JPH01279576A - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は並列接続を基本構造とし、直列接続可能なｆｉ
積度の高い平板型固体電解質燃料電池に関するものであ
る。

〔従来の技術〕

高温型固体電解質燃料電池は、電解質による周辺材料の
腐食、電解質自体の分解、蒸発、逸散等がなく、液体物
質を使用しないために電池構造が簡素化でき、８５０　
”Ｃ〜１０００　’Ｃ程度で動作するため燃料として天
然ガスや石炭ガスを改質することなくそのまま使用可能
であり、内部抵抗が小さく、大出力を得ることが可能で
エネルギー利用率の高い燃料電池として期待されている
。

第７図はこのような従来の燃料電池において、集積度の
高い平板型の例を示す図で、図中、２１．２２は外部端
子、２３．２４は外部端子ガス通路、２５．２６は３層
構造板、２７はインターコネクタ、２８．２９はガス通
路である。

図において、３Ｎ構造板２５．２６は、例えばジルコニ
ア（Ｚ「０□）からなる薄い固体電解質板で、その両面
には空気極（カソード）、燃料極（アノード）を形成す
る多孔性電極材料が塗布してあり、外部端子２１．２２
とインターコネクタ２７がこれをサンドイッチする形で
積層されており、外部端子２１．３層構造板２５、イン
ターコネクタ２７で単位セルを構成し、同様にインター
コネクタ２７．３層構造板２６、外部端子２４で単位セ
ルを構成し、これらが２段直列となっている。勿論、同
様に単位セルの積層数を増やすことによりＮ段丘列構成
とすることができる。

このような構成において、ガス通路２３．２９に酸素ま
たは空気を、ガス通路２４．２８に、例えば水素を流し
、外部端子２１．２２を図示しない外部回路を通して接
続すると、酸素は燃料と反応しようとしてイオン化して
固体電解質板２５．２６を通して流れ、このとき、空気
極では酸素が電子を取り込んで酸素イオンとなり、燃料
極側ではこのイオンと燃料が反応して電子を放出するの
で、外部回路には空気極を（＋）極、燃料極を（−）極
として外部端子２１から外部端子２２へ電流が流れる。

これを化学式で示すと次のようになる。

空気極：１／２０２＋２ｅ−→０２− 燃料極：　Ｈ，＋Ｈ”−＋Ｈ，Ｏ＋２　ｅ−全体的な電
極反応は、 １／、２０ｘ　＋ｒ１．−＋Ｌ　Ｏ となる。また、燃料として一酸化炭素を用いた場合には
、 燃料極：Ｃｏ十〇”−ｉＣＯ，＋　２ｅ　−となり、全
体的な電極反応は、 ＣＯ＋１／２０！→ＣＯ７ となる。

〔発明が解決すべき課題〕

このような従来の平板型固体電解質燃料電池において、
集電作用を行うと共に、ガス通路を形成しているインタ
ーコネクタは金属からなっており、一方、固体電解質の
ジルコニアＺｒＯ□はセラミックであるので、それらの
熱膨張係数間には、約１０Ｘ　１０−’１／’Ｃの差が
ある。このように熱膨張係数に差があると、固体電解質
燃料電池の動作温度８５０°Ｃ〜１０００°Ｃでは、３
層構造板とインターコネクタ間に隙間が発生してしまい
、燃料と空気がクロスリークして電池活性物質として十
分機能しなくなり、電池としての燃料利用率が低下して
しまうという問題があった。このクロスリークが、従来
の燃料電池設計上、最も大きな問題であり、これが平板
型固体電解質燃料電池の研究を大きく遅らせる原因とな
っていた。

本発明は上記問題点を解決するためのもので、クロスリ
ークを防止すると共に、容易に大電流出力を得ることが
可能な平板型固体電解質燃料電池を提供することを目的
とする。

