟着電極金属板と、を有し、
前記挟着電極金属板により端部が挟まれた前記固体電解質電極板が複数設けられて、同一平面上に配置された単電池であって、
前記複数組の挟着電極金属板において、少なくとも一つの組の挟着電極金属板における一方の金属薄板が前記固体電解質電極板の一方の面の前記酸素電極膜を圧接し、当該一方の組の挟着電極金属板における他方の金属薄板が前記固体電解質電極板の他方の面の前記燃料電極膜に接触することなく前記固体電解質電極板を圧接するよう構成されており、
少なくとも他の組の挟着電極金属板における一方の金属薄板が前記固体電解質電極板の一方の面の前記酸素電極膜に接触することなく前記固体電解質電極板を圧接し、当該他の組の挟着電極金属板における他方の金属薄板が前記固体電解質電極板の他方の面の前記燃料電極膜を圧接するように構成されており、
前記単電池の一方の面側に多孔質体、燃料ガス分離・分配板、及びセパレータを積層し、そして前記単電池の他方の面側に多孔質体、空気ガス分離・分配板、及びセパレータを積層して構成された単セルを複数積層した積層構成体の燃料電池であって、
前記挟着電極金属板、前記燃料ガス分離・分配板、前記空気ガス分離・分配板、及び前記セパレータのそれぞれの外周部分近傍に燃料ガスが流通するための燃料ガス給排路となる開口部及び空気ガスが流通するための空気ガス給排路となる開口部が複数形成されており、前記燃料ガス給排路と前記空気ガス給排路が互いに連通しない２系統のガス給排路となるよう構成されており、
前記積層構成体において、各単電池における積層方向の挟着電極金属板を棒状の電気伝導体で電気的に接続している。このように構成された本発明に係る第１３の観点の燃料電池は、挟着電極金属板を用いることにより、固体電解質電極板と実質的な同一平面内で単電池を構成することができ、この単電池を複数枚積層することにより、単位容積当たりの発電量の大きな燃料電池を実現することができる。また、このように構成された本発明に係る第１３の観点の燃料電池は、各単電池間の電気的接続を挟着電極金属板を剛直な電気導電体により連結する構成を有しているため、各単電池間の電気的接続の信頼性の高い燃料電池となる。
【００３５】
本発明に係る第１４の観点による燃料電池は、前記の第１乃至９、若しくは第１３の観点において、ガス分離・分配板、ガス分離・分配・保温板及びセパレータが緻密質、且つ耐熱性と絶縁性を有する材料で形成してもよい。このように構成された本発明に係る第１４の観点の燃料電池は、積層された単電池間の電気的接続を挟着電極金属板により行うよう構成されているため、従来の燃料電池のように導電性材料である必要がなくコストの安い耐熱性と絶縁性を有する材料が適用でき、選択できる材料範囲が広がり信頼性の向上に貢献できる。
【００３６】
本発明に係る第１５の観点による燃料電池は、前記の第４又は７の観点において、ガス分離・分配板、ガス分離・分配・保温板及び、セパレータの熱膨張係数が、５×１０−６〜１５×１０−６の範囲内にある耐熱性と絶縁性を有する材料で構成してもよい。このように構成された本発明に係る第１５の観点の燃料電池は、所望の熱膨張係数の範囲内であれば導電性材料及び絶縁性材料共に使用できる。
【００３７】
本発明に係る第１６の観点による燃料電池は、前記の第４又は７の観点において、ガス分離・分配板、ガス分離・分配・保温板、及びセパレータが、マイカ、セラミックス素材或いはガラス素材で形成してもよい。このように構成された本発明に係る第１６の観点の燃料電池は、特にマイカ板や各種セラミックスファイバーを成型焼成した板状体等が好適である。
【００３８】
本発明に係る第１７の観点による燃料電池において、前記の第１乃至１６の観点において、挟着電極金属板は、熱膨張係数が４×１０−６〜２０×１０−６の範囲にある金属材料で構成してもよい。このように構成された本発明に係る第１７の観点の燃料電池は、より好適には８×１０−６〜１５×１０−６の範囲の金属材料が挟着電極金属板には適している。
【００３９】
本発明に係る第１８の観点による燃料電池において、前記の第１乃至１７の観点において、挟着電極金属板は、鉄合金板、ニッケル合金板、コバルト合金板、ニッケル−コバルト合金或いはステンレス鋼板により形成してもよい。このように構成された本発明に係る第１８の観点の燃料電池は、挟着電極金属板の熱膨張係数が本発明で使用する固体電解質基板の熱膨張係数に近似しており、且つ、耐酸化性に優れ、高温における弾性力を保持するものである。特に、挟着電極金属板としてはニッケルベースの金属材料が高温度においても弾性力が保持され、耐酸化性に優れている。
【００４０】
本発明に係る第１９の観点による燃料電池は、前記の第１乃至１８の観点において、挟着電極金属板の片面或いは両面の全面或いは一部分に、金、銀、ニッケル或いはアルミニウム皮膜を形成してもよい。このように構成された本発明に係る第１９の観点の燃料電池は、上記のように表面処理を施すことにより高温環境下での材料酸化が少なくなり接続部分の信頼性を向上させることができる。
【００４１】
本発明に係る第２０の観点による燃料電池において、前記の第１乃至９、若しくは第１３の観点において、セパレータは電気伝導性を有し且つ緻密質な材料で構成してもよい。このように構成された本発明に係る第２０の観点の燃料電池は、挟着電極金属板による電気的接続に加えて、セパレータを電気伝導性材料で構成することにより電気的接続はより信頼のおけるものとなる。
【００４２】
本発明に係る第２１の観点による燃料電池は、前記の第８の観点において、単電池の挟着電極金属板を電気的に接合する棒状の電気伝導体がネジを有する金属製のビスよりなり、各挟着電極金属板が前記ビスに貫通されナットにより締め付けて接続する構造を有し、複数の単電池を電気的に直列状態で接続したビスの導出端部に外部リード線が接続されている。このように構成された本発明に係る第２１の観点の燃料電池は、ネジ部を有する材料で接続すれば、このネジ部で挟着電極金属板をナットで両側から締め付けられるのでより確実な接続を確保することが可能となる。
本発明に係る第２２の観点による燃料電池は、前記の第９の観点において、単電池の挟着電極金属板を電気的に接合する棒状の電気伝導体がネジを有する金属製のビスよりなり、各挟着電極金属板が前記ビスに貫通されナットにより締め付けて接続する構造を有し、複数の単電池を電気的に並列状態で接続したビスの導出端部に外部リード線が接続されている。このように構成された本発明に係る第２２の観点の燃料電池は、ネジ部を有する材料で接続すれば、このネジ部で挟着電極金属板をナットで両側から締め付けられるのでより確実な接続を確保することが可能となる。
【００４３】
本発明に係る第２３の観点による燃料電池は、前記の第１乃至１２の観点において、棒状の電気伝導体が、鉄合金材、ニッケル合金材、コバルト合金材、ニッケル−コバルト合金材或いはステンレス鋼材のいずれかで構成してもよい。このように構成された本発明に係る第２３の観点の燃料電池は、電気伝導体の材料の熱膨張係数が燃料電池構成体の材料と近似しているため、熱歪みが生じ難く、且つ電気伝導体の材料が耐酸化性を有しているので接続部分の信頼性を維持できる。
【００４４】
本発明に係る第２４の観点による燃料電池は、前記の第１乃至２３の観点において、多孔質体が、矩形形状、複数の角柱形状或いは複数の円柱形状により形成されていてもよい。従来の燃料電池では多孔質体が電気的に接続する機能を有することが必要な条件であったが、本発明ではその必要がなくなり固体電解質電極板の振動、衝撃による破損を防止するのが多孔質体の主目的となる。本発明によれば、そのため多孔質体が部分的に存在すればよく円柱形状や角柱形状でもよく、材料の節約が可能となりコストダウンを図ることが可能となる。
【００４５】
本発明に係る第２５の観点による燃料電池は、前記の第１乃至２４の観点において、多孔質体が、金属或いは非金属材の多孔質材料により形成してもよい。このように構成された本発明に係る第２５の観点の燃料電池においては、材料の選択範囲が広がりより好適な材料選択ができる。
【００４６】
本発明に係る第２６の観点による燃料電池は、前記の第１乃至２５の観点において、多孔質体が、無機材料の繊維よりなる不織材或いは発泡材、或いは金属材料の繊維よりなる不織材或いは発泡材により形成してもよい。このように構成された本発明に係る第２６の観点の燃料電池は、特に無機材料の多孔質材を用いれば目的機能が維持でき、且つコストダウンを図ることができる。
【００４７】
本発明に係る第２７の観点による燃料電池は、前記の第１乃至２６の観点において、燃料電池のガス給排路のガス給排口を有する金属板が最外層に形成されており、当該金属板が鉄合金板、ニッケル合金板、コバルト合金板、ニッケル−コバルト合金板或いはステンレス鋼板よりなる剛性を有する材料で形成されており、前記金属板を単セルの積層構成体の最外部両側面に配設し、且つ前記金属板のガス給排口が前記積層構成体のガス給排路に連通するよう配設し、前記金属板を棒状の電気伝導体で締め付け固着している。このように構成された本発明に係る第２７の観点の燃料電池は、剛直な金属板で締め付ける構成であるため、ガスもれの無い燃料電池が簡単に作製できる。
【００４８】
本発明に係る第２８の観点による燃料電池において、前記の第１乃至２７の観点において、固体電解質基板は、結晶構造がペロブスカイト型のバリウム・セリウム・ガドリニウム系酸化物セラミックス材料、バリウム・セリウム・ガドリニウム・ジルコニウム系酸化物材料、或いはバリウム・セリウム・ガドリニウム・アルミニウム系酸化物で形成してもよい。このように構成された本発明の燃料電池は、従来のイットリウムをドープしたジルコニア系固体電解質材に比べ、固体電解質基板の組成はその動作温度が低く材料選択の幅が広がり民生向けの低価格の燃料電池を提供することができる。特に本発明における挟着電極金属板による接続方式の燃料電池は、上記のような固体電解質材料を使うことにより実現することが可能となった。
【００４９】
本発明に係る第２９の観点による燃料電池は、前記の第１乃至２８の観点において、固体電解質基板がグリーンシート工法で形成された１枚のシート或いは複数枚のシートを積層・焼成した材料から形成してもよい。このように構成された本発明に係る第２９の観点の燃料電池は、グリーンシート工法により形成した固体電解質基板を用いることにより、均質で薄い固体電解質基板の材料を得ることができる。
【００５０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る燃料電池の好適な実施例について添付の図面を参照しつつ説明する。
【００５１】
《実施例１》
図１から図１１は本発明の燃料電池に係る実施例１に関する図である。図１は本発明に係る実施例１の燃料電池の基本構成部を示す分解斜視図である。図２は固体電解質電極板の斜視図である。図３は固体電解質電極板への挟着電極金属板を取り付ける構造の一例を示した分解斜視図である。図４は図３の完成斜視図であり、図５は図４のIII−III線による断面図である。
【００５２】
図６は本発明に係る実施例１の別の燃料電池の構成を示す分解斜視図であり、燃料電池の基本構成部に別の形状の多孔質体を用いた場合を示している。図７は本発明に係る実施例１のさらに別の燃料電池の構成を示し、基本構成部にさらに別の形状の多孔質体を用いている。図８は実施例１の単電池を３層積層した燃料電池の基本部分を示す分解斜視図である。図９は図８のIV−IV線による断面図である。図１０は図８に分解して示した基本部分を組み立てた斜視図である。図１１は燃料電池の完成状態を示す斜視図である。
【００５３】
以下、本発明に係る実施例１の燃料電池の構成について図を参照しつつ説明する。
先ず、図１に示した実施例１の燃料電池の基本構成部について説明する。図１は本発明の燃料電池において主要部分となる基本構成部の分解斜視図である。図１に示す基本構成部は、固体電解質電極板１３を１枚を用いた最低単位の燃料電池である単セルである。この単セルは、後述する単電池１、この単電池１の両側に配設されたガス分離・分配板４，５、及びセパレータ６，７等により構成されている。
【００５４】
固体電解質電極板１３は矩形形状の固体電解質基板の両面における一方の面に酸素電極膜が形成されており、他方の面に燃料電極膜が形成されている。矩形形状の固体電解質電極板１３における隣接した２辺には、固体電解質電極板１３を挟み込み、固体電解質電極板１３の裏面に形成された一方の電極膜（例えば酸素電極膜）の端部に接触する２枚の金属薄板よりなる第１挟着電極金属板１１が設けられている。また、固体電解質電極板１３における隣接した他の２辺には、固体電解質電極板１３を挟み込み、固体電解質電極板１３の表面に形成された他方の電極膜（例えば燃料電極膜）の端部に接触する２枚の金属薄板よりなる第２挟着電極金属板１２が設けられている。このように固体電解質電極板１３の端部を挟むように設けられた第１挟着電極金属板１１と第２挟着電極金属板１２は複数箇所でスポット溶接されて固体電解質電極板１３に固定されている。
【００５５】
なお、以降の説明において固体電解質電極板１３に２組の挟着電極金属板１１，１２が取り付けられた構成体を単電池と称す。この単電池の構造の詳細については図２、図３及び図４を参照しつつ以下に説明する。
【００５６】
第１挟着電極金属板１１には１個以上の開口１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄが形成されており、それぞれの開口１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄは酸素電極膜に通じる酸化剤ガス用給排路又は燃料電極膜に通じる燃料ガス用給排路となり、内部マニホールドのガス流路となる。同様に、第２挟着電極金属板１２には１個以上の開口１４ｅ，１４ｆ，１４ｇ，１４ｈが形成されており、それぞれの開口１４ｅ，１４ｆ，１４ｇ，１４ｈは酸素電極膜に通じる酸化剤ガス用給排路又は燃料電極膜に通じる燃料ガス用給排路となり、内部マニホールドのガス流路となる。第１挟着電極金属板１１と第２挟着電極金属板１２は互いに電気的に絶縁状態が保たれている。
固体電解質電極板１３の両側には、各電極膜に接して配置され、酸化剤ガス或いは燃料ガスをそれぞれの電極膜に供給する矩形形状の多孔質体２，３が設けられている。
【００５７】
上記のように、単電池１の両側に多孔質体２，３、ガス分離・分配板４，５、及び酸化剤ガス及び燃料ガスを分離するセパレータ６，７がそれぞれ配設されている。多孔質板２の厚みは、セパレータ６−ガス分離・分配板４−単電池１を積層したとき、固体電解質電極板１３の電極膜の面とセパレータ６の対向面とで形成される空間の間隔よりわずかに大きく形成されている。すなわち、多孔質板２の厚みは、積層された状態において固体電解質電極板１３の表面に接触圧が加わる厚みである。
上側のガス分離・分配板４の外縁部分には、単電池１の第１挟着電極金属板１１と第２挟着電極板１２に形成されたガス給排路となる開口１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄと１４ｅ，１４ｆ，１４ｇ，１４ｈに対応する位置（図１における水平面上において同一位置）にガス給排路となる開口２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ，２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄが少なくとも各辺で１個以上形成されている。同様に、下側のガス分離・分配板５の外縁部分には、ガス給排路となる開口２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄ，２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄが形成されている。
上側のセパレータ６の外縁部分には、単電池１の第１挟着電極金属板１１及び第２挟着電極板１２に形成されたガス給排路となる開口１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ，１４ｅ，１４ｆ，１４ｇ，１４ｈに対応する位置（図１における水平面上において同一位置）に同一サイズのガス給排路となる開口２５ａ，２５ｂ，２５ｃ，２５ｄ，２５ｅ，２５ｆ，２５ｇ，２５ｈが少なくとも各辺で１個以上形成されている。同様に、下側ののセパレータ７の外縁部分には、ガス給排路となる開口２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄ，２６ｅ，２６ｆ，２６ｇ，２６ｈが形成されている。
【００５８】
図１に示すように、セパレータ６，７のガス給排路となる開口２５ａ，２５ｂ，２５ｃ，２５ｄ，２５ｅ，２５ｆ，２５ｇ，２５ｈ及び２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄ，２６ｅ，２６ｆ，２６ｇ，２６ｈはそれぞれが独立した開口であり、それぞれのガス流が分離されるように形成されている。一方、ガス分離・分配板４，５においては、単電池１の両側（図１における上下両側）で異なった開口形状を有している。
単電池１に対して上側のガス分離・分配板４の開口は、対向する２辺（図１において右手前と左奥の２辺）に形成されたガス給排用開口２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄがそれぞれ独立した開口であり、他の対向する２辺（図１において右奥と左手前の２辺）に形成された開口２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄが互いに連通した開口である。開口２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄはガス分離・分配板４の中央部分に形成された大きな開口部と連通するように形成されている。
【００５９】
上記のように構成された単電池１と上側のガス分離・分配板４とセパレータ６が積層された構造において、上側のガス分離・分配板４の開口２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄから給排されるガスは中央部で連通しているので単電池１の表面の電極膜に接触しながら流れる構成となっている。また、これらの開口２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄと異なる辺近傍に形成された、すなわち９０゜回転した位置に形成された開口２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄはそれぞれが独立した開口である。このため、開口２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄに流れるガスと開口２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄを流れるガスとは混合しないように構成されている。
【００６０】
一方、単電池１に対して下側のガス分離・分配板５のガス給排路となる開口は、対向する２辺（図１において右奥と左手前の２辺）に形成された開口２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄがそれぞれ独立した開口であり、他の対向する２辺（図１において右手前と左奥の２辺）に形成された開口２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄが互いに連通した開口である。開口２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄはガス分離・分配板５の中央部分に形成された大きな開口部と連通するように形成されている。
上記のように構成された単電池１と下側のガス分離・分配板５とセパレータ７が積層された構造において、下側のガス分離・分配板５の開口２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄから給排されるガスは中央部で連通しているので単電池１の裏面の電極膜に接触しながら流れる構成となっている。また、これらの開口２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄと異なる辺近傍に形成された、すなわち９０゜回転した位置に形成された開口２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄはそれぞれが独立した開口である。このため、開口２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄに流れるガスと開口２４ａ，２４ｂを流れるガスとは混合しないように構成されている。
【００６１】
上記のように、下側のガス分離・分配板５において連通している開口２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄは、上側のガス分離・分配板４において連通している開口２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄの位置と９０°回転した異なった位置に形成されている。したがって、上側のガス分離・分配板４の開口２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄから給排され単電池１の表面の電極膜に接触しながら流れるガス流と、下側のガス分離・分配板５の開口２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄから給排され単電池１の裏面の電極膜に接触しながら流れるガス流は異なる種類のガスが流れるように構成されている。
【００６２】
図１に示した構造は１枚の固体電解質基板を用いた本発明に係る実施例１の燃料電池の最小単位（単セル）である。実際の燃料電池は、図１に示した単セルが複数積層されて構成されている。
実施例１において、セパレータ６，７は燃料ガスと酸化剤ガス、例えば空気と混合しないようにするために配設されている。
【００６３】
以下、本発明に係る実施例１の燃料電池において使用するガス分離・分配板４，５及びセパレータ板６，７の材料について説明する。
ガス分離・分配板４，５は、耐熱性を有し、耐酸化性に優れており、熱膨張係数が本発明の実施例１において使用する固体電解質基板に近い材料が好適である。ガス分離・分配板４，５の材料として、具体的には、マイカ板が適している。マイカ板は耐熱性と耐酸化性に優れており、熱分解温度が６００〜８００℃と高く本発明の燃料電池に十分使える特性を有している。マイカ板の熱膨張係数は１０〜１３×１０−６（常温から３００℃）と実施例１に用いた固体電解質基板と非常に近く好適である。また、マイカ板は機械的締め付けに強く破損することがないため、実施例１の燃料電池におけるガス分離・分配板４，５に好適である。
【００６４】
実施例１におけるセパレータ板６，７の材料としてもガス分離・分配板４，５と同様に、マイカ板が好適である。
ガス分離・分配板４，５及びセパレータ板６，７の材料として、マイカ板以外に使える材料としては、９６％アルミナ基板（熱膨張係数：７．３×１０−６）やフォルステライト基板（熱膨張係数：１０．２×１０−６）或いはステアタイト基板（熱膨張係数：８．７×１０−６）等のセラミックス基板やガラスファイバーや結晶状ファイバー材を固めて焼結した材料或いは強化ガラス等が適用できる。即ち、熱膨張係数が５×１０−６〜１５×１０−６の範囲内にある耐熱性を有し、優れた耐酸化性を有し、そして絶縁性材料であればガス分離・分配板４，５及びセパレータ板６，７の材料として適用できる。
【００６５】
なお、セパレータ板６，７の材料として前述のようにガス分離・分配板と同じ材料が用いられるが、加えて、電気伝導性材料で耐熱性、耐酸化性に優れ且つ熱膨張係数が前記したように５×１０−６〜１５×１０−６の範囲内の金属材料も利用できる。このような性能を有する材料としては、鉄合金或いはニッケル合金或いはコバルト合金或いはニッケル−コバルト合金或いはステンレス鋼板等が有効である。
【００６６】
ガス分離・分配板４，５の板厚は、固体電解質電極板１３の表面とセパレータ６，７との間をガス流がスムーズに流れる間隔があれば十分であるため、数十μｍ以上あればよい。実際には、マイカ板やセラミック板等の材料の強度等の点から１ｍｍ以上の厚みが必要であり、具体的には１〜２ｍｍ程度の厚みが最適である。セパレータ６，７の板厚もガス分離・分配板４，５の板厚と同様の厚みでよい。但し、セパレータ６，７の材料として金属板を用いる場合には０．２〜０．３ｍｍ以上あれば使用可能である。
【００６７】
次に、実施例１における単電池１の詳細について説明する。
図２は実施例１の単電池１における固体電解質電極板１３を示す斜視図である。図２に示すように、固体電解質電極板１３は固体電解質基板３１、この固体電解質基板３１の一方の面（表面）に形成した電極膜３２、及び固体電解質基板３１の他方の面（裏面）に形成した異なる電極膜３３より構成されている。固体電解質基板３１の表面の電極膜３２のパターンは、固体電解質基板３１の隣接する２辺側（図２において左手前側と左奥側の２辺）の端部とはわずかな隙間を残して形成されており、固体電解質基板３１において対向する２辺側（図２において右手前側と右奥側の２辺）の端部とは広い間隔を残した状態で形成されている。
【００６８】
一方、固体電解質基板３１の他方の面（裏面）の電極膜３３のパターンは、表面の電極膜３２のパターンと反対に図２の右手前側と右奥側の２辺の端部との間が狭く、左手前側と左奥側の２辺の端部との間が広くなるように形成されている。すなわち、固体電解質基板３１の両面に形成された表面の電極膜３２と裏面の電極膜３３は、図２に示すように、固体電解質基板３１の中心に対して左右方向にずれた位置関係になっている。
【００６９】
実施例１において用いた固体電解質基板３１の材料は、ＢａＣｅ０．３５Ｚｒ０．５Ｇｄ０．１５Ｏ３−αである。
固体電解質基板３１の製造方法は、次の通りである。
（１）ＢａＣｅ０．３５Ｚｒ０．５Ｇｄ０．１５Ｏ３−αとなるように各材料を秤量し、有機溶剤を加えてボールミルで２４時間混合する。
（２）混合した後、乾燥し、所定形状に成形する。
（３）成形した後、１３００℃空気雰囲気中で仮焼する。
（４）仮焼した後、有機溶剤、可塑剤、分散剤をそれぞれ加え、４８時間ボールミルで粉砕・混合する。
（５）粉砕・混合した後、シリコーン処理したＰＥＴフィルム上にドクターブレード法でシート状に成形し、乾燥する。
（６）乾燥した後、該シートを複数枚重ね加熱しながら加圧し一体化させ、その後必要サイズに切断する。
（７）切断した後、多孔質のセッター上に乗せ５００℃の電気炉中空気雰囲気で脱バインダー処理を行う。
（８）最後に電気炉中空気雰囲気で１６５０℃で１０時間焼成し、薄いペロブスカイト型バリウムーセリウムーガドリニウムージルコニウム系酸化物固体電解質基板３１を作製した。
【００７０】
作製された固体電解質基板３１（７０．０ｍｍ×７０．０ｍｍ×０．５ｍｍ厚）の両面に、図２で示した位置に白金ペースト、例えば、田中貴金属販売（株）製白金ペーストＴＲ−７０７０を両面にスクリーン印刷法で形成し、空気雰囲気中１３００℃６０分間焼成して電極膜とした。本発明の電極膜の材料としては上記の白金ペーストに限定するものではなく、酸素や燃料ガスが拡散する電極膜であれば使用できる。前記のように固体電解質基板３１の両面に電極膜が形成された固体電解質電極板１３の常温〜５００℃間での熱膨張係数は、１０〜１１×１０−６であつた。
【００７１】
次に、上記のように作製された固体電解質電極板１３を用いた単電池１の構成を図３、４を用いて説明する。図３は前記の方法で作製した固体電解質電極板１３に挟着電極金属板１１，１２の金属薄板を取りつける方法、及びその構造を説明する分解斜視図である。図３においては、構造の理解を容易とするため、固体電解質電極板１３に取り付けられる２組の挟着電極金属板１１，１２のうち、一方の挟着電極金属板１２だけを示し他方の挟着電極金属板１１は同じ構造であるため省略している。
図２を用いて説明したように、固体電解質基板３１の表面には電極膜３２が形成されており、電極膜３２は固体電解質基板３１の隣接する２辺の端部近くまで形成されている。図３においては、電極膜３２は固体電解質基板３１の隣接する上側２辺の端部近傍まで形成されており、対向する下側２辺の電極膜３２は固体電解質基板３１の端部と広い隙間を有している。この電極膜３２が固体電解質基板３１の端部近傍まで形成された固体電解質基板３１の上側２辺に金属薄板４１，４２を上下から挟み込むように合わせて、両金属薄板４１，４２を数カ所においてスポット溶接して接合し、挟着電極金属板１２を形成した。
【００７２】
上記のように形成される挟着電極金属板１２の金属薄板４１，４２は、Ｌ字形形状を有しており、その内側には段差部４５ａ，４５ｂ及び４６ａ，４６ｂが形成されている。この段差部４５ａ，４５ｂ及び４６ａ，４６ｂは、金属薄板４１，４２の材料を一度上側に曲げ或いは下側に曲げて、次にその先端部分を下側に曲げ或いは上側に曲げて形成されている。金属薄板４１，４２が固体電解質電極板１３を挟着したとき、段差部４５ａ，４５ｂ及び４６ａ，４６ｂの先端部分が固体電解質電極板１３の両面を圧接するよう、段差部４５ａ，４５ｂ及び４６ａ，４６ｂは成形加工されている。即ち、固体電解質電極板１３を挟着するよう両金属薄板４１，４２を挟み込みスポット溶接することにより、上側の金属薄板４１の段差部４５ａ，４５ｂが固体電解質基板３１上の電極膜３２を圧接する。このように、上側の金属薄板４１の段差部４５ａ，４５ｂは、上側の電極膜３２と常に接触しており、金属薄板４１の段差部４５ａ，４５ｂが元の状態に戻ろうとする力により電極膜３２を押し付けている。これにより、段差部４５ａ，４５ｂの先端部分は固体電解基板３１の上面に形成された電極膜３２に常に圧接接続されており、電気的に良好な接続が維持されている。
【００７３】
一方、固体電解質基板３１の裏面に形成された電極膜３３は、表面に形成された電極膜３２と反対に、固体電解質基板３１の上側２辺の端部より間隔をあけて形成されている。これにより、下側の金属薄板４２の段差部４６ａ，４６ｂが固体電解質基板３１を圧接しても、段差部４６ａ，４６ｂと固体電解質基板３１の裏面に形成された電極膜３３とは接触せず、電気的には不接続状態となる。即ち、上下２枚の金属薄板４１，４２をスポット溶接して固体電解質電極板１３を挟着した挟着電極金属板１２は、固体電解質基板３１の表面の電極膜３２にのみ接続した構造となっている。
【００７４】
図３においは図示を省略しているが、固体電解質基板３１の手前側の挟着電極金属板１１は、上記の奥側の挟着電極金属板１２と同様に２枚の金属薄板により固体電解質基板３１を挟み込み圧接するよう構成されている。このように構成された手前側の挟着電極金属板１１において、上側の金属薄板の段差部は表面の電極膜３２に接触せず、下側の金属薄板の段差部が裏面の電極膜３３とのみ電気的に接続する構造となっている。
【００７５】
以上のように、実施例１の燃料電池の構成においては、実質的に同一平面内で組み立てられ、固体電解質電極板１３に取りつけた２組の挟着電極金属板１１，１２は、お互いが電気的に絶縁状態を保った状態で、表面又は裏面の電極膜に電気的に接続している。
【００７６】
