JPH03238761A - 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関するものである。

（従来の技術） 最近、燃料電池が発電装置として注目されている。これ
は、燃料が有する化学エネルギーを直接電気エネルギー
に変換できる装置で、カルノーサイクルの制約を受けな
いため、本質的に高いエネルギー変換効率を有し、燃料
の多様化が可能で（ナフサ、天然ガス、メタノール、石
炭改質ガス、重油等）、低公害で、しかも発電効率が設
備規模によって影響されず、極めて有望な技術である。

特に、固体電解質型燃料電池（以下、５ＯＦＧと記す）
は１０００℃の高温で作動するため電極反応が極めて活
発で、高価な白金などの貴金属触媒を全（必要とせず、
分極が小さく、出力電圧も比較的高いため、エネルギー
変換効率が他の燃料電池にくらべ著しく高い。更に、構
造材は全て固体から構成されているため、安定且つ長寿
命である。

５ＯＦＣ単電池の構成要素は、−船釣に空気電極、固体
電解質、燃料電極から構成される。

平板型５ＯＦＣ単電池は単位体積当りの電池有効面積が
大きく、有望である。こうした平板型５ＯＦＣ単電池を
多数平行に配列し、各単電池同士をリジッドにシールし
て発電室を形成し、発電室の一方の側から酸化ガスおよ
び燃料ガスを送り込み、他方の側から燃焼排ガスを排出
するものが知られている。

（発明が解決しようとする課題） しかし、各単電池同士をリジッドに固定しシールしたも
のは、気密な発電室を形成するために単電池同士を互い
に密封拘束した状態にあるため、作動法の高温により単
電池の縁辺部には大きな熱歪応力が発生する。また、酸
化ガス及び燃料ガスの供給入口付近では電極反応が活発
であるのに対し、排出部付近では電極反応が不活発で温
度が低く、発電室には大きな温度勾配が発生しこれによ
って大きな熱歪応力が発生する。これらの熱歪応力は脆
弱な燃料電池素子に亀裂を発生させ易く、このため発電
効率が低下し、電池集合体の破壊が進む。

本発明の課題は、燃料電池素子に発生する熱歪応力を緩
和して燃料電池素子に亀裂が発生することを防止するこ
と、および各単電池のガス供給側から発電室側の端部に
至る各部位での温度勾配を小さくして各部位での発電を
均一にすること、および各単電池素子を高強度でかつガ
スに安定な構造とすること、により信輔性の高いかつ耐
久性の優れた固体電解質型燃料電池を提供することであ
る。

（課題を解決するための手段） 本発明は、複数列のガス輸送路を有する多孔質セラミッ
クス製の板状電極体と： この板状電極体の少なくとも一方の主面に形成された緻
密質インターコネクターと； 前記板状電極体の少な（とも他方の主面に形成された緻
密質固体電解質膜と； この緻密質固体電解質膜上に形成され、前記板状電極体
と反対の極性を有する電極膜と；前記ガス輸送路内へと
酸化ガス又は燃料ガスを供給するガス供給部と； 燃料電池単電池を前記ガス供給部側の端部で保持する緻
密質隔壁と： この緻密質隔壁を挟んで前記ガス供給部に隣接して設け
られた排ガス燃焼室と； この排ガス燃焼室と発電室とを区分する隔壁とを有する
固体電解質型燃料電池であって、前記ガス供給部から前
記ガス輸送路内へと供給された酸化ガス又は燃料ガスが
前記燃料電池単電池の前記発電室側の端部で方向転換し
て前記ガス供給部の側へ向って輸送され、ガス排出口か
ら前記排ガス燃焼室へと向って排出されるように構成さ
れた固体電解質型燃料電池に係るものである。

（実施例） 第１図は５ＯＦＣ単電池１１の一例を示す断面図、第２
図は第１図のＡ−Ａ線断面図、第３図は第１図のＢ−Ｂ
線断面図、第４図は５ＯＦＣ１単電池を集積した５ＯＦ
Ｃ装置を示す断面図である。

この５ｏｐｃ単電池１１においては、第２図及び第３図
の如く細長い平板状の空気電極体３を支持体とし、空気
電極体３の図面において下側の面には緻密質インターコ
ネクター１２を膜状に形成し、上側の面と側面とには緻
密質固体電解質膜９を形成し、緻密質膜によって空気電
極体３の周囲を覆う。

