JPH02304870A - 円盤積層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） 本発明は円盤積層固体電解質型燃料電池、特にその出力
密度の向上や強度の増大、更には製造の容易化などに関
するものである。

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

ところで燃料電池として例えば第１図に示す分解斜視図
と、第２図に示す組立断面図の如き構成をもつ、円盤積
層固体電解質型燃料電池が提案されている。この電池は
第１図のように固体電解質（１ａ）と、その両日盤面に
設けた多孔性電極構成材による正電極（１ｂ）と負電極
（１ｃ）よりなる所要複数個の単電池、例えば第１、第
２単電池（ＬＡ）、　（ＩＢ）と、セパレータ（２）、
第１．第２．第３．第４のインターコネクタ（３八）　
（３Ｂ）　（３Ｃ）　（３Ｄ）、上蓋（４）と下蓋（５
）、供給口（６ａ）を有する燃料供給パイプ（６）と燃
料排出口（７ａ）を有する燃料排出パイプ（７）、供給
口（８ａ）を有する酸化剤（酸素または空気）供給パイ
プ（８）と、排出口（９ａ）を有する酸化剤排出パイプ
（９）とからなる。

そして第２図（ａ）に示す第１図のＡ−Ａ”部断面組立
図のように、下蓋（５）、第４インターコネクタ（３Ｄ
）、第２単電池（ＩＢ）、第３インターコネクタ（３Ｃ
）、セパレータ（２）、第２インターコネクタ（３Ｂ）
第１単電池（ＩＡ）、第１インターコネクタ（３Ａ）、
上蓋（４）の順序で積層する。そして燃料供給口（６ａ
）と燃料排出口（７ａ）が、第２インターコネクタ（３
Ｂ）によって単電池（ＩＡ）とセパレータ（２）間に形
成される内部空間Ａと、第４インターコネクタ（３Ｄ）
によって第２単電池（ＩＢ）と下蓋（５）間に形成され
る内部空間Ｂにそれぞれ開口するように、各構成材との
間をガスシール００）シながら燃料供給パイプ（６）と
燃料排出パイプ（７）とを、第１図のように各構成材の
周辺に近い対向する２箇所にそれぞれ設けた貫通孔（４
ａ）　（３ａ）　（ｌｄ）　（２ａ）　（３ｃ）　（ｌ
ｄ）に差し込む。また第２図（ｂ）に示す第１図のＢ−
Ｂ’部断面組立図のように酸化剤供給口（８ａ）と排出
口（９ａ）とが第３インターコネクタ（３ｃ）によって
、セパレータ（２）と単電池（ＩＢ）間に形成される内
部空間Ａ′と第１インターコネクタ（３Ａ）及び第１単
電池（ＩＡ）によって形成される内部空間Ｂ′にそれぞ
れ開口するように、各構成材との間をガスシール００）
シながら、酸化剤供給及び排出パイプ（８）　（９）を
、第１図に示すように燃料供給及び排出パイプ（６）　
（７）の各貫通孔と直角な位置に設けた貫通孔（５ａ’
）（３ｄ’）（ｌｄ’）（２ａ’）（３ｄ’）（ｌｄ’
）に差し込み、最後に積層された各構成材の隙間から燃
料及び空気が各構成材間から漏れないように外周面をガ
スシール００）シて構成される。

そして第３図に示す発電原理図のようにパイプ（６）　
（７）により燃料となる例えば水素Ｈ２を供給し、また
パイプ（８）　（９）により酸化剤である例えば空気を
供給して、第１．第３インターコネクタ（３Ａ）　（３
Ｃ）を介して単電池（１八）の正電極（１ｂ）と単電池
（ＩＢ）の負電極（ＩＣ）間に接続された負荷Ｒに電力
を供給する。

この円盤積層固体電解質型燃料電池は固体のみで形成さ
れており、他の形式であるリン酸型燃料電池、更には溶
融塩型燃料電池のように液体電解質を扱う不利がな（、
しかも使用温度が８００〜１０００°Ｃと高温であるこ
とから高発電効率が期待できる。