挟着電極金属板１１，１２の金属薄板の材料としては、本発明に係る実施例１で用いるペロブスカイト型バリウム−セリウム−ガドリニウム−ジルコニウム系酸化物固体電解質基板の材料が４００〜５００℃の温度で駆動する材料であるため、この温度で極端な酸化が起こらず、且つ固体電解質基板の両面に形成した電極膜に接している先端部分が、上記温度で長時間作動してもバネ性が劣化しない材料でないといけない。具体的には、固体電解質基板の熱膨張係数に近い材料で耐酸化性を有し、高温でバネ性を保持している材料が望ましい。そのような材料としては、材料の熱膨張係数（常温〜５００℃において）が４×１０−６〜２０×１０−６、より好適には８×１０−６〜１５×１０−６の範囲にある材料で、且つ前記した条件を満たす材料であればよい。具体的には、鉄合金板或いはニッケル合金板或いはコバルト合金板或いはニッケル−コバルト合金板或いはステンレス鋼板である。より具体的な例としては、鉄合金；三菱マテリアル（株）のＭＡ８００Ｈ（Ｎｉ：３２．５％、Ｃｒ：２１％、Ａｌ：０．５％、Ｆｅ：残部、熱膨張係数：１６．６×１０−６）、ＭＡ１５５Ｎ（Ｎｉ：２０％、Ｃｏ：２０％、Ｃｒ：２１％、Ｍｏ：３％、Ｗ：２．５％、Ｆｅ：残部、熱膨張係数：１５．６×１０−６）、ニッケル合金；三菱マテリアル（株）、ハステロイＸ（別名インコネル）（Ｆｅ：１８％、Ｃｒ：２２％、Ｍｏ：９％、Ｎｉ：残部、熱膨張係数：１４．７×１０−６）、ＭＡ７５０（Ｆｅ：７％、Ｃｒ：１５％、Ａｌ：０．７％、Ｎｉ：残部、熱膨張係数：１４×１０−６）、ＭＡ２６３（Ｃｏ：２０％、Ｃｒ：２０％、Ｍｏ：５．９％、Ａｌ：０．５％、Ｎｉ：残部、熱膨張係数：１３．３×１０−６）、コバルト合金；三菱マテリアル（株）、ヘインズアロイＮｏ．２５（Ｎｉ：１０％、Ｃｒ：２０％、Ｗ：１５％、Ｃｏ：残部、熱膨張係数：１３．９×１０−６）、ニッケル−コバルト合金；４２−インバー（別名アンバー材）〔（Ｎｉ＋Ｃｏ）：４１〜４３％、Ｍｏ：０．９〜１．３％、Ｆｅ：残部、熱膨張係数：４．５〜６×１０−６）、ステンレス鋼板；ＳＵＳ３１０Ｓ（Ｎｉ：１９〜２２％、Ｃｒ：２４〜２６％、Ｆｅ：残部、熱膨張係数：１６．９×１０−６）、等が使用できる。なお、上記含有率の値は重量％、熱膨張係数は常温〜５００℃の時の値である。各材料はそれぞれに好適な熱処理条件で熱処理しバネ性を発現させ用いる。上記材料は熱膨張係数が４×１０−６〜２０×１０−６の範囲内にあり、本発明者らは十分に本発明の挟着電極金属板に適用できることを実験で確認した。
【００７７】
本発明に係る実施例１の金属薄板の厚みは、挟み込んだ時、電極膜と電気的にほとんど接触抵抗を示さない程度に圧接でき、その上限は薄い固体電解質基板が破壊されない程度以下のバネ力を発現するものがよい。具体的には０．１〜０．３ｍｍ程度の厚みが最適であった。
本発明に係る実施例１で用いた挟着電極金属板１１，１２の金属薄板は、約６００℃以下まではバネ性を保持するため、本発明の実施例１で用いた固体電解質基板以外で駆動温度（実用的イオン伝導度）が約６００℃以下のものであれば固体電解質材料の種類に関係なく実施例１の接続方法が適用できる。
なお、図３に示した上側の金属薄板４１に形成されている複数の開口４３ａ，４３ｂ等と下側の金属薄板４２に形成されている複数の開口４４ａ，４４ｂ等は、スポット溶接接合したとき同じ位置となるように形成されており、これらの開口４３ａ，４３ｂ等及び４４ａ，４４ｂ等がガス給排路となる。
【００７８】
図４は、前記の図３に示した固体電解質電極板１３と挟着電極金属板１１，１２を組み立て完成した単電池１を示す斜視図である。
図４の単電池１において、固体電解質基板３１の端部には２枚の金属薄板で挟み込んだ挟着電極金属板１１，１２が設けられている。固体電解質基板３１の表面の電極膜は挟着電極金属板１２に電気的に接続している。固体電解質基板３１の裏面の電極膜は挟着電極金属板１１に電気的に接続している。２つの挟着電極金属板１１，１２により形成された矩形状の単電池１の４辺には、開口１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ，１４ｅ，１４ｆ，１４ｇ，１４ｈが形成されており、独立したガス給排路となる。各挟着電極金属板１１，１２の角部近傍には開孔５１ａ，５１ｂが形成されており、これらの開孔５１ａ，５１ｂには単電池１を積層したときの単電池間を電気的に接続するため棒状の電気伝導体が挿入される。また、２つの挟着電極金属板１１，１２の間には、間隔５２ａ，５２ｂが形成されており、両挟着電極金属板１１，１２の間が短絡しないように最適な間隔に保持されている。
【００７９】
図４に示した単電池１において、固体電解質基板３１の四隅に細かいハッチングで示した角部５３ａ，５３ｂ，５３ｃ，５３ｄは、単電池１の表と裏の間を行き来するガス流の発生を防止するために封止材が形成された部分である。この封止材は、耐熱性無機系接着剤を塗布して硬化させて形成されている。この耐熱性無機系接着剤の材料としては、高温（常温〜約５００℃）で変化せず、接着力を保持して気密性を保つことができ、且つ、硬化後の材料の熱膨張係数が５〜１５×１０−６の範囲内の材料であればよい。具体的には、東亜合成化学工業（株）の耐熱性無機系接着剤アロンセラミック（主成分がジルコニア・シリカ系、シリカ系、アルミナ系）、や各種金属アルコキシド（Ｓｉ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ａｌなど）を用いた耐熱性無機接着剤、例えば品川白煉瓦（株）のＳＩＭ＃５００シリーズ等やニチアス（株）のＡｌ２Ｏ３−ＳｉＯ２系、Ａｌ２Ｏ３−ＳｉＯ２−Ｎａ２Ｏ系の接着剤などが有用である。気密性の保持には本説明のごとく接着剤によるものに制限されるものではなく、柔軟性のある耐熱性材料で密封するなど他の材料、方法でも何等問題はない。
【００８０】
図４に示した実施例１の単電池１の構造をより分かりやすくするために、図４のIII−III線による断面図を図５に示した。図５に示すように、固体電解質基板３１の両面には一方の電極膜３２（表面）と他方の電極膜３３（裏面）が形成されている。各挟着電極金属板１１，１２は固体電解質基板３１の対称位置の２辺をそれぞれ挟み込む状態で配設されている。
図４において、挟着電極金属板１２の上側の金属薄板の先端部６２ａは、表面の電極膜３２の端部を圧接しているが、下側の金属薄板の先端部６２ｂは裏面の電極膜３３と隙間６４を有する状態で固体電解質基板３１に直接圧接接合されている。他方の挟着電極金属板１１の上側の金属薄板の先端部６１ａは固体電解質基板３１に直接圧接され表面の電極膜３２とは隙間６３を有する状態である。下側の金属薄板の先端部６１ｂは裏面の電極膜３３の端部を圧接する状態で接続されている。すなわち、実質的な同一平面内において、固体電解質基板３１の両面に形成された電極膜３２，３３のそれぞれに対して、各挟着電極金属板１１，１２は互いに電気的短絡することなく一方の電極膜と確実に接合している。
【００８１】
大きな温度差が常時発生する固体電解質基板３１を用いた燃料電池において、貴金属ペーストなどを用いて接合部分を強固に接続した場合は、わずかな熱膨張係数の違いでも長時間運転すると接合部分にマイクロクラックが発生し、その接合部分が最終的に絶縁状態となるという問題があった。しかし、本発明に係る実施例１における金属薄板の挟み込み方式による電極板接合方法は、上記のような従来の貴金属ペーストなどによる接合部分における問題を克服できる方法である。即ち、本発明に係る実施例１における接続構造は、金属薄板の材料のバネ性を用いて、その弾性力により圧接接続する構造であるため、固体電解質電極板と金属薄板との間に熱膨張率の違いがあったとしても、接続部分が接触したまま摺動し、滑る構造である。この結果、実施例１の燃料電池における接続構造は、熱膨張差を克服できるため、長期間安定した接続状態を保証できる信頼性の高い装置となる。
【００８２】
本発明に用いたバリウム−セリウム−ガドリニウム系酸化物或いはバリウム−セリウム−ガドリニウム−ジルコニウム系酸化物或いはバリウム−セリウム−ガドリニウム−アルミニウム系酸化物の固体電解質基板は、駆動する温度が５００℃以下であるため、本発明に係る実施例１において用いた接続構造、即ち金属のバネ性を利用する接続方式が適用できる。酸化ジルコニウム系酸化物の固体電解質基板は、８００℃以上の温度で駆動されるため、その温度領域でバネ性を示す金属材料を用いることにより本発明に係る実施例１の接続方式が適用できる。
また実施例１において示した接続方式は、前述の特徴以外に挟着電極金属板の圧接部分が移動可能な構造であるため、組立時や使用する材料間での熱膨張係数の違いにより生じる、ねじれや反り、或いは圧縮、或いは引っ張り等のストレスが固体電解質電極板に加わるのを接触部分の滑りにより緩和できる構造である。したがって、本発明の接続方式は、薄い板厚の固体電解質電極板でも破損することなく使用できるという大きな特徴を有している。
【００８３】
上記の実施例１の燃料電池においては、固体電解質電極板の隣接する２辺に挟着電極金属板を接続して単電池を構成する電極接続構造について説明した。実施例１の電極接続構造は本発明の一例であり、本発明はこの構造に限定されるものではない。例えば、固体電解質電極板の１辺に挟着電極金属板を接続して単電池を構成する電極接続構造も可能である。
【００８４】
次に、実施例１において単電池１とセパレータ６，７の間で、ガス分離・分配板４，５の中央部分に形成された開口内に配置される多孔質体の別の形状について図６及び図７を用いて説明する。図６及び図７は、実施例１の燃料電池における多孔質体を別の形状により構成した単電池の構成を示す分解斜視図である。
【００８５】
実施例１においては、前述の図１に示したように、単電池１とセパレータ６，７の間に配置された多孔質体２，３は矩形平板状の形状を有しており単電池１の表面の電極膜にガスを流す機能を有している。図６に示した多孔質体６７ａ，６７ｂは、図１の矩形状の多孔質体２，３とは異なり角柱状の複数個の棒体を適当な間隔を有して取り付けた構造である。単電池１の上下両側に設けた多孔質体６７ａ，６７ｂは、その棒体の長手方向が９０゜異なった方向に配置されている。このように多孔質体６７ａ，６７ｂが複数の棒体を適当な間隔を有して取り付けた構造であり、ガスの流れる方向と平行な間隙が形成されているため、ガス流の抵抗を少なくすることができる。複数個の棒体で構成された多孔質体６７ａ，６７ｂの全体の専有部分のサイズは、図１に示した矩形形状の多孔質体２，３と同様に、固体電解質電極板１３の挟着電極金属板１１，１２で囲まれた空間より少し小さい面積を有するサイズが好適である。
図６に示した多孔質体６７ａ，６７ｂが単電池間の導電体の機能を持たせる場合には図１の矩形形状が最適であるが、本発明の燃料電池では固体電解質電極板１３の振動や衝撃による破損を防止するのが主目的であるため、固体電解質基板１３の電極面全面に配設する必要がない。したがって、本発明においては、図６に示した間隔を有して配置した角柱状の多孔質体６７ａ，６７ｂでも何ら問題なく適用することができる。
【００８６】
図７は更に別の形状を有する多孔質体を用いた単電池の構成を示す分解斜視図である。図７の多孔質体６８ａ，６８ｂは、電極面と平行な断面が実質的な円である円柱形状を有しており、このような円柱形状の多孔質体を複数個用いた例である。本発明においては、多孔質体も図６の角柱形状の多孔質体６７ａ，６７ｂと同様に、固体電解質電極板１３の振動、衝撃による破壊を防止するのが主たる目的である。したがって、図７に示した円柱形状の多孔質体６７ａ，６７ｂでも十分役目を果たすことが可能である。
【００８７】
図６と図７に示した多孔質体６７ａ，６７ｂ及び６８ａ，６８ｂの厚みは、燃料電池として積層したときセパレータ６，７と単電池１の固体電解質電極板１３との隙間より少し大きなサイズのものを用いている。その材質は、電気伝導体或いは絶縁体でもよく、導電体としては、例えば三菱マテリアル（株）の発泡金属材やニッケルファイバーの不織布等、絶縁体としては三菱マテリアル（株）のジルコニア発泡体や無機セラミックス繊維を用いた多孔質体等が適用できる。その気孔率としては５０％以上が好ましい。
【００８８】
次に、上記のように構成された一つの単電池を有する基本構成体である単セルを積層した燃料電池の基本構造の一例を図８を用いて説明する。図８は３つの単セル９７，９８，９９を積層した基本構造を示す分解斜視図である。
図８に示す燃料電池は、基本構成体である単セル９７，９８，９９が３層積層されており、各単セル９７，９８，９９が直列に接続されている。基本構成体である各単セル９７，９８，９９において、単電池７４ａ，７４ｂ，７４ｃの表裏の電極膜と挟着電極金属板との接続状態は、前述の図４及び図５に示したように電気的に接続されている。各基本構成体における単電池７４ａ，７４ｂ，７４ｃの上面の電極膜の位置は、単セル９７においては左側の挟着電極金属板９２側に変位し、単セル９８では反対に右側の挟着電極金属板９３側に変位し、単セル９９では左側の挟着電極金属板９６側に変位している。各単セル９７，９８，９９において、上側の電極膜は変位した側の挟着電極金属板９２，９３，９６に電気的に接続している。
【００８９】
一方、基本構成体である単セル９７，９８，９９の単電池７４ａ，７４ｂ，７４ｃの下面の電極膜の位置は、前記上面の電極膜の位置とは反対側に変位して形成されている。すなわち、単電池７４ａ，７４ｂ，７４ｃの下面の電極膜の位置は、単セル９７においては右側の挟着電極金属板９１側に変位し、単セル９８においては左側の挟着電極金属板９４側に変位し、単セル９９においては右側の挟着電極金属板９５側に変位している。この結果、単電池７４ａ，７４ｂ，７４ｃの下面の電極膜は、それぞれ変位した側の挟着電極金属板９１，９４，９５に接続されている。即ち、各単電池７４ａ，７４ｂ，７４ｃごとに上面の電極膜と下面の電極膜が各隣接層ごとに反対側に変位している。
【００９０】
図８において、符号７６，７７，７８，７９は他の部材を介して隣接する単電池７４ａ，７４ｂ，７４ｃの挟着電極金属板を電気的に接続するための棒状電気伝導体を示している。単電池７４ａ，７４ｂ，７４ｃの上面側の電極膜を酸素電極膜とすると、棒状電気伝導体７６の下端部は単電池７４ａの上面の酸素電極膜に接続されている。単電池７４ａの下面の燃料電極膜は棒状電気伝導体７７の上端部に接続されており、この棒状電気伝導体７７の下端部はその下側に配置された単電池７４ｂの酸素電極膜に接続されている。単電池７４ｂの下面の燃料電極膜は棒状電気伝導体７８の上端部に接続され、この棒状電気伝導体７８の下端部はその下側に配置された単電池７４ｃの酸素電極膜に接続されている。そして単電池７４ｃの下面の燃料電極膜は棒状電気伝導体７９の上端部に接続されている。即ち、図８に示した積層構造の各単電池においては、その上面の電極膜が全て酸素電極膜であり、下面の電極膜が燃料電極膜になるように構成されている。
【００９１】
上記のように、図８に示した単セル９７，９８，９９の積層構造においては、各単電池が直列に接続される構成である。棒状電気伝導体７６，７７，７８，７９は、剛直な剛性の高い金属棒状体であり、且つ全長にわたってネジ部を有するものが好適である。これらの棒状電気伝導体７６，７７，７８，７９は各挟着電極金属板の周辺部に形成された開孔部に挿入されて、挟着手段であるナットを締め付けることにより当該挟着電極金属板を締め付け固定して電気的接続するものである。このようなネジ部を有する棒状電気伝導体７６，７７，７８，７９の金属材料としては、高温の空気雰囲気中において耐酸化性に優れ、熱膨張係数がガス分離・分配板、セパレータ、及びガス分離・分配・保温板と同等或いは近似した材料が好適である。なお、ガス分離・分配・保温板とは、燃料電池の積層構造における上下端部に積層され、給排気されるガスの導入排出口を有し、燃料電池積層体の保温板として機能している。
【００９２】
棒状電気伝導体７６，７７，７８，７９の金属材料としては、具体的には熱膨張係数が４×１０−６〜２０×１０−６、より好適には８×１０−６〜１５×１０−６の範囲内の材料である。この範囲内にあれば各単電池の挟着電極金属板を接続して問題なく駆動可能である。このような条件にあう金属材料としては、鉄合金、ニッケル合金、コバルト合金、ニッケル−コバルト合金或いはステンレス鋼等が適用できる。
なお、図８において、符号７１ａ，７１ｂ，７１ｃ，７１ｄは各燃料電池の最小構成単位間の空気と燃料ガスの分離のためのセパレータである。また、符号７３ａ，７３ｂ，７３ｃ，７３ｄ，７３ｅ，７３ｆは各単電池の両側に配設された矩形形状の多孔質体である。
【００９３】
図８に示した実施例１の燃料電池においては、他の部材を介して隣接する単電池の対向する電極膜が酸素電極膜と燃料電極膜に配置されている。また、固体電解質電極板における上面の電極膜のパターン位置は、単電池ごとに交互に逆の方向に変位して配設されている。さらに、各固体電解質電極板における上面と下面の電極膜の位置は、それぞれが逆の方向に変位して配設されている。
図８に示したように、複数の単電池を積層した構造において、第１の単電池における一方の極の挟着電極金属板を他の部材を介して隣接する次の第２の単電池における一方の極の挟着電極金属板に接続し、第２の単電池における他方の極の挟着電極金属板をさらに他の部材を介して隣接する次の第３の単電池における一方の極の挟着電極金属板に接続していくことにより、積層された複数の単電池を直列に接続した燃料電池の積層構成体が形成できる。
【００９４】
次に、図８を用いて単電池の積層構成体におけるガスの流れについて説明する。
単電池の上面側の電極膜が酸素電極膜とすると、図８では矢印８１ａ（in）と矢印８１ｂ（out）が酸化剤ガスである空気の流れを示し、矢印８２ａ（in）と矢印８２ｂ（out）が燃料ガスの流れを示している。
図８においては符号７２ａ，７５ａ，７２ｂ，７５ｂ，７２ｃ，７５ｃがガス分離・分配板であり、これらのガス分離・分配板７２ａ，７５ａ，７２ｂ，７５ｂ，７２ｃ，７５ｃは、空気を各単電池７４ａ，７４ｂ，７４ｃの上面側の電極膜に流し（矢印８３ａ，８３ｂ，８３ｃの方向）、燃料ガスを各単電池の下面側の電極膜に流し（矢印８４ａ，８４ｂ，８４ｃの方向）、それぞれが混合されることなく分配されて流れるように構成されている。空気流と燃料ガス流はお互いに９０゜異なった方向（直角方向）で各電極膜面に対して接触しながら流入している。また、各単電池７４ａ，７４ｂ，７４ｃにおける同じ電極膜においては同じ方向（並列状態）に流入している。このような積層構成体において、空気或いは燃料ガスの流入方向と排出方向は同じ方向でも或いは互いに反対方向でも燃料電池の性能に影響を与えるものではなく、いずれの方向でも選択可能である。
【００９５】
図９は図８の積層構成体を組み立てたときの図であり、図８のIV−IV線による断面図である。図９の断面図において、各単電池７４ａ，７４ｂ，７４ｃにおける固体電解質電極板の電極膜の配置を明確に示している。積層された単電池７４ａ，７４ｂ，７４ｃにおいて、単電池７４ａの上面の電極膜は左側の挟着電極金属板９２に接続されている。その下側に配置された単電池７４ｂの上面の電極膜は右側の挟着電極金属板９３に接続されている。さらにその下側に配置された単電池７４ｃの上面の電極膜は左側の挟着電極金属板９６に接続されている。上記のように実施例１の燃料電池においては、各々の単電池７４ａ，７４ｂ，７４ｃの上面に形成された電極膜の位置が互い違いになるように配設されている。また、各々の単電池７４ａ，７４ｂ，７４ｃの下面に形成された電極膜は、上面の電極膜とは逆の方向に変位した位置に形成されており、それぞれが互い違いの異なる位置に形成されて該当する挟着電極金属板に接続されている。このように各々の単電池７４ａ，７４ｂ，７４ｃにおいては、固体電解質電極板の上面の電極膜と下面の電極膜に異なる挟着電極金属板が接続されている。
上記のように電極膜と挟着電極金属板とを接続することにより、隣接する単電池７４ａ，７４ｂ，７４ｃ間で酸素電極膜−燃料電極膜−酸素電極膜−・・・と各電極膜を直列に接続した燃料電池が構成されている。図９においては、第１ライン７６−単電池７４ａ−第２ライン７７−単電池７４ｂ−第３ライン７８−単電池７４ｃ−第４ライン７９の順に接続されている。
また、実施例１の燃料電池において、前述のように、ガス流は固体電解質電極板の上面の電極膜には同じガスが流れ、下面の電極膜には別のガスが流れている。
【００９６】
図１０は前述の図８に示した積層構成体を組み立てたときの斜視図である。図１０において、図８における積層構成体を燃料電池積層体１２１として示している。この燃料電池積層体１２１の上下両側にはガス分離・分配・保温板１２２，１２３が設けられており、さらにその両側の最外層にガス供給用開孔及びガス排気用開孔を有する金属板１２４ａ，１２４ｂがそれぞれ積層されている。
ガス分離・分配・保温板１２２，１２３は燃料電池積層体１２１の保温板としても機能している。ガス分離・分配・保温板１２２にはガスを供給するガス供給用開口１２５ｂとそれに対向する反対の位置にガスを排気するガス排気用開口１２５ａを有している。ガス排気用開口１２５ａとガス供給用開口１２５ｂは、燃料電池積層体１２１におけるガス給排用開口部と同じ位置に形成されている。下側に配置されたガス分離・分配・保温板１２３には、図１０には示していないが、上側のガス分離・分配・保温板１２２のガス排気用開口１２５ａとガス供給用開口１２５ｂの位置と９０゜回転した位置、すなわち他の対向する２辺の近傍の位置に別のガスが給排気される開口が形成されている。
【００９７】
したがって、図１０に示すガス流８１ａは上側の金属板１２４ａのガス供給用開孔より流入し、ガス供給用開口１２５ｂを通って下側のガス分離・分配・保温板１２３によりせき止められて曲がり、反対側のガス分離・分配・保温板１２２のガス排気用開口１２５ａを通って、上側の金属板１２４ａのガス排気用開孔からガス流８１ｂとして排出される。
一方、別のガス流８２ａは下側の金属板１２４ｂのガス供給用開口より上側に向かって流入し、上側のガス分離・分配・保温板１２２によりせき止められて曲がり、下向きに流れて排出されている。
図１０に示した金属板１２４ａ，１２４ｂは剛直な剛性の高い金属材料であり、その四隅部分に欠落部１２６が形成されている。これらの欠落部１２６は燃料電池積層体１２１の内部の挟着電極金属板を連結する棒状電気導電体であるビスの端部が突出する部分であり、ビスが金属板１２４ａ，１２４ｂと電気的に短絡しないように形成されている。
【００９８】
図１１は図１０に示した積層構成体の完成斜視図である。積層構成体の上下両側の最外層には、ガスを個別に供給、排気するガス供給用開口とガス排気用開口を有する金属板１２４ａ，１２４ｂが設けられている。燃料電池積層体１２１とその両側のガス分離・分配・保温板１２２，１２３とは、複数のビス１３４により上下両側の金属板１２４ａ，１２４ｂで上下方向から締め付けて、積層構成体内のガス流路が密封され、燃料電池が形成されている。
上記のように構成された積層構成体において各単電池の挟着電極金属板を電気的に直列に接続した棒状電気導電体は、積層構成体から突設されている。これらの突設された棒状電気導電体１３１ａ，１３１ｂには端子１３２ａ，１３２ｂが出力端子としてそれぞれに接続されている。
上記のように、積層構成体は金属製の複数のビス１３４により両側の金属板１２４ａ，１２４ｂを締め付けることにより、各層間からのガス漏れを防止することができる。なお、より完璧をきすためには、各層間に耐熱性で柔軟性のあるガスケット用薄板を配置することにより、その積層構成体の各層間からのガス漏れは完全に防止することが可能となる。
【００９９】
以上のように、本発明に係る実施例１の燃料電池は、矩形平板状の固体電解質基板の両面に形成した異なる電極膜が異なる位置で、お互いに反転した位置に形成されている。各固体電解質電極板には２組の挟着電極金属板が取り付けられており、各挟着電極金属板は固体電解質電極板を挟む２枚の金属薄板より構成されている。固体電解質電極板に形成された電極膜は、１組の挟着電極金属板である２枚の金属薄板により挟み込まれ、一方の電極膜にのみ金属薄板の先端部が電気的に接続するよう構成されている。他方の電極膜には別の挟着電極金属板の金属薄板の先端部が電気的に接続するよう構成されている。このように、実施例１の燃料電池は、上記のように特殊な構造により固体電解質電極板の電極膜に挟着電極金属板を接続させた構造であり、このような接続構造により固体電解質電極板と実質的に同一平面内で表裏両面の異なる電極膜に電気的に独立して挟着電極金属板が接続されている。
【０１００】
また、本発明に係る実施例１の燃料電池においては、積層した単電池の挟着電極金属板を棒状電気伝導体により電気的に接続しているため、従来の燃料電池のようにセパレータに導電性材料を使う必要がない。
さらに、本発明に係る実施例１の燃料電池においては、複数の単セルの積層構成体をその両側から剛直で剛性の高い金属板を用いビスにより締め付けて、積層構成体内のガス流路を気密封止状態としている。実施例１においては、挟着電極金属板を設けた単電池が可能となった結果、ガス分離・分配板やセパレータの材料にマイカ板等の絶縁性材料を用いることができ、ビスによる締め付けにより破損しない材料が使用できる。この結果、本発明の実施例１によれば、機械的締め付けのみの構成で気密が保てる内部マニホールド型の燃料電池を実現することができる。本発明の実施例１において、固体電解質電極板に設けた挟着電極金属板に電気導電体を電気的に接続して電力をとる構成にした結果、従来の燃料電池において導電性多孔質板を用いていたが、本発明の燃料電池では電気的絶縁性材料でも使えるようになり材料の選択範囲が広がり性能の向上とコストダウンを実現することができる。
【０１０１】
《実施例２》
以下、本発明に係る実施例２の燃料電池について図１２及び図１３を用いて説明する。図１２は３つの単セル１６１，１６２，１６３により構成された燃料電池の基本構成を示す分解斜視図である。図１３は図１２に示した３つの単セル１６１，１６２，１６３を積層した状態の燃料電池をＶ−Ｖ線により切断した断面図である。実施例２の燃料電池は各単セル１６１，１６２，１６３を並列に接続した構成である。
【０１０２】
実施例２の燃料電池において、各単セル１６１，１６２，１６３は、前述の図１の実施例１に示した構成と同じであり、単電池１４１，１４２，１４３の両側に多孔質体７３ａ，７３ｂ，７３ｃ，７３ｄ，７３ｅ，７３ｆ、ガス分離・分配板７２ａ，７５ａ，７２ｂ，７５ｂ，７２ｃ，７５ｃ及びセパレータ７１ａ，７１ｂ，７１ｃ，７１ｄがそれぞれ配設されている。図１２及び図１３に示すように、実施例２の燃料電池における単セル１６１の単電池１４１の両側にガス分離・分配板７２ａ，７５ａが配設されており、単セル１６２の単電池１４２の両側にガス分離・分配板７２ｂ，７５ｂが配設されており、単セル１６３の単電池１４２の両側にガス分離・分配板７２ｂ，７５ｂが配設されている。これらのガス分離・分配板７２ａ，７５ａと、７２ｂ，７５ｂと、７２ｃ，７５ｃのそれぞれの形状及び配置状態は、前述の実施例１において示した図８及び図９のガス分離・分配板と同じである。
【０１０３】
実施例２の燃料電池は、前述の実施例１と同様に、各単電池１４１，１４２，１４３の両面に形成されたそれぞれの固体電解質電極板に異なったガスが直交する方向に流れるよう構成されている。なお、実施例２の燃料電池におけるセパレータ７１ａ，７１ｂ，７１ｃ，７１ｄ及び多孔質体７３ａ，７３ｂ，７３ｃ，７３ｄ，７３ｅ，７３ｆは、図８及び図９で説明したものと同じ機能、構成を有するためその詳細な説明は省略する。
実施例２の燃料電池において、前述の実施例１の図８及び図９に示した燃料電池と異なる点は固体電解質電極板の両面に形成した電極膜の位置と、各単電池１４１，１４２，１４３に対する電気的接続方法である。
【０１０４】
図１２及び図１３に示すように、各単電池１４１，１４２，１４３の上面の電極膜の位置は、全て左側に偏っており、これらの電極膜は左側の挟着電極金属板１４５，１４７，１４９に電気的に接続されている。一方、図面には示されていないが下面の電極膜は全て右側に偏っており、これらの電極膜は全て右側の挟着電極金属板１４４，１４６，１４８に電気的に接続されている。このように構成された左側の挟着電極金属板１４５，１４７，１４９及び右側の挟着電極金属板１４４，１４６，１４８には、開孔部がそれぞれの四隅近傍に形成されて直線上に配置されている。左側の挟着電極金属板１４５，１４７，１４９の開孔部には垂直方向に延設された電気伝導性材料の棒状電気伝導体１５６が挿入されそれぞれを電気的に接続している。また、右側の挟着電極金属板１４４，１４６，１４８の開孔部には垂直方向に延設された電気伝導性材料の棒状電気伝導体１５５が挿入されそれぞれを電気的に接続している。このように棒状電気伝導体１５５，１５６により各単電池１４１，１４２，１４３を接続することにより各単電池は並列接続となる。
【０１０５】
図１２に示した実施例２の燃料電池において、各固体電解質電極板の両面に流れるそれぞれのガス流は、前述の図８及び図９に示した燃料電池の場合と同じように直角方向に流れている。したがって、実施例２の燃料電池と実施例１の燃料電池との違いは、各単電池の接続構造が直列か並列かの違いのみである。
上記のように、本発明の燃料電池においては各単電池を挟着電極金属板を用いて電気的に接続する方式を用いているため、固体電解質電極板の両面に形成する電極膜の位置を変更することにより、容易に直列構造の燃料電池と並列構造の燃料電池を実現することができる。
【０１０６】
なお、実施例２の燃料電池における単セル１６１，１６２，１６３が積層された積層構成体の両側には、前述の実施例１（図１０）で説明したように、ガス分離・分配・保温板及びさらにその外側にガス給排用開口を有する金属板が配設されている。金属板により燃料電池の積層構成体をビスにより締め付け固定する構成及び棒状金属導電体により外部リードに接続する構造は、前述の実施例１の構成と同じであるためその説明は省略する。
【０１０７】
本発明に係る実施例２の燃料電池によれば、簡単な構成により並列接続の燃料電池を構築することが可能である。直列接続は燃料電池全体として高電圧を得るのに適しており、並列接続は低電圧ではあるが容量の大きな燃料電池を構築するのに適している。本発明においては、並列接続と直列接続の２つの接続構造を混成させることも可能であり、一つの燃料電池内に直列接続の部分と並列接続の部分を混在させた燃料電池を構築することも可能である。このような２つの接続構造を混在させることは従来の燃料電池において不可能な構造であった。
【０１０８】
《実施例３》
以下、本発明に係る実施例３の燃料電池について図１４及び図１５を用いて説明する。図１４は実施例３の燃料電池の基本構成を示す分解斜視図である。図１５は図１４の燃料電池の各層を積層した状態におけるVI−VI線による断面図である。なお、図１４及び図１５において、前述の実施例２と同じ機能、構成を有するものには同じ符号を付し、その説明を省略する。
【０１０９】
実施例１及び実施例２の燃料電池においてはセパレータを用いて各単セルを区分する構成であった。実施例３においてはセパレータを用いない構成の燃料電池を示す。実施例３において、単電池１８１，１８２，１８３の各構成は前述の実施例１において図４に示した単電池１と同じ構成である。
図１４及び図１５に示すように、各単電池１８１，１８２，１８３における固体電解質電極板の上面に形成された全ての電極膜の位置は、固体電解質電極板に対して同じ方向（図１４においては左側）に偏って形成されている。一方、固体電解質電極板の下面に形成された全ての電極膜の位置は、上面の電極膜とは逆の方向（図１４においては右側）に偏った位置、即ち上面の電極膜の位置が反転した位置に形成されている。
【０１１０】
各単電池１８１，１８２，１８３における電極膜と挟着電極金属板との接続状態は、図１５に示したように、上面の電極膜は左側の挟着電極金属板１８５，１８７，１８９の上側の金属薄板に接続されており、単電池１８１，１８２，１８３の下面の電極膜は右側の挟着電極金属板１８４，１８６，１８８の下側の金属薄板に接続されている。