インターコネクター１２は空気電極体３の下側に緻密質
隔壁まで形成させる。また緻密質固体電解質９も同じく
空気電極体３の上側の面に緻密質隔壁ｌまで形成させる
。空気電極体が排ガス燃焼室７内のＣＯガス、水蒸気等
の環元ガスに弱いためである。固体電解質膜９の上面と
側面とに亘って、インターコネクター１２に接触しない
ように、燃料電極膜１０を設ける。

この５ＯＦＣ単電池の端部を緻密質隔壁ｌで保持し、緻
密質隔壁１の第１図、第２図において左側に空気等の含
酸素ガス供給部３０を設け、緻密質隔壁ｌの右側に排ガ
ス燃焼室７を設ける。また、好ましくは多孔質隔壁２を
設けて排ガス燃焼室７と発電室８とを区分すると共に、
５ＯＦＣ単電池１１を隔壁２によってソフトに支持する
。

平板状空気電極体３は、ドーピングされたか、又はドー
ピングされていないＬａＭｎＯ３，ＣａＭｎ０ｚ＋Ｌａ
ＮｉＯ３，ＬａＣｏＯ３，ＬａＣｒ０ｚ等で製造でき、
ストロンチウムを添加したＬａＭｎＯ３が好ましい。緻
密質固体電解質膜９は、一般にはイツトリア安定化ジル
コニア等で製造できる。燃料電極膜ｌＯは、一般にはニ
ッケルージルコニアサーメット又はコバルトジルコニア
サーメットが好ましい。

平板状空気電極体３の内側には複数列の酸化ガス輸送路
４Ａ、　４Ｂが設けられ、酸化ガス供給部３０に面して
酸化ガス供給口１６と閉塞部５とが交互に設けられてい
る。５ＯＦＣの動作時には、酸化ガスが矢印Ｅのように
酸化ガス導入孔１６から酸化ガス輸送路４Ａ内へと送ら
れ、５ｏｐｃ単電池の発電室側の端部へと達し、ここで
反対方向へと方向転換して酸化ガス輸送路４Ｂ内を再び
酸化ガス供給部３０方向へと向って流れる。酸化ガス輸
送路４Ｂの酸化ガス供給部３０例の端部には上記のよう
に閉塞部５が設けられており、かつ排ガス燃焼室７へと
面して酸化ガス排出口６が設けられている。従って、酸
化ガスは、酸化ガス輸送路４Ａ、　４Ｂを往復する間に
空気電極体３及び固体電解質膜９を経て燃料電極膜１０
に酸素イオンを供給して燃料電極膜１０上で燃料と反応
して発電に寄与し、酸素濃度の低下した排酸化ガスが排
出口６から排ガス燃焼室７へと排出される。一方、発電
室８と排ガス燃焼室７との間では僅かの差圧で排ガス燃
焼室７へと燃料ガスの流れが生ずるように設計されてお
り、排ガス燃焼室７から発電室８への逆流を防ぐ。燃料
ガスは矢印Ｆのように発電室８内を流れて発電に利用さ
れ、反応によって生成した水蒸気、炭酸ガス及び未反応
の燃料ガスの混合気体が隔壁２と５ＯＦＣ単電池との隙
間を通って排ガス燃焼室７へと流入し、ここで排酸化ガ
スと接触して燃焼し、酸化ガス輸送路４Ａ内を通過中の
新鮮な酸化ガスを予熱する。

空気電極体３と固体電解質膜９との界面で酸化ガスが酸
素イオンを生じ、これらの酸素イオンは固体電解質膜９
を通って燃料電極膜ｌＯへと移動し、燃料ガスと反応す
ると共に電子を燃料電極膜１０へと放出する。そして、
正極である空気電極と接続したインターコネクター１２
と負極である燃料電極膜ｌＯの間に負荷を接続して電力
を取り出す。

第４図に示すようにスタックを形成する場合には、緻密
質インターコネクター１２に多数の脚部１２ａを設け、
これらの脚部１２ａを下側の５ＯＦＣ単電池１１の燃料
電極膜ｌＯへとニッケルフェル１−１４を介して接触さ
せ、５ＯＦＧ単電池の直列接続を行う。また、第４図に
おいて横方向に隣接した５ＯＦＣ単電池の燃料電極１０
同士をニッケルフェルト１３を介して接触させ、隣接す
る５ＯＦＣ単電池の並列接続を行う。なお、第４図の例
では便宜上縦二列、横二列のみを示したが、５ＯＦＧ単
電池の個数は自由に変更できる。