〔課題を解決するための手段〕

第１図は単位セルを積層した本発明の平板型固体電解質
燃料電池の分解斜視図、第２図はガス流路形成方法を説
明するための分解斜視図であり、図中、■は集電極、２
．２ａ〜２ｄは集電極棒、３は直列接続体、４．４ａ〜
４ｄはガス穴、５はマニホールド、６．６１．６２は３
Ｎ構造板、７はスペーサ、８はワイヤー、９はセル支持
基板、１０は中継基板である。

各構成部品の材料について説明すると、集Ｔ：、ｆｉｌ
は多孔質メタル、メツシュを電極中に埋め込んだもの、
あるいはＬａｄ−、Ｓｒ、Ｃｒｙ、のようなセラミック
ス電気伝導体からなっている。集電掻棒２は、高温にお
いて耐酸化還元性の電気伝導性が良好（導電率１０Ω−
１ｃｔｓ　−１以上）な材料、例えばＳ　ｉＣ，ＭｏＳ
　ｉ、　、ＣｒＳ　ｉ、等のセラミックス又はニクロム
やクロムを含むニッケル基合金等の金属からなり、直列
接続体３は電気伝導性のよいものであればよく、金属で
あってもよい。

マニホールド５、セル支持基板９、中継基板１０はアル
ミナ等のセラミックスで構成する。３層構造板６につい
ては、固体電解質が酸素イオン導電性ジルコニアで、例
えば３〜４％ＹｔＯｓを添加した部分安定化ＺｒＯ□か
らなり、アノードが、例えばＮ　ｉ　／　Ｚ　ｒ　Ｏ□
サーメット、カソードが、例えばＬ　ａ　＋−＋＋　Ｓ
　ｒ　ｗ　Ｍ　ｎ　Ｏｓからなっている。

スペーサ７は固体電解質と熱膨張の近い材料なら特に限
定はないが、例えばＺｒＯｘからなり、ワイヤーは集電
掻棒と集電極を電気的に接続するもので、例えば白金等
からなる。スペーサーと固体電解質とは、ガラスやセラ
ミック接着剤により接着される。ガラスとしては、高膨
張結晶化ガラスが好ましく、セラミック接着剤としては
、ジルコニア系接着剤が好ましい。

第２図に示すように、ガス穴が４個設けられたセル支持
基板９にスペーサ７を！３！置し、この上に３Ｆ！！構
造Ｆｉ６を載置し、その上にスペーサを直交させて載置
し、これを順次繰返して積層構造とする。そして、例え
ば図のガス穴４ａから酸素を供給し、ガス穴４ｂから排
出し、またガス穴４Ｃから水素を供給し、ガス穴４ｄか
ら排出するようになっており、また中継基板にもこれら
のガス穴に対応したガス穴が設けられているので、中継
基板を介してさらに上方に積層されるセルへもガス供給
がなされる。その結果、３Ｎ構造板とスペーサとで交互
に直交する方向のガス流路が形成され、３Ｎ構造板６１
の下面側は酸素ガス流路、３層構造板６１の上面側及び
３層構造板６２の下面側は水素ガス流路、３層構造板６
２の上面側は酸素ガス流路のようになり、３Ｊ！構造板
６１の下面は（＋）極、上面は（−）極、３層構造板６
２の下面は（−）極、上面は（＋）極を形成し、各セル
は並列接続されて形成される。

このように形成される各セルの３層構造板に集電極を設
け、例えば並列接続されたセル３個を単位セルとして第
１図に示すように積層する。即ち、単位セルＡをセル支
持基板９に載置してマニホールド内に収納する。このマ
ニホールドにより酸素の流れる空間と水素の流れる空間
とは隔離される。

この単位セルＡに中継基板１０を介して単位セルＢを積
層する。集電掻棒２ａ〜２ｄはそれぞれワイヤ８でそれ
ぞれ空気極または燃料極の集１！極２に接続され、例え
ば図の集電掻棒２ａ、２ｃは（＝）極、集電掻棒２ｂ、
２ｄは（＋）極とすると、中継基板の直列接続体３によ
って集電掻棒２ａと２ｄとが接続されることになり、単
位セルＡとＢとは直列接続される。