これに加えてスチームタービン等によるボトミングサイ
クルの付設や熱電併給にも有利である。また更にこの円
盤積層固体電解質型燃料電池では前記第２図（ａ）（ｂ
）によって明らかなように、電流が正負電極（Ｉｂ）　
（ｌｃ）と固体電解質（１ａ）の盤面と直角な方向に流
れるため、内部抵抗はほぼ構成材料の厚みによってのみ
左右される。しかもこの形式のものは原理上構成材料の
厚みを薄くできるのみでなく、単位面積当りの電極面積
の増大が容易であるので、単位面積当りの出力密度を向
上でき、しかも円盤構造をとっていることから大量生産
に適するドクターブレード法や、その他の湿式法を単電
池などを生産に採用でき、製造コストの低下を図りうる
などの各種の利点がある。

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

即ち円筒型燃料電池（！１）は第４図に示す斜視図のよ
うに、多孔質チューブ（ｌｌａ）の上に負電極（Ｉｌｂ
）、電解質（ｌｌｃ）　、正電極（１１ｄ）、インター
コネクタ（ｌｉｅ）の順序で構成材を積層して単電池ま
たはその集合体を構成して、燃料と酸化剤をチューブ（
ｌｌａ）の内と外に流して発電するものであるが、この
型式の燃料電池は次のような諸問題をもつ。

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

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

（解決すべき問題点） しかしその一方円盤積層固体電解質型燃料電池にも弱点
がある。即ち燃料及び酸化剤の供給がそれぞれ円盤の外
周の２点間において行われてガスが供給口から排出口に
短絡的に流れ易いため、燃料及び酸化剤の流れが電池面
において均一になりにくく電極面積の有効利用を図りに
くい。このため単電池の面積を大きくしても単位面積当
りの出力密度の向上が充分ではない。また環状のインタ
ーコネクタを用いているため集電距離の短縮が充分では
なく内部抵抗の低下が充分ではない。また更に構成材が
円盤状であるため原理的には面積の増大が容易であるが
、増大と共に機械的強度が低下するため、この点で大容
量の電池の実現が難しい。また動作温度が１０００’Ｃ
前後の高温であるため、熱バランスがとりに（く、熱バ
ランスを得るためには供給ガスを加熱装置を用いて１０
００°Ｃ前後に加温して供給する必要があるが、このよ
うな高温加熱は現在の技術では大きな困難を伴い実用が
難しいなどの諸問題がある。

従って円盤積層固体電解質型燃料電池は前記のような数
多い利点をもちながら、従来殆ど積極的な研究開発が行
われることなく現在に到っている。

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

（問題点を解決するための本発明の手段）本発明の特徴
とするところは第１図によって前記した環状のインター
コネクタに代えて、第６図に示すように中心のガス供給
部（１２ａ）と、これに連通し外周部において開口する
供給されたガスが十分に電極表面に供給されるように例
えばジグザグ状拡散通路（１２ｂ）を備えるか、或いは
気孔率の高い材質で作られたインターコネクタを用いる
と同時に、中心のガス拡散空間部（１２ａ）に燃料また
は酸化剤が供給されるようにした点にある。そしてこれ
により■単電池（１）の電極（ｌｂ）　（Ｉｃ）の広い
面積において集電しうるようにして、電流経路の短縮を
図って内部抵抗の充分な低下を図る。■単電池の強度補
強体となりうるようにして単電池の機械的強度の増大を
図るようにして電極面積の増大の容易化を実現すると同
時に製作保守を容易とする。■ジグザグ状拡散通路（１
２ｂ）にジグザグ状にガスが流れて燃料などの良い拡散
体として作用するようにして、ガスの流れの均一化を大
きく促進し電極面積の有効な利用を図りうるようにして
、発電効率を向上させるようにしたものである。

また更に燃料及び酸化剤の供給と排出を、第２図により
前記したように単電池（１）の周辺部に近い対向した離
れた２点において行うことなく、例えば第７図の断面組
立図のように単電池（１）その他の構成材の中心に設け
たパイプθ３）により、第５図で前記したようにインタ
ーコネクタ０２）のガス供給部面において行うようにし
、かつ供給ガスの濃度が単電池（１）の外周方向に向か
うに伴い希薄となったのち外界に排出されるように拡散
通路（１２ｂ）の長さや幅、形状などを考慮した点にあ
る。

