JPH0294367A - 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〕 本発明は燃料ガスの入口及び出口、酸化剤ガスの入口及
び出口をそれぞれ同じ面に配置し、装置構成をコンパク
ト化した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筒素化でき、８５０°
Ｃ〜１０００℃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４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、３１．３２は外部端
子、３３．３４は外部端子ガス通路、３５．３６は３層
構造板、３７はインターコネクタ、３日、３９はガス通
路である。

図において、３層構造板３５．３６は、例えばジルコニ
ア（ＺｒＯ□）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３１．３２
とインターコネクタ３７がこれをサンドイッチする形で
積層されておリ、外部端子３１．３層構造板３５、イン
ターコネクタ３７で単位セルを構成し、同様にインター
コネクタ３７．３層構造板３６、外部端子３４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段直列構成
とすることができる。

このような構成において、ガス通路３３．３９に酸素ま
たは空気を、ガス通路３４．３８に、例えば水素を流し
、外部端子３１．３２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３５．３６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３１から外部端子３２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ｍ　：　１／２０ｇ　＋　２　ｅ−−＋Ｏ”−燃料
極：　Ｈ，＋Ｏ”−→Ｈ，Ｏ＋２　ｅ全体的な電極反応
は、 １／２　０ｘ　　＋　Ｈｚ　→Ｈ１Ｏ 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＋Ｏ”−→ＣＣｈ　＋２　ｅ−となり、
全体的な電極反応は、 ＣＯ＋１／２０□　→ＣＯ□ となる。

第５図はかかる固体電解質燃料電池へのマニホールドの
取り付は例を示す図で、第４図と同一番号は同一内容を
示している。なお、４１は集積型電池本体、４２はマニ
ホールド、４３は水素入口、４４は未反応水素出口、４
５は酸素入口、４６は未反応酸素出口、４７．４８は出
力取り出し用リード線である。

前述したように組み立てた電池に燃料ガス、及び酸化剤
ガスを供給するために、図示するようにマニホールド４
２を取り付ける。即ち、組み立てた集積型電池本体４１
を円筒状マニホールド４２の管内に挿入し、ガス通路の
出口が管壁に面するように配置する。電池本体４１とマ
ニホールド４２の４ケ所の接触箇所をガス封止すれば、
マニホールド４２の円筒壁と電池本体４１で形成された
４つのガス通路が形成され、入口４３から水素を供給し
て反対側の面の出口４４より未反応水素を流出させ、ま
た人口４５より酸素を供給してその反対側の出口４６よ
り未反応酸素を流出させる。

こうして燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させ、出力をリ
ード線４７．４８により外部回路へ取り出すことができ
る。

〔発明が解決すべき！！ｖ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Ｚｒ０ｇはセラミックであるので、それらの
熱膨張係数間には、約１０ＸＩＯ−’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、３Ｎ
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。

また、このような平板型固体電解質燃料電池の燃料ガス
、及び酸化剤ガスの各入口と出口とはそれぞれ反対側の
面に配置されることとなり、そのため装置構成が複雑化
してしまうという問題があった。

本発明は上記問題点を解決するためのもので、固体電解
質板とスペーサとの熱膨張率差を無くしてクロスリーク
を防止すると共に、装置構成をコンパクト化することが
可能な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図は本発明の固体電解質燃料電池の構成を示す図で
あり、３段積層した集合様式の例を展開して示したもの
である。図中、１１は固体電解質板、１２はカソード、
１３はアノード、１４はスペーサ、１５は仕切り板であ
る。

図において、固体電解質板、スペーサで単位セルを形成
しており、各セルにおいて、平板状固体電解質板１１は
両面にそれぞれカソード１２、アノード１３が形成され
ている。固体電解質板１１は酸素伝導性のある固体電解
質で作った板状物からなり、厚さは０．０５−０．３１
程度、より好ましくは０．０８−０．２５ｍｍ程度が適
当である。

０．０５ｍｍよりも薄いと強度の問題があり、０゜３ａ
ｉを越えると電流路が長くなり好ましくない。

カソード１２は酸素通路側なので、高温下で酸素に対し
て耐蝕性のある伝導材料を用い、ガス透過性となる程度
に多孔状に形成し、例えば、ＬａｗＳｒ１４ＭｎＯｘ等
の伝導性複合酸化物粉末を塗布する。塗布の手法として
は、刷毛塗り法、スクリーン印刷等がある。その他多孔
状膜の作成方法としてはＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法、
スパッター法、溶射法等が可能である。アノード１３は
水素通路側で、高温下で水素に対して耐蝕性のある導電
性材料、例えば、Ｎ　ｉ　／　Ｚ　ｒ　Ｏｚサーメット
等をガス透過性となる程度に多孔状に形成する。

