JPH01251562A - 平板型固体電解質燃料電池 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野］ 本発明は平板型固体電解質燃料電池、特にその内部ガス
マニホールド装置の改良された燃料電池に関する。

〔従来の技術〕

燃料電池は発電効率が高く、負荷変動に対する応答が柔
軟であり、かつ熱電供給が可能であることから重要な発
電技術として期待されている。特にピーク、オフピーク
間の需要電力差がきわめて大きい先進工業国におけるロ
ードレベリング発電装置としての役割が大きい。

燃料電池のなかでも、固体電解質燃料は固体のみで構成
されているために、燐酸電解質型燃料電池あるいは溶融
炭酸塩型燃料電池のごとく液体電解質を扱うことによる
不利がなく、かつ作動温度が８００〜１０００″Ｃと高
いことから原理的には高効率が期待でき、更にスチーム
タービン等によるボトミングサイクルの付設や熱電併給
にも有利であることから、他のタイプの燃料電池に比較
して有利であると考えられている。

しかし、固体のみで燃料電池を構成するためには多大の
困難がともなう。幾多の困難の中で特に重要な各種の問
題のうち、第１の問題は、燃料ガス及び空気を燃料電池
内へ秩序正しく供給するガスマニホールドを如何に構成
するかと言うことである。

その第二の問題は、空気と燃料の相互混合を防ぎ、かつ
これらのガスの装置外へのリークを如何にして防ぐかと
言うことである。

その第三の問題は、燃料電池を構成する熱膨張率の異な
る異種固体物質同士を広い温度領域で熱サイクルによる
破壊に至ることなくいかに接合するかと言うことである
。

前記各種の問題を解決すべく提案された燃料電池が円筒
型の燃料電池である。

円筒型燃料電池においては、アルミナあるいはカルシア
安定化ジルコニアの多孔質のチューブの上に電極、電解
質、電極の順に積層し、単電池を構成したものである。

前記円筒型燃料電池の構造によれば、燃料ガスと空気を
チューブの内外に流すことによって、電極、電解質のヒ
ビ割れがない限り相互の混合を防止することができると
ともに、チューブの外端にガスマニホールドを設けるこ
とができるのでガスのリークの防止もまた容易にするこ
とができる。また、チューブ上に積層する電解質。

電極の熱膨張率を比較的接近させることによって熱サイ
クルによる前記ヒビ割れ防止も比較的容易である。

しかし、円筒型燃料電池には重大な欠点が存在する。そ
の第一の欠点は、内部抵抗が原理的に増大せざるを得な
いことである。この理由は、燃料電池の単電池による起
電力が高（でもせいぜいｌ■程度であり、そのために多
数の単電池を直列につないで高電圧化を計らなければ実
際の電力系統にとりいれる電圧とすることができないこ
とに起因する。

電池同士を直列につなくにあたり、円筒の場合、円筒の
側面で相互に接触するか、チューブ上に多数個の単位セ
ルを間隔をあけて積載し、直列に連結する。したがって
、連結された電池中を流れる電流は円筒の側面を巡って
次の電池へ流れることになる。すなわち、電流は電極面
に沿って横に流れるため電流経路が長くならざるをえな
い。

解析結果によれば、円筒型燃料電池の場合、用いられて
いる材料のうち材質として最も電気抵抗の大きい固体電
解質部分の内部抵抗に対する寄与はわずか１０％であり
、残りの９０％は、材質の電気抵抗としては固体電解質
の１／１００ないし１／１０００にすぎない、高電導性
の電極による寄与である。換言すれば、固体電解質の電
気抵抗を引き下げるためにいかに電解質膜の厚みを薄（
しても、電極を面方向に流れる電流経路が長くては電池
全体の内部抵抗を減少させることはできない。

円筒型燃料電池の第二の欠点は、単位容量当りの出力密
度を大きくすることができない点にある。

円筒型燃料電池の場合、チューブをガスの通路とするた
めに非常に細いチューブが必要となるが、このように細
いチューブを用いることには限界が生じる。出力は単位
容積当たりの電極の面積、すなわち単位容積あたりのチ
ューブの本数によることから、出力密度には自ずと限界
が生じる。

