JPH02121266A - 固体電解質型燃料電池 - 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、固体電解質型燃料電池に係り、特に高電圧低
電流型の出力特性を有するとともに、燃料電池スタック
の支持強度を向上させた固体電解質型燃料電池に関する
ものである。

〔従来の技術〕

最近、低公害の動力源として注目を集めている燃料電池
は、起電反応の源となる、活物質としての燃料と酸化剤
とを外部から連続的に供給して電気エネルギーとして取
出すとともに、反応生成物を連続的に排出することがで
きる電池である。この燃料電池の中で電解質の漏洩の恐
れがなく、反応速度が大きいとして特に注目されている
のが固体電解質型燃料電池である。このような従来技術
に関連するものとして、例えば本発明者等が提案した特
願昭６３−９７６５７号および特願昭６３２２５１６４
号があげられる。

第７図は、上記本発明者等の先願に係る固体電解質型燃
料電池を構成する単セルの縦断面図である。この単セル
は、基体管１と、該基体管ｌの外側円筒面に積層された
酸素極（以下、酸素側電極という）３、固体電解質２お
よび燃料極（以下、燃料側電極という）４と、前記基体
管１の両端に配置された耐熱金属１ＩＡ５とから主とし
て構成されている。

第８図は、第７図の単セルを多数組み合わせた燃料電池
スタックの縦断面図である。この燃料電池スタックは基
板７と、該基板７上に同心円状に積層された、それぞれ
直径の異なる円筒型の単セル６ａ、６ｂ、６ｃおよび６
ｄと、該単セルの上部に配置されたフランジ板８とから
なり、前記単セル６ａ〜６ｄは、それぞれ基板７および
フランジ板８に設けられた、ガスシール用金屈リング１
４が配置された円形の溝に嵌挿されて支持されている。

基板７には酸化剤である空気の導入管１１、燃料ガスの
供給管１２および燃料ガスの排出管１３が設けられてお
り、フランジ板８には空気の連絡流路９および燃料の連
絡流路１０が設けられている。燃料供給管１２から供給
された燃料としての水素Ｆおよび空気導入管１１から導
入された空気Ａは、単セル相互間の１つ置きの間隙であ
る流路を流れ、それぞれ燃料側電極および酸素側電極と
接触する。水素Ｆおよび空気Ａが供給された各単セルの
電極間では電極反応が生じ、電気エネルギーが発生する
。電気的に並列に連結された前記単セルはそれぞれの両
端が正極および負極となり、発生した電気エネルギーは
、電気を取出すターミナルとしての機能を持つ基板７お
よびフランジ板８に集電された後、外部に取出される。

第９図は、前記先願に係る固体電解質型燃料電池におけ
る燃料電池スタックの配置例を示す図である。燃料電池
スタック１６は、基板７上にほぼ等間隔に配置されてお
り、該基板７の下方には空気導入管ｌｌ、燃料供給管１
２および燃料排出管１３が配置されている。また前記基
板７の燃料電池スクノク１６が配置されていない部分に
は複数の空気通過孔１７が設けられている。このように
配置された燃料電池スタック１６で発生し、集電された
電気エネルギーは、さらに集電されてより強力な電気エ
ネルギーとして取出される。

上記固体電解質型燃料電池は、高電流を取出す低電圧高
電流型のものであり、各燃料電池スタックの出力電圧は
低く、高電圧の電気エネルギーを取出すことができない
という欠点がある。また固体電解質型燃料電池を構成す
る各燃料電池スタックは、それぞれ独立して基板上に配
列されており、振動、衝撃等に対する強度は必ずしも十
分なものではなかった。

第６図は、前記本発明者等の別の先願に係る固体電解質
型燃料電池における燃料電池スクソクの配置例を示す図
である。図において燃料電池スタック１６は、複数の単
セル単位を直列に連結した単セルから構成されている。

この固体電解質型燃料電池は、出力電圧が高い高電圧低
電流型のものであるが、各燃料電池スタックの振動、衝
撃等に対する強度は十分なものではなかった。

〔発明が解決しようとする課題〕

本発明の目的は、上記問題点を解決し、出力電圧が高く
、かつ振動、衝撃等に対して十分な強度を有する固体電
解質型燃料電池を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するため本発明は、電子導電体または混
合導電体からなる酸素極と、酸素イオン導電性の固体電
解質と、電子導電体からなる燃料極とをガス透過性の基
体に積層した単セルを多数組み合わせた複数の燃料電池
スタックを基板上に配列した固体電解質型燃料電池であ
って、前記単セルが複数の燃料電池スタックに共通の連
結用導電体で連結された単セル単位からなり、隣接する
燃料電池スタックが前記連結用導電体を介して連結され
たことを特徴とするものである。