上記のように各電極膜と接続されたそれぞれの挟着電極金属板には棒状電気導電体１９７，１９８，１９９，２００が順に接続されており、３つの単電池１８１，１８２，１８３は直列状態に接続されている。
【０１１１】
実施例３において、単電池１８１の下側の面と単電池１８２の上側の面には同じ種類の第１のガス（例えば燃料ガス）が流れ、単電池１８２の下側の面と単電池１８３の上側の面には前記第１のガスと異なる第２のガス（例えば空気）が流れるよう構成されている。前記第１のガスと前記第２のガスとはその流れ方向が９０゜異なる方向、すなわち直交する方向に流れている。実施例３の燃料電池においては、積層した単電池１８１，１８２，１８３における対向した電極膜は同じ極になるように配設されている。
実施例３においては、燃料電池を前記のような積層構成体とすることにより、各単電池１８１，１８２，１８３の固体電解質基板がセパレータの機能を果たすため、セパレータが不要となり、セパレータレスの燃料電池を構築することができる。
なお、実施例３の燃料電池における単電池１８１，１８２，１８３が積層された積層構成体の両側には、前述の実施例１（図１０）で説明したように、ガス分離・分配・保温板１９３，１９４及びさらにその外側にガス給排用開孔を有する金属板が配設されている。金属板により燃料電池の積層構成体をビスにより締め付け固定する構成及び棒状金属導電体により外部リードに接続する構造は、前述の実施例１の構成と同じであるためその説明は省略する。
【０１１２】
次に、図１４を用いて実施例３の積層構成体におけるガスの流れについて説明する。
単電池１８１の上面側の電極膜を酸素電極膜とすると、図１４では矢印１９６ａ（in）と矢印１９６ｂ（out）が酸化剤ガスである空気の流れを示し、矢印１９５ａ（in）と矢印１９５ｂ（out）が燃料ガスの流れを示している。
図１４においては符号７２ａ，７５ａ，７２ｂ，７５ｂがガス分離・分配板であり、これらのガス分離・分配板７２ａ，７５ａ，７２ｂ，７５ｂは、空気を単電池１８１，１８３の上面側の電極膜に流し（矢印１９２ａ，１９２ｂの方向）、燃料ガスを単電池１８１，１８３の下面側の電極膜に流し（矢印１９１ａ，１９１ｂの方向）、それぞれのガスを分配して流すよう形成されている。空気流と燃料ガス流はお互いに９０゜異なった角度で各電極膜面に対して接触しながら流れており、各単電池の同じ電極膜においては同じ方向で流れている。このような積層構成体において、空気或いは燃料ガスの流入方向と排出方向は同じ方向でも或いは互いに反対方向でも燃料電池の性能に影響を与えるものではなく、いずれの方向でも選択可能である。
【０１１３】
図１４及び図１５から理解できるように、実施例３において、棒状電気導電体１９７，１９８，１９９，２００により各単電池１８１，１８２，１８３を接続することにより、単電池１８１，１８２，１８３は直列状態に接続されている。例えば、単電池１８１の上面の電極膜を酸素電極膜とすると、単電池１８１の下面の燃料電極膜に接続された挟着電極金属板１８４は、単電池１８２の下側の酸素電極膜に接続された挟着電極金属板１８６に接続されており、単電池１８２の上面の燃料電極膜に接続された挟着電極金属板１８７は、単電池１８３の上面の酸素電極膜に接続された挟着電極金属板１８９に接続されている。このように、酸素電極膜と燃料電極膜が順次交互に接続されることにより、実施例３の燃料電池における単電池１８１，１８２，１８３は直列状態に接続された構成となる。
【０１１４】
本発明に係る実施例３の燃料電池においては、固体電解質電極板の両面に形成された電極膜の位置と、電極膜と挟着電極金属板との接続関係を変更することにより、前述の実施例におけるセパレータの機能を各単電池の固体電解質基板が機能するよう構成されている。したがって、実施例３の構成によれば、セパレータレスの積層構成体を有する燃料電池を実現することができる。実施例３によれば、同じ容量で薄型の燃料電池を作製することが可能となり、材料費の削減を達成することができる。さらに、実施例３によれば、前述の実施例に比べて使用部品としてのセパレータが不要となるため、気密性の確保がさらに容易となり信頼性の高い燃料電池を実現できる。
【０１１５】
《実施例４》
以下、本発明に係る実施例４の燃料電池について図１６から図１９を用いて説明する。図１６は実施例４の燃料電池における単電池２３０の構成を示す斜視図である。図１７は図１６の単電池のＸ−Ｘ線による断面図である。
実施例４の燃料電池の積層構成体は、一つの単電池が複数個の固体電解質電極板を有し、複数の単電池を積層して構成されたものである。
図１６に示すように、実施例４の燃料電池における単電池２３０は、２枚の固体電解質電極板２３１，２３２が１組のＴ字型挟着電極金属板２３５と２組のＬ字型挟着電極金属板２３３，２３４により構成されている。
図１７に示すように、単電池２３０における右側の固体電解質基板３１ａの上面の電極膜２６３は左側に偏って形成されており、左側の固体電解質基板３１ｂの上面の電極膜２６１は右側に偏って形成されている。２つの電極膜２６１，２６３は、Ｔ字型挟着電極金属板２３５における上側の金属薄板２３８の段差部２３８ａ，２３８ｂ，２３８ｃ，２３８ｄ（図１６参照）にそれぞれ接続されており同じ極となっている。
【０１１６】
一方、右側の固体電解質基板３１ａの下面の電極膜２６４は、右側に偏って形成されており、Ｌ字型挟着電極金属板２３３における下側の金属薄板２６８に接続されている。左側の固体電解質基板３１ｂの電極膜２６２は、左側に偏って形成されており、Ｌ字型挟着電極金属板２３４における下側の金属薄板２６５に接続されいる。このように、２つの電極膜２６２，２６４は同じ極となるよう接続されている。
図１６に示すように、Ｌ字型挟着電極金属板２３３，２３４とＴ字型挟着電極金属板２３５は、それぞれの間に隙間２４４ａ，２４４ｂ，２４５ａ，２４５ｂ形成されており、電気的に絶縁されている。
【０１１７】
なお、図１６に示した符号２５２ａ，２５２ｂ，２５２ｃ，２５２ｄ，２５２ｅ，２５２ｆ，２５２ｇ，２５２ｈの領域は、単電池２３０における固体電解質電極板２３１，２３２のそれぞれにおける上下両面間のガスの気密性を確保するための封止材を形成した部分である。すなわち、これらの部分には、単電池の表と裏の間を行き来するガス流の発生を防止するために耐熱性無機系接着剤を塗布して硬化させている。この耐熱性無機系接着剤の具体例については、前述の実施例１において詳細に説明したのでここでは省略する。
Ｌ字型挟着電極金属板２３３，２３４及びＴ字型挟着電極金属板２３５には独立した複数の細長い開口部が形成されている。単電池２３０の対向する長辺側部分に形成された開口部２４２ａ，２４２ｂ，２４３ａ，２４３ｂには同じ種類のガス（例えば空気）が流れるよう構成されている。一方、単電池２３０の対向する短辺側部分に形成された開口部２４１ａ，２４１ｂと，単電池２３０の中央部分に形成された開口部２４６には別の種類のガス（例えば燃料ガス）がそれぞれ流れるよう構成されている。
【０１１８】
２つのＬ字型挟着電極金属板２３３，２３４は同じ極となるよう構成されており、Ｌ字型挟着電極金属板２３３，２３４の隅部に形成した開孔部２５１ａ，２５１ｂには棒状電気導電体が挿入接続され、積層されている他のＬ字型挟着電極金属板と電気的に同極となるよう構成されている。Ｔ字型挟着電極金属板２３５に設けられている開孔部２４７にはＬ字型挟着電極金属板２３３，２３４と別な極となるよう、他の棒状電気導電体が挿入されて接続され、積層されている他のＴ字型挟着電極金属板と電気的に同極となるよう構成されている。
【０１１９】
図１８は図１６及び図１７に示した単電池２３０を用いた最小単位の単セルの構成を示す分解斜視図である。
図１８に示すように、単電池２３０の上下両側には矩形状多孔質体２８４ａ、２８４ｂ，２８４ｃ，２８４ｄ、ガス分離・分配板２８２，２８３及びセパレータ２８１ａ，２８１ｂがそれぞれ積層されている。
単電池２３０の上側に配設された実質的に同一な矩形平板形状を有するガス分離・分配板２８２には、一方の種類のガスが流れる開口部２９１ａ，２９１ｂ，２９２が形成されている。開口部２９１ａ，２９１ｂは外周部分の短辺側の対向する位置に形成されており、開口部２９２は中央部分に形成されており、それぞれが独立して形成されている。実施例４においては開口部２９１ａ，２９１ｂ，２９２をそれぞれの位置に１個ずつ形成した例で示したが、燃料電池の形状や機能等に応じて複数形成しても良い。
【０１２０】
図１８に示すように、ガス分離・分配板２８２の外周部分の長辺側には４つの開口部２８７ａ，２８７ｂ，２８７ｃ，２８７ｄが形成されている。なお、図１８においては長辺側の開口部２８７ａに対向する位置にある開孔２８７ｂが隠れているため図面には記載しないが明細書においてはその開口部を２８７ｂとする。これらの開口部２８７ａ，２８７ｂ、２８７ｃ，２８７ｄは、単電池２３０の開口部２８５ａ，２８５ｂ，２８６ａ，２８６ｂに対応する位置に形成されており、ガス分離・分配板２８２の中央部に形成された大きな開口部分と連通するように形成されている。その結果、開口部２８７ａ，２８７ｂ，２８７ｃ，２８７ｄを通ったガス流は、単電池２３０の上面にある固体電解質電極板２３１，２３２の表面と接触する構造である。但し、ガス分離・分配板２８２において、それぞれの固体電解質電極板２３１，２３２の表面を流れるガス流は混合されないように、対向する開口、例えば開口部２８７ａと開口部２８７ｂとの間、及び開口部２８７ｃと開口部２８７ｄとの間でそれぞれ別々にガスの給排気が行われるよう構成されている。したがって、開口部２８７ａ，２８７ｂ，２８７ｃ，２８７ｄと別種のガスが流れる中央部分に形成された開口部２９２とは隔離されている。このため、単電池２３０の上側に積層されたガス分離・分配板２８２の４辺部分及び中央部分に２系統のガスが独立して流れる流路が形成されている。
【０１２１】
一方、単電池２３０の下側に積層されたガス分離・分配板２８３においては、ガス流の方向が上側のガス分離・分配板２８２と９０゜異なっている。上側のガス分離・分配板２８２の中央部分にある独立した開口部２９２の直下となる下側のガス分離・分配板２８３には大きな開口部が形成されている。上側のガス分離・分配板２８２の短辺側にある独立した開口部２９１ａ，２９１ｂに対応する位置、すなわち垂線上の同一位置にある開口部２９３ａ，２９３ｂは、中央部分の大きな開口部と連通している。このため、下側のガス分離・分配板２８３においては、ガス流が両側の開口部２９３ａ，２９３ｂから流入し、単電池２３０の中央部分に形成された独立した開口部２４６から排出されるよう構成されている。このように下側のガス分離・分配板２８３において流れるガスは、単電池２３０の上側のガス分離・分配板２８２を流れて電極膜に接触するガスとは異なる別のガスであり、それぞれの流れる方向は９０゜異なっている。
下側のガス分離・分配板２８３における開口部２９３ａ，２９３ｂとは９０゜異なる辺側（長辺側）には別種のガスが流れる開口部２９４ａ，２９４ｂ（図示してない），２９４ｃ，２８４ｄがそれぞれ独立して形成されている。即ち、単電池２３０の上面又は下面の電極膜に接触した空気と燃料ガスは混合されることなく別々に供給、排気される構成であり、その方向は上下面で９０゜異なるように形成されている。なお、本発明の燃料電池においては、両ガスの供給及び排気の方向は、前記の説明のような構成に制限されるものではなく逆であっても何ら問題はない。
【０１２２】
図１８に示すように、上側のガス分離・分配板２８２の上方にはこのガス分離・分配板２８２と実質的に同一平面形状を有するセパレータ２８１ａが積層されている。また、下側のガス分離・分配板２８３の下方にはこのガス分離・分配板２８３と実質的に同一平面形状を有するセパレータ２８１ｂが積層されている。セパレータ２８１ａ，２８１ｂは、単電池２３０の両面を流れる異なるガスを分離する機能を有している。上側のセパレータ２８１ａには複数の開口部３０１ａ，３０１ｂ，３０１ｃ，３０１ｄ，３０２ａ，３０２ｂ，３０３が互いに独立して形成されている。下側のセパレータ２８１ｂには複数の開口部２９５ａ，２９５ｂ，２９６ａ，２９６ｂ，２９６ｃ，２９６ｄ，２９７が互いに独立して形成されている。
上記において説明した実施例４における単電池２３０，ガス分離・分配板２８２，２８３及びセパレータ２８１ａ，２８１ｂは、実質的に同一の平面形状を有しており、それぞれに形成された独立した開口部は、全て同じ形状で且つ同一垂線上に配置されるように形成されている。このような関係は本発明の燃料電池における全ての積層構成体に当てはまることである。
実施例４の燃料電池は、図１８に示した単電池２３０を有する単セルが複数積層されて積層構成体が構成されている。この積層構成体において上下に配置された複数の単電池には、図１８の単電池２３０の挟着電極金属板の外周部に形成された複数の開孔部３１１ａ，３１１ｂ，３１２と対応する位置、即ちこれらの開孔部３１１ａ，３１１ｂ，３１２の垂線上の位置に開孔部がそれぞれ形成されている。これらの対応する開孔部には棒状金属導電体、具体的にはネジ部を有する金属ビスが挿入接続されている。この金属ビスの導出端部が出力端子となり、実施例４の燃料電池が所定の電圧を出力するよう構成されている。
【０１２３】
図１９は図１８に示した単セルを３層積層した実施例４の燃料電池の斜視図である。図１９において単セルを３層積層した積層構成体３２１の両側にはガス分離・分配・保温板３２２，３２３が積層され、このガス分離・分配・保温板３２２，３２３の両角には前記棒状金属導電体が挿入される開孔部３３１ａ，３３１ｂが形成されており、これらの開孔部３３１ａ，３３１ｂの垂線上の下側の両角から導出した棒状金属導電体には一方の出力端子となる外部リード接続端子３２５，３２６が接続されている。上側のガス分離・分配・保温板３２２における長辺側の中央部分に形成された開孔部にも棒状金属導電体が挿入されており、この棒状金属導電体の上方への導出端部には他方の出力端子となる外部リード接続端子３２７が設けられている。
【０１２４】
上記のように構成された積層構成体３２１と、その両側のガス分離・分配・保温板３２２，３２３には、さらにその両側の最外層部分に、空気或いは燃料ガスの給排気用開口を有する剛性の高い金属板３２４ａ，３２４ｂが積層されている。このように積層構成体３２１とガス分離・分配・保温板３２２，３２３と金属板３２４ａ，３２４ｂとの積層体は、複数のビス３２８により締め付けられており、積層体の内部のガス流路が確実に密封された構造を有する燃料電池が構成されている。
【０１２５】
以上のように、本発明に係る実施例４の燃料電池は挟着電極金属板により各電極膜を接続する方式であるため、実質的な同一平面内に複数の固体電解質電極板を有する単電池を簡単に形成でき、その結果、単位容積当たりの出力の大きな燃料電池を実現することができる。
【０１２６】
《実施例５》
以下、本発明に係る実施例５の燃料電池について図２０を用いて説明する。図２０は実施例５の燃料電池における単電池３３３の構成を示す斜視図である。
実施例５は、従来の矩形平板状の固体電解質電極板を用いた内部マニホールド型の燃料電池と基本的に同じ構成の燃料電池に、本発明の挟着電極金属板による接続方式を適用したものである。
図２０において、単電池３３３の固体電解質電極板３３４の両面には酸素電極膜又は燃料電極膜が形成されている。但し、これらの電極膜は両方ともそのパターン位置がズレた位置ではなく中央部分に形成されている。したがって、固体電解質基板を挟んで取り付けられた２組の挟着電極金属板３３５，３３６は、いずれの電極膜とも接触しておらず、両面の電極膜とは電気的に絶縁状態を有している。
【０１２７】
単電池３３３の両側には導電性を有する矩形状の多孔質体２，３、電気的絶縁性を有するガス分離・分配板４，５、及び導電性を有するセパレータ６，７が積層されて単セルが構成されている。このように構成された積層構成体内において流れるガスは、前述の実施例１において説明したガス流と同一であるため、その説明は省略する。
上記のように構成された実施例５の燃料電池においては、単電池３３３で発生した出力を挟着電極金属板より取り出すのではなく、積層構成体の導電性の多孔質板から導電性のセパレータを通して取り出す方式であり、従来の燃料電池においてセパレータを介して出力を取る方式と同じとなる。
したがって、実施例５の燃料電池の構成によれば、前述の実施例のように２枚の金属薄板により固体電解質基板を挟み込み電極膜から挟着電極金属板を介して出力を取り出す方式を用いない従来の燃料電池における電気的接続方式にも何らの問題無く適用できる。
【０１２８】
上記実施例１〜５では実質的な正方形形状の固体電解質基板を用いた構造について説明したが、本発明はこの形状に限定されるものではなく、金属薄板による挟み込み接続方式が適用できる形状であれば、長方形の形状や多角形の形状の固体電解質基板にも問題なく適用できる。
また、実施例１〜５では固体電解質基板としてグリーンシート法で成型した基板について説明したが、本発明に係る基板構造は前記の製造方法に限定されるものではなく、例えば多孔質酸素電極板或いは多孔質燃料電極板の表面に、スクリーン印刷法や溶射法或いはスパッター法等で薄膜状に形成した固体電解質を有する構造の基板等にも適用できる。
【０１２９】
本発明に係る燃料電池は、挟着電極金属板による接続構造で矩形平板形状の固体電解質電極板を複数枚積層した内部マニホールド型の燃料電池であり、本発明における固体電解質電極板を用いた燃料電池は、比較的低い温度、約５００℃で作動する。
本発明において、ガス分離・分配板、ガス分離・分配・保温板或いはセパレータの材料としては、耐熱性があり電気的絶縁性があれば材料の種類を制限するものではない。例えばセラミックス材料については、酸素電極膜及び燃料電極膜の膜面付近の温度と外周部分の温度とに大きな温度差が生じるので、熱膨張係数の極端に大きい材料は材料内の温度差により破壊されるため使用できない。しかし、熱膨張係数が５×１０−６〜１５×１０−６の範囲内にある材料、例えば、ムライト（３Ａｌ２Ｏ３・２ＳｉＯ２）熱膨張係数；５×１０−６或いはステアタイト（ＭｇＯ・ＳｉＯ２）熱膨張係数；７〜９×１０−６或いは、フォルステライト（２ＭｇＯ・ＳｉＯ２）熱膨張係数；９〜１１×１０−６或いは、アルミナ（９２〜９６Ａｌ２Ｏ３）熱膨張係数；７〜８×１０−６或いは、マイカ材料、熱膨張係数；１０〜１２×１０−６或いは、その他のガラスやセラミックス材料で熱膨張係数が５〜１５×１０−６の範囲内の材料等が最適材料として使用できる。特に好ましくは、マイカ材料である。マイカ材料は、曲げ力に強く、耐熱性があり、電気絶縁性を有するので有効な材料である。
【０１３０】
また、出力を取り出すためのネジ切りした金属棒や締め付け用ナットは、高温酸化雰囲気中で使用されるので、耐酸化性の大きい材料に制限される。その材料としては、ステンレス鋼、ニッケル合金、コバルト合金、ニッケル−コバルト合金、鉄合金等が有効である。特に好ましくは、耐酸化性が良く熱膨張係数が小さい、ハステロイ、インコネル、インコロイ、インバー等のニッケル、コバルト系合金、ニッケル−コバルト合金等が有効である。また、高温酸化性雰囲気なので、金属棒やナットの表面に白金、金、銀、アルミニウム、ニッケル、パラジウム等の酸化されにくい材料を表面に被覆すると接続部の信頼性が極端に向上する。
【０１３１】
また、挟着電極金属板の金属薄板材料としては、高温酸化性雰囲気で使用可能であり、加えて高温状態でもバネ性、即ち酸素電極膜及び燃料電極膜を圧接する力が劣化しない材料が要求される。このような仕様に耐える金属材料としては、ニッケル合金、例えば三菱マテリアル（株）のハステロイＸ（Ｆｅ；１８％、Ｃｒ；２２％、Ｍｏ；９％，Ｎｉ；Balance）熱膨張係数；１４．７×１０−６、ＭＡ７５０（Ｆｅ；７％、Ｃｒ；１５％、Ａｌ；０．７％、Ｎｉ；Balance）熱膨張係数；１４×１０−６、ＭＡ２６３（Ｃｏ；２０％、Ｃｒ；２０％、Ｍｏ；５．９％、Ａｌ；０．５％）熱膨張係数；１３．３×１０−６など、別名インコネルといわれている材料或いは、コバルト合金、例えば三菱マテリアル（株）のヘインズアロイNo.２５（Ｎｉ；１０％、Ｃｒ；２０％、Ｗ；１５％、Ｃｏ；Balance）熱膨張係数；１３．９×１０−６等、鉄合金、例えば三菱マテリアル（株）のＭＡ８００Ｈ（Ｎｉ；３２．５％、Ｃｒ；２１％、Ａｌ；０．５％）熱膨張係数；１６．６×１０−６、ＭＡ１５５Ｎ（Ｎｉ；２０％、Ｃｏ；２０％、Ｃｒ；２１％、Ｍｏ；３％、Ｗ；２．５％）１５．６×１０−６等の材料或いは、ニッケル−コバルト合金、例えばインバー（別名；アンバー）材で４２インバー〔（Ｎｉ＋ｃｏ）；４１〜４３％、Ｍｏ；０．９〜１．３％、Ｆｅ；Balance〕熱膨張係数；４．５〜６×１０−６の低熱膨張係数の材料或いは、ステンレス鋼、例えばＳＵＳ３１０Ｓ（Ｎｉ；１９〜２２％、Ｃｒ；２４〜２６％、Ｆｅ；Balance）熱膨張係数；１６．９×１０−６（含有量は重量％、熱膨張係数は常温〜４００−５００℃）の材料が最適であった。即ち、各材料特有の熱処理条件で熱処理したとき、常温〜５００℃−６００℃でバネ性を有し、電気導電性で且つ前記の温度領域での熱膨張係数が、４×１０−６〜２０×１０−６の範囲内の材料であれば上記材料に制限するものではなく如何なる材料でも使用可能である。
【０１３２】
また、挟着電極金属板の金属薄板の板厚は、０．１ｍｍ〜０．５ｍｍの範囲内であり、好適には０．１５ｍｍ〜０．３ｍｍ範囲内である。この板厚が前記範囲以下だとバネ圧が小さすぎて電気的接触に不安定要素が生じ、反対に前記範囲より厚いとバネ圧が強すぎ２枚の金属薄板を固体電解質基板に溶接接合する時、固体電解質基板に与えるダメージが大きく、最悪の場合には破損することがある。
本発明者らは上記の好適な範囲内の金属薄板を用いることにより、固体電解質基板との熱膨張係数の違いによる材料の伸縮差を接触部分の滑りにより吸収できることを確認している。
【０１３３】
金属薄膜材料は高温時のバネ性を持たせるために、各材料特有の熱処理を行う必要がある。熱処理を行った金属薄膜材料としては、特に好ましくは、耐酸化性が良く熱膨張係数が固体電解質に近く、バネ性が高温でも劣化しにくい、ハステロイ、インコネル、インコロイ、インバー等のニッケル、コバルト系合金が有効である。また、高温酸化性雰囲気なので、金属板の表面の全面或いは一部の必要な部分に白金、金、銀、アルミニウム、ニッケル、パラジウム等の酸化されにくい材料で表面に被覆すると接続部の信頼性が極端に向上する。特に好ましくは金メッキが有効である。発明者らの実験によれば金メッキの場合のメッキ厚みは、０．５〜１．０μｍ程度で十分な酸化防止膜の機能を果たした。
【０１３４】
上記の各実施例の説明において、３枚の固体電解質電極板を積層する燃料電池について説明したが、本発明はの燃料電池は１枚でも或いは５枚以上でも適用できることは言うまでもない。
上記の各実施例の説明において、金属薄板により固体電解質電極板の隣接する２辺で接続する構造について説明したが、本発明は２辺に限定するものではなく１辺でも或いは金属線による接続も可能であり、その気密性を確保すれば直ちに実用化できる。
【０１３５】
上記の各実施例の説明において、挟着電極金属板の外周部の角部で電気的に接続する構造を説明したが、本発明は角部に制限されるものではなく、その他の部分でもガス流路となる開口部の位置を変更すれば直ちに実現できる。
上記の各実施例の説明において、固体電解質基板が水平状態に配置されることを前提に説明したが、本発明者らはその方向が如何なる方向でも何等問題無く使用できることを実験により確かめている。
また、上記の各実施例の説明において、酸素電極膜に流入する空気の給排路が密封したガス給排路構造で説明したが、本発明の燃料電池としては空気側がオープン構造でも可能である。
さらに、上記の各実施例の説明においては、燃料電池本体を主体に説明したが実際に使用する場合には、燃料電池本体に流入する供給ガスの高温化をはかるために熱交換器を接続したり、排出された燃料ガスにおける未使用の燃料ガスを燃焼させて熱エネルギーを取り出すための装置等を設けて併用することにより、さらに好ましい燃料電池となる。
【０１３６】
さらに、上記の各実施例の説明においては、ペロブスカイト型Ｂａ−Ｃｅ−Ｇｄ−Ｏ系酸化物、Ｂａ−Ｃｅ−Ｇｄ−Ｚｒ−Ｏ系酸化物或いはＢａ−Ｃｅ−Ｇｄ−Ａｌ−Ｏ系酸化物セラミックスの薄板状固体電解質を用いた燃料電池について説明してきたが、本発明は前記の組成にこだわるものではなくその他の組成の固体電解質にも問題なく適用できることは勿論のことである。即ち、本発明は固体電解質の駆動温度が、使用する金属薄板のバネ性を保持する限度内であれば、如何なる固体電解質を用いた燃料電池に適用できる。
【０１３７】
【発明の効果】
以上、実施例について詳細に説明したところから明らかなように、本発明は次の効果を有する。
本発明に係る燃料電池は、固体電解質基板の両面に形成した電極膜の端部近傍を金属薄板で両側から挟み込み、金属薄板の弾性力により圧接して電気的に接続する方式で構成されている。これにより、本発明によれば、駆動時の高温状態において材料間の熱膨張率の違いにより生じる伸縮差によるストレスを接触部のズレにより吸収でき、信頼性の高い燃料電池を提供できる。従来の燃料電池においては、導電性ペーストなどにより接合部分を強固に接続していたため、接合部分の材料間の熱膨張の差により伸縮が生じると、接合部分に亀裂が生じ断線するという問題があり、本発明においてはこの問題を解決して、信頼性の高い燃料電池を提供している。
【０１３８】
本発明に係る燃料電池は、固体電解質基板の両面に形成した酸素電極膜又は燃料電極膜が互いに反転した異なった位置に形成されており、この固体電解質基板には２組の挟着電極金属板が電気的に絶縁されて取り付けられている。一方の挟着電極金属板が酸素電極膜又は燃料電極膜の一方の電極膜に接続されており、他方の挟着電極金属板が燃料電極膜又は酸素電極膜の他方の電極膜に接続されている。一組の挟着電極金属板は２枚の金属薄板で構成され、一方の金属薄膜が一方の電極膜にのみ電気的に接続され、他方の金属薄膜が他方の電極膜に絶縁状態となるよう２枚の金属薄板が固体電解質基板に取り付けられている。即ち、本発明により、矩形平板状の固体電解質電極板と実質的に同一平面内において固体電解質電極板の両面の電極膜に外部接続用の挟着電極金属板を接続した新規な構造の燃料電池を実現した。したがって、本発明においては、挟着電極金属板の金属薄板の一部に形成した開孔に導電体を挿入して出力を取り出すよう構成されているので、多孔質体やセパレータを絶縁性材料で構成することが可能となり、材料選択の範囲が大幅に広がるという優れた効果を有する。本発明によれば、曲げ力が働いても破壊しない耐熱性のある材料を使用することが可能となり、振動や衝撃に強い信頼性の高い燃料電池を提供できる。
【０１３９】
また、本発明によれば、固体電解質電極板の電極膜に挟着電極金属板を電気的に接続するよう構成されているので、積層した単電池の直列接続や並列接続、或いは直列接続と並列接続が混在した構造等が簡単に構築することが可能となる。更に、本発明によれば、固体電解質電極板の電極膜に挟着電極金属板を電気的に接続するよう構成されているので、積層構成体における他の部材を介して隣接する単電池の対向する面の電極を同極に構成することにより、単電池自体がセパレータの機能を果たし、セパレータ不要の燃料電池が実現することが可能となる。
更に、本発明によれば、挟着電極金属板、ガス分離・分配板及びセパレータのそれぞれの外周部分に独立した２系統のガス給排路が形成されているため、各固体電解質電極板に対して酸化剤ガス（空気）及び燃料ガスを容易に且つ確実に供給できる内部マニホールド型の燃料電池を提供することができる。
【０１４０】
更に、本発明によれば、固体電解質基板に形成した電極膜に挟着電極金属板を電気的に接続するよう構成されており、動作温度が５００℃前後と低いためマイカ板のような抗折力に強い材料を固体電解質基板として使用することが可能となり、積層構成体の密封方式を両側に設けた剛性の高い金属板により締め付けることにより容易に実現できるため、低価格の燃料電池を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る実施例１における燃料電池用の単セルの構成を示す分解斜視図である。
【図２】本発明に係る実施例１における固体電解質電極板を示す斜視図である。
【図３】本発明に係る実施例１における挟着電極金属板を示す分解斜視図である。
【図４】本発明に係る実施例１における単電池を示す斜視図である。
【図５】図４のIII−III線による断面図である。
【図６】本発明に係る実施例１における別の形状の多孔質体を用いた単セルの構成を示す分解斜視図である。
【図７】本発明に係る実施例１における更に別の形状の多孔質体を用いた単セルの構成を示す分解斜視図である。
【図８】本発明に係る実施例１における単セルを３層用いた燃料電池の構成を示す分解斜視図である。
【図９】図８のIV−IV線による断面図である。
【図１０】本発明に係る実施例１の燃料電池の組み立てを示す斜視図である。
【図１１】本発明に係る実施例１の燃料電池を示す完成斜視図である。
【図１２】本発明に係る実施例２における単セルを３層用いた構造の燃料電池を示す分解斜視図である。
【図１３】図１２のＶ−Ｖ線による断面図である。
【図１４】本発明に係る実施例３の燃料電池の構成を示す分解斜視図である。
【図１５】図１４のVI−VI線による断面図である。
【図１６】本発明に係る実施例４における単電池の構成を示す斜視図である。
【図１７】図１６のＸ−Ｘ線による断面図である。
【図１８】本発明に係る実施例４における単セルの構成を示す分解斜視図である。
【図１９】本発明に係る実施例４の燃料電池を示す完成斜視図である。
【図２０】本発明に係る実施例５における単セルの構成を示す分解斜視図である。
【図２１】従来の単電池を示す斜視図である。
【図２２】従来の積層型の燃料電池の構成を示す分解斜視図である。
【符号の説明】
１、７４ａ、７４ｂ、７４ｃ、１４１、１４２、１４３、
１８１、１８２、１８３、２３０、３３３ 単電池
２、３、６７ａ、６７ｂ、６８ａ、６８ｂ、７３ａ、７３ｂ、
７３ｃ、７３ｄ、７３ｅ、７３ｆ、２８４ａ、２８４ｂ、
２８４ｃ、２８４ｄ、３４５、３５８ 多孔質体
４、５、７２ａ、７２ｂ、７２ｃ、７５ａ、７５ｂ、７５ｃ
２８２、２８３ ガス分離・分配板
６、７、７１ａ、７１ｂ、７１ｃ、７１ｄ、２８１ａ、
２８１ｂ、３４４ セパレータ
１１、１２ 挟着電極金属板
３１、３４２ 固体電解質基板
３２、３３、２６１、２６２、２６３、２６４、３４１、３４３電極膜
４１、４２ 金属薄板
１２２、１２３、１９３、１９４、３２２、３２３ガス分離・分配・保温板
１２４ａ、１２４ｂ、３２４ａ、３２４ｂ 金属板
２３３、２３４ Ｌ字型挟着電極金属板
２３５ Ｔ字型挟着電極金属板[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an internal manifold type fuel cell having a laminated structure using a rectangular flat plate-shaped solid electrolyte electrode plate. In particular, the present invention relates to a fuel cell in which a plurality of unit cells configured by connecting electrodes to each of an oxygen electrode film and a fuel electrode film formed on a rectangular flat solid electrolyte electrode plate are stacked.