また、カソード、アノードは多孔性の板状化が可能であ
れば、それに固体電解質を付着させて使用することも可
能である。

各セルの両面にカソード１２とアノード１３が形成され
た固体電解質板１１はスペーサ１４、及び仕切り板１５
を介して集積する。そして第１図に示すように、スペー
サ１４、及び仕切り＋ｆｆ１５は酸素側並びに水素側の
ガスの流路を形成している。

スペーサ１４および仕切り板１５はアルミナ、部分安定
化ジルコニア、安定化ジルコニア等のセラミックス材料
で形成し、これにより、電池の作動温度での固体電解質
板１１とスペーサ１４、および仕切り板１５との熱膨張
率の差は極めて小さいかゼロとなり、固体電解質板１１
とスペーサ１４および仕切り仮１５間のガスの封止が容
易となる。

なお、上記説明では３段積層の例について説明したが、
本発明は任意段数積層してもよいことは言うまでもない
。

第２図は第１図で示した単位セルの電気的接続方法を示
す図で、図中、１６は集電極、１７は集電掻棒である。

第２図に示すように、各単位セルは金属、合金等のメツ
シュを電極に埋め込んだもの、波板、多孔体等からなる
集電極１６と集電掻棒１７により並列に接続される。集
電極１６並びに集電掻棒１７の材質は高温において耐酸
化還元性の電気電導性が良い材料、例えばＳｉＣ，、Ｍ
ｏＳｉ、、Ｃｒ５１２等のセラミックスまたはニクロム
やクロムを含むニッケル基合金或いはコバルトやコバル
ト基台金等の金属を用いる。

スペーサ１４および仕切り仮１５は固体電解質板の両面
においてガス通路を形成し、ガスは仕切り板１５の片面
から供給され、スペーサ１４に沿って折り返し、仕切り
板１５の反対側から排出される。このようにすれば、セ
ルを集積後、燃料ガスの入口および出口、酸化剤ガスの
入口および出口をそれぞれ同じ側に配置することができ
、集積セルとしてのガス供給・排出系の構成が容易とな
る。また、燃料ガスの供給・排出用、酸化剤ガスの供給
・排出用のマニホールドをそれぞれ分離することが可能
となり、シールを必要とする部分が凍り、ガスクロスリ
ークの可能性を少なくすることができる。

次に、固体電解質板１１、スペーサ１４および仕切り仮
１５、集電極１６、集電掻棒１７を集積して組み立てる
時には、固体電解質板１１、正確には電極１２．１３と
スペーサ１４の間でガスリークしないように封止する必
要がある。これは、例えば軟化点が約８００°Ｃのガラ
スペーストで封止すればよい。このガラスペーストは電
池の作動。

温度９００−１０００°Ｃで十分に軟化してガスを封止
する。他の方法としては、結晶化ガラスを用いる方法も
ある。

第３図は本発明の固体電解質燃料電池へのマニホールド
の取り付は例を示す図で、図中、２１は集積型電池本体
、２２．２３はマニホールド、２４は水素入口、２５は
未反応水素出口、２６は酸素入口、２７は未反応酸素出
口である。

前述したように組み立てた電池に燃料ガス、及び酸化剤
ガスを供給するために、燃料ガスの入口・出口２４．２
５、酸化剤ガスの入口・出口２６．２７の面にそれぞれ
マニホールド２２．２３を取り付ける。即ち、上記のよ
うに組み立てた集積型電池本体２１を矩形マニホールド
２２．２３で挟み、燃料ガスの入口・出口、酸化剤ガス
の入口・出口が壁に面するように配置し、電池本体２１
とマニホールド２２．２３の接触箇所をガス封止すれば
、ガス通路のそれぞれの両端がそれぞれマニホールド２
２．２３の壁と電池本体２１で形成された４つのガス通
路２４〜２７と対応する。そして、入口２４から水素を
供給して同じ面の出口２５より未反応水素を流出させ、
また人口２６より酸素を供給して同じ面の出口２７より
未反応酸素を流出させ、燃料ガスと酸化剤ガスとを反応
させて出力を外部回路へ取り出すことができる。

スペーサー１４にて形成されるスペースは、セルの集積
度を上げるためには、なるべく狭い方がよい０例えば３
閣以下とするのが好ましい。

〔作用〕

本発明の固体電解質燃料電池は、スペーサに仕切り板を
配置し、それぞれセラミック材ｔ４製としてガス通路を
形成し、仕切り板の一方の側からガスを供給すると共に
、スペーサで折り返えさせて仕切り板の他方の側からガ
スを排出し、固体電解質板とスペーサ、仕切り仮の熱膨
張率の差を無くし、またスペーサの同一面側にガスの入
口・出口を配置するようにしたものである。