〔作用〕

単セルを直列に連結された複数の単セル単位から構成し
たことにより、１個の例えば円筒状の単セルが電気的に
は複数個の単セルを直列接続したものとなり、該単セル
およびこれから構成される燃料電池スタックは高電圧を
出力できる高電圧低電流型の出力特性を有するものとな
る。また隣接する複数の燃料電池スタックに共通な連結
用導電体により単セル単位を連結するとともに、複数の
燃料電池スタックを相互に連結したことにより、単セル
および燃料電池スタックをはじめ固体電解質型燃料電池
全体としての振動、（ｈ撃等に対する強度が向上する。

本発明において単セル単位とは、従来の単セルと機能的
には変わらないが、基体を短くし、これに積層する酸素
側電極、固体電解質および燃料側電極の表面積を基体の
長さに応じて狭くしたものである。

本発明においては、複数の単セル単位を直列に連結して
、例えば複数の内径の異なる円筒形の単セルを形成し、
これを同心円状に多数積層して燃料電池スタックを形成
し、さらにこの燃料電池スタックを基板上に多数配列す
ることにより固体電解質型燃料電池が構成されるが、各
単セルを構成する内径の異なる単セル単位の長さく以下
、高さという）は、同一であることが好ましい。各車セ
ル単位の高さを同一にすることにより、内径の異なる単
セル相互および燃料電池スタック相互間の各単セル単位
の連結位置が同一平面上になるので、燃料電池スタック
毎に共通な連結用導電体を用いることができるうえ、隣
接する２（固〜３（固またはそれ以上の燃料電池スタッ
クに共通な連結用導電体を用いて単セル単位を連結する
ことができる。

本発明において前記単セル単位は、その高さを燃料電池
スタック毎に段階的に変化させたものであってもよい。

すなわち任意の燃料電池スタックを構成する単セル単位
の高さを、例えばａとしたとき、これに隣接する燃料電
池スタックにおける小セル単位の高さを２３または３ａ
とすれば、これらの燃料電池スタックに共通の連結用導
電体を例えば２ａまたは３ａの高さで用いて各燃料電池
スタックを連結することができる。

〔実施例〕

次に、本発明を実施例によりさらに詳細に説明する。第
１図は、本発明の固体電解質型燃料電池の燃料電池スタ
ックを構成する単セルを示す図である。単セル６は、複
数個の直列に連結された単セル単位１８から構成され、
その連結部には連結用の導電体１９が配置されている。

第２図および第３図は、それぞれ第１図の単セル６を積
層した燃料電池スタックの縦断面図および水平断面図で
ある。第２図において各々３個の単セル単位１８から構
成された直径の異なる単セル６ａ〜６ｄが同心円状に積
層されている。各単セル６ａ〜６ｄにおける単セル単位
１８の連結部は同一平面上にあり、単セル単位１８およ
び単セル単位１８で構成される単セル６ａ〜６ｄは各単
セルに共通の連結用導電体１９を介して連結され、燃料
電池スタック１６が形成されている。この場合、各単セ
ルの燃料側電極および酸素側電極の積層位置は、その単
セルが燃料電池スタックのどの位置に積層されるかによ
って異なり、燃料の流路に面した位置には燃料側電極が
、空気の流路に面した位置には酸素側電極がそれぞれ積
層される。

このような構成において、燃料供給管（図示省略）から
燃料電池スタック内に供給された燃料Ｆと、空気導入管
（図示省略）から導入された空気Ａとは、１つ置きの単
セル相互間の流路を流れてそれぞれ各単セルの燃料側電
極４および酸素側電極３と接触する。最も外側の単セル
６ｄの外表面の酸素側電極３は、基板７に設けられた空
気通過孔１７　（第４図参照）を通過する空気Ａと接触
する。燃料Ｆと空気Ａとが供給された単セル６ａ〜６ｄ
の電極間では電極反応が生じる。例えば、空気入〇流路
となる単セル６ｂの外表面の酸素側電極３では、空気Ａ
中の酸素が外部回路からの電子を受は取って酸素イオン
となり、固体電解質２に入って荷電担体となる。一方、
単セル６ｂの基体管ｌ内は燃料Ｆの流路となり、例えば
燃料である水素Ｆは基体管１を介してその表面内側に積
層された燃料側電極４へ流入し、ここで前記固体電解質
２中の酸素イオンと反応して水を生成し、電子を外部へ
放出する。他の単セルにおいても同様の電極反応が起こ
り、電気エネルギーが発生する。