[0002]
[Prior art]
In recent years, fuel cells that can directly convert the chemical energy of various fuel gases into electrical energy have attracted attention. In particular, various types have been developed due to their environmentally friendly and efficient characteristics, and some of them have been put into practical use. Has been. There are various types of electrolytes that convert chemical energy into electrical energy, but the focus of development is concentrated on polymer membrane electrolytes and solid electrolytes. Fuel cells using solid electrolytes can be roughly classified into two types: a cylindrical type and a flat plate type. Of these, the methods of introducing oxygen gas and fuel gas in a flat plate fuel cell are roughly classified into two types: an external manifold type and an internal manifold type. The internal manifold type fuel cell is excellent in that gas tightness is excellent and a compact fuel cell can be manufactured. Various types of internal manifold type fuel cells have been proposed, and a typical example of a conventional internal manifold type fuel cell will be described below with reference to the drawings.
[0003]
21 and 22 show a conventional fuel cell disclosed by Japanese Patent No. 2966548. FIG. 21 is a perspective view showing a solid electrolyte unit cell, and FIG. 22 is a perspective view of a fuel cell in which a plurality of plate-like bodies containing the unit cell shown in FIG. 21 are stacked. In FIG. 21, a fuel electrode 343 such as Ni and ZrO is formed on one surface of a solid electrolyte layer 342 made of zirconia doped with yttrium.2Cermet, and an oxygen electrode 341 such as LaMnO on the other surface.3The porous electrode which consists of is formed. A separator 344 having a bowl-shaped recess on the oxygen electrode 341 side, for example, LaCrO3The sintered body is joined. Inside the recess is a flexible conductor 345, for example LaMnO.3A plurality of flow paths 346 through which an oxidant gas, for example, air, passes are formed. Thus, the unit cell 340 is formed by the oxygen electrode 341, the solid electrolyte layer 342, the fuel electrode 343, and the separator 344.
[0004]
FIG. 22 is an exploded perspective view of a fuel cell in which a plurality of plate-like bodies containing the single cells 340 shown in FIG. 21 are stacked, and the single cells are shown as 340a and 340b. As shown in FIG. 22, a single cell 340a is joined to a large opening formed in a substantially central portion of the first plate-like body 351a. Openings 355a and 355b serving as air supply / exhaust passages are formed in the first plate-like body 351a at positions on both sides of a flow path 346 through which air flows in the unit cell 340a. In the first plate-like body 351a, the openings 352a and 352b, which are independent fuel gas supply / discharge paths, rotate approximately 90 ° with respect to the openings 355a, 355b and the center of the unit cell 340a. It is formed at the position.
[0005]
The second plate-like body 351b is disposed and laminated in contact with the lower side of the first plate-like body 351a. An electrically conductive porous body 358 serving as a fuel gas flow path is joined to a large opening formed in a substantially central portion of the second plate-shaped body 351b, and a fuel gas supply / discharge path of the first plate-shaped body 351a is joined. Openings 353a and 353b are formed at positions corresponding to the openings 352a and 352b. The electrically conductive porous body 358 is made of, for example, a Ni metal fiber porous material, and is arranged immediately below the unit cell 340a of the first plate 351a so as to be in electrical contact with the unit cell 340a. Yes. Openings 356a and 356b, which are independent air supply / discharge paths, are approximately 90 with respect to the centers of the openings 353a and 353b and the electrically conductive porous body 358, which are the fuel gas supply / discharge paths of the second plate-shaped body 351b. It is formed at a rotated position.
[0006]
A third plate 351c having the same configuration as the first plate 351a is disposed below the second plate 351b. Similarly to the stacked body of the first plate 351a to the third plate 351c stacked as described above, a stack after the fourth plate under the third plate 351c is configured, and the fuel A battery is configured. In the fuel cell configured as described above, air is caused to flow through the openings 355a and 355b serving as air supply / exhaust passages communicating with the oxygen electrode 341 (FIG. 21). The fuel gas is supplied to the openings 352a and 352b serving as the fuel gas supply / discharge paths communicating with the fuel electrode 343 in which the air flow is insulated, and the solid electrolyte layer 342 is heated to about 800 ° C. to extract electric power. Has been.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
A conventional internal manifold type fuel cell having a laminated structure using a rectangular solid electrode plate has the following problems.
1. Cost reduction of separator material
The separator material must withstand the high operating temperature, have electrical conductivity, and satisfy the condition that its thermal expansion coefficient is close to that of the solid electrolyte substrate and other materials used. In conventional fuel cells, LaCrO3Such oxide-based sintered bodies and metallic materials based on Ni are used, and these materials are expensive.
[0008]
2. Cost reduction of materials used in fuel cells
In order to extract an electromotive force from a fuel cell configured by stacking unit cells and connecting the unit cells in series, the material of each unit cell is a conductor. Also, some materials need to pass gas bodies. Furthermore, it is an important condition that the material does not change its composition in a high-temperature atmosphere of 800 ° C. or higher, and that the thermal expansion coefficient of each material matches to some extent. There are few materials that satisfy these conditions, and the selection range is small, and the materials in the selection range are mainly expensive materials. Therefore, the conventional fuel cell comprised of these materials has led to an increase in manufacturing cost.
[0009]
3. Ease of separator manufacturing
It is necessary to form a flow path for oxygen or fuel gas to pass through the separator material, and a separator having a plurality of grooves is used. LaCrO3In order to form a plurality of grooves in an oxide-based sintered body such as the above, advanced processing skills and expensive equipment are required. Moreover, when forming a groove | channel in metal type material, cutting is required. Thus, in order to form a grooved separator, any material was used, leading to an increase in cost.
[0010]
4). Realization of a separatorless fuel cell
In the conventional stack structure of fuel cells, it is a series connection structure in which single cells are connected by a conductor. Therefore, a separator for separating the oxidant gas and the fuel gas is necessary, and a fuel cell without a separator is realized. Was impossible.
[0011]
5. Realization of parallel connection of single cells
In the conventional fuel cell, since the oxygen electrode and the fuel electrode of the unit cell are directly connected, the fuel cell can be configured only by the series connection of the unit cells. A parallel-connected fuel cell capable of increasing the capacity at a low voltage has not been realized.
[0012]
6). High airtightness
In a conventional fuel cell, it has been difficult to join a single cell without leaking gas to a separator having a gas flow path or the plate-like bodies 351a, 351b, and 351c shown in the conventional example. In particular, since the zirconia-based solid electrolyte needs to be operated at a high temperature of 800 ° C. or higher, a slight difference in thermal expansion coefficient between materials leads to disconnection of the joint, and it is very difficult to maintain airtightness. there were.
[0013]
7). Material limitation by using zirconia solid electrolyte
Since the zirconia-based solid electrolyte has a high operating temperature, and the normal operating temperature is 800 ° C. or higher, the materials that can be used in fuel cells using this zirconia-based solid electrolyte are limited.
As described above, the conventional internal manifold type fuel cell has various problems.
[0014]
[Means for solving the problems]
  According to the present inventionOf the first viewpointThe fuel cell comprises a solid electrolyte electrode plate in which an oxygen electrode film is formed on one surface of both sides of a rectangular flat plate-shaped solid electrolyte substrate, and a fuel electrode film is formed on the other surface;
  A pair of sandwiched electrode metal plates is composed of at least two metal thin plates sandwiching both front and back surfaces of the end portion of the solid electrolyte electrode plate, and at least sandwiching at least two end portions of the solid electrolyte electrode plateA cell having two sets of sandwiched electrode metal platesBecause
  In the two sets of sandwiching electrode metal plates, one metal thin plate in one pair of sandwiching electrode metal plates presses the oxygen electrode film on one surface of the solid electrolyte electrode plate, and the sandwiching electrode metal plates of the pair are sandwiched. The other metal thin plate in the electrode electrode metal plate is configured to press-contact the solid electrolyte electrode plate without contacting the fuel electrode film on the other surface of the solid electrolyte electrode plate,
  In the two sets of sandwiched electrode metal plates, one of the thin metal plates in the other pair of sandwiched electrode metal plates is not in contact with the oxygen electrode film on one surface of the solid electrolyte electrode plate. And the other metal thin plate of the other set of sandwiched electrode metal plates is configured to press the fuel electrode film on the other surface of the solid electrolyte electrode plate,
  A porous body, a fuel gas separation / distribution plate, and a separator are stacked on one surface side of a unit cell in which two sets of the sandwiched electrode metal plates are sandwiched on the solid electrolyte substrate, and the other side of the unit cell A fuel cell of a stacked structure in which a plurality of single cells formed by stacking a porous body, an air gas separation / distribution plate, and a separator are stacked on the surface side of
  Openings and air serving as fuel gas supply / discharge passages for the fuel gas to flow in the vicinity of the outer peripheral portions of the sandwiched electrode metal plate, the fuel gas separation / distribution plate, the air gas separation / distribution plate, and the separator Openings serving as air gas supply / exhaust passages through which gas flows are formed, and two fuel supply / exhaust passages in which the fuel gas supply / exhaust passage and the air gas supply / exhaust passage do not communicate with each other in the fuel cell Is configured to be
  The unit cell, the fuel gas separation / distribution plate, the air gas separation / distribution plate, and the laminated structure composed of the separator have an opening communicating with each outer peripheral portion, and the hole has a rod-like electric conduction A body is inserted and is configured to be electrically connected to other adjacent cells. The fuel cell according to the first aspect of the present invention configured as described above sandwiches the solid electrolyte electrode plate from both sides with two metal thin plates, and electrically connects the oxygen electrode film or the fuel electrode membrane with the elastic force of the metal thin plate. The gas separation / distribution plate and separator are laminated on both sides of the structure, and the gas supply / discharge passages that are not connected to the two systems are provided on the outer periphery of the gas separation / distribution plate and separator. The electrical connection between the single cells has a structure in which the sandwiched electrode metal plates are connected. Further, in the fuel cell according to the first aspect of the present invention configured as described above, the electrode films on both the front and back surfaces formed on the solid electrolyte electrode plate are formed at positions offset from each other. In this structure, two sets of sandwiched electrode metal plates are sandwiched between two thin metal plates having elasticity. In one set of sandwiched electrode metal plates, one of the two metal thin plates is in contact with the electrode film formed on one surface, the other metal thin plate is not in contact with the other electrode film, and the other The pair of sandwiched electrode metal plates has a structure in which one of the two metal thin plates is not in contact with one electrode film, and the other metal thin plate is in contact with the other electrode film.
[0016]
  The present invention2nd viewpoint concerningThe fuel cell byIn the first aspect,One gas supply / exhaust channel of the two systems is connected to the solid electrolyte electrode plate.Oxygen electrode membrane surfaceThe gas flow is sent to theFuel electrode membrane surfaceIt is configured to send gas to. The present invention configured as described above2nd viewpoint concerningThis fuel cell does not require the gas flow path to be formed in a groove-shaped separator as in the prior art, so that the structure is simple and can greatly contribute to cost reduction.
[0017]
  The present invention3rd viewpoint concerningThe fuel cell byIn the second aspect,In the two gas supply / discharge paths, the solid electrolyte electrode plateOxygen electrode membrane surfaceDirection of the gas flow flowing through the solid electrolyte electrode plateFuel electrode membrane surfaceThe direction of the gas flow that flows through is configured to flow in a substantially perpendicular direction. The present invention configured as described above3rd viewpoint concerningThis fuel cell can easily realize an internal manifold type fuel cell with a simple configuration.
[0018]
  The present inventionThe 4th viewpoint concerningThe fuel cell byIn the first to third aspects,A gas separation / distribution / heat insulating plate is provided on both outer side portions in the stacking direction of the laminated structure in which a plurality of single cells are stacked, and gas supply / exhaust ports are provided at the outermost portions on both sides of the gas separation / distribution / heat insulating plate Rigid metal plates are laminated on each other. The present invention configured as described aboveThe 4th viewpoint concerningThe fuel cell of this type is used for the outermost layer of the laminated structure because the gas separation / distribution / heat insulation plate is formed using a material having insulation and heat resistance and poor thermal conductivity. The heat dissipation is suppressed, and an energy saving effect can be realized. Furthermore, since both the outer portions have rigid metal plates and the metal plates are fastened with screws, a structure with little gas leakage can be easily realized.
[0019]
  The present inventionThe 5th viewpoint concerningThe fuel cell byIn the first to fourth aspects,In the laminated structure having a plurality of solid electrolyte electrode plates, the electrode films facing each other adjacent to the solid electrolyte electrode plate through other members are configured to have different poles. The present invention configured as described aboveThe 5th viewpoint concerningThis fuel cell can easily constitute a fuel cell having a series structure.
[0020]
  The present inventionThe 6th viewpoint concerningThe fuel cell byIn the first to fifth aspects, in the oxygen electrode film and the fuel electrode film formed on the front and back surfaces of the solid electrolyte substrate,One electrode film is biased and disposed near one end of the solid electrolyte substrate, and the other electrode film is biased and disposed near the other end of the solid electrolyte plate. The present invention configured as described aboveThe 6th viewpoint concerningIn this fuel cell, the electrode plate can be connected to the oxygen electrode film and the fuel electrode film in an electrically independent state in substantially the same plane as the solid electrolyte electrode plate.
[0024]
  The present inventionThe 7th viewpoint concerningThe fuel cell byIn the fourth aspect, in the outer peripheral portion of the gas separation / distribution / heat insulating plate, an opening communicating with each opening of the unit cell, the gas separation / distribution plate and the separator is formed, and the unit cell, A fuel cell in which a rod-shaped electric conductor is inserted into each opening of the gas separation / distribution plate, the separator, and the gas separation / distribution / heat insulation plate, and is electrically connected to another adjacent unit cell. And
  Derived from the fuel cellIt has a structure in which an external lead wire is connected to a plurality of lead portions of the electric conductor. The present invention configured as described aboveThe 7th viewpoint concerningIn this fuel cell, a sandwiched electrode metal plate is formed on a rectangular plate-shaped solid electrolyte electrode plate and is electrically connected by providing an opening in the sandwiched electrode metal plate. Thus, unlike the conventional fuel cell, it is not necessary for all the materials of the laminated structure to be conductive, and the range of material selection is widened, so that an insulating heat-resistant material can be used, and an inexpensive material can be used.
[0025]
  The present inventionThe 8th viewpoint concerningThe fuel cell byIn the first to seventh aspects,A unit cell in which oxygen electrode films or fuel electrode films formed at different positions on the front and back surfaces of a solid electrolyte electrode plate are sandwiched by at least two pairs of sandwiched electrode metal plates.On one sidePorous body,Fuel gas separation / distribution plate,And separatorA porous body, an air gas separation / distribution plate, and a separator are stacked on the other surface side of the unit cell.In a laminated structure in which a plurality of single cells are laminated,
  When the surface side of one unit cell is an oxygen electrode film, all the surface sides of the stacked unit cells are stacked as an oxygen electrode film and the back side is a fuel electrode film, andFront side and back sideThe positions of the electrode films are formed so as to be alternately different, the oxygen electrode film is connected to one of the sandwiched electrode metal plates, and the fuel electrode film is connected to the other sandwiched electrode metal plate Have
  In a plurality of single cells in the stacked structure, adjacent single cells through other membersInThe oxygen electrode film of the lower cell is electrically connected to the fuel electrode film of the upper cell, and the fuel electrode of the lower cell is further electrically connected to the oxygen electrode film of the lower cell. By doing so, the single cells of the plurality of single cells in the laminated structure are connected in series. The present invention configured as described aboveThe 8th viewpoint concerningThis fuel cell can realize a series-connected fuel cell with a simple configuration of connecting sandwiched electrode metal plates in a unit cell having sandwiched sandwiched electrode metal plates. In this invention, since it is the structure electrically connected by a sandwiching electrode metal plate, a porous body and a separator do not need to be an electroconductive material and can use an insulating material.
[0026]
  The present inventionThe 9th viewpoint concerningThe fuel cell byIn the first to seventh aspects,A unit cell in which an oxygen electrode film is formed on one surface of both the front and back surfaces of a solid electrolyte electrode plate, a fuel electrode film is formed on the other surface, and sandwiched between at least two pairs of sandwiched electrode metal platesOn one sidePorous body,Fuel gas separation / distribution plate,And separatorA porous body, an air gas separation / distribution plate, and a separator are stacked on the other surface side of the unit cell.In a laminated structure in which a plurality of single cells are laminated,
  When the surface side of one unit cell is an oxygen electrode film, all the surface sides of the stacked unit cells are stacked as an oxygen electrode film and the back side is a fuel electrode film, andFront side and back sideThe position of the electrode film is displaced in the same directionIn the positionThe oxygen electrode film is connected to one electric conductor via one sandwiched electrode metal plate, and the fuel electrode film is connected to the other electrical electrode via the other sandwiched electrode metal plate. By being connected to a conductor,A plurality of unit cells of the stacked structure are connected in parallel.The present invention configured as described aboveThe 9th viewpoint concerningThis fuel cell can be easily connected in parallel in the stacked structure by electrically connecting through the openings of the sandwiched electrode metal plates in the stacked unit cells.
[0027]
  The present inventionThe 10th viewpoint concerningThe fuel cell according to the present invention has a solid electrolyte electrode plate in which an oxygen electrode film is formed on one surface of the front and back surfaces of a rectangular flat solid electrolyte substrate, and a fuel electrode film is formed on the other surface;
  A pair of sandwiched electrode metal plates is composed of at least two metal thin plates sandwiching both front and back surfaces of the end portion of the solid electrolyte electrode plate, and at least sandwiching at least two end portions of the solid electrolyte electrode plateA cell having two sets of sandwiched electrode metal platesBecause
  In the two sets of sandwiching electrode metal plates, one metal thin plate in one pair of sandwiching electrode metal plates presses the oxygen electrode film on one surface of the solid electrolyte electrode plate, and the sandwiching electrode metal plates of the pair are sandwiched. The other metal thin plate in the electrode electrode metal plate is configured to press-contact the solid electrolyte electrode plate without contacting the fuel electrode film on the other surface of the solid electrolyte electrode plate,
  One metal thin plate in the other set of sandwiched electrode metal plates presses the solid electrolyte electrode plate without contacting the oxygen electrode film on one side of the solid electrolyte electrode plate, and the other set of sandwiched electrode metal plates is sandwiched. The other metal thin plate in the electrode metal plate is configured to press-contact the fuel electrode film on the other surface of the solid electrolyte electrode plate,
  A porous body and a fuel gas separation / distribution plate are laminated on one side of the unit cell, and a porous body and an air gas separation / distribution plate are laminated on the other side of the unit cell. A fuel cell having a stacked structure in which a plurality of single cells are stacked,
  Gas separation / distribution / heat insulation plates are arranged and laminated on the outermost portions on both sides of the laminated structure, and the sandwiched electrode metal plate, the fuel gas separation / distribution plate, the air gas separation / distribution plate, and the gas An opening serving as a fuel gas supply / exhaust path for the fuel gas to circulate and an opening serving as an air gas supply / exhaust path for the air gas to circulate are formed in the vicinity of each outer peripheral portion of the separation / distribution / heat insulating plate The fuel gas supply / exhaust path and the air gas supply / exhaust path are configured to be two gas supply / exhaust paths that do not communicate with each other in the fuel cell,
  In the laminated structure of the unit cell, the fuel gas separation / distribution plate, the air gas separation / distribution plate, and the gas separation / distribution / heat insulating plate, each cell has an opening communicating with each outer peripheral portion. It is configured to insert a rod-shaped electrical conductor into and electrically connect with other adjacent cells,
  In the laminated structure, the opposing electrodes of the adjacent solid electrolyte electrode plates via the other members are configured to have the same pole, and the same gas flows in the space between the adjacent opposing solid electrolyte electrode plates, Another gas orthogonal to the gas flows on the non-opposing surface of the solid electrolyte electrode plate.The present invention configured as described aboveThe 10th viewpoint concerningIn this fuel cell, since the solid electrolyte electrode plate has the function of a separator, a separator-less configuration can be easily manufactured, material can be reduced, and the cost can be greatly reduced.The fuel cell according to the tenth aspect of the present invention can realize a separatorless fuel cell by connecting the solid electrolyte electrode plates with the sandwiched electrode plates. Further, in the fuel cell according to the tenth aspect of the present invention, the unit cells adjacent to each other through other members using the unit cell in which the electrode surfaces on the front and back sides of the solid electrolyte electrode plate are connected by the sandwiched electrode metal plate. Even when the opposite electrode films are of the same polarity, they can be electrically connected by the sandwiched electrode metal plate, so that the fuel cell without separator is realized by making the opposite electrode surfaces have the same polarity. Since the fuel cell according to the tenth aspect of the present invention configured as described above has a structure using a sandwiched electrode metal plate for connection with the electrode film of the solid electrolyte electrode plate, the connection between the unit cells can be arbitrarily set. Thus, the solid electrolyte electrode plate can be used as a separator, and the separator in the conventional fuel cell can be omitted.
[0028]
  The present inventionEleventh point of viewThe fuel cell byIn the tenth aspect,A rigid metal plate having gas supply / exhaust ports is laminated on both outermost sides in the stacking direction of the stacked structure in which a plurality of single cells are stacked.
[0032]
  The present inventionThe 12th viewpoint concerningThe fuel cell byIn the tenth or eleventh aspectIn a laminate in which gas separation / distribution / heat insulation plates are arranged on the outermost parts on both sides of a laminate structure having a plurality of single cells,
  There are two or more gas supply / discharge passages having one or a plurality of gas supply / discharge passage openings on the outer periphery of the sandwiched electrode metal plate and the gas separation / distribution plate,
  An oxygen-side sandwiched electrode metal plate sandwiching the oxygen electrode film of one solid electrolyte electrode plate and a fuel-side sandwiched electrode sandwiching the fuel electrode film of the other solid electrolyte electrode plate in adjacent solid electrolyte electrode plates The metal plate is connected by an electric conductor,
  Further, the oxygen side sandwiched electrode metal plate sandwiching the oxygen electrode film of the other solid electrolyte electrode plate and the fuel side sandwiching the fuel electrode film of another solid electrolyte electrode plate adjacent to and opposite to the solid electrolyte electrode plate The sandwiched electrode metal plate is connected by another electric conductor,
  The oxygen-side sandwiched electrode metal plates and the fuel-side sandwiched electrode metal plates, which are sequentially connected to the respective electrode films, are connected by different electrical conductors to constitute a plurality of single cells in electrical series connection. The present invention configured as described aboveThe 12th viewpoint concerningIn this fuel cell, it is possible to realize a fuel cell in which stacked unit cells are connected in series and the separator is eliminated.
[0033]
  A fuel cell according to a thirteenth aspect of the present invention is a solid electrolyte electrode plate in which an oxygen electrode film is formed on one surface of both sides of a rectangular flat solid electrolyte substrate and a fuel electrode film is formed on the other surface; ,
  A set of sandwiched electrode metal plates is composed of at least two metal thin plates sandwiching the front and back surfaces of the end portion of the solid electrolyte electrode plate, and a plurality of sets of sandwiched electrode metals sandwiching the end portions of the solid electrolyte electrode plate A board, and
  A plurality of the solid electrolyte electrode plates sandwiched between the sandwiched electrode metal plates and disposed on the same plane,
  In the plurality of sets of sandwiched electrode metal plates, one thin metal plate in at least one pair of sandwiched electrode metal plates presses the oxygen electrode film on one surface of the solid electrolyte electrode plate, and the one set of sandwiched electrode metal plates The other thin metal plate in the sandwiched electrode metal plate is configured to press-contact the solid electrolyte electrode plate without contacting the fuel electrode film on the other surface of the solid electrolyte electrode plate,
  At least one thin metal plate of the other pair of sandwiched electrode metal plates presses the solid electrolyte electrode plate without coming into contact with the oxygen electrode film on one surface of the solid electrolyte electrode plate, and sandwiches the other set of sandwiched electrode metal plates. The other metal thin plate in the electrode electrode metal plate is configured to press-contact the fuel electrode film on the other surface of the solid electrolyte electrode plate,
  A porous body, a fuel gas separation / distribution plate, and a separator are stacked on one surface side of the unit cell, and a porous body, an air gas separation / distribution plate, and a separator are disposed on the other surface side of the unit cell. A fuel cell of a stacked structure in which a plurality of single cells configured by stacking are stacked,
  The sandwiched electrode metal plate, the fuel gas separation / distribution plate, the air gas separation / distribution plate, and an opening serving as a fuel gas supply / discharge passage for the fuel gas to circulate in the vicinity of the outer peripheral portions of the separator, and A plurality of openings serving as air gas supply / discharge passages through which air gas flows are formed, so that the fuel gas supply / discharge passage and the air gas supply / discharge passage form two gas supply / discharge passages that do not communicate with each other. ComposedAnd
  In the stacked structure, sandwiched electrode metal plates in the stacking direction of each unit cell are electrically connected by a rod-shaped electric conductor.. The fuel cell of the thirteenth aspect according to the present invention configured as described above can constitute a unit cell in substantially the same plane as the solid electrolyte electrode plate by using the sandwiched electrode metal plate, By laminating a plurality of such single cells, a fuel cell having a large power generation amount per unit volume can be realized.Further, the fuel cell according to the thirteenth aspect of the present invention configured as described above has a configuration in which the sandwiched electrode metal plate is connected by a rigid electrical conductor for electrical connection between the individual cells. Therefore, the fuel cell is highly reliable in electrical connection between the individual cells.
[0035]
  According to the present invention14th viewpointThe fuel cell according to the first to ninth, or13th viewpointIn this case, the gas separation / distribution plate, the gas separation / distribution / heat insulation plate, and the separator may be formed of a dense material having heat resistance and insulation. According to the present invention configured as described above14th viewpointThe fuel cell of this type is constructed so that the electrical connection between the stacked unit cells is made by the sandwiched electrode metal plate, so that it does not need to be made of a conductive material like the conventional fuel cell, and the heat resistance is low in cost. Insulating materials can be applied, and the range of materials that can be selected is widened, contributing to the improvement of reliability.
[0036]
  According to the present invention15th viewpointThe fuel cell according to the aboveFourth or seventh aspectThe thermal expansion coefficient of the gas separation / distribution plate, gas separation / distribution / heat insulation plate, and separator is 5 × 10-6~ 15 × 10-6You may comprise with the material which has the heat resistance and insulation which exist in the range. According to the present invention configured as described above15th viewpointThe fuel cell can be used with both a conductive material and an insulating material as long as the thermal expansion coefficient is within a desired range.
[0037]
  According to the present inventionSixteenth viewpointThe fuel cell byThe fourth or seventh aspectThe gas separation / distribution plate, gas separation / distribution / heat insulation plate, and separator may be formed of mica, a ceramic material, or a glass material. According to the present invention configured as described aboveSixteenth viewpointThe fuel cell is particularly preferably a mica plate or a plate-like body obtained by molding and firing various ceramic fibers.
[0038]
  According to the present inventionSeventeenth viewpointIn the fuel cell according to the above,1st to 16th viewpointsThe sandwiched electrode metal plate has a thermal expansion coefficient of 4 × 10-6~ 20x10-6You may comprise with the metal material which exists in the range. According to the present invention configured as described aboveSeventeenth viewpointThe fuel cell is more preferably 8 × 10-6~ 15 × 10-6A metal material in this range is suitable for the sandwiched electrode metal plate.
[0039]
  According to the present invention18th viewpointIn the fuel cell according to the above,1st to 17th viewpointsThe sandwiched electrode metal plate may be formed of an iron alloy plate, a nickel alloy plate, a cobalt alloy plate, a nickel-cobalt alloy, or a stainless steel plate. According to the present invention configured as described above18th viewpointIn this fuel cell, the thermal expansion coefficient of the sandwiched electrode metal plate is close to the thermal expansion coefficient of the solid electrolyte substrate used in the present invention, is excellent in oxidation resistance, and retains elastic force at high temperatures. is there. In particular, as the sandwiched electrode metal plate, a nickel-based metal material retains an elastic force even at a high temperature and is excellent in oxidation resistance.
[0040]
  According to the present invention19th viewpointThe fuel cell according to the above1st to 18th viewpointsIn this case, a gold, silver, nickel, or aluminum film may be formed on one surface or both surfaces of the sandwich electrode metal plate. According to the present invention configured as described above19th viewpointIn the fuel cell, the surface treatment as described above can reduce the material oxidation under a high temperature environment and improve the reliability of the connection portion.