この電気的接続状態を等価回路で説明すると、第３図に
示すようになる。即ち、３層構造板の両面は（−）極と
（＋）極を構成して同極性間は集電極１と集電掻棒２と
で接続されて並列接続を基本構造とした単位セルを構成
し、この単位セルは集電極２、直列接続体３を介して他
の単位セルと接続されることになる。

こうして、並列接続を基本構造とした単位セルを直列接
続することが可能となり、並列接続数を増やすことによ
り電極面積を増やして電流量を大きくし、また、直列接
続数を増やすことにより電圧も大きくとることができる
。

第４図は第１図で示した単位セルを３個直列接続した場
合の断面図、第５図は第４図の燃料電池の等価回路を示
す図で、２８〜２ｆは集電掻棒、３ａ、３ｂは直列接続
体である。

第４図において、直列接続体３ａ、３ｂによりそれぞれ
集電掻棒２ａ、２ｄ、及び２Ｃ１２ｆが接続されて単位
セルＡ、Ｂ、Ｃは直列に接続されており、等価回路で示
すと第５図に示すようになる。この場合、単位セルは積
層構造数を増減することにより並列接続されるセル数を
自由に増やすことができ、したがって、各セルの面積を
増やさずに電流量を自由に増減することが可能である。

また、直列接続する単位セルの数を増減させることによ
り取り出し電圧を自由に設定することができる。

〔作用〕

本発明の平板型固体電解質燃料電池は、スペーサを両端
部に各層毎に交互に直交するように配置して固定電解質
板を積層させてスペーサと固体電解質板とにより各層毎
に交互に酸素を含むガスと燃料ガスの流路を形成すると
共に、所定層数のセルの空気極と燃料極とをそれぞれ集
電掻棒により電気的に接続することにより並列接続され
た所定数のセルを単位セルとし、各単位セル間に介在さ
せたＷ＋ｆｆの直列接続体を介して各単位セルの異極性
集電掻棒を接続することにより直列接続をおこなってお
り、並列接続を基本構造とすることにより従来のインタ
ーコネクタを無くしてクロスリークを著しく低下させる
と共に、並列接続数を増やすことにより電極面積を増や
して電流量を大きくすることが可能となり、また直列接
続数を増減することにより出力電圧値の調整も容易に行
うことができる。

〔実施例］ 以下、実施例を説明する。

固体電解質として、３ｍｏ１％Ｙ２０．をドープしたＺ
ｒＯ，、厚み０．２ｍ、大きさ５０ａｉＸ５０−のもの
を使用し、これにアノード（水素電極）としてＮ　ｉ　
／　Ｚ　ｒ　Ｏ□サーメットを塗布、カソード（酸素電
極）としてＬａ＋−、Ｓｒ、Ｍｎ０１を塗布した。集電
極としてニクロム多孔体、集電掻棒としてニクロム、直
列接続体としては白金を、ワイヤーとしてはニクロムを
使用した。スペーサとして３ｍｏ１％Ｙ！０．をドープ
したジルコニアを使用、マニホールドとしてアルミナを
使用した。そして、第６図に示すように固体電解質上に
アノード、カソードは斜線部分１１のみに塗布し、スペ
ーサとジルコニアは結晶化温度８６０°Ｃの高膨張結晶
化ガラスを塗布した。そして１０００°Ｃでガラスを軟
化させ、８６０°Ｃまで降温し、２時間保持し、ガラス
を結晶化させて接着した。