電気的に並列に連結された単セル６ａ〜６ｄはそれぞれ
両端が正極および負極となり、電気エネルギーは集電さ
れた後、外部に取出される。

第３図において、燃料電池スタック内の小セル単位を垂
直方向に、単セルを水平方向に連結する燃料電池スタッ
ク毎に共通な連結用導電体１９には同心円状にガス流通
孔２０が設けられており、このガス流通孔２０により単
セル相互間のガス流路が各々独立に連通されている。

第４図は、本発明の固体電解質型燃料電池における燃料
電池スタックの一配置例を示す図、第５図は、第４図の
部分水平断面図である。第４図において燃料電池スタッ
ク１６は、基板７上に、その水平断面である円形の直径
よりわずかに長い辺からなる多数の正三角形の各頂点に
配置されている。また基板７の燃料電池スタック１６が
配置されていない部分には、燃料電池スタック１６の外
表面に積層された単セルの酸素側電極に酸素を供給する
空気が流通する複数の空気通過孔１７が設けられている
。第５図において、３　（［！ｉｆの燃料電池スタック
が共通の連結用導電体２１により一体に連結されている
。この３個の燃料電池スタックに共通の連結用導電体２
１には、各燃料電池スタ・ツクにおける単セルの間隙で
あるガス流路を連通ずるため、３個所に同心円状のガス
流通孔２０が設けられているとともに、中央には略三角
形の空気通過孔２２が設けられている。

このような構成において、各燃料電池スタックを構成す
る単セルの酸素側電極および燃料側電極にそれぞれ空気
および燃料ガスが供給され、電極反応による電気エネル
ギーが発生する。発生した電気エネルギーは、集電され
より強力な電気エネルギーとして外部に取出される。

本実施例によれば、燃料電池スタック１６を構成する単
セルを直列に連結した複数の単セル単位１８で構成した
ことにより、燃料電池が高電圧低電流型となり、固体電
解質型燃料電池の出力電圧が高くなる。また、各単セル
を構成する単セル単位１８の高さを均一゛にして各車セ
ルにおけるｆｎセル単位１８の連結部が同一平面上に位
置するようにしたので、単セル単位連結用の導電体とし
て燃料電池スタック内だけでなく複数の燃料電池スタッ
クに共通な一体ものを使用することができる。

したがって単セルの積層密度を高くして燃料電池スタッ
ク全体としての発電能力を安定させることができるとと
もに、前記連結用導電体により燃料電池スタックを相互
に支持し、燃料電池スタックの支持強度を著しく向上さ
せることができる。また本実施例によれば各燃料電池ス
タックの配置間隔を狭くして単位基板面積当たりの燃料
電池スタック配置密度を高くしたことにより、固体電解
質型燃料電池全体としての電気出力密度が高くなる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、発電出力密度が高く、燃料電池スタッ
クの支持強度が強い高電圧低電流型の固体電解質型燃料
電池が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に使用される単セルを示す図、第２図
は、本発明に使用される燃料電池スタックの縦断面図、
第３図は、その水平断面図、第４図は、本発明の固体電
解質型燃料電池における燃料電池スタックの一配置例を
示す図、第５図は、第４図の部分水平断面図、第６図は
、別の先願に係る固体電解質型燃料電池における燃料電
池スタックの配置例を示す図、第７図は、先願に係る単
セルの縦断面図、第８図は、先願に係る燃料電池スタッ
クの断面図、第９図は、先願に係る固体電解質型燃料電
池における燃料電池スタックの配置を示す図である。 ６ａ〜６ｄ・・・単セル、１６・・・燃料電池スタック
、１８・・・単セル単位、１９・・・連結用導電体、２
０・・・ガス流通孔。２１・・・連結用導電体、２２・
・・空気通過孔。 特許出願人　　三井造船株式会社 代理人　弁理士　川　北　武　長 ：連結用導電体 ２０：ガス流通孔 第５図 ２１連結用導電体 η空気通過孔 ２１連結用導電体

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）電子導電体または混合導電体からなる酸素極と、
   酸素イオン導電性の固体電解質と、電子導電体からなる
   燃料極とをガス透過性の基体に積層した単セルを多数組
   み合わせた複数の燃料電池スタックを基板上に配列した
   固体電解質型燃料電池であって、前記単セルが複数の燃
   料電池スタックに共通の連結用導電体で連結された単セ
   ル単位からなり、隣接する燃料電池スタックが前記連結
   用導電体を介して連結されたことを特徴とする固体電解
   質型燃料電池。
2. （２）前記燃料電池スタック内の単セル単位を連結用導
   電体を用いて連結したことを特徴とする請求項（１）記
   載の固体電解質型燃料電池。