第三の欠点は、チューブの上に電極、電解質、電極を積
層構造とするために、低順な湿式のテープキャスティン
グでは前記電解質等にヒビ割れを生じ、コストの高い気
相法による製作しかできないことである。

前記円筒型燃料電池の各種の欠点を解決するための最も
合理的な方法は平板型の燃料電池を構成することである
。さて、平板型の燃料電池は、平板に電極、電解質を交
互に積層することによって、電流経路は電極、電解質平
面に直角な方向に流れ、内部抵抗は厚みのみに起因する
ことになり、大幅に減少する。また、平板自体及び平板
間隔を非常に薄くすることができることから単位容積あ
たりの出力密度も大きく向上する。

しかも、平板型燃料電池において、さらに出力密度を増
加させる方法がある。すなわち、電解質膜を波形にする
ことによって単位容積当りの電極面積を増加させること
ができる。この場合、電流経路が電極、電解質膜に完全
に直角でないので、や−長くなる欠点が生じるが、積層
間隙を狭くすることによってこの欠点を補いうるうえに
出力密度の増加を達成することができる。また、コスト
的にも大量生産の可能なテープキャスティングなどの湿
式製造法を採用することができて改良される。

平板型の燃料電池においては、このような有利な長所が
多いにもかかわらず、これまで研究あるいは製作が積極
的になされなかった理由は前述した通り、ガスマニホー
ルドを如何にして構成してガスを供給するか、その際ガ
スシールは充分に行えるか、あるいは構成材料の熱膨張
率の違いを解決することができるかにあった。

平板型燃料電池の基本的な構造としては、例えば第７図
に示したような燃料電池が提案されている。この燃料電
池は電解質部、電極、セパレーター等を積層した電池本
体部Ａと、この本体部への側面にそれぞれ接合される燃
料供給マニホールドＢ１燃料排出マニホールドＣ１空気
供給マニホールドＤ、空気排出マニホールドＥから構成
されている。また、この電池において、セパレータＳと
電解質ｅは平板であって、この両者を電気的に接続する
ディストリビュータｄは波型となっている。なお、Ｃは
単セルであって、この部分で約１Ｖ弱の電圧が得られ、
この単セルＣを積層して所定の電圧を有する燃料電池を
構成している。

さて、前記形式の外部ガスマニホールドの欠点は、燃料
ガスｇと空気ａとの流れが交差流方式に限定されざるを
得ないこと。また、容積利用率が低下すること、更に燃
料電池本体部（セル）のモジュール化に当たって自由度
が少ないこと等があげられる。また、波形電解質膜の場
合では、外部ガスマニホールドは構造的に不可能である
。

〔課題を解決するための手段〕

本発明者らは、前記平板型固体電解質燃料電池の有する
欠点を改良し、波型電解質膜を用いた電池セルに内部ガ
スマニホールドの設置を可能とする構成につき鋭意創意
工夫を重ねた結果、本発明を完成するに至った。

本発明においては、電解質部は波形に形成され、セパレ
ーターは平手反である。したがって、空気及び燃料ガス
の通路はセパレーターと断面が波状に形成された電解質
膜に囲まれた擬三角形の通路となり、隣あった擬三角形
通路に空気および燃料ガスが交互に流れることになる。

しかも、これらの空気および燃料ガスの通路は平行であ
って、第７図に示したような外部マニホールドを用いる
ことによっては交互に異種ガスを流せないために不可能
である。