[0041]
  According to the present invention20th viewpointIn the fuel cell according to the first to ninth, or13th viewpointThe separator may be made of a dense material having electrical conductivity. According to the present invention configured as described above20th viewpointIn this fuel cell, in addition to the electrical connection by the sandwiched electrode metal plate, the electrical connection becomes more reliable by configuring the separator with an electrically conductive material.
[0042]
  According to the present invention21st viewpointIn the eighth aspect, the fuel cell according to the present invention has a rod-shaped electrical conductor for electrically joining the sandwiched electrode metal plates of the unit cell, which is made of a metal screw having a screw. An external lead wire is connected to a lead-out end portion of a screw that is penetrated by the screw and connected by tightening with a nut, and in which a plurality of single cells are electrically connected in series. According to the present invention configured as described above21st viewpointIf the fuel cell is connected with a material having a threaded portion, the sandwiched electrode metal plate can be tightened from both sides with a nut by this threaded portion, so that a more reliable connection can be secured.
  According to the present invention22nd viewpointThe fuel cell according to the ninth aspect, in the ninth aspect, is a rod-shaped electrical conductor that electrically joins the sandwiched electrode metal plates of the unit cell, and is made of a metal screw having a screw. An external lead wire is connected to a lead-out end portion of a screw that is penetrated by the screw and connected by tightening with a nut, and in which a plurality of single cells are electrically connected in parallel. According to the present invention configured as described above22nd viewpointIf the fuel cell is connected with a material having a threaded portion, the sandwiched electrode metal plate can be tightened from both sides with a nut by this threaded portion, so that a more reliable connection can be secured.
[0043]
  According to the present invention23rd viewpointThe fuel cell according to the aboveFirst to twelfth viewpointsIn this case, the rod-shaped electrical conductor may be composed of any of an iron alloy material, a nickel alloy material, a cobalt alloy material, a nickel-cobalt alloy material, or a stainless steel material. According to the present invention configured as described above23rd viewpointIn this fuel cell, the thermal expansion coefficient of the electric conductor material is close to that of the fuel cell constituent material, so that thermal distortion hardly occurs and the electric conductor material has oxidation resistance. The reliability of the connection part can be maintained.
[0044]
  According to the present invention24th viewpointThe fuel cell according to the above1st to 23rd viewpointsThe porous body may be formed in a rectangular shape, a plurality of prismatic shapes, or a plurality of columnar shapes. In the conventional fuel cell, it was necessary for the porous body to have a function of electrically connecting. However, in the present invention, it is not necessary, and it is necessary to prevent the solid electrolyte electrode plate from being damaged by vibration and impact. The main purpose of the body. Therefore, according to the present invention, it is sufficient if the porous body is partially present, and it may be a cylindrical shape or a prismatic shape, so that the material can be saved and the cost can be reduced.
[0045]
  According to the present invention25th viewpointThe fuel cell according to the above1st to 24th viewpointsIn this case, the porous body may be formed of a metal or non-metallic porous material. According to the present invention configured as described above25th viewpointIn the fuel cell, the material selection range is widened, and a more suitable material can be selected.
[0046]
  According to the present invention26th viewpointThe fuel cell according to the above1st to 25th viewpointsIn this case, the porous body may be formed of a non-woven material or foamed material made of inorganic material fibers, or a non-woven material or foamed material made of metal material fibers. According to the present invention configured as described above26th viewpointThis fuel cell can maintain its intended function and can reduce the cost, particularly when an inorganic porous material is used.
[0047]
  According to the present invention27th viewpointThe fuel cell according to the above1st to 26th viewpointsThe metal plate having the gas supply / exhaust port of the gas supply / discharge passage of the fuel cell is formed in the outermost layer, and the metal plate is an iron alloy plate, a nickel alloy plate, a cobalt alloy plate, a nickel-cobalt alloy plate, or stainless steel. The metal plate is formed of a material having rigidity made of a steel plate, the metal plate is disposed on both outermost side surfaces of the single cell laminated structure, and the gas supply / discharge port of the metal plate is a gas supply of the laminated structure. It arrange | positions so that it may connect with an exhaust path, and the said metal plate is clamp | tightened and fixed with the rod-shaped electric conductor. According to the present invention configured as described above27th viewpointSince this fuel cell is configured to be clamped with a rigid metal plate, a fuel cell free from gas leakage can be easily produced.
[0048]
  According to the present invention28th viewpointIn the fuel cell according to the above,1st to 27th viewpointsThe solid electrolyte substrate is made of a perovskite-type barium / cerium / gadolinium-based oxide ceramic material, barium / cerium / gadolinium / zirconium-based oxide material, or barium / cerium / gadolinium / aluminum-based oxide. May be. Compared with the conventional yttrium-doped zirconia-based solid electrolyte material, the composition of the solid electrolyte substrate of the present invention is lower in operating temperature, and the range of material selection is widened. A fuel cell can be provided. In particular, the connection type fuel cell using the sandwiched electrode metal plate in the present invention can be realized by using the solid electrolyte material as described above.
[0049]
  According to the present invention29th viewpointThe fuel cell according to the above1st to 28th viewpointsIn this case, the solid electrolyte substrate may be formed of a single sheet formed by a green sheet method or a material obtained by laminating and firing a plurality of sheets. According to the present invention configured as described above29th viewpointIn the fuel cell, a solid and thin solid electrolyte substrate material can be obtained by using a solid electrolyte substrate formed by a green sheet method.
[0050]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, preferred embodiments of a fuel cell according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
[0051]
Example 1
FIG. 1 to FIG. 11 are diagrams related to Example 1 according to the fuel cell of the present invention. FIG. 1 is an exploded perspective view showing the basic components of the fuel cell of Example 1 according to the present invention. FIG. 2 is a perspective view of the solid electrolyte electrode plate. FIG. 3 is an exploded perspective view showing an example of a structure for attaching the sandwiched electrode metal plate to the solid electrolyte electrode plate. 4 is a completed perspective view of FIG. 3, and FIG. 5 is a sectional view taken along line III-III of FIG.
[0052]
FIG. 6 is an exploded perspective view showing the configuration of another fuel cell according to the first embodiment of the present invention, and shows a case where a porous body having another shape is used for the basic component of the fuel cell. FIG. 7 shows the configuration of still another fuel cell according to the first embodiment of the present invention, in which a porous body of still another shape is used for the basic configuration portion. FIG. 8 is an exploded perspective view showing a basic part of a fuel cell in which three layers of unit cells of Example 1 are stacked. 9 is a cross-sectional view taken along line IV-IV in FIG. FIG. 10 is a perspective view of the basic part exploded in FIG. FIG. 11 is a perspective view showing a completed state of the fuel cell.
[0053]
Hereinafter, the configuration of the fuel cell of Example 1 according to the present invention will be described with reference to the drawings.
First, the basic components of the fuel cell of Example 1 shown in FIG. 1 will be described. FIG. 1 is an exploded perspective view of a basic component that is a main part of the fuel cell of the present invention. The basic component shown in FIG. 1 is a single cell that is a minimum unit fuel cell using one solid electrolyte electrode plate 13. The single cell includes a single cell 1 described later, gas separation / distribution plates 4 and 5 disposed on both sides of the single cell 1, separators 6 and 7, and the like.
[0054]
The solid electrolyte electrode plate 13 has an oxygen electrode film formed on one surface of both surfaces of a rectangular solid electrolyte substrate, and a fuel electrode film formed on the other surface. The solid electrolyte electrode plate 13 is sandwiched between two adjacent sides of the rectangular solid electrolyte electrode plate 13 and is in contact with the end of one electrode film (for example, an oxygen electrode film) formed on the back surface of the solid electrolyte electrode plate 13. A first sandwich electrode metal plate 11 made of two thin metal plates is provided. Further, the solid electrolyte electrode plate 13 is sandwiched between the other two adjacent sides of the solid electrolyte electrode plate 13, and at the end of the other electrode film (for example, fuel electrode film) formed on the surface of the solid electrolyte electrode plate 13. A second sandwiching electrode metal plate 12 made of two metal thin plates in contact with each other is provided. Thus, the first sandwiched electrode metal plate 11 and the second sandwiched electrode metal plate 12 provided so as to sandwich the end portion of the solid electrolyte electrode plate 13 are spot welded at a plurality of locations and fixed to the solid electrolyte electrode plate 13. Has been.
[0055]
In the following description, a structure in which two sets of sandwiched electrode metal plates 11 and 12 are attached to the solid electrolyte electrode plate 13 is referred to as a unit cell. Details of the structure of the unit cell will be described below with reference to FIGS.
[0056]
One or more openings 14a, 14b, 14c, 14d are formed in the first sandwich electrode metal plate 11, and each of the openings 14a, 14b, 14c, 14d supplies and discharges the oxidizing gas that leads to the oxygen electrode film. It becomes a fuel gas supply / exhaust passage leading to the passage or the fuel electrode membrane, and serves as a gas passage for the internal manifold. Similarly, one or more openings 14e, 14f, 14g, and 14h are formed in the second sandwiched electrode metal plate 12, and each of the openings 14e, 14f, 14g, and 14h is an oxidant gas that communicates with the oxygen electrode film. It becomes a fuel gas supply / discharge passage leading to the fuel supply / discharge passage or the fuel electrode membrane, and serves as a gas passage for the internal manifold. The first sandwiched electrode metal plate 11 and the second sandwiched electrode metal plate 12 are electrically insulated from each other.
On both sides of the solid electrolyte electrode plate 13, rectangular porous bodies 2 and 3 are provided in contact with the respective electrode films and supply an oxidant gas or a fuel gas to the respective electrode films.
[0057]
As described above, the porous bodies 2 and 3, the gas separation / distribution plates 4 and 5, and the separators 6 and 7 for separating the oxidant gas and the fuel gas are disposed on both sides of the unit cell 1. The thickness of the porous plate 2 is the distance between the space formed by the electrode film surface of the solid electrolyte electrode plate 13 and the opposing surface of the separator 6 when the separator 6 -gas separation / distribution plate 4 -cell 1 is laminated. It is formed slightly larger. That is, the thickness of the porous plate 2 is a thickness at which contact pressure is applied to the surface of the solid electrolyte electrode plate 13 in the laminated state.
In the outer edge portion of the upper gas separation / distribution plate 4, openings 14 a, 14 b, 14 c serving as gas supply / discharge paths formed in the first sandwiched electrode metal plate 11 and the second sandwiched electrode plate 12 of the unit cell 1. , 14d and 14e, 14f, 14g, 14h (at the same position on the horizontal plane in FIG. 1), at least each of the openings 21a, 21b, 21c, 21d, 22a, 22b, 22c, 22d serving as gas supply / discharge paths One or more sides are formed. Similarly, openings 23 a, 23 b, 23 c, 23 d, 24 a, 24 b, 24 c, 24 d serving as gas supply / discharge passages are formed in the outer edge portion of the lower gas separation / distribution plate 5.
Openings 14 a, 14 b, 14 c, 14 d, and 14 e that serve as gas supply / discharge paths formed in the first sandwiched electrode metal plate 11 and the second sandwiched electrode plate 12 of the unit cell 1 are provided on the outer edge portion of the upper separator 6. , 14f, 14g, and 14h (the same position on the horizontal plane in FIG. 1), openings 25a, 25b, 25c, 25d, 25e, 25f, 25g, and 25h serving as gas supply / discharge passages of the same size are provided at least on each side. 1 or more. Similarly, openings 26a, 26b, 26c, 26d, 26e, 26f, 26g, and 26h serving as gas supply / discharge passages are formed in the outer edge portion of the lower separator 7.
[0058]
As shown in FIG. 1, openings 25a, 25b, 25c, 25d, 25e, 25f, 25g, 25h and 26a, 26b, 26c, 26d, 26e, 26f, 26g, 26h serving as gas supply / discharge paths of the separators 6 and 7 are provided. Are independent openings and are formed so that the respective gas streams are separated. On the other hand, the gas separation / distribution plates 4 and 5 have different opening shapes on both sides of the unit cell 1 (upper and lower sides in FIG. 1).
The gas separation / distribution plate 4 on the upper side of the unit cell 1 has gas supply / discharge openings 21a, 21b, 21c, which are formed on two opposite sides (two sides on the right front side and the left rear side in FIG. 1). Reference numerals 21d denote independent openings, and openings 22a, 22b, 22c, and 22d formed on the other two opposite sides (two sides on the right rear side and the left front side in FIG. 1) communicate with each other. The openings 22a, 22b, 22c, and 22d are formed so as to communicate with a large opening formed in the central portion of the gas separation / distribution plate 4.
[0059]
In the structure in which the unit cell 1, the upper gas separation / distribution plate 4, and the separator 6 configured as described above are stacked, the cells are supplied and discharged from the openings 22 a, 22 b, 22 c, 22 d of the upper gas separation / distribution plate 4. Since the gas communicated at the center portion, the gas flows while contacting the electrode film on the surface of the unit cell 1. Further, the openings 21a, 21b, 21c, and 21d formed in the vicinity of the sides different from these openings 22a, 22b, 22c, and 22d, that is, formed at positions rotated by 90 °, are independent openings. For this reason, the gas flowing through the openings 21a, 21b, 21c, and 21d and the gas flowing through the openings 22a, 22b, 22c, and 22d are not mixed.
[0060]
On the other hand, the opening serving as the gas supply / discharge path of the lower gas separation / distribution plate 5 with respect to the unit cell 1 is an opening 24a formed on two opposing sides (the two sides on the right back side and the left front side in FIG. 1). 24b, 24c, and 24d are independent openings, and openings 23a, 23b, 23c, and 23d formed on the other two opposite sides (the right front side and the left back side in FIG. 1) communicate with each other. It is. The openings 23a, 23b, 23c, and 23d are formed so as to communicate with a large opening formed in the central portion of the gas separation / distribution plate 5.
In the structure in which the unit cell 1, the lower gas separation / distribution plate 5, and the separator 7 configured as described above are stacked, the supply is made from the openings 23 a, 23 b, 23 c, 23 d of the lower gas separation / distribution plate 5. Since the exhausted gas communicates with the central portion, the exhaust gas flows while contacting the electrode film on the back surface of the unit cell 1. Further, the openings 24a, 24b, 24c, and 24d formed in the vicinity of the sides different from the openings 23a, 23b, 23c, and 23d, that is, formed at positions rotated by 90 °, are independent openings. For this reason, the gas flowing through the openings 23a, 23b, 23c, and 23d and the gas flowing through the openings 24a and 24b are not mixed.
[0061]
As described above, the openings 23a, 23b, 23c, and 23d communicated with the lower gas separation / distribution plate 5 are the openings 22a, 22b, 22c, and 22d communicated with the upper gas separation / distribution plate 4. It is formed at different positions rotated by 90 ° with respect to the positions. Therefore, the gas flow that flows in contact with the electrode film on the surface of the unit cell 1 through the openings 22a, 22b, 22c, and 22d of the upper gas separation / distribution plate 4 and the lower gas separation / distribution plate 5 The gas flows that are supplied and discharged from the openings 23a, 23b, 23c, and 23d and are in contact with the electrode film on the back surface of the unit cell 1 are configured such that different types of gases flow.
[0062]
The structure shown in FIG. 1 is the minimum unit (single cell) of the fuel cell of Example 1 according to the present invention using one solid electrolyte substrate. An actual fuel cell is formed by stacking a plurality of single cells shown in FIG.
In the first embodiment, the separators 6 and 7 are disposed so as not to be mixed with fuel gas and oxidant gas such as air.
[0063]
Hereinafter, materials of the gas separation / distribution plates 4 and 5 and the separator plates 6 and 7 used in the fuel cell of Example 1 according to the present invention will be described.
The gas separation / distribution plates 4 and 5 are preferably made of a material having heat resistance, excellent oxidation resistance, and a thermal expansion coefficient close to that of the solid electrolyte substrate used in Example 1 of the present invention. Specifically, a mica plate is suitable as the material for the gas separation / distribution plates 4 and 5. The mica plate is excellent in heat resistance and oxidation resistance, and has a high thermal decomposition temperature of 600 to 800 ° C. and can be sufficiently used for the fuel cell of the present invention. The coefficient of thermal expansion of the mica plate is 10-13 × 10-6(Normal temperature to 300 ° C.) and very close to the solid electrolyte substrate used in Example 1 are suitable. Further, since the mica plate is not strongly damaged by mechanical tightening, it is suitable for the gas separation / distribution plates 4 and 5 in the fuel cell of the first embodiment.
[0064]
As the material of the separator plates 6 and 7 in the first embodiment, a mica plate is suitable as in the case of the gas separation / distribution plates 4 and 5.
As a material for the gas separation / distribution plates 4 and 5 and the separator plates 6 and 7, other than the mica plate, a 96% alumina substrate (thermal expansion coefficient: 7.3 × 10 6) can be used.-6) And forsterite substrate (coefficient of thermal expansion: 10.2 × 10-6) Or steatite substrate (thermal expansion coefficient: 8.7 × 10-6A ceramic substrate such as), a glass fiber, a material obtained by solidifying and sintering a crystalline fiber material, tempered glass, or the like can be applied. That is, the thermal expansion coefficient is 5 × 10-6~ 15 × 10-6As long as it has a heat resistance within the range, excellent oxidation resistance, and an insulating material, it can be applied as a material for the gas separation / distribution plates 4 and 5 and the separator plates 6 and 7.
[0065]
As described above, the same material as the gas separation / distribution plate is used as the material of the separator plates 6 and 7. In addition, the electrically conductive material is excellent in heat resistance and oxidation resistance and has a thermal expansion coefficient as described above. 5 × 10-6~ 15 × 10-6Metal materials within the range can also be used. As a material having such performance, an iron alloy, nickel alloy, cobalt alloy, nickel-cobalt alloy, stainless steel plate or the like is effective.
[0066]
The thickness of the gas separation / distribution plates 4 and 5 is sufficient if there is an interval in which the gas flow smoothly flows between the surface of the solid electrolyte electrode plate 13 and the separators 6 and 7. Good. Actually, a thickness of 1 mm or more is necessary from the viewpoint of the strength of the material such as a mica plate or a ceramic plate. Specifically, a thickness of about 1 to 2 mm is optimal. The thickness of the separators 6 and 7 may be the same as the thickness of the gas separation / distribution plates 4 and 5. However, when a metal plate is used as the material for the separators 6 and 7, it can be used if it is 0.2 to 0.3 mm or more.
[0067]
Next, the details of the cell 1 in Example 1 will be described.
FIG. 2 is a perspective view showing the solid electrolyte electrode plate 13 in the unit cell 1 of the first embodiment. As shown in FIG. 2, the solid electrolyte electrode plate 13 is formed on the solid electrolyte substrate 31, the electrode film 32 formed on one surface (front surface) of the solid electrolyte substrate 31, and the other surface (back surface) of the solid electrolyte substrate 31. It is composed of different electrode films 33 formed. The pattern of the electrode film 32 on the surface of the solid electrolyte substrate 31 is formed with a slight gap left between the two adjacent sides of the solid electrolyte substrate 31 (on the left front side and the left back side in FIG. 2). The ends of the two opposite sides of the solid electrolyte substrate 31 (the two sides on the right front side and the right rear side in FIG. 2) are formed with a wide space left therebetween.
[0068]
On the other hand, the pattern of the electrode film 33 on the other surface (rear surface) of the solid electrolyte substrate 31 is opposite to the pattern of the electrode film 32 on the front surface between the end portions of the two sides on the right front side and the right back side in FIG. It is narrow and is formed so as to widen between the ends of the two sides on the left front side and the left back side. That is, the electrode film 32 on the front surface and the electrode film 33 on the back surface formed on both surfaces of the solid electrolyte substrate 31 are in a positional relationship shifted in the left-right direction with respect to the center of the solid electrolyte substrate 31 as shown in FIG. ing.
[0069]
The material of the solid electrolyte substrate 31 used in Example 1 is BaCe.0.35Zr0.5Gd0.15O3-αIt is.
The manufacturing method of the solid electrolyte substrate 31 is as follows.
(1) BaCe0.35Zr0.5Gd0.15O3-αEach material is weighed so as to become, and an organic solvent is added and mixed for 24 hours by a ball mill.
(2) After mixing, it is dried and formed into a predetermined shape.
(3) After forming, calcining in an air atmosphere at 1300 ° C.
(4) After calcination, an organic solvent, a plasticizer and a dispersant are added, and pulverized and mixed in a ball mill for 48 hours.
(5) After pulverizing and mixing, it is formed into a sheet by a doctor blade method on a silicone-treated PET film and dried.
(6) After drying, the sheets are pressed and integrated while heating a plurality of sheets, and then cut to the required size.
(7) After cutting, it is placed on a porous setter and debindered in an air atmosphere at 500 ° C. in an electric furnace.
(8) Finally, firing was performed at 1650 ° C. for 10 hours in an air atmosphere in an electric furnace to produce a thin perovskite-type barium-cerium-gadolinium-zirconium-based oxide solid electrolyte substrate 31.
[0070]
A platinum paste, for example, a platinum paste TR-7070 manufactured by Tanaka Kikinzoku Co., Ltd., is placed on both sides of the produced solid electrolyte substrate 31 (70.0 mm × 70.0 mm × 0.5 mm thickness) at the positions shown in FIG. Both sides were formed by screen printing, and baked at 1300 ° C. for 60 minutes in an air atmosphere to form an electrode film. The material for the electrode film of the present invention is not limited to the above platinum paste, and any electrode film that diffuses oxygen or fuel gas can be used. As described above, the coefficient of thermal expansion of the solid electrolyte electrode plate 13 having the electrode films formed on both surfaces of the solid electrolyte substrate 31 between room temperature and 500 ° C. is 10 to 11 × 10.-6It was hot.
[0071]
Next, the configuration of the unit cell 1 using the solid electrolyte electrode plate 13 produced as described above will be described with reference to FIGS. FIG. 3 is an exploded perspective view for explaining a method of attaching the thin metal plates 11 and 12 to the solid electrolyte electrode plate 13 produced by the above method and its structure. In FIG. 3, only one sandwiched electrode metal plate 12 of the two pairs of sandwiched electrode metal plates 11 and 12 attached to the solid electrolyte electrode plate 13 is shown to facilitate understanding of the structure. The electrode electrode metal plate 11 is omitted because it has the same structure.
As described with reference to FIG. 2, the electrode film 32 is formed on the surface of the solid electrolyte substrate 31, and the electrode film 32 is formed near the ends of two adjacent sides of the solid electrolyte substrate 31. In FIG. 3, the electrode film 32 is formed up to the vicinity of the ends of the two adjacent upper sides of the solid electrolyte substrate 31, and the electrode films 32 on the lower two sides facing each other are wide from the end of the solid electrolyte substrate 31. have. This electrode film 32 is formed so that the metal thin plates 41 and 42 are sandwiched from above and below the upper two sides of the solid electrolyte substrate 31 formed to the vicinity of the end of the solid electrolyte substrate 31, and the two metal thin plates 41 and 42 are spotted at several places. The sandwiched electrode metal plate 12 was formed by welding.
[0072]
The thin metal plates 41 and 42 of the sandwiched electrode metal plate 12 formed as described above have an L shape, and stepped portions 45a and 45b and 46a and 46b are formed inside thereof. The step portions 45a, 45b and 46a, 46b are formed by once bending the material of the metal thin plates 41, 42 upward or downward and then bending the tip portion downward or upward. . When the metal thin plates 41 and 42 sandwich the solid electrolyte electrode plate 13, the step portions 45 a, 45 b and 46 a, so that the tip portions of the step portions 45 a, 45 b and 46 a, 46 b are pressed against both surfaces of the solid electrolyte electrode plate 13. 46b is molded. That is, the metal thin plates 41 and 42 are sandwiched and spot-welded so as to sandwich the solid electrolyte electrode plate 13, so that the step portions 45 a and 45 b of the upper metal thin plate 41 press the electrode film 32 on the solid electrolyte substrate 31. . As described above, the step portions 45a and 45b of the upper metal thin plate 41 are always in contact with the upper electrode film 32, and the electrode film is generated by the force of the step portions 45a and 45b of the metal thin plate 41 returning to the original state. 32 is pressed. As a result, the tip portions of the stepped portions 45a and 45b are always in pressure contact with the electrode film 32 formed on the upper surface of the solid electrolytic substrate 31, and an electrically good connection is maintained.
[0073]
On the other hand, the electrode film 33 formed on the back surface of the solid electrolyte substrate 31 is formed apart from the end portions of the upper two sides of the solid electrolyte substrate 31, opposite to the electrode film 32 formed on the surface. Thereby, even if the stepped portions 46 a and 46 b of the lower metal thin plate 42 are pressed against the solid electrolyte substrate 31, the stepped portions 46 a and 46 b and the electrode film 33 formed on the back surface of the solid electrolyte substrate 31 are not in contact with each other. Electrically disconnected. In other words, the sandwiched electrode metal plate 12 in which the solid electrolyte electrode plate 13 is sandwiched by spot welding the upper and lower metal thin plates 41 and 42 is connected only to the electrode film 32 on the surface of the solid electrolyte substrate 31. ing.
[0074]
Although not shown in FIG. 3, the sandwiched electrode metal plate 11 on the front side of the solid electrolyte substrate 31 is formed of two thin metal plates in the same manner as the sandwiched electrode metal plate 12 on the back side. The substrate 31 is sandwiched and pressed. In the sandwiched electrode metal plate 11 on the front side thus configured, the step portion of the upper metal thin plate does not contact the electrode film 32 on the front surface, and the step portion of the lower metal thin plate is in contact with the electrode film 33 on the back surface. It has a structure that only electrically connects.
[0075]
As described above, in the configuration of the fuel cell of Example 1, the two sets of sandwiched electrode metal plates 11 and 12 assembled in substantially the same plane and attached to the solid electrolyte electrode plate 13 are electrically connected to each other. In this state, the electrodes are electrically connected to the electrode film on the front surface or the back surface while maintaining the insulation state.
[0076]
As a material of the thin metal plate of the sandwiched electrode metal plates 11 and 12, the material of the perovskite barium-cerium-gadolinium-zirconium-based oxide solid electrolyte substrate used in Example 1 according to the present invention is at a temperature of 400 to 500 ° C. Since it is a driving material, extreme oxidation does not occur at this temperature, and even if the tip portion in contact with the electrode film formed on both surfaces of the solid electrolyte substrate is operated at the above temperature for a long time, the spring property is not deteriorated. It must be a material. Specifically, a material that is close to the thermal expansion coefficient of the solid electrolyte substrate, has oxidation resistance, and retains spring properties at high temperatures is desirable. As such a material, the thermal expansion coefficient of the material (from room temperature to 500 ° C.) is 4 × 10.-6~ 20x10-6, More preferably 8 × 10-6~ 15 × 10-6As long as the material satisfies the above-described conditions, it is sufficient that the material satisfies the above conditions. Specifically, it is an iron alloy plate, a nickel alloy plate, a cobalt alloy plate, a nickel-cobalt alloy plate, or a stainless steel plate. As a more specific example, iron alloy; MA800H (Ni: 32.5%, Cr: 21%, Al: 0.5%, Fe: remainder, thermal expansion coefficient: 16.6 × from Mitsubishi Materials Corporation) 10-6), MA155N (Ni: 20%, Co: 20%, Cr: 21%, Mo: 3%, W: 2.5%, Fe: balance, thermal expansion coefficient: 15.6 × 10-6), Nickel alloy; Mitsubishi Materials Corporation, Hastelloy X (also known as Inconel) (Fe: 18%, Cr: 22%, Mo: 9%, Ni: balance, thermal expansion coefficient: 14.7 × 10)-6), MA750 (Fe: 7%, Cr: 15%, Al: 0.7%, Ni: remainder, thermal expansion coefficient: 14 × 10-6), MA263 (Co: 20%, Cr: 20%, Mo: 5.9%, Al: 0.5%, Ni: balance, thermal expansion coefficient: 13.3 × 10)-6), Cobalt alloy; Mitsubishi Materials Corporation, Haynes Alloy No. 25 (Ni: 10%, Cr: 20%, W: 15%, Co: remainder, thermal expansion coefficient: 13.9 × 10-6), Nickel-cobalt alloy; 42-invar (aka amber material) [(Ni + Co): 41 to 43%, Mo: 0.9 to 1.3%, Fe: remainder, thermal expansion coefficient: 4.5 to 6 × 10-6), Stainless steel plate; SUS310S (Ni: 19-22%, Cr: 24-26%, Fe: remainder, thermal expansion coefficient: 16.9 × 10-6), Etc. can be used. In addition, the value of the said content rate is weight%, and a thermal expansion coefficient is a value at the time of normal temperature-500 degreeC. Each material is heat-treated under suitable heat-treating conditions to develop a spring property. The above material has a coefficient of thermal expansion of 4 × 10-6~ 20x10-6The present inventors have confirmed through experiments that the present invention is sufficiently applicable to the sandwiched electrode metal plate of the present invention.
[0077]
The thickness of the metal thin plate of Example 1 according to the present invention can be pressed to such an extent that it hardly shows contact resistance electrically with the electrode film when sandwiched, and the upper limit thereof is a spring force that does not destroy the thin solid electrolyte substrate. The one that expresses is good. Specifically, a thickness of about 0.1 to 0.3 mm was optimum.
Since the thin metal plates of the sandwiched electrode metal plates 11 and 12 used in Example 1 according to the present invention maintain spring properties up to about 600 ° C. or lower, the metal plates other than the solid electrolyte substrate used in Example 1 of the present invention are used. As long as the driving temperature (practical ion conductivity) is about 600 ° C. or less, the connection method of Example 1 can be applied regardless of the type of the solid electrolyte material.
When the plurality of openings 43a, 43b and the like formed in the upper metal thin plate 41 shown in FIG. 3 and the plurality of openings 44a and 44b and the like formed in the lower metal thin plate 42 are joined by spot welding. These openings 43a, 43b, etc., 44a, 44b, etc. serve as gas supply / discharge passages.
[0078]
FIG. 4 is a perspective view showing the unit cell 1 in which the solid electrolyte electrode plate 13 and the sandwiched electrode metal plates 11 and 12 shown in FIG. 3 are assembled and completed.
In the unit cell 1 of FIG. 4, sandwiched electrode metal plates 11 and 12 sandwiched between two thin metal plates are provided at the end of the solid electrolyte substrate 31. The electrode film on the surface of the solid electrolyte substrate 31 is electrically connected to the sandwiched electrode metal plate 12. The electrode film on the back surface of the solid electrolyte substrate 31 is electrically connected to the sandwiched electrode metal plate 11. Openings 14a, 14b, 14c, 14d, 14e, 14f, 14g, and 14h are formed on four sides of the rectangular unit cell 1 formed by the two sandwiched electrode metal plates 11 and 12, and are independent. It becomes a gas supply / discharge route. Openings 51a and 51b are formed in the vicinity of the corners of the sandwiched electrode metal plates 11 and 12, and the cells 51 when the unit cells 1 are stacked are electrically connected to the openings 51a and 51b. A rod-shaped electrical conductor is inserted for connection. Further, a gap 52a, 52b is formed between the two sandwiched electrode metal plates 11, 12, and is held at an optimum distance so that the sandwiched electrode metal plates 11, 12 are not short-circuited. Yes.