本実施例の固体電解質型燃料電池によれば以下の効果を
奏しうる。

（１）脆弱なセラミックス製５ＯＦＣ単電池を保持する
のに際し、基部の一端のみを固定保持することで５ＯＦ
Ｃ単電池を支持し、かつ隔壁２でソフトに支持している
。

従って、従来の５ＯＦＧ単電池のように単電池の四周を
リジッドに固定する方法とは異なり、構造上から５ＯＦ
Ｃ単電池素子に過大な歪応力が発生しない。

（２）酸化ガスは排ガス燃料室７よりも加圧状態で供給
することにより排ガス排出口６から連続的に排出され、
また燃料ガスも隔壁２と５ｏｐｃ単電池との隙間を通し
て排ガス燃焼室７内へと排出される構造のため、５ｏｐ
ｃ単電池四周をシールし、固定する必要がない、このた
めに５ｏｐｃ単電池には固定、シールに起因する歪応力
の発生が少なく、構造体としての信頼性が向上する。

（３）排ガス燃焼室７を酸化ガス供給部３０と隣接して
設けているので、例えば酸化ガス供給部３０から漏洩し
てくる酸化ガスは新鮮な燃料ガスとは直接接触せず、す
でに発電室８を通過して燃料残存率が小さくなり、水蒸
気の多い廃燃料ガスと接触する。従って、５ＯＦＧ単電
池の端部での局部的な急激な発熱を防ぐことができ、熱
歪発生による５ＯＦＣ単電池の亀裂の発生が防止できる
。

また過剰な局部発電を防止しているため、５ＯＦＣ単電
池の局部的劣化が防止でき、５ＯＦＣ単電池の耐久性が
向上する。

更にまた、５ＯＦＧ単電池の端部を隔壁で保持する際に
、通気性のあるセラミックファイバーフェト等をクッシ
ゴン材として使用することができる。

（４）従来、燃料ガス導入部付近では、まだ燃料の含有
量が多いため、電気化学的反応が活発であり、温度が上
昇し、この温度上昇によってますます反応が活発となる
。一方、他端では、燃料ガスの濃度がかなり減少してい
るため、反応が不活発で温度が低く、この温度の低さか
らますます反応が不活発となる。しかも、反応した燃料
ガス中にはかなりＣＯ２・水蒸気等が含まれており、こ
れが電極面に付着して反応を阻害するため、ますます温
度が低下する。この傾向は、平板状５ＯＦＣ単電池の寸
法が大きくなるにつれて一層強くあられれる これに対し、本実施例では、酸化ガス供給口１６と閉塞
部５とを交互に設け、−旦酸化ガス供給口１６より供給
された酸化ガスを５ｏｐｃ単電池１１の長手方向で往復
させているので、電気化学反応の活発な部分が一部のみ
に集中せず、比較的に単電池全体に亘って分散する。従
って、単電池の全体の温度勾配を小さくでき、単電池及
び単電池並列接続スタッフ全体に亘って熱歪応力の低減
、発電の均一化と発電効果の向上を達成できる。

（５）各酸化ガス輸送路４Ｂにおいて、隣接する排酸化
ガス排出口６を互いに５ＯＦＣ単電池１１の横手方向の
同一平面上に設けず、５ＯＦＣ単電池１１の横手方向平
面に対して斜めに互い違いに設けである。

従って、構造強度を低下させる排出口６が横手方向に同
一平面上に整列しないので、構造力学上有利であり、５
ＯＦＣ単電池１１の曲げ応力に対する強度低下を防止で
きる。

（６）　　燃料電極膜１０を５ＯＦＣ単電池１１の主面
側だけでなく、インターコネクター１２と接触しない範
囲内で側面の方にも拡げて設けであるので、更に電極面
積を大きくできる。

（？）発電室８および排ガス燃焼室７内において、空気
電極体３の外周面を、緻密質インターコネクター１２と
緻密質固体電解質９とによって覆っているので、燃焼に
よって生成した還元ガス及び水蒸気が空気電極体３に接
触してこれを劣化させるのを効果的に防止できる。

（８）単電池をボックス型のマルチーチ十ンネル構造と
しているため、単電池自体の構造強度を向上させうる。

第５図は他の実施例による５ＯＦＣ単電池２１を示す断
面図、第６図は第５図のＣ−Ｃ線断面図、第７図は第５
図のＤ−Ｄ線断面図である。但し、第７図では隔壁１．
２、ニッケルフェルト２４は図示省略しである。