このために、本発明においては空気及び燃料ガスの通路
は燃料電池本体の内部に穿孔され、シールされたガス供
給孔によって構成される。

更に具体的には、 （ａ）　　波状の電解質部と、平板状のセパレーターが
交互に積層された組立体であって、電解質とセパレータ
ーは気密な膜であり、波の頂点においてセパレーターと
電解質膜が気密に接し、セパレーターと電解質膜によっ
て囲まれた凝三角形ないしは台形の断面を有する空間が
ガス通路であり、 （ｂ）　　前記電解質部のセパレーターと接しない部分
の表裏に正極及び負極物質を塗布した電極部を有し、前
記擬三角形ないしは台形の断面を有するガス通路が電解
質膜を隔て一空気及び燃料ガスが交互に流れることによ
り単電池（セル）を構成し、セパレーターを介して直列
及び並列に接続され、 （Ｃ）　　前記電解質膜とセパレーターが接触する部分
にガス供給孔を穿孔することによって一個の擬三角形な
いしは台形の断面を有するガス通路から前記セパレータ
ーで隔てられた上下のガス通路にガスを供給し、隣接し
た擬三角形ないしは台形の断面を有する空間からなるガ
ス通路には異種ガスが選択的に供給されるように構成し
てなる平板型固体燃料電池である。

〔作　用〕

擬三角形ないしは台形の断面を有するガス通路は気密な
セパレーターと電解質膜によって囲まれているために、
左右相互にはシールされることになる。また、波状の電
解質部の上下。こは平板状のセパレーターが積層される
ので、セパレーターと電解質膜との接合部を穿孔してガ
ス供給孔を設けるので、同種のガスのみがシールされて
流通することになる。

また、電池の左右の側面はセパレーターと電解質膜が接
するので、電池外部にたいして自動的にシールされるこ
ととなる。更に、電池本体の上下に配置した板には、燃
料電池本体への空気及び燃料ガスの供給管等のガス導入
装置を設置することができる。

電池の前後の側面は電解質と同種の材料を用いて別途シ
ールする。この場合、燃料電池本体の前端に燃料ガスと
空気導入部を設け、後端にガス排出部を設けることによ
り、ガスを平行流または対向流で流すことができる。

また、前後端をシールせず、燃料電池本体の中央部にガ
ス導入部を設け、前後端において、通常発電されること
なく残存する、約１０〜２０％の燃料ガスを排出すると
同時に燃焼処理をすることができる。

電解質部とセパレーターの組立体の全体が一体化するよ
うに焼結処理することによって電解質部のセパレーター
の接合部分の気密性をたがめることが可能であり、また
、全体の強度を増すために締め具による強化も可能であ
る。

〔実　施　例〕

次に図面を参照して本発明の詳細な説明する。

第１図は燃料電池本体の断面図、第２図は同平面図であ
る。

第１図において、波状電解質膜１の上下に平板のセパレ
ーター２を交互に積層し、電池３全体の上下に上部板４
と下部板５をおき、締付具６によって締付けて構成して
いる。

空気ａは空気供給管７によって電池３の最上部に供給さ
れ、分岐管７ａより分岐され、ガス供給孔７ｂを経て波
状電解質膜ｌとセパレーター２との接合部分に設けた貫
通孔７ｂ、７ｃ　　・・・と、下方のガス通路８に供給
される。なお、このガス通路８は空気ａ専用の通路であ
る。

前記のように空気ａは電池３の上下に供給されるが、さ
らに擬三角形ないしは台形の断面を有するガス通路８に
よって電池３の前後方向に供給される。

燃料ガスｇは、第２図及び第３図に示すように、空気ａ
と同様にして燃料ガス供給管９よりガス供給孔９ｂを経
由してガス通路１０に供給され、電池３の全幅にわたっ
て分散される。図を参照して理解されるように、空気ａ
を供給したガス通路８は上下に連通し、同様に燃料ガス
ｇを供給したガス通路１０も上下に連通しているが、両
ガス通路８．１０は交互に、隣合って配列されている。

電解質膜１は表裏に電極物質を塗布したものであり、ガ
ス通路８と１０はこの電解質膜１を挟んでいるので単電
池（セル）が構成される。

本発明は、このような電解質膜ｌの断面を波状に形成す
ることにより、電解質膜Ｉの両側に空気ａと燃料ガスｇ
が交互に流れるようにガス通路８．１０を構成した点に
特徴がある。この場合、ガス通路８と１０とは断面が擬
三角形ないしは台形をしている。