[0079]
In the unit cell 1 shown in FIG. 4, corners 53 a, 53 b, 53 c, and 53 d indicated by fine hatching at the four corners of the solid electrolyte substrate 31 cause the generation of gas flow between the front and back of the unit cell 1. This is a portion where a sealing material is formed to prevent it. This sealing material is formed by applying and curing a heat-resistant inorganic adhesive. As a material of this heat-resistant inorganic adhesive, it does not change at a high temperature (room temperature to about 500 ° C.), can maintain adhesive force and keep airtightness, and has a coefficient of thermal expansion after curing. 5-15x10-6It is sufficient if the material is within the range. Specifically, heat-resistant inorganic adhesive Aron ceramic (main component is zirconia / silica-based, silica-based, alumina-based) from Toa Synthetic Chemical Industry Co., Ltd., and various metal alkoxides (Si, Ti, Zr, Al, etc.) For example, SIM # 500 series of Shinagawa White Brick Co., Ltd. and Alias of Nichias Co., Ltd.2O3-SiO2Series, Al2O3-SiO2-Na2An O-based adhesive or the like is useful. The holding of the airtightness is not limited to the adhesive as described above, and there is no problem with other materials and methods such as sealing with a flexible heat resistant material.
[0080]
In order to make the structure of the unit cell 1 of Example 1 shown in FIG. 4 easier to understand, a cross-sectional view taken along line III-III in FIG. 4 is shown in FIG. As shown in FIG. 5, one electrode film 32 (front surface) and the other electrode film 33 (back surface) are formed on both surfaces of the solid electrolyte substrate 31. Each sandwiched electrode metal plate 11, 12 is disposed in a state of sandwiching two sides at the symmetrical position of the solid electrolyte substrate 31.
In FIG. 4, the tip 62a of the upper metal thin plate of the sandwiched electrode metal plate 12 is in pressure contact with the end of the electrode film 32 on the front surface, but the tip 62b of the lower metal thin plate is the electrode film on the back surface. Directly press-bonded to the solid electrolyte substrate 31 with a gap 33 and a gap 64. The tip 61a of the thin metal plate on the upper side of the other sandwiched electrode metal plate 11 is in direct pressure contact with the solid electrolyte substrate 31 and has a gap 63 with the electrode film 32 on the surface. The tip 61b of the lower metal thin plate is connected in a state in which the end of the electrode film 33 on the back is pressed. That is, in the substantially same plane, each of the sandwiched electrode metal plates 11 and 12 is electrically short-circuited with respect to each of the electrode films 32 and 33 formed on both surfaces of the solid electrolyte substrate 31. It is securely bonded to the electrode film.
[0081]
In a fuel cell using a solid electrolyte substrate 31 in which a large temperature difference is always generated, if the joint is firmly connected using a noble metal paste or the like, the microscopic area will appear in the joint when operated for a long time even with a slight difference in thermal expansion coefficient. There was a problem that cracks occurred and the joints were finally in an insulating state. However, the electrode plate joining method by the sandwiching method of the metal thin plates in Example 1 according to the present invention is a method capable of overcoming the problems in the joining portion by the conventional noble metal paste as described above. That is, since the connection structure in Example 1 according to the present invention is a structure in which the spring property of the material of the metal thin plate is used to press-connect by its elastic force, thermal expansion is caused between the solid electrolyte electrode plate and the metal thin plate. Even if there is a difference in rate, the connecting portion slides and slides in contact. As a result, since the connection structure in the fuel cell of Example 1 can overcome the difference in thermal expansion, it becomes a highly reliable device that can guarantee a stable connection state for a long period of time.
[0082]
The solid electrolyte substrate of barium-cerium-gadolinium-based oxide, barium-cerium-gadolinium-zirconium-based oxide or barium-cerium-gadolinium-aluminum-based oxide used in the present invention has a driving temperature of 500 ° C. or less. Therefore, the connection structure used in the first embodiment according to the present invention, that is, a connection method using metal springiness can be applied. Since the zirconium oxide based solid electrolyte substrate is driven at a temperature of 800 ° C. or higher, the connection method of the first embodiment according to the present invention can be applied by using a metal material exhibiting spring properties in the temperature region.
In addition, the connection method shown in Example 1 is a structure in which the press-contact portion of the sandwiched electrode metal plate can move in addition to the above-described features, and thus occurs due to the difference in thermal expansion coefficient during assembly and between materials used. In this structure, stress such as twisting, warping, compression, or tension is applied to the solid electrolyte electrode plate by sliding the contact portion. Therefore, the connection method of the present invention has a great feature that even a solid electrolyte electrode plate having a thin plate thickness can be used without being damaged.
[0083]
In the fuel cell of Example 1 described above, the electrode connection structure has been described in which a sandwiched electrode metal plate is connected to two adjacent sides of the solid electrolyte electrode plate to constitute a unit cell. The electrode connection structure of Example 1 is an example of the present invention, and the present invention is not limited to this structure. For example, an electrode connection structure in which a unit cell is configured by connecting a sandwiched electrode metal plate to one side of a solid electrolyte electrode plate is also possible.
[0084]
Next, another example of the porous body disposed in the opening formed in the central portion of the gas separation / distribution plates 4 and 5 between the unit cell 1 and the separators 6 and 7 in Example 1 is shown in FIG. And it demonstrates using FIG. 6 and 7 are exploded perspective views showing the configuration of a unit cell in which the porous body in the fuel cell of Example 1 is configured in another shape.
[0085]
In Example 1, the porous bodies 2 and 3 disposed between the unit cell 1 and the separators 6 and 7 have a rectangular flat plate shape as shown in FIG. It has a function of flowing a gas through the electrode film on the surface. Unlike the rectangular porous bodies 2 and 3 in FIG. 1, the porous bodies 67a and 67b shown in FIG. 6 have a structure in which a plurality of prismatic rod bodies are attached with appropriate intervals. The porous bodies 67a and 67b provided on the upper and lower sides of the unit cell 1 are arranged in directions in which the longitudinal directions of the rod bodies differ by 90 °. As described above, the porous bodies 67a and 67b have a structure in which a plurality of rods are attached with appropriate intervals, and a gap parallel to the gas flow direction is formed, so that the resistance of the gas flow is reduced. be able to. The size of the entire exclusive part of the porous bodies 67a and 67b composed of a plurality of rods is the same as that of the rectangular porous bodies 2 and 3 shown in FIG. A size having an area slightly smaller than the space surrounded by the electrode metal plates 11 and 12 is suitable.
When the porous bodies 67a and 67b shown in FIG. 6 have the function of a conductor between the single cells, the rectangular shape of FIG. 1 is optimal. In the fuel cell of the present invention, the vibration of the solid electrolyte electrode plate 13 is performed. Since the main purpose is to prevent damage due to or impact, it is not necessary to dispose the electrode on the entire surface of the solid electrolyte substrate 13. Therefore, in the present invention, the prismatic porous bodies 67a and 67b arranged at intervals shown in FIG. 6 can be applied without any problem.
[0086]
FIG. 7 is an exploded perspective view showing a configuration of a unit cell using a porous body having another shape. The porous bodies 68a and 68b in FIG. 7 have a cylindrical shape whose cross section parallel to the electrode surface is a substantial circle, and is an example using a plurality of such cylindrical porous bodies. In the present invention, the main purpose of the porous body is to prevent the solid electrolyte electrode plate 13 from being broken due to vibration and impact, similarly to the prismatic porous bodies 67a and 67b in FIG. Therefore, the cylindrical porous bodies 67a and 67b shown in FIG.
[0087]
The thickness of the porous bodies 67a, 67b and 68a, 68b shown in FIGS. 6 and 7 is slightly larger than the gap between the separators 6, 7 and the solid electrolyte electrode plate 13 of the unit cell 1 when stacked as a fuel cell. Something is used. The material may be an electric conductor or an insulator. Examples of the conductor include a foamed metal material of Mitsubishi Materials Corp. and a non-woven fabric of nickel fiber, and the insulator is a zirconia foam or inorganic material of Mitsubishi Materials Corp. A porous body using ceramic fibers can be applied. The porosity is preferably 50% or more.
[0088]
Next, an example of a basic structure of a fuel cell in which single cells, which are basic components having one single battery configured as described above, are stacked will be described with reference to FIG. FIG. 8 is an exploded perspective view showing a basic structure in which three single cells 97, 98, 99 are stacked.
The fuel cell shown in FIG. 8 has three layers of single cells 97, 98, 99, which are basic components, and the single cells 97, 98, 99 are connected in series. In each unit cell 97, 98, 99 which is a basic structure, the connection state between the front and back electrode films of the unit cells 74a, 74b, 74c and the sandwiched electrode metal plate is as shown in FIG. 4 and FIG. Is electrically connected. The position of the electrode film on the upper surface of the unit cells 74a, 74b, 74c in each basic structure is displaced to the left sandwiched electrode metal plate 92 side in the unit cell 97, and conversely the right sandwich electrode in the unit cell 98. It is displaced to the metal plate 93 side, and in the single cell 99, it is displaced to the left sandwiched electrode metal plate 96 side. In each single cell 97, 98, 99, the upper electrode film is electrically connected to the sandwiched electrode metal plates 92, 93, 96 on the displaced side.
[0089]
On the other hand, the position of the electrode film on the lower surface of the unit cells 74a, 74b, and 74c of the unit cells 97, 98, and 99, which are basic components, is formed so as to be displaced to the opposite side to the position of the electrode film on the upper surface. . That is, the position of the electrode film on the lower surface of the unit cells 74a, 74b, 74c is displaced to the right sandwiched electrode metal plate 91 side in the unit cell 97, and the left sandwiched electrode metal plate 94 side in the unit cell 98. The single cell 99 is displaced toward the right sandwiched electrode metal plate 95 side. As a result, the electrode films on the lower surfaces of the unit cells 74a, 74b, and 74c are connected to the sandwiched electrode metal plates 91, 94, and 95 on the displaced side, respectively. That is, the electrode film on the upper surface and the electrode film on the lower surface are displaced to the opposite side for each adjacent layer for each unit cell 74a, 74b, 74c.
[0090]
In FIG. 8, reference numerals 76, 77, 78, 79 denote rod-shaped electric conductors for electrically connecting the sandwiched electrode metal plates of the adjacent unit cells 74a, 74b, 74c through other members. . When the electrode film on the upper surface side of the unit cells 74a, 74b, 74c is an oxygen electrode film, the lower end portion of the rod-shaped electric conductor 76 is connected to the oxygen electrode film on the upper surface of the unit cell 74a. The fuel electrode film on the lower surface of the unit cell 74a is connected to the upper end portion of the rod-shaped electric conductor 77, and the lower end portion of the rod-shaped electric conductor 77 is connected to the oxygen electrode film of the unit cell 74b arranged therebelow. Has been. The fuel electrode film on the lower surface of the unit cell 74b is connected to the upper end portion of the rod-shaped electric conductor 78, and the lower end portion of the rod-shaped electric conductor 78 is connected to the oxygen electrode film of the unit cell 74c disposed therebelow. Yes. The fuel electrode film on the lower surface of the unit cell 74 c is connected to the upper end portion of the rod-shaped electric conductor 79. That is, each unit cell having the laminated structure shown in FIG. 8 is configured such that the upper electrode film is an oxygen electrode film and the lower electrode film is a fuel electrode film.
[0091]
As described above, in the stacked structure of the single cells 97, 98, and 99 shown in FIG. 8, each single battery is connected in series. The rod-shaped electrical conductors 76, 77, 78, and 79 are metal rod-shaped bodies that are rigid and have high rigidity, and those having a threaded portion over the entire length are suitable. These rod-shaped electric conductors 76, 77, 78, 79 are inserted into apertures formed in the periphery of each sandwiched electrode metal plate, and the sandwiched electrode metal is tightened by tightening nuts serving as sandwiching means. The plate is fastened and fixed for electrical connection. As the metal material of the rod-shaped electric conductors 76, 77, 78, 79 having such screw portions, it has excellent oxidation resistance in a high-temperature air atmosphere and has a thermal expansion coefficient of a gas separation / distribution plate, a separator, and a gas. A material equivalent to or close to that of the separation / distribution / insulation plate is suitable. The gas separation / distribution / heat insulation plate is stacked on the upper and lower ends of the fuel cell stack structure, has gas introduction / exhaust ports, and functions as a heat insulation plate for the fuel cell stack. .
[0092]
Specifically, the metal material of the rod-shaped electrical conductors 76, 77, 78, 79 has a thermal expansion coefficient of 4 × 10.-6~ 20x10-6, More preferably 8 × 10-6~ 15 × 10-6The material is within the range. If it is in this range, the sandwiched electrode metal plate of each unit cell can be connected and driven without any problem. As a metal material meeting such conditions, an iron alloy, a nickel alloy, a cobalt alloy, a nickel-cobalt alloy, stainless steel, or the like can be applied.
In FIG. 8, reference numerals 71a, 71b, 71c, 71d are separators for separating air and fuel gas between the minimum constituent units of each fuel cell. Reference numerals 73a, 73b, 73c, 73d, 73e, and 73f are rectangular porous bodies disposed on both sides of each unit cell.
[0093]
In the fuel cell of Example 1 shown in FIG. 8, the opposing electrode films of the adjacent unit cells are arranged on the oxygen electrode film and the fuel electrode film through other members. The pattern position of the electrode film on the upper surface of the solid electrolyte electrode plate is alternately displaced in the opposite direction for each cell. Further, the positions of the upper and lower electrode films on each solid electrolyte electrode plate are displaced in the opposite directions.
As shown in FIG. 8, in the structure in which a plurality of unit cells are stacked, the sandwiched electrode metal plate of one pole in the first unit cell is adjacent to the next second unit cell through another member. Connected to the sandwiched electrode metal plate of one pole, the sandwiched electrode metal plate of the other pole of the second unit cell is further connected to another pole of the next third unit cell via another member. By connecting to the sandwiched electrode metal plate, a stacked structure of fuel cells in which a plurality of stacked single cells are connected in series can be formed.
[0094]
Next, the gas flow in the laminated structure of the unit cells will be described with reference to FIG.
If the electrode film on the upper surface side of the unit cell is an oxygen electrode film, in FIG. 8, arrows 81a (in) and 81b (out) indicate the flow of air that is an oxidant gas, and arrows 82a (in) and 82b ( out) indicates the flow of the fuel gas.
In FIG. 8, reference numerals 72a, 75a, 72b, 75b, 72c, and 75c are gas separation / distribution plates, and these gas separation / distribution plates 72a, 75a, 72b, 75b, 72c, and 75c supply air to each unit cell. 74a, 74b, 74c is flowed to the electrode films on the upper surface side (in the direction of arrows 83a, 83b, 83c), and fuel gas is flowed to the electrode film on the lower surface side of each unit cell (in the directions of arrows 84a, 84b, 84c). Are distributed and flow without being mixed. The air flow and the fuel gas flow are in contact with each electrode film surface in directions different from each other by 90 ° (perpendicular direction). Moreover, in the same electrode film in each unit cell 74a, 74b, 74c, it flows in the same direction (parallel state). In such a stacked structure, the inflow direction and the discharge direction of air or fuel gas are the same direction or opposite directions, which do not affect the performance of the fuel cell, and can be selected in either direction.
[0095]
9 is a view when the laminated structure of FIG. 8 is assembled, and is a cross-sectional view taken along line IV-IV of FIG. In the cross-sectional view of FIG. 9, the arrangement of the electrode film of the solid electrolyte electrode plate in each unit cell 74a, 74b, 74c is clearly shown. In the stacked unit cells 74a, 74b, and 74c, the electrode film on the upper surface of the unit cell 74a is connected to the sandwiched electrode metal plate 92 on the left side. The electrode film on the upper surface of the unit cell 74 b arranged below the cell 74 b is connected to the sandwiched electrode metal plate 93 on the right side. Furthermore, the electrode film on the upper surface of the unit cell 74c arranged on the lower side is connected to the sandwiched electrode metal plate 96 on the left side. As described above, in the fuel cell of Example 1, the positions of the electrode films formed on the upper surfaces of the single cells 74a, 74b, and 74c are alternately arranged. Moreover, the electrode film formed on the lower surface of each unit cell 74a, 74b, 74c is formed at a position displaced in the opposite direction to the electrode film on the upper surface, and each is formed at a different position. It is connected to the corresponding sandwiched electrode metal plate. Thus, in each of the single cells 74a, 74b, 74c, different sandwiched electrode metal plates are connected to the upper electrode film and the lower electrode film of the solid electrolyte electrode plate.
By connecting the electrode film and the sandwiched electrode metal plate as described above, the oxygen electrode film-fuel electrode film-oxygen electrode film -... and each electrode film are connected between the adjacent unit cells 74a, 74b, 74c. A fuel cell connected in series is configured. In FIG. 9, the first line 76, the unit cell 74a, the second line 77, the unit cell 74b, the third line 78, the unit cell 74c, and the fourth line 79 are connected in this order.
In the fuel cell of Example 1, as described above, the same gas flows through the electrode film on the upper surface of the solid electrolyte electrode plate, and another gas flows through the electrode film on the lower surface as described above.
[0096]
FIG. 10 is a perspective view when the laminated structure shown in FIG. 8 is assembled. In FIG. 10, the stack structure in FIG. 8 is shown as a fuel cell stack 121. Gas separation / distribution / heat insulation plates 122 and 123 are provided on both upper and lower sides of the fuel cell stack 121, and a metal plate 124a having gas supply openings and gas exhaust openings on the outermost layers on both sides thereof. , 124b are laminated.
The gas separation / distribution / heat insulation plates 122 and 123 also function as heat insulation plates of the fuel cell stack 121. The gas separation / distribution / heat insulating plate 122 has a gas supply opening 125b for supplying gas and a gas exhaust opening 125a for exhausting gas at an opposite position opposite to the gas supply opening 125b. The gas exhaust opening 125 a and the gas supply opening 125 b are formed at the same position as the gas supply / exhaust opening in the fuel cell stack 121. Although not shown in FIG. 10, the gas separation / distribution / thermal insulation plate 123 disposed on the lower side is located at the positions of the gas exhaust opening 125a and the gas supply opening 125b of the upper gas separation / distribution / thermal insulation plate 122. And an opening through which another gas is supplied / exhausted is formed at a position rotated by 90 °, that is, at a position in the vicinity of the other two opposite sides.
[0097]
Accordingly, the gas flow 81a shown in FIG. 10 flows from the gas supply opening of the upper metal plate 124a, passes through the gas supply opening 125b, is bent by being dammed by the lower gas separation / distribution / heat retaining plate 123, The gas flows through the gas exhaust opening 125a of the gas separation / distribution / heat retaining plate 122 on the opposite side and is discharged as a gas flow 81b from the gas exhaust opening of the upper metal plate 124a.
On the other hand, another gas flow 82a flows upward from the gas supply opening of the lower metal plate 124b, is dammed and bent by the upper gas separation / distribution / heat insulation plate 122, flows downward and is discharged. Yes.
The metal plates 124a and 124b shown in FIG. 10 are rigid and highly rigid metal materials, and missing portions 126 are formed at the four corners. These missing portions 126 are portions where the ends of screws that are rod-shaped electric conductors connecting the sandwiched electrode metal plates inside the fuel cell stack 121 protrude, and the screws are electrically connected to the metal plates 124a and 124b. It is formed so as not to short-circuit.
[0098]
FIG. 11 is a completed perspective view of the laminated structure shown in FIG. The outermost layers on both the upper and lower sides of the laminated structure are provided with metal plates 124a and 124b having gas supply openings and gas exhaust openings for supplying and exhausting gases individually. The fuel cell stack 121 and the gas separation / distribution / heat insulation plates 122 and 123 on both sides thereof are fastened by a plurality of screws 134 on the upper and lower metal plates 124a and 124b from the upper and lower directions so that the gas flow path in the stack structure is formed. Sealed to form a fuel cell.
In the laminated structure configured as described above, the rod-shaped electric conductor in which the sandwiched electrode metal plates of each unit cell are electrically connected in series is protruded from the laminated structure. Terminals 132a and 132b are connected to these protruding rod-shaped electric conductors 131a and 131b as output terminals, respectively.
As described above, the laminated structure can prevent gas leakage from each layer by fastening the metal plates 124a and 124b on both sides with a plurality of metal screws 134. In addition, in order to make it more perfect, gas leakage from each layer of the laminated structure can be completely prevented by arranging a heat-resistant and flexible thin sheet for gaskets between each layer. .
[0099]
As described above, in the fuel cell of Example 1 according to the present invention, different electrode films formed on both surfaces of a rectangular flat plate-shaped solid electrolyte substrate are formed at different positions and at positions inverted from each other. Two sets of sandwiched electrode metal plates are attached to each solid electrolyte electrode plate, and each sandwiched electrode metal plate is composed of two thin metal plates sandwiching the solid electrolyte electrode plate. The electrode film formed on the solid electrolyte electrode plate is sandwiched between two thin metal plates that are a pair of sandwiched electrode metal plates, and the tip of the thin metal plate is electrically connected to only one electrode film. Has been. The other electrode film is configured to be electrically connected to the tip of a thin metal plate of another sandwich electrode metal plate. Thus, the fuel cell of Example 1 has a structure in which the sandwiched electrode metal plate is connected to the electrode film of the solid electrolyte electrode plate by a special structure as described above, and the solid electrolyte electrode is provided by such a connection structure. A sandwiched electrode metal plate is electrically and independently connected to electrode films having different front and back surfaces in the same plane as the plate.
[0100]
Further, in the fuel cell of Example 1 according to the present invention, the sandwiched electrode metal plates of the stacked unit cells are electrically connected by the rod-shaped electric conductor, so that the separator is electrically conductive like the conventional fuel cell. There is no need to use sex materials.
Furthermore, in the fuel cell of Example 1 according to the present invention, a plurality of single-cell stacked structures are tightened with screws using rigid and high-rigidity metal plates from both sides, and gas passages in the stacked structures are evacuated. It is in a hermetically sealed state. In Example 1, as a result of the unit cell provided with the sandwiched electrode metal plate, an insulating material such as a mica plate can be used as the material for the gas separation / distribution plate and separator, and tightening with screws Materials that do not break can be used. As a result, according to the first embodiment of the present invention, it is possible to realize an internal manifold type fuel cell that can be kept airtight only by a mechanical fastening configuration. In Example 1 of the present invention, as a result of electrically connecting an electric conductor to a sandwiched electrode metal plate provided on a solid electrolyte electrode plate to obtain electric power, a conductive porous plate is obtained in a conventional fuel cell. However, the fuel cell of the present invention can be used even with an electrically insulating material, and the selection range of the material is widened so that the performance can be improved and the cost can be reduced.
[0101]
Example 2
Hereinafter, a fuel cell of Example 2 according to the present invention will be described with reference to FIGS. 12 and 13. FIG. 12 is an exploded perspective view showing a basic configuration of a fuel cell constituted by three single cells 161, 162, and 163. FIG. FIG. 13 is a cross-sectional view of the fuel cell in a state where the three single cells 161, 162, and 163 shown in FIG. The fuel cell of Example 2 has a configuration in which the single cells 161, 162, and 163 are connected in parallel.
[0102]
In the fuel cell of Example 2, each of the single cells 161, 162, 163 has the same configuration as that of Example 1 of FIG. 1 described above, and the porous bodies 73a, 73b, 73c, 73d, 73e, and 73f, gas separation / distribution plates 72a, 75a, 72b, 75b, 72c, and 75c and separators 71a, 71b, 71c, and 71d are provided, respectively. As shown in FIGS. 12 and 13, gas separation / distribution plates 72 a and 75 a are arranged on both sides of the unit cell 141 of the unit cell 161 in the fuel cell of the second embodiment, and the unit cell 142 of the unit cell 162. Gas separation / distribution plates 72b and 75b are disposed on both sides, and gas separation / distribution plates 72b and 75b are disposed on both sides of the unit cell 142 of the single cell 163. The shape and arrangement of these gas separation / distribution plates 72a, 75a, 72b, 75b, 72c, 75c are the same as those of the gas separation / distribution plates of FIGS. 8 and 9 shown in the first embodiment. It is.
[0103]
The fuel cell of Example 2 is configured so that different gases flow in directions orthogonal to the respective solid electrolyte electrode plates formed on both surfaces of each of the unit cells 141, 142, and 143, as in Example 1 described above. ing. The separators 71a, 71b, 71c, 71d and the porous bodies 73a, 73b, 73c, 73d, 73e, 73f in the fuel cell of Example 2 have the same functions and configurations as those described with reference to FIGS. Therefore, the detailed description is abbreviate | omitted.
The fuel cell of Example 2 is different from the fuel cell shown in FIGS. 8 and 9 of Example 1 described above in that the positions of the electrode films formed on both surfaces of the solid electrolyte electrode plate and the unit cells 141, 142, 143 is an electrical connection method.
[0104]
As shown in FIGS. 12 and 13, the positions of the electrode films on the upper surfaces of the individual cells 141, 142, 143 are all biased to the left side, and these electrode films are sandwiched electrode metal plates 145, 147, 149 is electrically connected. On the other hand, although not shown in the drawing, the electrode films on the lower surface are all biased to the right side, and these electrode films are all electrically connected to the sandwiched electrode metal plates 144, 146, 148 on the right side. In the left sandwiched electrode metal plates 145, 147, 149 and the right sandwiched electrode metal plates 144, 146, 148 configured as described above, openings are formed in the vicinity of the four corners and arranged in a straight line. Has been. A rod-shaped electric conductor 156 made of an electrically conductive material extending in the vertical direction is inserted into the openings of the left sandwiched electrode metal plates 145, 147, and 149 and electrically connected to each other. Further, rod-shaped electric conductors 155 made of an electrically conductive material extending in the vertical direction are inserted into the openings of the right sandwiched electrode metal plates 144, 146 and 148, and are electrically connected to each other. Thus, by connecting the single cells 141, 142, and 143 by the rod-shaped electric conductors 155 and 156, the single cells are connected in parallel.
[0105]
In the fuel cell of Example 2 shown in FIG. 12, the respective gas flows flowing on both surfaces of each solid electrolyte electrode plate flow in the perpendicular direction as in the case of the fuel cells shown in FIGS. ing. Therefore, the difference between the fuel cell of Example 2 and the fuel cell of Example 1 is only the difference in whether the connection structure of each unit cell is in series or parallel.
As described above, in the fuel cell of the present invention, since the unit cell is electrically connected using the sandwiched electrode metal plate, the positions of the electrode films formed on both surfaces of the solid electrolyte electrode plate are determined. By changing, it is possible to easily realize a fuel cell having a series structure and a fuel cell having a parallel structure.
[0106]
As described in the first embodiment (FIG. 10), gas separation / distribution / heat insulation plates are provided on both sides of the stacked structure in which the single cells 161, 162, 163 in the fuel cell of the second embodiment are stacked. In addition, a metal plate having a gas supply / discharge opening is disposed on the outside thereof. Since the structure in which the laminated structure of the fuel cell is fastened and fixed by the screw with the metal plate and the structure in which the fuel cell is connected to the external lead by the rod-shaped metal conductor is the same as the structure of the first embodiment, description thereof is omitted.
[0107]
According to the fuel cell of Example 2 of the present invention, it is possible to construct a parallel-connected fuel cell with a simple configuration. The series connection is suitable for obtaining a high voltage as a whole fuel cell, and the parallel connection is suitable for constructing a fuel cell having a low voltage but a large capacity. In the present invention, it is possible to mix two connection structures of parallel connection and series connection, and it is also possible to construct a fuel cell in which a part of series connection and a part of parallel connection are mixed in one fuel cell. Is possible. It has been impossible in the conventional fuel cell to mix such two connection structures.
[0108]
Example 3
Hereinafter, a fuel cell of Example 3 according to the present invention will be described with reference to FIGS. 14 and 15. FIG. 14 is an exploded perspective view showing the basic configuration of the fuel cell of Example 3. FIG. 15 is a cross-sectional view taken along the line VI-VI in a state where the layers of the fuel cell of FIG. 14 are stacked. In FIGS. 14 and 15, the same reference numerals are given to components having the same functions and configurations as those of the second embodiment, and the description thereof is omitted.
[0109]
In the fuel cell of Example 1 and Example 2, each single cell was divided using a separator. In Example 3, a fuel cell having no separator is shown. In Example 3, each configuration of the single cells 181, 182 and 183 is the same as that of the single cell 1 shown in FIG.
As shown in FIGS. 14 and 15, the positions of all the electrode films formed on the upper surface of the solid electrolyte electrode plate in each of the cells 181, 182, and 183 are in the same direction (in FIG. 14, Is biased to the left). On the other hand, the positions of all the electrode films formed on the lower surface of the solid electrolyte electrode plate are biased in the direction opposite to the upper electrode film (right side in FIG. 14), that is, the position of the upper electrode film is reversed. It is formed at the position.
[0110]
As shown in FIG. 15, the connection state between the electrode film and the sandwiched electrode metal plate in each of the cells 181, 182, and 183 is the upper electrode film on the upper side of the left sandwiched electrode metal plates 185, 187 and 189. The electrode films on the lower surfaces of the cells 181, 182, and 183 are connected to the lower metal thin plates on the right sandwiched electrode metal plates 184, 186, and 188.
As described above, rod-shaped electric conductors 197, 198, 199, and 200 are sequentially connected to the respective sandwiched electrode metal plates connected to the respective electrode films, and the three unit cells 181, 182 and 183 are connected in series. It is connected to the.
[0111]
In Example 3, the same type of first gas (for example, fuel gas) flows on the lower surface of the unit cell 181 and the upper surface of the unit cell 182, and the lower surface of the unit cell 182 and the unit cell 183. A second gas (for example, air) different from the first gas flows on the upper surface of the first gas. The first gas and the second gas flow in directions different from each other by 90 °, that is, in directions orthogonal to each other. In the fuel cell of Example 3, the opposed electrode films in the stacked unit cells 181, 182 and 183 are arranged to have the same pole.
In Example 3, since the fuel cell is formed as a laminated structure as described above, the solid electrolyte substrate of each of the single cells 181, 182 and 183 performs the function of a separator. A battery can be constructed.
As described in the first embodiment (FIG. 10), gas separation / distribution / heat insulation plates are provided on both sides of the stacked structure in which the single cells 181, 182 and 183 in the fuel cell of the third embodiment are stacked. 193 and 194 and a metal plate having gas supply / exhaust holes on the outside thereof are disposed. Since the structure in which the laminated structure of the fuel cell is fastened and fixed by the screw with the metal plate and the structure in which the fuel cell is connected to the external lead by the rod-shaped metal conductor is the same as the structure of the first embodiment, description thereof is omitted.
[0112]
Next, the gas flow in the laminated structure of Example 3 will be described with reference to FIG.