本実施例による５ＯＦＣ単電池２１の全体の構成は第１
図の５ＯＦＣ単電池Ｉ！とほぼ同様であり、同一部分に
ついては説明を省略する。

５ＯＦＣ単電池２１においては、燃料電極膜２０を単電
池の主面（図面において上側面）のみに設け、単電池の
側面へは延長していない。そして、単電池間の電気的接
続に際しては、インターコネクター２２の下面と燃料電
極膜２０の上面とに二・ンケルフエルト２４を当接させ
、第４図に示したものと同様に複数の５ＯＦＣ単電池２
１を縦方向に配列してスタックを形成し、各５ＯＦＣ単
電池２１の直列接続を行う。そして、複数のスタックで
構成されたバンドと全体の電位の分布を均一化する目的
で、横方向に隣接する５ｏｐｃ単電池の燃料電極膜同士
をニッケルフェルト１３で接続せず、一体物のニッケル
フェルト２４で接続し、各スタックの間を並列接続する
ことが望ましいが、同じく横方向に隣接する５ＯＦＧ単
電池の燃料電極膜２０同士を直接ニッケルフェルト１３
で接碑することは行わず、例えば、５ＯＦＣ単電池２１
を直列接続したスタックを複数個構成し、各スタッりの
上端の燃料電極膜２０を共通の金属電極で接続して集電
し、各スタックの下端のインターコネクター２２も共通
の金属電極で接続して集電してもよい。

このように、５ＯＦＣ単電池２１の側面に燃料電極膜２
０が設けられていないことから、この側面には絶縁性の
固体電解質膜１９のみが露出することとなり、従って例
えば燃料電極膜２０とインターコネクター２２とが電気
的に短絡する危険がなく、実用性が一層高い。

また、本実施例では、第５図に示すように、縦方向に８
列の酸化ガス輸送路４Ａ、　４Ｂを設け、このうち図面
において上部二列と下部二列のガス輸送路４Ｂにおいて
は閉塞部５を設け、中央部の四列においては酸化ガス供
給口１６を設けた。従って、酸化ガスは５ＯＦＣ単電池
２１の中央部へとまず供給され、５ＯＦＣ単電池２１の
図面において左端へと至り、上方向及び下方向へと分れ
て方向転換し、ガス輸送路４Ｂへと入る。

上述の実施例は、例えば次のように種々変更できる。

（ａ）第２図〜第４図に示したように、５ＯＰＣ単電池
の側面へと燃料電極膜１０を延設するに代り、インター
コネクター１２を５ＯＦＣ単電池の側面へと、燃料電極
膜１０と接触しない範囲内で延設してもよい。このとき
、燃料電極膜１０はインターコネクター１２との短絡を
避けるために必要に応じて後退させてよい。また、緻密
質インターコネクター１２を緻密質固体電解質膜９上に
設けてよく、又は固体電解質膜９を後退させて両者が重
ならないようにしてもよいが、緻密質固体電解質膜９と
緻密質インターコネクター１２との間から空気電極体３
の表面が露出しないようにすることが好ましい。

（ｂ）酸化ガス輸送路の数、断面形状等は種々変更して
よいが、第１図に示すように、酸化ガス輸送路４＾、　
４Ｂは熱勾配の観点から交互に設けるのが好ましい。

閉塞部５の形成に際しては、例えば有機物で型を作って
閉塞部５の形に空気電極材料を流し込み焼成して有機物
を消失させる方法、閉塞部５を個別に成形、焼成して酸
化ガス供給口へと接着、固着、貼着、嵌合する方法など
、種々の方法を採用できる。

（ｃ）上述の例では空気電極体に酸化ガス輸送路を設け
、この上に固体電解質膜、燃料電極膜を順次形成したが
、逆に、平板状燃料電極体に燃料ガス輸送路を設け、こ
の上に固体電解質膜、空気電極膜を順次形成し、発電室
内に酸化ガスを流入させることもできる。

（ｄ）　５ＯＦＣ単電池を隔壁で保持する際にセラミッ
クファイバフェルト等の通気性のあるクツション材を用
いることもできる。５ＯＦＣ単電池と柔軟に接触する支
持用又はフロー用バッフルを更に組み込んでもよい。