そしてこれにより■単電池（１）の中心部の燃料濃度が
高くなるようにして発電性能の向上を図ると同時に、燃
料及び空気がインターコネクタ（＋２１の拡散通路（１
２ｂ）を通過する間に殆ど消費されるようにして、燃料
の利用率への影響が殆どなく、しかも外周からの放出ガ
スの燃焼による温度上昇が殆ど問題にならないようにし
て、所謂外側ガスシールレス構造としたものである。即
ちガスシールを、中心に設けた燃料及び酸化剤供給パイ
プ面と、単電池（１）とその他の構成材間のみに限定で
きるようにして、従来のような外周を含むほぼ完全なシ
ールの必要をなくして製造を著しく容易としたものであ
る。またガスシール材００）による各構成機の連結固定
に当たって、各構成材の熱膨張係数の差にもとづくトラ
ブルを少なくして、構成材の使用の自由度を大きくした
ものである。また更に■中心部からの燃料及び空気の供
給システムにより、その供給ガス温度の低下を図って、
従来のように加熱装置により約１０００°Ｃの動作温度
まで加熱供給する困難の解決を図り、実用化を大きく前
進した点にある。即ち本発明のように発電部の中心から
外周に向けて燃料及び酸化剤を流してガス濃度が中心に
おいて高く、外周方向に行くに伴い希薄となるようにす
れば、温度は中心が最も高く外周方向に行くに伴い低い
分布となり、中心部の温度は１０００°Ｃ以上の高温と
なる。従って熱バランスを保つためには何等かの対策が
必要となる。

本発明では欠点とも云える上記の点を逆用して、濃度差
にもとづくジュール熱により燃料及び酸化剤を加熱する
ようにして、実用化の困難な高温供給を回避できるよう
にし、以上から円盤積層固体電解質型燃料電池のもつ諸
問題点の解決を図って、その実用化を促進しうるように
したものである。

次に本発明の実施例について説明する。

（実施例） 第５図、第６図、第７図は本発明の一実施例図を示し、
このうち第５図は分解斜視図、第６図はインターコネク
タの平面図、第７図（ａ）、　（ｂ）は燃料及び酸化剤
供給パイプの断面図、第８図は断面組立図であって、第
１図、第２図と同一符号部分は同等部分を示す。第５図
において（ＬＡ）　（ＩＢ）は単電池、（１ａ）はその
固体電解質であって、例えばイツトリア安定化ジルコニ
アやイツトリア部分安定化ジルコニアなどにより作られ
る。（１ｂ）は正電極であって、例えばストロンチウム
またはマグネシウムをドープしたランタンマンガネート
により作られる。（１ｃ）は負電極であって、例えばニ
ッケルジルコニアサーメットにより作られる。そしてこ
の単電池（ＩＡ）　（ＩＢ）の中心には、同一径をもつ
長円状のパイプ貫通孔（Ｉｄ）を備える。（２）はセパ
レータであって、ストロンチウムまたはマグネシウムを
ドープしたランタンクロマイト、もしくはインコネル等
のニッケルクロム合金によって作られ、その中心には前
記単電池（ＩＡ）　（ＩＢ）のパイプ貫通孔と同一大き
さ形状の長円状のパイプ貫通孔（２ａ）を有する。（１
２Ａ）　（１２Ｂ）　（１２Ｃ）　（１２０）は本発明
の要部である第１．第２．第３．第４のインターコネク
タであって、例えばセパレータ（２）と同一材料で作ら
れ、そのそれぞれの中心には第６図を用いて前記したよ
うに単電池のパイプ貫通孔の径より大きい円形のガス供
給部（１２ａ）とそれぞれ同じ通路長をもったジグザグ
状拡散通路（１２ｂ）をもち、ガス供給部（１２ａ）　
　と外周とを接続する。（４）は上蓋、（５）は下蓋で
あって、その中心には前記単電池に設けたパイプ貫通孔
と同一寸法の長円状のパイプ貫通孔（４ａ）と（５ａ）
を有する。