If the electrode film on the upper surface side of the unit cell 181 is an oxygen electrode film, in FIG. 14, arrows 196a (in) and 196b (out) indicate the flow of air, which is an oxidant gas, and arrows 195a (in) and 195b (Out) indicates the flow of the fuel gas.
In FIG. 14, reference numerals 72 a, 75 a, 72 b and 75 b are gas separation / distribution plates, and these gas separation / distribution plates 72 a, 75 a, 72 b and 75 b are used as electrode films on the upper surfaces of the cells 181 and 183. (In the direction of arrows 192a and 192b), fuel gas is made to flow through the electrode films on the lower surface side of the cells 181 and 183 (in the direction of arrows 191a and 191b), and the respective gases are distributed and flowed. The air flow and the fuel gas flow are in contact with each electrode film surface at an angle different from each other by 90 °, and flow in the same direction in the same electrode film of each unit cell. In such a stacked structure, the inflow direction and the discharge direction of air or fuel gas are the same direction or opposite directions, which do not affect the performance of the fuel cell, and can be selected in either direction.
[0113]
As can be understood from FIGS. 14 and 15, in Example 3, the unit cells 181, 182, and 183 are connected by connecting the unit cells 181, 182, and 183 with the rod-shaped electrical conductors 197, 198, 199, and 200. Connected in series. For example, when the electrode film on the upper surface of the unit cell 181 is an oxygen electrode film, the sandwiched electrode metal plate 184 connected to the fuel electrode film on the lower surface of the unit cell 181 is connected to the oxygen electrode film on the lower side of the unit cell 182. The sandwiched electrode metal plate 187 connected to the fuel electrode film on the upper surface of the unit cell 182 is connected to the sandwiched electrode metal plate 186 that is connected to the oxygen electrode film on the upper surface of the unit cell 183. It is connected to the electrode metal plate 189. As described above, the oxygen electrode films and the fuel electrode films are alternately connected in sequence, so that the unit cells 181, 182 and 183 in the fuel cell of Example 3 are connected in series.
[0114]
In the fuel cell of Example 3 according to the present invention, the position of the electrode film formed on both surfaces of the solid electrolyte electrode plate and the connection relationship between the electrode film and the sandwiched electrode metal plate are changed, thereby implementing the above-described implementation. The separator in the example is configured so that the solid electrolyte substrate of each cell functions. Therefore, according to the configuration of Example 3, a fuel cell having a separator-less stacked structure can be realized. According to Example 3, it becomes possible to produce a thin fuel cell with the same capacity, and a reduction in material cost can be achieved. Furthermore, according to the third embodiment, a separator as a part to be used is not required as compared with the above-described embodiments, so that it is easier to ensure airtightness and a highly reliable fuel cell can be realized.
[0115]
Example 4
Hereinafter, a fuel cell of Example 4 according to the present invention will be described with reference to FIGS. 16 to 19. FIG. 16 is a perspective view showing the configuration of the unit cell 230 in the fuel cell of Example 4. 17 is a cross-sectional view of the unit cell of FIG. 16 taken along line XX.
In the fuel cell stack structure of Example 4, one unit cell has a plurality of solid electrolyte electrode plates and a plurality of unit cells are stacked.
As shown in FIG. 16, the unit cell 230 in the fuel cell of Example 4 includes two solid electrolyte electrode plates 231 and 232, one set of T-shaped sandwiched electrode metal plates 235, and two sets of L-shaped sandwiched plates. It is comprised by the electrode electrode metal plate 233,234.
As shown in FIG. 17, the electrode film 263 on the upper surface of the right solid electrolyte substrate 31a in the unit cell 230 is formed to be biased to the left side, and the electrode film 261 on the upper surface of the left solid electrolyte substrate 31b is biased to the right side. Is formed. The two electrode films 261 and 263 are respectively connected to the step portions 238a, 238b, 238c, and 238d (see FIG. 16) of the upper metal thin plate 238 in the T-shaped sandwiched electrode metal plate 235 and have the same pole. Yes.
[0116]
On the other hand, the electrode film 264 on the lower surface of the right solid electrolyte substrate 31 a is formed to be biased to the right side and is connected to the lower metal thin plate 268 in the L-shaped sandwiched electrode metal plate 233. The electrode film 262 of the left solid electrolyte substrate 31b is formed to be biased to the left side and is connected to the lower metal thin plate 265 in the L-shaped sandwiched electrode metal plate 234. Thus, the two electrode films 262 and 264 are connected to have the same pole.
As shown in FIG. 16, gaps 244a, 244b, 245a, 245b are formed between the L-shaped sandwiched electrode metal plates 233, 234 and the T-shaped sandwiched electrode metal plates 235, respectively. Insulated.
[0117]
In addition, the area | region of the code | symbol 252a, 252b, 252c, 252d, 252e, 252f, 252g, 252h shown in FIG. This is a portion where a sealing material for securing is formed. That is, a heat-resistant inorganic adhesive is applied to these portions and cured in order to prevent the generation of gas flow between the front and back of the unit cell. A specific example of the heat-resistant inorganic adhesive has been described in detail in the above-described embodiment 1, and is omitted here.
The L-shaped sandwiched electrode metal plates 233 and 234 and the T-shaped sandwiched electrode metal plate 235 are formed with a plurality of independent elongated openings. The same type of gas (for example, air) flows through the openings 242a, 242b, 243a, and 243b formed in the opposing long side portions of the unit cell 230. On the other hand, different types of gas (for example, fuel gas) are respectively present in the openings 241a and 241b formed in the opposing short side portions of the unit cell 230 and the opening 246 formed in the central portion of the unit cell 230. It is configured to flow.
[0118]
The two L-shaped sandwiched electrode metal plates 233 and 234 are configured to have the same pole, and the openings 251a and 251b formed at the corners of the L-shaped sandwiched electrode metal plates 233 and 234 have a rod shape. An electric conductor is inserted and connected, and is configured to have the same polarity as the other L-shaped sandwiched electrode metal plates stacked. Another bar-shaped electric conductor is inserted and connected to the opening 247 provided in the T-shaped sandwiched electrode metal plate 235 so as to have a different pole from the L-shaped sandwiched electrode metal plates 233 and 234. In addition, it is configured to have the same polarity as the other laminated T-shaped sandwiched electrode metal plates.
[0119]
FIG. 18 is an exploded perspective view showing the structure of a single unit cell of the minimum unit using the single battery 230 shown in FIGS.
As shown in FIG. 18, rectangular porous bodies 284a, 284b, 284c, and 284d, gas separation / distribution plates 282 and 283, and separators 281a and 281b are laminated on the upper and lower sides of the unit cell 230, respectively.
Openings 291a, 291b, and 292 through which one kind of gas flows are formed in the gas separation / distribution plate 282 having substantially the same rectangular flat plate shape disposed on the upper side of the unit cell 230. The opening portions 291a and 291b are formed at positions facing each other on the short side of the outer peripheral portion, and the opening portion 292 is formed in the central portion, and each is formed independently. In the fourth embodiment, an example is shown in which one opening 291a, 291b, and 292 is formed at each position. However, a plurality of openings 291a, 291b, and 292 may be formed according to the shape and function of the fuel cell.
[0120]
As shown in FIG. 18, four openings 287 a, 287 b, 287 c, and 287 d are formed on the long side of the outer peripheral portion of the gas separation / distribution plate 282. In FIG. 18, the opening 287b at the position facing the opening 287a on the long side is hidden and is not shown in the drawing. However, in the specification, the opening is 287b. These openings 287a, 287b, 287c, 287d are formed at positions corresponding to the openings 285a, 285b, 286a, 286b of the unit cell 230, and are large formed at the center of the gas separation / distribution plate 282. It is formed so as to communicate with the opening. As a result, the gas flow that has passed through the openings 287a, 287b, 287c, and 287d has a structure in contact with the surfaces of the solid electrolyte electrode plates 231 and 232 on the upper surface of the unit cell 230. However, in the gas separation / distribution plate 282, the gas flows flowing on the surfaces of the respective solid electrolyte electrode plates 231 and 232 are not mixed so that the openings are opposed to each other, for example, between the openings 287a and 287b and the openings. Gas supply / exhaust is performed separately between 287c and the opening 287d. Therefore, the openings 287a, 287b, 287c, and 287d are isolated from the opening 292 formed in the central portion where another kind of gas flows. For this reason, a flow path in which two systems of gas independently flow is formed in the four side portions and the central portion of the gas separation / distribution plate 282 stacked on the upper side of the unit cell 230.
[0121]
On the other hand, in the gas separation / distribution plate 283 stacked on the lower side of the unit cell 230, the gas flow direction is 90 ° different from that of the upper gas separation / distribution plate 282. A large opening is formed in the lower gas separation / distribution plate 283 directly below the independent opening 292 in the central portion of the upper gas separation / distribution plate 282. The positions corresponding to the independent openings 291a and 291b on the short side of the upper gas separation / distribution plate 282, that is, the openings 293a and 293b at the same position on the vertical line communicate with the large opening in the central portion. ing. Therefore, the lower gas separation / distribution plate 283 is configured such that the gas flow flows in from the openings 293a and 293b on both sides and is discharged from the independent opening 246 formed in the central portion of the unit cell 230. Has been. Thus, the gas flowing in the lower gas separation / distribution plate 283 is a different gas from the gas that flows through the upper gas separation / distribution plate 282 of the unit cell 230 and contacts the electrode film, and flows through each gas. The direction is 90 ° different.
Openings 294a, 294b (not shown), 294c, 284d through which different kinds of gas flow are provided on the side (long side) different from the openings 293a, 293b of the lower gas separation / distribution plate 283 by 90 °. Each is formed independently. That is, the air and fuel gas in contact with the electrode film on the upper surface or lower surface of the unit cell 230 are separately supplied and exhausted without being mixed, and their directions are formed to be 90 ° different on the upper and lower surfaces. Yes. In the fuel cell of the present invention, the supply and exhaust directions of both gases are not limited to the configuration described above, and there is no problem even if they are reversed.
[0122]
As shown in FIG. 18, a separator 281a having substantially the same planar shape as the gas separation / distribution plate 282 is laminated above the upper gas separation / distribution plate 282. A separator 281 b having substantially the same planar shape as the gas separation / distribution plate 283 is laminated below the lower gas separation / distribution plate 283. The separators 281a and 281b have a function of separating different gases flowing on both surfaces of the unit cell 230. A plurality of openings 301a, 301b, 301c, 301d, 302a, 302b, and 303 are formed in the upper separator 281a independently of each other. In the lower separator 281b, a plurality of openings 295a, 295b, 296a, 296b, 296c, 296d, and 297 are formed independently of each other.
The unit cell 230, the gas separation / distribution plates 282 and 283, and the separators 281a and 281b in the fourth embodiment described above have substantially the same planar shape, and independent openings formed in each of them have , All have the same shape and are arranged on the same vertical line. Such a relationship applies to all the stacked structures in the fuel cell of the present invention.
In the fuel cell of Example 4, a plurality of unit cells each having the unit cell 230 shown in FIG. In the plurality of unit cells arranged in the upper and lower sides in this stacked structure, positions corresponding to the plurality of apertures 311a, 311b, 312 formed on the outer peripheral portion of the sandwiched electrode metal plate of the unit cell 230 of FIG. That is, an opening is formed at a position on the perpendicular line of the opening 311a, 311b, 312. A rod-shaped metal conductor, specifically, a metal screw having a screw portion is inserted and connected to the corresponding opening portions. The lead-out end portion of the metal screw serves as an output terminal, and the fuel cell of Example 4 is configured to output a predetermined voltage.
[0123]
FIG. 19 is a perspective view of a fuel cell of Example 4 in which three single cells shown in FIG. 18 are stacked. In FIG. 19, gas separation / distribution / heat insulation plates 322 and 323 are laminated on both sides of a laminated structure 321 in which three single cells are laminated, and the rod-like metal is disposed at both corners of the gas separation / distribution / heat insulation plates 322 and 323. Opening portions 331a and 331b into which conductors are inserted are formed, and a rod-shaped metal conductor led out from both lower corners on the vertical line of these opening portions 331a and 331b has one external output terminal. Lead connection terminals 325 and 326 are connected. A rod-shaped metal conductor is also inserted into the opening formed in the central portion on the long side of the upper gas separation / distribution / heat insulating plate 322, and at the leading end of the rod-shaped metal conductor, An external lead connection terminal 327 serving as the other output terminal is provided.
[0124]
The laminated structure 321 configured as described above, and the gas separation / distribution / heat insulating plates 322 and 323 on both sides thereof have rigidity for supplying air or fuel gas supply / exhaust openings on the outermost layer portions on both sides thereof. High metal plates 324a and 324b are laminated. Thus, the laminated body 321, the gas separation / distribution / heat insulating plates 322 and 323, and the metal plates 324 a and 324 b are fastened by the plurality of screws 328, and the gas flow path inside the laminated body is surely provided. A fuel cell having a sealed structure is formed.
[0125]
As described above, since the fuel cell of Example 4 according to the present invention is a system in which each electrode film is connected by the sandwiched electrode metal plate, the unit cell having a plurality of solid electrolyte electrode plates in substantially the same plane. As a result, a fuel cell having a large output per unit volume can be realized.
[0126]
Example 5
Hereinafter, the fuel cell of Example 5 which concerns on this invention is demonstrated using FIG. FIG. 20 is a perspective view showing the configuration of the unit cell 333 in the fuel cell of Example 5.
In Example 5, a connection method using a sandwiched electrode metal plate of the present invention is applied to a fuel cell having basically the same structure as an internal manifold type fuel cell using a conventional solid electrolyte electrode plate having a rectangular flat plate shape. It is.
In FIG. 20, oxygen electrode films or fuel electrode films are formed on both surfaces of the solid electrolyte electrode plate 334 of the unit cell 333. However, both of these electrode films are formed in the central portion, not in the position where the pattern position is shifted. Therefore, the two sets of sandwiched electrode metal plates 335 and 336 attached with the solid electrolyte substrate interposed therebetween are not in contact with any of the electrode films, and are electrically insulated from the electrode films on both sides. Yes.
[0127]
On both sides of the unit cell 333, rectangular porous bodies 2 and 3 having conductivity, gas separation / distribution plates 4 and 5 having electrical insulation, and separators 6 and 7 having conductivity are laminated to form a single unit. The cell is configured. Since the gas flowing in the laminated structure thus configured is the same as the gas flow described in the first embodiment, the description thereof is omitted.
In the fuel cell of Example 5 configured as described above, the output generated in the single cell 333 is not taken out from the sandwiched electrode metal plate, but the conductive separator from the conductive porous plate of the laminated structure. This is the same as the method of taking output through a separator in a conventional fuel cell.
Therefore, according to the configuration of the fuel cell of Example 5, the method of sandwiching the solid electrolyte substrate between the two metal thin plates and taking out the output from the electrode film through the sandwiched electrode metal plate as in the above-described embodiment is not used. The present invention can be applied to any conventional electrical connection method in a fuel cell without any problem.
[0128]
In Embodiments 1 to 5 described above, the structure using a substantially square solid electrolyte substrate has been described. However, the present invention is not limited to this shape, and may be a shape to which a sandwiching connection method using a thin metal plate can be applied. For example, the present invention can be applied to a rectangular or polygonal solid electrolyte substrate without any problem.
Further, in Examples 1 to 5, the substrate molded by the green sheet method has been described as the solid electrolyte substrate, but the substrate structure according to the present invention is not limited to the above manufacturing method, and for example, a porous oxygen electrode plate or The present invention can also be applied to a substrate having a structure having a solid electrolyte formed into a thin film on the surface of a porous fuel electrode plate by a screen printing method, a thermal spraying method, a sputtering method or the like.
[0129]
The fuel cell according to the present invention is an internal manifold type fuel cell in which a plurality of rectangular plate-shaped solid electrolyte electrode plates are stacked with a connection structure using sandwiched electrode metal plates, and the fuel using the solid electrolyte electrode plates according to the present invention The battery operates at a relatively low temperature, about 500 ° C.
In the present invention, the material of the gas separation / distribution plate, gas separation / distribution / heat insulating plate or separator is not limited as long as it has heat resistance and electrical insulation. For example, for ceramic materials, there is a large temperature difference between the temperature near the oxygen electrode membrane and the fuel electrode membrane and the temperature at the outer periphery, so materials with extremely large thermal expansion coefficients are destroyed by the temperature difference within the material. Therefore, it cannot be used. However, the thermal expansion coefficient is 5 × 10-6~ 15 × 10-6In the range of, for example, mullite (3Al2O3・ 2SiO2) Thermal expansion coefficient: 5 × 10-6Or steatite (MgO · SiO2) Thermal expansion coefficient: 7-9 × 10-6Alternatively, forsterite (2MgO · SiO2) Thermal expansion coefficient: 9-11 × 10-6Or alumina (92-96Al2O3) Thermal expansion coefficient: 7-8 × 10-6Or mica material, coefficient of thermal expansion; 10-12 × 10-6Alternatively, other glass or ceramic materials have a thermal expansion coefficient of 5 to 15 × 10-6A material within the range can be used as the optimum material. Particularly preferred is a mica material. Mica material is an effective material because it is strong in bending force, heat resistant, and has electrical insulation.
[0130]
In addition, since a threaded metal bar and a tightening nut for taking out the output are used in a high-temperature oxidizing atmosphere, they are limited to materials having high oxidation resistance. As the material, stainless steel, nickel alloy, cobalt alloy, nickel-cobalt alloy, iron alloy and the like are effective. Particularly preferred are nickel, cobalt-based alloys, nickel-cobalt alloys, etc., such as hastelloy, inconel, incoloy, and invar, which have good oxidation resistance and a small thermal expansion coefficient. Further, since the atmosphere is a high-temperature oxidizing atmosphere, the reliability of the connecting portion is extremely improved if the surface of the metal bar or nut is covered with a material that is not easily oxidized, such as platinum, gold, silver, aluminum, nickel, palladium.
[0131]
In addition, as a metal thin plate material for the sandwich electrode metal plate, a material that can be used in a high-temperature oxidizing atmosphere and also has a spring property, that is, a material that does not deteriorate the force of pressing the oxygen electrode film and the fuel electrode film even at a high temperature is required. Is done. Examples of the metal material that can withstand such specifications include nickel alloys such as Hastelloy X (Fe; 18%, Cr; 22%, Mo; 9%, Ni; Balance) of Mitsubishi Materials Corp .; 14.7 × 10-6MA750 (Fe; 7%, Cr; 15%, Al; 0.7%, Ni; Balance) thermal expansion coefficient; 14 × 10-6MA263 (Co; 20%, Cr; 20%, Mo; 5.9%, Al; 0.5%) Thermal expansion coefficient; 13.3 × 10-6A material referred to as Inconel or a cobalt alloy, for example, Haynes Alloy No. 25 (Ni; 10%, Cr; 20%, W; 15%, Co; Balance), a thermal expansion coefficient of Mitsubishi Materials Corporation; 13.9 × 10-6Etc., iron alloys such as MA800H (Ni; 32.5%, Cr; 21%, Al; 0.5%) of Mitsubishi Materials Corp. 16.6 × 10-6MA155N (Ni; 20%, Co; 20%, Cr; 21%, Mo; 3%, W; 2.5%) 15.6 × 10-6Or a nickel-cobalt alloy, for example, 42 invar ((Ni + co); 41 to 43%, Mo; 0.9 to 1.3%, Fe; Balance) coefficient of thermal expansion. 4.5-6 × 10-6Or a stainless steel, such as SUS310S (Ni; 19-22%, Cr; 24-26%, Fe; Balance), thermal expansion coefficient; 16.9 × 10-6A material having a content of wt% and a thermal expansion coefficient of room temperature to 400-500 ° C. was optimal. That is, when heat treatment is performed under the heat treatment conditions specific to each material, it has a spring property at room temperature to 500 ° C. to 600 ° C., is electrically conductive, and has a thermal expansion coefficient of 4 × 10 4 in the above temperature range.-6~ 20x10-6As long as the material is within the range, any material can be used without being limited to the above materials.
[0132]
Further, the thickness of the thin metal plate of the sandwich electrode metal plate is in the range of 0.1 mm to 0.5 mm, preferably in the range of 0.15 mm to 0.3 mm. If the plate thickness is less than the above range, the spring pressure is too small, causing unstable elements in electrical contact. Conversely, if the plate thickness is thicker than the above range, the spring pressure is too strong and the two metal thin plates are welded to the solid electrolyte substrate. Sometimes, the damage to the solid electrolyte substrate is great, and in the worst case, it may be damaged.
The present inventors have confirmed that the difference in expansion and contraction of the material due to the difference in thermal expansion coefficient from the solid electrolyte substrate can be absorbed by the sliding of the contact portion by using the metal thin plate in the above preferable range.
[0133]
The metal thin film material needs to be subjected to a heat treatment specific to each material in order to have a spring property at a high temperature. The heat-treated metal thin film material is particularly preferably nickel, cobalt such as Hastelloy, Inconel, Incoloy, Invar, etc., which has good oxidation resistance and a thermal expansion coefficient close to that of a solid electrolyte, and is not easily deteriorated even at high temperatures. Alloys are effective. In addition, since it is a high-temperature oxidizing atmosphere, the reliability of the connection can be improved if the entire surface or part of the surface of the metal plate is covered with a non-oxidizable material such as platinum, gold, silver, aluminum, nickel, palladium, etc. Extremely improved. Particularly preferably, gold plating is effective. According to the experiments by the inventors, the plating thickness in the case of gold plating was about 0.5 to 1.0 μm, and the function of a sufficient antioxidant film was achieved.
[0134]
In the description of each of the above embodiments, a fuel cell in which three solid electrolyte electrode plates are stacked has been described. Needless to say, the present invention can be applied to one or more than five fuel cells.
In the description of each of the above embodiments, the structure in which the solid electrolyte electrode plates are connected at the two adjacent sides by the metal thin plate has been described. However, the present invention is not limited to the two sides, and the connection by one side or metal wire is also possible. It is possible and can be put to practical use immediately if its airtightness is ensured.
[0135]
In the description of each of the above embodiments, the structure of electrical connection at the corner of the outer peripheral portion of the sandwiched electrode metal plate has been described. However, the present invention is not limited to the corner, and the gas is not limited to other portions. This can be realized immediately by changing the position of the opening serving as the flow path.
In the description of each of the above embodiments, the description has been made on the assumption that the solid electrolyte substrate is arranged in a horizontal state. However, the present inventors have confirmed by experiment that the direction can be used without any problem.
In the description of each of the above embodiments, the gas supply / discharge path structure in which the air supply / discharge path flowing into the oxygen electrode film is sealed has been described. However, the fuel cell according to the present invention may have an open structure on the air side. .
Furthermore, in the description of each of the above embodiments, the fuel cell main body has been mainly described. However, in actual use, a heat exchanger is connected to increase the temperature of the supply gas flowing into the fuel cell main body. In addition, it is possible to provide a more preferable fuel cell by providing an apparatus for taking out thermal energy by burning unused fuel gas in the discharged fuel gas.
[0136]
Furthermore, in the description of each of the above embodiments, a perovskite-type Ba—Ce—Gd—O-based oxide, Ba—Ce—Gd—Zr—O-based oxide, or Ba—Ce—Gd—Al—O-based oxide is used. Although a fuel cell using a ceramic thin plate-like solid electrolyte has been described, it is needless to say that the present invention is not limited to the above composition and can be applied to solid electrolytes of other compositions without any problem. That is, the present invention can be applied to a fuel cell using any solid electrolyte as long as the driving temperature of the solid electrolyte is within the limit for maintaining the spring property of the metal thin plate to be used.
[0137]
【The invention's effect】
As is apparent from the detailed description of the embodiments, the present invention has the following effects.
The fuel cell according to the present invention is configured in such a manner that the end portions of the electrode film formed on both surfaces of the solid electrolyte substrate are sandwiched from both sides by a thin metal plate, and are pressed and electrically connected by the elastic force of the thin metal plate. . Thereby, according to this invention, the stress by the expansion-contraction difference which arises by the difference in the thermal expansion coefficient between materials in the high temperature state at the time of a drive can be absorbed by the shift | offset | difference of a contact part, and a highly reliable fuel cell can be provided. In the conventional fuel cell, since the joint portion is firmly connected with a conductive paste or the like, there is a problem that if the expansion and contraction occurs due to the difference in thermal expansion between the materials of the joint portion, the joint portion is cracked and disconnected. The present invention solves this problem and provides a highly reliable fuel cell.
[0138]
The fuel cell according to the present invention is formed at different positions where oxygen electrode films or fuel electrode films formed on both surfaces of a solid electrolyte substrate are inverted from each other, and two sets of sandwiched electrode metal plates are provided on the solid electrolyte substrate. Are electrically insulated and attached. One sandwiched electrode metal plate is connected to one electrode film of the oxygen electrode film or the fuel electrode film, and the other sandwiched electrode metal plate is connected to the other electrode film of the fuel electrode film or the oxygen electrode film. Yes. A pair of sandwiched electrode metal plates is composed of two thin metal plates, and one metal thin film is electrically connected only to one electrode film, and the other metal thin film is insulated from the other electrode film. Two thin metal plates are attached to the solid electrolyte substrate. That is, according to the present invention, a fuel cell having a novel structure in which sandwiched electrode metal plates for external connection are connected to the electrode films on both sides of the solid electrolyte electrode plate in substantially the same plane as the rectangular flat solid electrolyte electrode plate. Realized. Therefore, in the present invention, since the conductor is inserted into the opening formed in a part of the thin metal plate of the sandwiched electrode metal plate and the output is taken out, the porous body and the separator are made of an insulating material. It has an excellent effect that the range of material selection can be greatly expanded. According to the present invention, it is possible to use a heat-resistant material that does not break even when bending force is applied, and it is possible to provide a highly reliable fuel cell that is resistant to vibration and impact.
[0139]
In addition, according to the present invention, the sandwiched electrode metal plate is electrically connected to the electrode film of the solid electrolyte electrode plate, so that the stacked unit cells are connected in series or parallel, or in series and parallel. A structure in which connections are mixed can be easily constructed. Further, according to the present invention, the sandwiched electrode metal plate is configured to be electrically connected to the electrode film of the solid electrolyte electrode plate, so that the adjacent unit cells are opposed to each other through the other members in the laminated structure. By configuring the electrodes on the surface to have the same polarity, the unit cell itself functions as a separator, and a fuel cell that does not require a separator can be realized.
Furthermore, according to the present invention, since two independent gas supply / discharge paths are formed on the outer peripheral portions of the sandwiched electrode metal plate, gas separation / distribution plate and separator, each solid electrolyte electrode plate Thus, it is possible to provide an internal manifold type fuel cell that can supply oxidant gas (air) and fuel gas easily and reliably.
[0140]
Furthermore, according to the present invention, the sandwiched electrode metal plate is electrically connected to the electrode film formed on the solid electrolyte substrate. Since the operating temperature is as low as about 500 ° C., it is resistant to bending like a mica plate. It is possible to use a strong material as a solid electrolyte substrate, and a low-cost fuel cell is provided because a sealing method of a laminated structure can be easily realized by fastening with a rigid metal plate provided on both sides. be able to.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an exploded perspective view showing a configuration of a single cell for a fuel cell in Example 1 according to the present invention.
FIG. 2 is a perspective view showing a solid electrolyte electrode plate in Example 1 according to the present invention.
FIG. 3 is an exploded perspective view showing a sandwiched electrode metal plate in Example 1 according to the present invention.
FIG. 4 is a perspective view showing a unit cell in Example 1 according to the present invention.
5 is a cross-sectional view taken along line III-III in FIG.
6 is an exploded perspective view showing a configuration of a single cell using a porous body of another shape in Example 1 according to the present invention. FIG.
7 is an exploded perspective view showing a configuration of a single cell using a porous body of still another shape in Example 1 according to the present invention. FIG.
FIG. 8 is an exploded perspective view showing the configuration of a fuel cell using three layers of single cells in Example 1 according to the present invention.
9 is a cross-sectional view taken along line IV-IV in FIG.
FIG. 10 is a perspective view showing assembly of the fuel cell of Example 1 according to the present invention.
FIG. 11 is a completed perspective view showing the fuel cell of Example 1 according to the present invention.
FIG. 12 is an exploded perspective view showing a fuel cell having a structure using three single cells in Example 2 according to the present invention.
13 is a cross-sectional view taken along line VV in FIG.
FIG. 14 is an exploded perspective view showing a configuration of a fuel cell of Example 3 according to the present invention.
15 is a cross-sectional view taken along line VI-VI in FIG.
FIG. 16 is a perspective view showing a configuration of a cell in Example 4 according to the present invention.
17 is a cross-sectional view taken along line XX of FIG.
FIG. 18 is an exploded perspective view showing a configuration of a single cell in Example 4 according to the present invention.
FIG. 19 is a completed perspective view showing the fuel cell of Example 4 according to the present invention.
FIG. 20 is an exploded perspective view showing the configuration of a single cell in Example 5 according to the present invention.
FIG. 21 is a perspective view showing a conventional single cell.
FIG. 22 is an exploded perspective view showing a configuration of a conventional stacked fuel cell.