（ｅ）　　隔壁２を通気性の多孔体とすることにより発
電室側の気体を排ガス燃焼室側に流入させることもでき
る。

（ｆ）　　多孔質平板状導電性電極支持体の上に多孔質
空気電極膜を形成し、更にその上に固体電解質を形成さ
せ本発明と同一の構造としてもよい。

第１図では各単電池１１を水平に支持したが、この発電
装置全体を垂直にしてもよく、また所定角度傾けてもよ
い。

平板状５ＯＦＣ単電池の平面形状も正方形、長方形に限
らず、三角形、六角形、円形等であってもよい。

又、板状５ｏｐｃ単電池の板状形態としては、平面以外
に波形、円錐、角錐、球面状等で勿論良い。

（発明の効果） 本発明に係る固体電解質型燃料電池によれば、燃料電池
単電池をガス供給部側の端部で緻密質隔壁によって保持
しているので、単電池の四周をリジッドに固定する方法
とは異なり、構造上から単電池に過大な歪応力が発生し
ない。

また、ガス供給部と隣接して排ガス燃焼室を設け、排ガ
ス燃焼室と発電室とを隔壁によって区分し、ガスを発電
室から排ガス燃焼室へと送る。−方、酸化ガス又は燃料
ガスを板状電極体内部のガス輸送路を介してガス排出口
より排ガス燃焼室へと排出させている。

従って、酸化ガスの流路と燃料ガスの流路とは、単電池
の構造上区分され、排ガス燃焼室へと至るまでは混合し
ないので、従来のように単電池の四周をシールするため
に固定する必要がない。従って、かかる固定、シールに
起因する歪応力の発生がなく、構造体として信顛性が高
い。また、５ＯＦＣ単電池全体に亘って発電の均一化と
発電効率の向上を達成できる。

更に、排ガス燃焼室をガス供給部と隣接して設けている
ので、ガス供給部から排ガス燃焼室へと漏洩してくるガ
スは、既に発電室を通過して充分に燃料ガス濃度の減少
したガスと接触する。従って、５ＯＦＣ素子の局部的な
過剰な発電が防止でき耐久性が向上する。

更に５ＯＦＣ単電池をボックス型のマルチ−チャンネル
構造としているため単電池自体の構造強度を向上させう
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は５ＯＦＣ単電池の断面図、 第２図は第１図のＡ−Ａ線断面図、 第３図は第１図のＢ−Ｂ線断面図、 第４図は５ＯＦＣ単電池を直列、並列に接続した状態を
示す断面図、 第５図は他の５ＯＦＣ単電池の断面図、第６図は第５図
のＣ−Ｃ線断面図、 第７図は第５図のＤ−Ｄ線断面図である。 ■・・・緻密質隔壁　　　　　２・・・（多孔質）隔壁
３・・・平板状空気電極体 ４Ａ・・・酸化ガス輸送路（往路） ４Ｂ・・・酸化ガス輸送路（復路） ５・・・閉塞部　　　　　　　６・・・排酸化ガス排出
ロア・・・排ガス燃焼室　　　　８・・・発電室９．１
９・・・固体電解質膜　　１０．２０・・・燃料電極膜
１１、２１・・・５ＯＦＣ単電池 １２・・・緻密質インターコネクター １３、１４．２４・・・ニッケルフェルトＥ・・・酸化
ガスの流れ Ｆ・・・燃料ガスの流れ 第５図 第６図 第７図 Ｄ−Ｄ断面図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、複数列のガス輸送路を有する多孔質セラミックス製
   の板状電極体と； この板状電極体の少なくとも一方の主面に形成された緻
   密質インターコネクターと； 前記板状電極体の少なくとも他方の主面に形成された緻
   密質固体電解質膜と； この緻密質固体電解質膜上に形成され、前記板状電極体
   と反対の極性を有する電極膜と；前記ガス輸送路内へと
   酸化ガス又は燃料ガスを供給するガス供給部と； 燃料電池単電池を前記ガス供給部側の端部で保持する緻
   密質隔壁と； この緻密質隔壁を挟んで前記ガス供給部に隣接して設け
   られた排ガス燃焼室と； この排ガス燃焼室と発電室とを区分する隔壁と を有する固体電解質燃料電池であって、 前記ガス供給部から前記ガス輸送路内へと供給された酸
   化ガス又は燃料ガスが前記燃料電池単電池の前記発電室
   側の端部で方向転換して前記ガス供給部の側へ向って輸
   送され、ガス排出口から前記排ガス燃焼室へと向って排
   出されるように構成された固体電解質型燃料電池。