前記のように断面を波状に形成した電解質膜１の両面に
空気ａと燃料ガスｇとのガス通路８と１０を形成して単
電池が構成しているので、単電池の積層間隔が薄くなり
、その結果、単電池の内部抵抗を減少することができる
。

更に、単位体積当りの電極面積を広く取ることができる
。これらの単電池はセパレーター２によって上下直列に
接続され、左右並列に接続される。従って、上部板４と
下部板５にブスバーを取付けることにより電力を電池外
に取り出すことができる。

空気ａ用のガス供給孔７ｂ、　７ｃ、　７ｄ・・と、燃
料ガスｇ用のガス供給孔９ｂの位置をずらすことにより
、上部板４に空気供給管７と燃料ガス供給管９（ガス導
入部）を取付ける部分の空間を充分に得ることができ、
その分設針及び装置上の自由度を確保することができる
。

第３図及び第４図は電池の斜視図である。第３図では空
気ａと燃料ガスｇのガス導入部はパイプ７．９によって
構成されている。

図において例えば空気ａは、空気供給管７より分岐管７
ａに流れ、上部板４に明られた貫通孔７ｂより第一段目
のガス通路８に供給され、このガス通路８内においてそ
の長手方向に流れる。

そして貫通孔７ｃを経由して第二段目のガス通路８に供
給され、同様にして第三段目のガス通路８に供給される
。このように、上下のガス通路８は貫通孔７ｃ、７ｄ　
　・・・で連結され、各段のガス通路８には同様な条件
で空気ａが一斉に供給され、そのガス通路８の長手方向
に分散されるのである。なお、図示されていないが、空
気ａと燃料ガスｇの残留分はガス供給用の貫通孔とは別
の位置に設けた貫通孔を経由して外部に排出されるので
ある。

第４図は第３図におけるパイプによるガス導入部を箱状
のものに変えた場合を示している。

空気ａは空気供給管７よりガス供給孔１３を有する分配
箱１４に導入され、この分配箱１４の下方に形成された
分配溝１３ａに分配され、そして横一列に並んだ貫通孔
７ｂより電池内部、即ちガス通路８に導入されることに
なる。

一方、燃料ガスｇは燃料ガス供給管９より分配箱１４に
設けたガス供給孔１５より分配溝１５ａに供給されて分
散され、横一列に並んだ貫通孔９ｂよりガス通路１０内
に導入されることになる。

この実施例は、多数の貫通孔７ｂ、９ｂに空気ａ及び燃
料ガスｇを一斉に供給するために分配箱１４を使用した
が、この分配箱１４の使用により空気供給管７と燃料ガ
ス供給管９の設置場所は、電池のモジュール化に当たっ
て都合のよい位置を選択することができる。

第５図及び第６図はガス導入部を設置するに当たっての
自由度を示すものである。

即ち、第５図においては電池本体３の前後端に空気ａと
供給部７ｇと排出部７ｆと、燃料ガスｇと供給部９ｇと
排出部９ｆを設け、空気の通路８と燃料ガスｇの通路１
０を平行に形成したものを示している。この電池３の場
合、前後端部は別途シールする必要があり、電解質と同
じ材質の物質でシールすることが望ましい。

空気ａは矢印に従って電池３の前部の（＋）印のガス供
給部７ｇから供給され、後部の（＋）印の排出部７「孔
から排出される。

燃料ｇは同様に（−）印の供給部９ｇより供給され、（
＝）印の排出部９ｆより排出される。もし、燃料ガスｇ
の供給を電池３の後部から行うならば、燃料ガスｇの流
れを平行流から対向流に変えることもできる。

また、空気ａと燃料ガスｇとの供給孔を電池の上部、排
出孔をその下部に設けることも可能である。この構造の
電池の場合、複数個の電池を組合せる際に、個々の電池
の燃料消費率を抑えて、次の電池に排出ガスを導入する
などの自由度が確保される利点がある。