[Explanation of symbols]
1, 74a, 74b, 74c, 141, 142, 143,
181, 182, 183, 230, 333 cell
2, 3, 67a, 67b, 68a, 68b, 73a, 73b,
73c, 73d, 73e, 73f, 284a, 284b,
284c, 284d, 345, 358 Porous body
4, 5, 72a, 72b, 72c, 75a, 75b, 75c
282, 283 Gas separation / distribution plate
6, 7, 71a, 71b, 71c, 71d, 281a,
281b, 344 Separator
11, 12 sandwiched electrode metal plate
31, 342 Solid electrolyte substrate
32, 33, 261, 262, 263, 264, 341, 343 electrode film
41, 42 sheet metal
122, 123, 193, 194, 322, 323 Gas separation / distribution / heat insulation plate
124a, 124b, 324a, 324b Metal plate
233, 234 L-shaped sandwiched electrode metal plate
235 T-shaped sandwiched electrode metal plate

Claims (29)

矩形平板状の固体電解質基板の表裏両面の一方の面に酸素電極膜を形成し、他方の面に燃料電極膜を形成した固体電解質電極板と、
前記固体電解質電極板の端部の表裏両面を挟む少なくとも２枚の金属薄板より１組の挟着電極金属板が構成され、前記固体電解質電極板の少なくとも２箇所の端部を挟んだ少なくとも２組の挟着電極金属板と、を有する単電池であって、
前記２組の挟着電極金属板において、一方の組の挟着電極金属板における一方の金属薄板が前記固体電解質電極板の一方の面の前記酸素電極膜を圧接し、当該一方の組の挟着電極金属板における他方の金属薄板が前記固体電解質電極板の他方の面の前記燃料電極膜に接触することなく前記固体電解質電極板を圧接するよう構成されており、
前記２組の挟着電極金属板において、他方の組の挟着電極金属板における一方の金属薄板が前記固体電解質電極板の一方の面の前記酸素電極膜に接触することなく前記固体電解質電極板を圧接し、当該他方の組の挟着電極金属板における他方の金属薄板が前記固体電解質電極板の他方の面の前記燃料電極膜を圧接するように構成されており、
前記固体電解質基板に２組の前記挟着電極金属板が挟着された単電池の一方の面側に多孔質体、燃料ガス分離・分配板、及びセパレータを積層し、そして前記単電池の他方の面側に多孔質体、空気ガス分離・分配板、及びセパレータを積層して構成された単セルを複数積層した積層構成体の燃料電池であって、
前記挟着電極金属板、前記燃料ガス分離・分配板、前記空気ガス分離・分配板、及び前記セパレータのそれぞれの外周部分近傍に燃料ガスが流通するための燃料ガス給排路となる開口及び空気ガスが流通するための空気ガス給排路となる開口がそれぞれ形成されており、当該燃料電池内に前記燃料ガス給排路と前記空気ガス給排路が互いに連通しない２系統のガス給排路となるよう構成されており、
前記単電池、前記燃料ガス分離・分配板、前記空気ガス分離・分配板、及び前記セパレータによる積層構成体において、各々の外周部分に連通する開孔を有し、当該開孔に棒状の電気伝導体が挿入されて、隣接する他の単電池と電気的に接続するよう構成された燃料電池。A solid electrolyte electrode plate in which an oxygen electrode film is formed on one surface of both sides of a rectangular flat plate-shaped solid electrolyte substrate, and a fuel electrode film is formed on the other surface;
A pair of sandwiched electrode metal plates is constituted by at least two metal thin plates sandwiching the front and back surfaces of the end portion of the solid electrolyte electrode plate, and at least two sets sandwiching at least two end portions of the solid electrolyte electrode plate A sandwiched electrode metal plate, comprising:
In the two sets of sandwiching electrode metal plates, one metal thin plate in one pair of sandwiching electrode metal plates presses the oxygen electrode film on one surface of the solid electrolyte electrode plate, and the sandwiching electrode metal plates of the pair are sandwiched. The other metal thin plate in the electrode electrode metal plate is configured to press-contact the solid electrolyte electrode plate without contacting the fuel electrode film on the other surface of the solid electrolyte electrode plate,
In the two sets of sandwiched electrode metal plates, one of the thin metal plates in the other pair of sandwiched electrode metal plates is not in contact with the oxygen electrode film on one surface of the solid electrolyte electrode plate. And the other metal thin plate of the other set of sandwiched electrode metal plates is configured to press the fuel electrode film on the other surface of the solid electrolyte electrode plate,
A porous body, a fuel gas separation / distribution plate, and a separator are stacked on one surface side of a unit cell in which two sets of the sandwiched electrode metal plates are sandwiched on the solid electrolyte substrate, and the other side of the unit cell A fuel cell of a stacked structure in which a plurality of single cells formed by stacking a porous body, an air gas separation / distribution plate, and a separator are stacked on the surface side of
Openings and air serving as fuel gas supply / discharge passages for the fuel gas to flow in the vicinity of the outer peripheral portions of the sandwiched electrode metal plate, the fuel gas separation / distribution plate, the air gas separation / distribution plate, and the separator Openings serving as air gas supply / exhaust passages through which gas flows are formed, and two fuel supply / exhaust passages in which the fuel gas supply / exhaust passage and the air gas supply / exhaust passage do not communicate with each other in the fuel cell Is configured to be
The unit cell, the fuel gas separation / distribution plate, the air gas separation / distribution plate, and the laminated structure composed of the separator have an opening communicating with each outer peripheral portion, and the hole has a rod-like electric conduction A fuel cell having a body inserted therein and configured to be electrically connected to another adjacent unit cell. ２系統うちの一方のガス給排路が前記固体電解質電極板の酸素電極膜面にガス流を送り、他方のガス給排路が前記固体電解質電極板の燃料電極膜面にガスを送るよう構成された請求項１に記載の燃料電池。  One gas supply / discharge path of the two systems sends gas flow to the oxygen electrode film surface of the solid electrolyte electrode plate, and the other gas supply / discharge path sends gas to the fuel electrode film surface of the solid electrolyte electrode plate The fuel cell according to claim 1. ２系統のガス給排路において、前記固体電解質電極板の酸素電極膜面に流れるガス流の方向と、前記固体電解質電極板の燃料電極膜面に流れるガス流の方向が実質的に直角方向に流れるよう構成された請求項２に記載の燃料電池。  In two gas supply / discharge paths, the direction of the gas flow flowing on the oxygen electrode film surface of the solid electrolyte electrode plate and the direction of the gas flow flowing on the fuel electrode film surface of the solid electrolyte electrode plate are substantially perpendicular to each other. The fuel cell according to claim 2 configured to flow. 単セルが複数個積層された積層構成体の積層方向における両外側部分にガス分離・分配・保温板と、前記ガス分離・分配・保温板のさらに両側最外部分に、ガス給排口を有する剛性のある金属板がそれぞれ積層された請求項１乃至３のいずれか一項に記載の燃料電池。  A gas separation / distribution / heat insulating plate is provided on both outer side portions in the stacking direction of the laminated structure in which a plurality of single cells are stacked, and gas supply / exhaust ports are provided at the outermost portions on both sides of the gas separation / distribution / heat insulating plate The fuel cell according to any one of claims 1 to 3, wherein each of the rigid metal plates is laminated. 複数の固体電解質電極板を有する積層構成体において、他の部材を介して隣接する固体電解質電極板の対向する電極膜が異なる極となるように構成された請求項１乃至４のいずれか一項に記載の燃料電池。  5. The laminated structure having a plurality of solid electrolyte electrode plates, wherein the opposing electrode films of the solid electrolyte electrode plates adjacent to each other through other members are different poles. A fuel cell according to claim 1. 固体電解質基板の表裏両面に形成された酸素電極膜と燃料電極膜において、一方の電極膜が前記固体電解質基板の一方の端部近傍に偏って配設され、他方の電極膜が前記固体電解質板の他方の端部近傍に偏って配設された請求項１乃至５のいずれか一項に記載の燃料電池。  In the oxygen electrode film and the fuel electrode film formed on the front and back surfaces of the solid electrolyte substrate, one electrode film is disposed in the vicinity of one end of the solid electrolyte substrate, and the other electrode film is the solid electrolyte plate. The fuel cell according to any one of claims 1 to 5, wherein the fuel cell is disposed in the vicinity of the other end portion of the fuel cell. ガス分離・分配・保温板の外周部分において、単電池、ガス分離・分配板及びセパレータのそれぞれの開孔と連通する開孔が形成されており、前記単電池、前記ガス分離・分配板、前記セパレータ、及びガス分離・分配・保温板の各開孔に棒状の電気伝導体が挿入されて、隣接する他の単電池と電気的に接続された燃料電池であって、
当該燃料電池から導出する複数個の前記電気伝導体の導出部分に外部リード線を接続した構造を有する請求項４に記載の燃料電池。In the outer peripheral portion of the gas separation / distribution / heat insulating plate, an opening communicating with each opening of the unit cell, the gas separation / distribution plate and the separator is formed, and the unit cell, the gas separation / distribution plate, A fuel cell in which a rod-shaped electric conductor is inserted into each opening of a separator and a gas separation / distribution / heat insulating plate, and is electrically connected to another adjacent unit cell,
The fuel cell according to claim 4, wherein an external lead wire is connected to a lead-out portion of the plurality of electric conductors led out from the fuel cell. 固体電解質電極板の表裏両面の異なった位置に形成された酸素電極膜又は燃料電極膜を少なくとも２組の挟着電極金属板で挟着した単電池の一方の面側に多孔質体、燃料ガス分離・分配板、及びセパレータを積層し、前記単電池の他方の面側に多孔質体、空気ガス分離・分配板、及びセパレータを積層した単セルを複数積層した積層構成体において、
一つの単電池の表面側を酸素電極膜とした場合、積層された単電池の全ての表面側が酸素電極膜となり、裏面側が燃料電極膜となるように積層され、且つ、表面側及び裏面側の各電極膜の位置が互い違いに異なるように形成されており、前記酸素電極膜が一方の前記挟着電極金属板に接続されており、燃料電極膜が他方の挟着電極金属板に接続された構成を有し、
前記積層構成体における複数の単セルにおいて、他の部材を介して隣接する単セルにおける下側の単電池の酸素電極膜が上側の単電池の燃料電極膜に電気的に接続され、当該下側の単電池の燃料電極が更に下側の単電池の酸素電極膜に電気的に接続されることにより、前記積層構成体における複数の単セルの単電池が直列に接続された請求項１乃至７のいずれか一項に記載の燃料電池。Porous material, fuel gas on one surface side of a unit cell in which oxygen electrode films or fuel electrode films formed at different positions on the front and back surfaces of a solid electrolyte electrode plate are sandwiched between at least two pairs of sandwiched electrode metal plates In a laminated structure in which a separator / distribution plate and a separator are laminated, and a plurality of single cells in which a porous body, an air gas separation / distribution plate, and a separator are laminated are laminated on the other surface side of the unit cell,
When the surface side of one unit cell is an oxygen electrode film, all the surface sides of the stacked unit cells are stacked as an oxygen electrode film, and the back side is a fuel electrode film. The positions of the electrode films are formed to be different from each other, the oxygen electrode film is connected to one of the sandwiched electrode metal plates, and the fuel electrode film is connected to the other sandwiched electrode metal plate Having a configuration,
In the plurality of unit cells in the stacked structure, the oxygen electrode film of the lower unit cell in the adjacent unit cell via another member is electrically connected to the fuel electrode film of the upper unit cell, and the lower unit The fuel cell of each of the unit cells is further electrically connected to the oxygen electrode film of the lower unit cell, so that the unit cells of the plurality of unit cells in the stacked structure are connected in series. The fuel cell according to any one of the above. 固体電解質電極板の表裏両面の一方の面に酸素電極膜が形成され、他方の面に燃料電極膜が形成され、少なくとも２組の挟着電極金属板で挟着した単電池の一方の面側に多孔質体、燃料ガス分離・分配板、及びセパレータを積層し、前記単電池の他方の面側に多孔質体、空気ガス分離・分配板、及びセパレータを積層した単セルを複数積層した積層構成体において、
一つの単電池の表面側を酸素電極膜とした場合、積層された単電池の全ての表面側が酸素電極膜となり、裏面側が燃料電極膜となるように積層され、且つ、表面側及び裏面側の各電極膜の位置が同一方向に変位した位置にて形成されており、前記酸素電極膜が一方の前記挟着電極金属板を介して一方の電気伝導体に接続され、前記燃料電極膜が他方の前記挟着電極金属板を介して他方の電気伝導体に接続されることにより、前記積層構成体における複数の単セルの単電池が並列に接続された請求項１乃至７のいずれか一項に記載の燃料電池。One surface side of a unit cell in which an oxygen electrode film is formed on one surface of both sides of the solid electrolyte electrode plate, a fuel electrode film is formed on the other surface, and sandwiched between at least two pairs of sandwiched electrode metal plates A porous body, a fuel gas separation / distribution plate, and a separator are stacked on each other, and a plurality of single cells are stacked on the other surface side of the unit cell. In the construct:
When the surface side of one unit cell is an oxygen electrode film, all the surface sides of the stacked unit cells are stacked as an oxygen electrode film, and the back side is a fuel electrode film. Each electrode film is formed at a position displaced in the same direction, the oxygen electrode film is connected to one electric conductor through one sandwiched electrode metal plate, and the fuel electrode film is the other The single cell of the several single cell in the said laminated structure was connected in parallel by being connected to the other electrical conductor via the said clamping electrode metal plate of any one of Claim 1 thru | or 7. A fuel cell according to claim 1. 矩形平板状の固体電解質基板の表裏両面の一方の面に酸素電極膜を形成し、他方の面に燃料電極膜を形成した固体電解質電極板と、
前記固体電解質電極板の端部の表裏両面を挟む少なくとも２枚の金属薄板より１組の挟着電極金属板が構成され、前記固体電解質電極板の少なくとも２箇所の端部を挟んだ少なくとも２組の挟着電極金属板と、を有する単電池であって、
前記２組の挟着電極金属板において、一方の組の挟着電極金属板における一方の金属薄板が前記固体電解質電極板の一方の面の前記酸素電極膜を圧接し、当該一方の組の挟着電極金属板における他方の金属薄板が前記固体電解質電極板の他方の面の前記燃料電極膜に接触することなく前記固体電解質電極板を圧接するよう構成されており、
他方の組の挟着電極金属板における一方の金属薄板が前記固体電解質電極板の一方の面の前記酸素電極膜に接触することなく前記固体電解質電極板を圧接し、当該他方の組の挟着電極金属板における他方の金属薄板が前記固体電解質電極板の他方の面の前記燃料電極膜を圧接するように構成されており、
前記単電池の一方の面側に多孔質体、及び燃料ガス分離・分配板を積層し、前記単電池の他方の面側に多孔質体、及び空気ガス分離・分配板を積層して構成された単セルを複数積層した積層構成体の燃料電池であって、
前記積層構成体の両側最外部分にガス分離・分配・保温板が配置され積層されており、前記挟着電極金属板、前記燃料ガス分離・分配板、前記空気ガス分離・分配板、及びガス分離・分配・保温板のそれぞれの外周部分近傍に燃料ガスが流通するための燃料ガス給排路となる開口及び空気ガスが流通するための空気ガス給排路となる開口がそれぞれ形成されており、当該燃料電池内に前記燃料ガス給排路と前記空気ガス給排路が互いに連通しない２系統のガス給排路となるよう構成されており、
前記単電池、前記燃料ガス分離・分配板、前記空気ガス分離・分配板、及びガス分離・分配・保温板による積層構成体において、各々の外周部分に連通する開孔を有し、当該開孔に棒状の電気伝導体を挿入して、隣接する他の単電池と電気的に接続するよう構成されており、
前記積層構成体において、他の部材を介して隣接する固体電解質電極板の対向する電極が同じ極となるように構成され、隣り合い対向する固体電解質電極板の間の空間には同一のガスが流れ、前記固体電解質電極板における対向しない面には前記ガスと直交する別のガスが流れるように構成された燃料電池。A solid electrolyte electrode plate in which an oxygen electrode film is formed on one surface of both sides of a rectangular flat plate-shaped solid electrolyte substrate, and a fuel electrode film is formed on the other surface;
A pair of sandwiched electrode metal plates is constituted by at least two metal thin plates sandwiching the front and back surfaces of the end portion of the solid electrolyte electrode plate, and at least two sets sandwiching at least two end portions of the solid electrolyte electrode plate A sandwiched electrode metal plate, comprising:
In the two sets of sandwiching electrode metal plates, one metal thin plate in one pair of sandwiching electrode metal plates presses the oxygen electrode film on one surface of the solid electrolyte electrode plate, and the sandwiching electrode metal plates of the pair are sandwiched. The other metal thin plate in the electrode electrode metal plate is configured to press-contact the solid electrolyte electrode plate without contacting the fuel electrode film on the other surface of the solid electrolyte electrode plate,
One metal thin plate in the other set of sandwiched electrode metal plates presses the solid electrolyte electrode plate without contacting the oxygen electrode film on one side of the solid electrolyte electrode plate, and the other set of sandwiched electrode metal plates is sandwiched. The other metal thin plate in the electrode metal plate is configured to press-contact the fuel electrode film on the other surface of the solid electrolyte electrode plate,
A porous body and a fuel gas separation / distribution plate are laminated on one side of the unit cell, and a porous body and an air gas separation / distribution plate are laminated on the other side of the unit cell. A fuel cell having a stacked structure in which a plurality of single cells are stacked,
Gas separation / distribution / heat insulation plates are arranged and laminated on the outermost portions on both sides of the laminated structure, and the sandwiched electrode metal plate, the fuel gas separation / distribution plate, the air gas separation / distribution plate, and the gas An opening serving as a fuel gas supply / exhaust path for the fuel gas to circulate and an opening serving as an air gas supply / exhaust path for the air gas to circulate are formed in the vicinity of each outer peripheral portion of the separation / distribution / heat insulating plate The fuel gas supply / exhaust path and the air gas supply / exhaust path are configured to be two gas supply / exhaust paths that do not communicate with each other in the fuel cell,
In the laminated structure of the unit cell, the fuel gas separation / distribution plate, the air gas separation / distribution plate, and the gas separation / distribution / heat insulating plate, each cell has an opening communicating with each outer peripheral portion. It is configured to insert a rod-shaped electrical conductor into and electrically connect with other adjacent cells,
In the laminated structure, the opposing electrodes of the adjacent solid electrolyte electrode plates via the other members are configured to have the same pole, and the same gas flows in the space between the adjacent opposing solid electrolyte electrode plates, A fuel cell configured such that another gas orthogonal to the gas flows on a non-opposing surface of the solid electrolyte electrode plate. 単セルが複数個積層された積層構成体の積層方向における両最外部にガス給排口を有する剛性のある金属板を積層した請求項１０に記載の燃料電池。  The fuel cell according to claim 10, wherein a rigid metal plate having gas supply / exhaust ports is laminated on both outermost sides in the stacking direction of the stacked structure in which a plurality of single cells are stacked. 複数の単セルを有する積層構成体の両側最外部分にガス分離・分配・保温板が配置された積層体において、
挟着電極金属板とガス分離・分配板の外周部分に１個或いは複数個のガス給排路となる開口部を有して２系統のガス給排路が形成され、
隣り合い対向する固体電解質電極板において一方の固体電解質電極板の酸素電極膜を挟着した酸素側挟着電極金属板と他方の固体電解質電極板の燃料電極膜を挟着した燃料側挟着電極金属板とを電気伝導体により連結し、
更に前記他方の固体電解質電極板の酸素電極膜を挟着した酸素側挟着電極金属板と当該固体電解質電極板と隣り合い対向する別の固体電解質電極板の燃料電極膜を挟着した燃料側挟着電極金属板とを別の電気伝導体により連結し、
順次交互に各電極膜に接続された酸素側挟着電極金属板と燃料側挟着電極金属板とを異なる電気伝導体により連結して複数の単セルを電気的直列接続で構成した請求項１０又は１１に記載の燃料電池。In a laminate in which gas separation / distribution / heat insulation plates are arranged on the outermost parts on both sides of a laminate structure having a plurality of single cells,
There are two or more gas supply / discharge passages having one or a plurality of gas supply / discharge passage openings on the outer periphery of the sandwiched electrode metal plate and the gas separation / distribution plate,
An oxygen-side sandwiched electrode metal plate sandwiching the oxygen electrode film of one solid electrolyte electrode plate and a fuel-side sandwiched electrode sandwiching the fuel electrode film of the other solid electrolyte electrode plate in adjacent solid electrolyte electrode plates The metal plate is connected by an electric conductor,
Further, the oxygen side sandwiched electrode metal plate sandwiching the oxygen electrode film of the other solid electrolyte electrode plate and the fuel side sandwiching the fuel electrode film of another solid electrolyte electrode plate adjacent to and opposite to the solid electrolyte electrode plate The sandwiched electrode metal plate is connected by another electric conductor,
The oxygen cell sandwiched electrode metal plate and the fuel side sandwiched electrode metal plate, which are sequentially connected to each electrode film, are connected by different electrical conductors to form a plurality of single cells in electrical series connection. Or 11. The fuel cell according to 11. 矩形平板状の固体電解質基板の表裏両面の一方の面に酸素電極膜を形成し、他方の面に燃料電極膜を形成した固体電解質電極板と、
前記固体電解質電極板の端部の表裏両面を挟む少なくとも２枚の金属薄板より１組の挟着電極金属板が構成され、前記固体電解質電極板の端部を挟んだ複数組の挟着電極金属板と、を有し、
前記挟着電極金属板により端部が挟まれた前記固体電解質電極板が複数設けられて、同一平面上に配置された単電池であって、
前記複数組の挟着電極金属板において、少なくとも一つの組の挟着電極金属板における一方の金属薄板が前記固体電解質電極板の一方の面の前記酸素電極膜を圧接し、当該一方の組の挟着電極金属板における他方の金属薄板が前記固体電解質電極板の他方の面の前記燃料電極膜に接触することなく前記固体電解質電極板を圧接するよう構成されており、
少なくとも他の組の挟着電極金属板における一方の金属薄板が前記固体電解質電極板の一方の面の前記酸素電極膜に接触することなく前記固体電解質電極板を圧接し、当該他の組の挟着電極金属板における他方の金属薄板が前記固体電解質電極板の他方の面の前記燃料電極膜を圧接するように構成されており、
前記単電池の一方の面側に多孔質体、燃料ガス分離・分配板、及びセパレータを積層し、そして前記単電池の他方の面側に多孔質体、空気ガス分離・分配板、及びセパレータを積層して構成された単セルを複数積層した積層構成体の燃料電池であって、
前記挟着電極金属板、前記燃料ガス分離・分配板、前記空気ガス分離・分配板、及び前記セパレータのそれぞれの外周部分近傍に燃料ガスが流通するための燃料ガス給排路となる開口部及び空気ガスが流通するための空気ガス給排路となる開口部が複数形成されており、前記燃料ガス給排路と前記空気ガス給排路が互いに連通しない２系統のガス給排路となるよう構成されており、
前記積層構成体において、各単電池における積層方向の挟着電極金属板を棒状の電気伝導体で電気的に接続するよう構成された燃料電池。A solid electrolyte electrode plate in which an oxygen electrode film is formed on one surface of both sides of a rectangular flat plate-shaped solid electrolyte substrate, and a fuel electrode film is formed on the other surface;
A set of sandwiched electrode metal plates is composed of at least two metal thin plates sandwiching the front and back surfaces of the end portion of the solid electrolyte electrode plate, and a plurality of sets of sandwiched electrode metals sandwiching the end portions of the solid electrolyte electrode plate A board, and
A plurality of the solid electrolyte electrode plates sandwiched between the sandwiched electrode metal plates and provided on the same plane,
In the plurality of sets of sandwiched electrode metal plates, one thin metal plate in at least one pair of sandwiched electrode metal plates presses the oxygen electrode film on one surface of the solid electrolyte electrode plate, and the one set of sandwiched electrode metal plates The other thin metal plate in the sandwiched electrode metal plate is configured to press-contact the solid electrolyte electrode plate without contacting the fuel electrode film on the other surface of the solid electrolyte electrode plate,
At least one thin metal plate of the other pair of sandwiched electrode metal plates presses the solid electrolyte electrode plate without coming into contact with the oxygen electrode film on one surface of the solid electrolyte electrode plate, and sandwiches the other set of sandwiched electrode metal plates. The other metal thin plate in the electrode electrode metal plate is configured to press-contact the fuel electrode film on the other surface of the solid electrolyte electrode plate,
A porous body, a fuel gas separation / distribution plate, and a separator are stacked on one surface side of the unit cell, and a porous body, an air gas separation / distribution plate, and a separator are disposed on the other surface side of the unit cell. A fuel cell of a stacked structure in which a plurality of single cells configured by stacking are stacked,
The sandwiched electrode metal plate, the fuel gas separation / distribution plate, the air gas separation / distribution plate, and an opening serving as a fuel gas supply / discharge passage for the fuel gas to circulate in the vicinity of the outer peripheral portions of the separator, and A plurality of openings serving as air gas supply / discharge passages through which air gas flows are formed, so that the fuel gas supply / discharge passage and the air gas supply / discharge passage form two gas supply / discharge passages that do not communicate with each other. Configured ,
A fuel cell configured to electrically connect sandwiched electrode metal plates in a stacking direction of each unit cell with a rod-shaped electric conductor in the stacked structure . ガス分離・分配板及びセパレータが緻密質、且つ耐熱性と絶縁性を有する材料で形成された請求項１乃至９、若しくは請求項１３のいずれか一項に記載の燃料電池。14. The fuel cell according to claim 1 , wherein the gas separation / distribution plate and the separator are formed of a dense material having heat resistance and insulation. ガス分離・分配板、ガス分離・分配・保温板、及びセパレータの熱膨張係数が、５×１０−６〜１５×１０−６の範囲内にある耐熱性と絶縁性を有する材料で構成された請求項４又は７に記載の燃料電池。The thermal expansion coefficient of the gas separation / distribution plate, gas separation / distribution / heat insulation plate, and separator is made of a material having heat resistance and insulation within a range of 5 × 10 −6 to 15 × 10 −6 . The fuel cell according to claim 4 or 7 . ガス分離・分配板、ガス分離・分配・保温板、及びセパレータが、マイカ、セラミックス素材或いはガラス素材で形成された請求項４又は７に記載の燃料電池。The fuel cell according to claim 4 or 7 , wherein the gas separation / distribution plate, the gas separation / distribution / heat insulation plate, and the separator are formed of mica, a ceramic material, or a glass material. 挟着電極金属板は、熱膨張係数が４×１０−６〜２０×１０−６の範囲にある金属材料で構成された請求項１乃至１６のいずれか一項に記載の燃料電池。17. The fuel cell according to claim 1, wherein the sandwiched electrode metal plate is made of a metal material having a thermal expansion coefficient in a range of 4 × 10 −6 to 20 × 10 −6 . 挟着電極金属板は、鉄合金板、ニッケル合金板、コバルト合金板、ニッケル−コバルト合金或いはステンレス鋼板よりなる請求項１乃至１７のいずれか一項に記載の燃料電池。The fuel cell according to any one of claims 1 to 17 , wherein the sandwiched electrode metal plate is made of an iron alloy plate, a nickel alloy plate, a cobalt alloy plate, a nickel-cobalt alloy, or a stainless steel plate. 挟着電極金属板の片面或いは両面の全面或いは一部分に、金、銀、ニッケル或いはアルミニウム皮膜が形成された請求項１乃至１８のいずれか一項に記載の燃料電池。The fuel cell according to any one of claims 1 to 18 , wherein a gold, silver, nickel, or aluminum film is formed on one surface or both surfaces of the sandwiched electrode metal plate. セパレータが、電気伝導性を有し且つ緻密質な材料である請求項１乃至９、若しくは請求項１３のいずれか一項に記載の燃料電池。The fuel cell according to claim 1, wherein the separator is a dense material having electrical conductivity. 単電池の挟着電極金属板を電気的に接合する棒状の電気伝導体がネジを有する金属製のビスよりなり、各挟着電極金属板が前記ビスに貫通されナットにより締め付けて接続する構造を有し、複数の単電池を電気的に直列状態で接続したビスの導出端部に外部リード線が接続された請求項８に記載の燃料電池。  A rod-shaped electrical conductor for electrically joining the sandwiched electrode metal plates of the unit cell is made of a metal screw having a screw, and each sandwiched electrode metal plate is penetrated by the screw and connected by tightening with a nut. The fuel cell according to claim 8, wherein an external lead wire is connected to a lead-out end portion of a screw having a plurality of unit cells electrically connected in series. 単電池の挟着電極金属板を電気的に接合する棒状の電気伝導体がネジを有する金属製のビスよりなり、各挟着電極金属板が前記ビスに貫通されナットにより締め付けて接続する構造を有し、複数の単電池を電気的に並列状態で接続したビスの導出端部に外部リード線が接続された請求項９に記載の燃料電池。  A rod-shaped electrical conductor for electrically joining the sandwiched electrode metal plates of the unit cell is made of a metal screw having a screw, and each sandwiched electrode metal plate is penetrated by the screw and connected by tightening with a nut. The fuel cell according to claim 9, wherein an external lead wire is connected to a lead-out end portion of a screw having a plurality of unit cells electrically connected in parallel. 棒状の電気伝導体が、鉄合金材、ニッケル合金材、コバルト合金材、ニッケル−コバルト合金材或いはステンレス鋼材のいずれかで構成された請求項１乃至１２のいずれか一項に記載の燃料電池。The fuel cell according to any one of claims 1 to 12 , wherein the rod-shaped electric conductor is made of any one of an iron alloy material, a nickel alloy material, a cobalt alloy material, a nickel-cobalt alloy material, and a stainless steel material. 多孔質体が、矩形形状、複数の角柱形状或いは複数の円柱形状よりなることを特徴とする請求項１乃至２３のいずれか一項に記載の燃料電池。The fuel cell according to any one of claims 1 to 23 , wherein the porous body has a rectangular shape, a plurality of prismatic shapes, or a plurality of cylindrical shapes. 多孔質体が、金属或いは非金属材の多孔質材料からなる請求項１乃至２４のいずれか一項に記載の燃料電池。The fuel cell according to any one of claims 1 to 24 , wherein the porous body is made of a porous material of a metal or a non-metallic material. 多孔質体が、無機材料の繊維よりなる不織材或いは発泡材、或いは金属材料の繊維よりなる不織材或いは発泡材よりなる請求項１乃至２５のいずれか一項に記載の燃料電池。 26. The fuel cell according to any one of claims 1 to 25 , wherein the porous body is made of a non-woven material or a foam material made of inorganic material fibers, or a non-woven material or a foam material made of metal material fibers. 燃料電池のガス給排路のガス給排口を有する金属板が最外層に形成されており、当該金属板が鉄合金板、ニッケル合金板、コバルト合金板、ニッケル−コバルト合金板或いはステンレス鋼板よりなる剛性を有する材料で形成されており、前記金属板を単セルの積層構成体の最外部両側面に配設し、且つ前記金属板のガス給排口が前記積層構成体のガス給排路に連通するよう配設し、前記金属板を棒状の電気伝導体で締め付け固着した請求項１乃至２６のいずれか一項に記載の燃料電池。A metal plate having a gas supply / exhaust port of the gas supply / discharge passage of the fuel cell is formed in the outermost layer, and the metal plate is made of an iron alloy plate, a nickel alloy plate, a cobalt alloy plate, a nickel-cobalt alloy plate, or a stainless steel plate. The metal plate is disposed on both outermost side surfaces of the single cell stack structure, and the gas supply / discharge port of the metal plate is the gas supply / discharge path of the stack structure. 27. The fuel cell according to any one of claims 1 to 26 , wherein the fuel cell is disposed so as to communicate with the metal plate, and the metal plate is fastened and fixed with a rod-shaped electric conductor. 固体電解質基板は、結晶構造がペロブスカイト型のバリウム・セリウム・ガドリニウム系酸化物セラミックス材料、バリウム・セリウム・ガドリニウム・ジルコニウム系酸化物材料、或いはバリウム・セリウム・ガドリニウム・アルミニウム系酸化物で形成された請求項１乃至２７のいずれか一項に記載の燃料電池。Solid electrolyte substrate, the crystal structure is formed perovskite barium cerium gadolinium-based oxide ceramic material, barium, cerium, gadolinium-zirconium-based oxide material, or barium-cerium gadolinium aluminum-based oxide according Item 28. The fuel cell according to any one of Items 1 to 27 . 固体電解質基板がグリーンシート工法で形成された１枚のシート或いは複数枚のシートを積層・焼成した材料からなる請求項１乃至２８のいずれか一項に記載の燃料電池。The fuel cell according to any one of claims 1 to 28 , wherein the solid electrolyte substrate is made of a material obtained by laminating and firing a single sheet or a plurality of sheets formed by a green sheet method.
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