次に０３）は燃料と酸化剤の供給パイプであって、ここ
には上端が閉塞の燃料供給流路（１３ａ）と、下端が閉
塞された空気供給流路（１３ｂ）とを有する。

また燃料供給流路（１３ａ）には第７図（ａ）　（ｂ）
に示すパイプの断面図のように燃料の供給空間の間隔に
応じた間隔をおいてパイプ（１３）を貫通するように設
けた、１乃至放射状に設けた複数個の燃料供給口（１３
ａｌ）を有し、空気供給流路（１３ｂ）には空気の供給
空間の間隔に応じた間隔をおいて、パイプ０３）を貫通
して設けた１乃至放射状に設けた空気供給路（１３ｂｌ
）を有する。そして、以上の各部は次のように組立られ
る。

先ず下蓋（５）の長円状貫通孔（５ａ）内に供給パイプ
（＋３）を挿通して、第８図のように下蓋（５）とパイ
プ（１３）間をニッケル合金などのシール材にガスシー
ル（１０）したのち、パイプ側に第４インターコネクタ
（１２０）をその中心のガス供給部（１２ａ）を差込ん
で重ね合わて、併給パイプ側の燃料供給路（１３ａ）が
、第８図のように第４インターコネクタ（１２０）のガ
ス供給部（１２ａ）部分に開口するようにする。次にパ
イプ貫通孔（１ｄ）をパイプ０３）に差込むことにより
、第４インターコネクタ（１２Ｄ）上に第２単電池（Ｉ
Ｂ）を重ね合わせたのち、ガス供給部（１２ａ）をパイ
プ０３）に差込んで、第３インターコネクタ（１２Ｃ）
を第２単電池（ＩＢ）上に重ね合わせる。そしてパイプ
０３）と第２単電池（ＩＢ）間をガスシール００）シ、
かつこの第３インターコネクタ（１２Ｇ）のガス供給部
（１２ａ）に空気供給路（１３ｂｌ）が開口するように
する。そして更に第３インターコネクタ（１２Ｃ）上に
セパレータ（２）を重ね合わせたのち、以下同一要領に
より第２インターコネクタ（１２Ｂ）のガス供給部（１
２ａ）に燃料供給路（１３ａｌ）が開口し、第１インタ
ーコネクタ（１２Ａ）のガス供給部（１２ａ）に空気供
給路（１３ｂｌ）が開口するように、第２インターコネ
クタ（１２Ｂ）、第１単電池（ＩＡ）第１インターコネ
クタ（１２Ａ）　、上蓋（４）の順序でガスシール００
）シながら重ね合わせて第８図のように構成する。

そして下蓋（５）外に露呈したパイプ面の燃料供給流路
（１３ａ）に燃料例えば所要温度に加熱された水素Ｈ２
を供給して、その燃料供給路（１３ａｌ）により、第４
インターコネクタ（１２０）によって下蓋（５）と第２
単電池（ＩＢ）間に形成されるジグザグ状拡散通路（１
２ｂ）　と、第２インターコネクタ（１２Ｂ）によって
セパレータ（２）と第１単電池（１八）間に形成される
ジグザグ状拡散通路（１２ｂ）に送りこむ。また一方上
蓋〔４）外に突出したパイプ０３）の酸化剤供給通路（
１３ｂ）に酸化剤例えば所要温度に加熱された空気Ａｉ
ｒを供給し、その供給路（１３ａｌ）により第３インタ
ーコネクタ（１２Ｃ）によって第２単電池とセパレータ
（２）間に形成されるジグザグ状拡散通路（１２ｂ）と
、第１インターコネクタによって第１単電池（ＩＡ）と
上蓋間に形成されるジグザグ状拡散通路（１２ｂ）に送
りこんで発電する。