第６図は電池３の前後端をシールしない場合の空気ａと
燃料ガスｇとのガス導入部の位置を示しており、電池３
の中央部で空気ａと燃料ガスｇを導入し、前後端で燃料
ガスの残部を燃焼処理する形式の燃料電池を示している
。

本発明において望ましい組合せは、熱膨張率の違いを考
慮して次のように構成するのが良い。

（１）電解質：イツトリア安定化ジルコニアまたはこの
ものにアルミナ等を混合したもの。

（２）カソード電極ニストロンチウムまたはマグネシウ
ムをドープしたランタンマンガネート（３）アノード電
極：ニッケルジルコニアサーメット （４）　　セパレーター：ストロンチウムまたはマグネ
シウムをドープしたランタンクロマイト、もしくはイン
コネル等のニッケルクロム合金である。

〔発明の効果］ 本発明にかかる平板型固体電解質燃料電池は、−面に正
極物質を、他面に負極物質を配置した波板状の固体電解
質膜の両面に、平板状のセパレータを介して多層に積層
することによって、前記固体電解質部とセパレータとの
間に燃料及び空気の通路となる、断面が凝三角形状ない
しは台形状の空間部を形成する。

そして前記電解質部とセパレータとの接合部に孔を明け
ることによって前記セパレータの両面に位置する燃料あ
るいは空気の通路となる空間部を接続してしたことに特
徴がある。

（ａ）　　本発明は、平らなセパレーターと波板状の電
解質部を交互に積層した構造の燃料電池を形成している
ので、容積当たりの実効電極面積が拡大し、出力密度を
増加し得る。

（ｂ）　　また、セパレーターと電解質部が接する部分
にガス供給孔と排出孔を設け、空気と燃料ガスを、前記
凝三角形状ないしは台形状の空気通路及び燃料ガス通路
に交互に供給することによって内部ガスマニホールド方
式によるガスの供給が可能となる。

（Ｃ）　　また、このように平板状のセパレーターと波
板状の電解質部を交互に重ねることから、セルの製作も
通常のテープキャスティング法によって容易に行なえる
。

（ｄｌ　　本発明による燃料電池によれば、ガスの流れ
を平行流や対向流とすることが可能であり、また、ガス
導入部の位置を自由に選択することができてモジュール
化にあたって、その構成の自由度が大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第６図は本発明の実施例を示すもので、第
１図は平板型固体電解質燃料電池の要部を示す断面図で
あって、第２図における■−Ｉ矢視断面図、第２図は第
１図における■−■矢視断面図である。 第３図及び第４図は第１図に示した電池の各部材を分解
して示す斜視図、第５図及び第６図は空気と燃料ガスの
ガス導入部の位置を示す配置図である。 第７図は従来の外部ガスマニホールド型の平板型固体燃
料電池の要部分解斜視図である。 １・・・波状電解質膜、２・・・セパレーター、３・・
・電池、４・・・上部板、５・・・下部板、６・・・締
付具、７・・・空気供給管、７ａ・・・分岐管、７ｂ、
　７ｃ、　７ｄ・・・貫通孔、８・・・ガス（空気ａの
）通路、 ９・・・燃料ガス供給管、９ａ・・・分岐管、９ｂ・・
・ガス供給孔、１０・・・ガス（燃料ガスｇ）通路、１
３・・・ガス供給孔、１４・・・分配箱、１３ａ、１５
ａ・・・分配溝。 特許出願人　工業技術院長　　　飯塚　幸三第１図 第２図 ４　　　　　　　　　７ｔ）　　　　　　７ｊ）第３図 ７−′ 第４図 第５図 第７図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 一面に正極物質を、他面に負極物質を配置した波板状の
   固体電解質膜の両面に平板状のセパレータを介して多層
   に積層することによって前記固体電解質部とセパレータ
   との間に燃料及び空気の通路となる空間部を形成し、 前記電解質部とセパレータとの接合部に孔を明けて、前
   記セパレータの両面に位置する燃料あるいは空気の通路
   となる空間部を接続してなる平板型固体電解質燃料電池
   。