〔実施例Ｊ 第１図の集合様式に従い、３段直列の固体電解質型燃料
電池を製作した。固体電解質板１１、スペーサ１４並び
に仕切り板１５にはイツトリアを３モル％添加したジル
コニアである部分安定化ジルコニアを用いた。固体電解
質板は寸法５０×５ｏｘｏ、２ｍの板状物を用いた。そ
して、酸素通路側にＬａｏ、ｑ　Ｓ　ｒｏ、＋　ＭｎＯ
３粉末（平均粒径的５μｍ）を刷毛塗り法で厚さ０．Ｏ
５ｎｎｍに塗布してカソード１２とし、水素通路側にＮ
　ｉ　／　Ｚ　ｒＯ□　（９／１重量比）のサーメット
混合粉末を刷毛塗り法で厚さ０．０１−０．０５１塗布
してアノード１３とした。スペーサ１４は幅２ｍｍ、高
さ２閤、−辺の長さ５０ｔｒｍのコの字型の部材、仕切
り板１５は２Ｘ２Ｘ２６ｍｍの四角柱を用いた。

集電極１６としてニクロム多孔体、集電種棒１７として
ニクロムを用い、これらの間はニクロム線を溶接して接
続した。

この固体電解質板１１とスペーサ１４、仕切り板１５、
集電極１６、集電種棒１７を第１図に示すように集積し
、固体電解質Ｆｉ１１とスペーサ１４間に軟化点が約８
００　’Ｃのガラスペーストを塗布してガス封止用とし
た。前記のように、このガラスペーストは電池の作動温
度で軟化してガスを封止する。

こうして集積した電池を第３図に示した矩形のアルミナ
製マニホールド２２．２３に取り付けた。

マニホールド２２．２３と電池本体２１との接触部分は
セラミックペーストを塗布乾燥して接合して後、さらに
ガラスペーストを塗布してガス封止した。集積棒１７に
はニクロムリード線を溶接し、電気的に接続を行った。

このようにして作製した燃料電池を加熱した。

加熱に際しては、室温から１５０″Ｃまでは１°Ｃ／ｍ
ｉｎで加熱し、ガラスペーストの溶媒を蒸発させた。１
５０°ｃ−ｓｏｏ’ｃまでは５”Ｃ／ｍｉｎで昇温した
。３００°Ｃ以上では水素通路側には、アノードの酸化
を防止するため、窒素ガスを流し、５’Ｃ／ｆｆ１ｌｎ
でｌ　ＯＯＯ’Ｃまで昇温した。その後、１０００°Ｃ
に保持してアノード側に水素、カソード側に酸素を流し
、発電を開始した。解放電圧は１゜２ｖであった。放電
特性を下記の表に示す。ガスクロスリークは水素の１．
０％以下であった。

〔発明の効果〕

以上のように本発明によれば、固体電解質板とスペーサ
、仕切り板の熱膨張率の差を無くしてガス封止を容易に
し、またスペーサの同一面側にガスの入口・出口を配置
して装置構成をコンパクト化することができる。さらに
燃料ガスの供給・排出用、酸化剤ガスの供給・排出用の
マニホールドをそれぞれ分離することが可能となり、シ
ールを必要とする部分が減り、ガスクロスリークの可能
性を少なくすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の固体電解質燃料電池の構成を示す図、
第２図は第１図の単位セルの電気的接続方法を説明する
ための図、第３図は本発明の固体電解質燃料電池へのマ
ニホールド取り付は例を示す図、第４図は従来の平板型
燃料電池の構成を示す図、第５図は第４図の平板型燃料
電池のマニホールド取り付は例を示す図である。 １１・・・固体電解質板、１２・・・カソード、１３・
・・アノード、１４・・−スペーサ、１５・・・仕切り
板、１６・・・集電極、１７・・・集電掻棒、２１・・
・集積型電池本体、２２．２３・・・マニホールド、２
４・・・水素人口、２５・・・未反応水素出口、 ７・・・未反応酸素出口。 ２６・・・酸素入口、 出　　　廓　　　人

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）多孔性電極を両面に形成した固体電解質板を、両
   面に集電極を形成したスペーサにより挟んで単位セルを
   形成し、該単位セルを積層配置するようにした固体電解
   質燃料電池において、スペーサに仕切り板を配置し、一
   つの面側において燃料ガスの供給、排出を行い、他の一
   つの面側において酸化剤ガスの供給、排出を行うように
   したことを特徴とする固体電解質燃料電池。
2. （２）スペーサ及び仕切り板は、セラミック材料製であ
   る請求項１記載の固体電解質燃料電池。