なお以上においてはインクコネクタのガス拡散通路（１
２ｂ）をジグザグ状とした例について説明したが渦巻状
でもよく、また単電池の機械的強度の補強力を有し、し
かも電池全面へのガスの拡散と電池の広い面積に亘る集
電がよく行われるものであれば、他の通路形状或いは材
質を用いて形成できる。例えばインターコネクタに気孔
率の高い（６０％好ましくは８０％以上）発泡体ないし
はフェルト体を用いることにより、セパレータと！極の
間の通電経路を増加させて内部抵抗を減少させ、しかも
多孔質体がガスを分散させる作用をなすのでガス分散効
率を向上させうる。

しかしこのままではガス供給部より短絡的にガス排出口
に向かってガスが流れるので、電極全面にガスが均等に
行きわたらないおそれがある。そのためには例えば多孔
質円盤体と、ガス流の邪魔板となる前記したジグザグ状
、渦巻状その他の形状のガス拡散通路と併用するのが望
ましい。第９図はその一例であって図中０４）は多孔質
円盤体、０５）は邪魔板である。

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

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

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図は従来装置の説明図、第３図は燃料電池
の発電原理図、第４図は円筒型燃料電池の説明図、第５
図、第６図、第７図、第８図は本発明の一実施例の説明
図、第９図はインターコネクタの他の例の説明図である
。 （ＩＡ）　（ＩＢ）・・・単電池、（１ａ）・・・固体
電解質、（１ｂ）・・・正電極、（ＩＣ）・・・負電極
、（１ｄ）・・・パイプ貫通孔、（２）・・・セパレー
タ、（３Ａ）　（３Ｂ）　（３Ｇ）　（３Ｄ）・・・第
１、第２．第３．第４インターコネクタ、（４）・・・
上蓋、（４ａ）・・・パイプ貫通孔、（５）・・・下蓋
、（５ａ）・・・パイプ貫通孔、（６）・・・燃料供給
パイプ、（６ａ）・・・供給口、（７）・・・燃料排出
パイプ、（７ａ）・・・排出口、（８）・・・酸化剤供
給パイプ、（８ａ）・・・供給口、（９）・・・酸化剤
排出パイプ、（９ａ）・・・排出口、ＧＯ）・・・ガス
シール材、（ｌｌａ）・・・支持チューブ、（Ｉｌｂ）
　・・・負電極、（ｌｌｃ）−＝電解質、（ｌｉｄ）　
−・・正電極、（１１ｅ）・・・インターコネクタ、（
１２Ａ）　（１２Ｂ）（１２Ｃ）　（１２０）　（＋２
）・・・第１．第２．第３．第４インターコネクタ、（
１２ａ）・・・ガス供給部、（１２ｂ）・・・ジグザグ
状拡散通路、面・・・燃料及び酸化剤供給パイプ、（１
３ａ）・・・燃料供給流路、（１３ａｌ）・・・供給路
、（１３ｂ）・・・酸化剤供給流路、　（１３ｂｌ）・
・・供給路、０４）・・・多孔質円盤体、０５）・・・
邪魔板。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）円盤状固体電解質の片面に正電極物質を配置し、
   他面に負電極物質を配置した単電池を、中心に設けたガ
   ス供給部と、これと連通し外周部において開口する拡散
   通路を備えた燃料ガス及び酸化剤ガス拡散通路を有する
   インターコネクタにより挟んで円盤状セパレータを介し
   て上蓋と下蓋間に積層すると共に、この積層体の中心部
   には前記正電極側のインターコネクタのガス供給部にそ
   れぞれ連通する燃料ガス供給路と、負電極側のインター
   コネクタのガス供給部にそれぞれ連通する酸化剤ガス供
   給路とを設けて、燃料ガス及び酸化剤ガスを中心の濃度
   が高く外周に至るに従い濃度が低くなるように正電極側
   及び負電極側インターコネクタのガス拡散通路に流すよ
   うにしたことを特徴とする円盤積層固体電解質型燃料電
   池。
2. （２）インターコネクタを多孔質体円盤とガス拡散用邪
   魔板とにより形成したことを特徴とする特許請求の範囲
   第１項記載の円盤積層固体電界質型燃料電池。