単位セルの固体電解質を３枚としで組み立てた。

これを、１０００°Ｃに界温し、クロスリークをテスト
するためにアノード側に１００％Ｎ２をカソード側に１
００％０．をそれぞれ１１００５ＣＣ流した。そのとき
のクロスリーク量をガスクロマトグラフィーで分析した
ところ、１％以下のクロスリーク量であった。続いて、
アノード側に漸次りを導入した。このとき、単位セルの
開放電圧は１．０Ｖであった。

〔比較例〕

従来の平板型固体電解質燃料電池（スペーサーがコバル
）１合金で、各セルが直列接続されている）について、
クロスリークテストを行った。クロスリークは１０％で
あった。

〔発明の効果〕

以上のように本発明によれば、スペーサと固体電解質は
熱膨張係数が近い材料または同一材料を選ぶことができ
、例えば、両者共にジルコニアを選択した場合、スペー
サと電解質は高膨張結晶化ガラスで接着しておけばジル
コニアと結晶化ガラスの熱膨張係数も近いことから８５
０°ｃ−ｔｏ。

ＯｏＣの高温においても隙間は発生せずクロスリークの
発生を防止することができる。また電流量は、電極面積
の大きさで決まり、従来の平板型では、大電流をとるの
に大電極面積、大固体電解質面積が必要であったが、固
体電解質であるジルコニアは非常に脆い材料であり、歪
により簡単に割れてしまい、大面積化が難しく、せいぜ
い４００ｃｄ（２０ｃｒａ角）以内の大きさに制限され
ていたが、本発明によれば、並列接続数を増やすことに
より容易に電極面積を大きくとることが可能で、要求さ
れる電流に合わせて自由に設計することができると共に
、直列接続も可能であるので、端子電圧も種々なものを
自由に得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は単位セルを積層した本発明の平板型固体電解質
燃料電池の分解斜視図、第２図はガス流路形成方法を説
明するための分解斜視図、第３図は並列接続と直列接続
を説明するための等価回路を示す図、第４図は第１図で
示した単位セルを３個直列接続した場合の断面図、第５
図は第４図の燃料電池の等価Ｕ路を示す図、第６図は本
発明の実施例におけるセルの組立て方法を説明するため
の図、第７図は従来の平板型燃料電池の構成を示す図で
ある。 ｌ・・・集電極、２・・・集電掻棒、３・・・直列接続
体、４・・・ガス穴、５・・・マニホールド、６・−・
３Ｊ！Ｊｔｌｌ造板、７・・・スペーサ、８・・・ワイ
ヤー、９・・・セル支持、Ｍ！、１０・・・中＠　）！
ＥＦｉ、。 出　　願　　人　　東亜燃料株式会社 代理人　弁理士　　蛭　川　昌　信（外４名）第１図 第２図 第３図 第４図 第５図 ＝＠−句ｐ−址弾戸さ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）電極構成材料を塗布した固体電解質板の一方の面
   に酸素を含むガスを、他方の面に燃料ガスを供給し、固
   体電解質板を通して酸素と燃料とを化学的に反応させて
   電気的出力を発生させるセルを積層させるようにした燃
   料電池において、スペーサを両端部に各層毎に交互に直
   交するように配置して固体電解質板を積層させてスペー
   サと固体電解質板とにより各層毎に交互に酸素を含むガ
   スと燃料ガスの流路を形成すると共に、所定層数のセル
   の空気極と燃料極とをそれぞれ集電極棒により電気的に
   接続することにより並列接続された所定数のセルを単位
   セルとし、各単位セル間に介在させた基板の直列接続体
   を介して各単位セルの異極性集電極棒を接続することに
   より各単位セルを直列接続したことを特徴とする平板型
   固体電解質燃料電池。
2. （２）スペーサと固体電解質板とは熱膨張係数がほぼ等
   しいか、または同一の材料からなる請求項１記載の平板
   型固体電解質燃料電池。
3. （３）スペーサと固体電解質板とはガラス又はセラミッ
   ク接着剤で接着した請求項１記載の平板型固体電解質燃
   料電池。