JPH03252059A - 平板積層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、平板積層型固体電解質燃料電池に係り、特に
体積出力密度の高い平板積層型固体電解質燃料電池に関
するものである。

〔従来の技術〕

最近、低公害のエネルギー源として注目を集めている燃
料電池の中で、特に電解質の漏洩のおそれが無く、反応
速度が大きいとして注目されているのが固体電解質型燃
料電池である。

平板状の単セルからなる平板積層型固体電解質型燃料電
池は、固体電解質と、該固体電解質の両面にそれぞれ積
層された燃料側電極膜および酸素側電極膜とからなり、
この単セルが、例えばインターコネクタを介して多数積
層されて燃料電池が構成されている。

しかしながら上記インターコネクタは、積層された各単
セルの画電極膜に燃料または空気を供給する燃料流路と
空気流路を仕切ってそれぞれ別個の流路とする、いわゆ
るガスセパレータの役割を有しており、その厚さは前記
単セルの厚さと同等かまたはそれ以上であり、平板積層
型固体電解質燃料電池の単位体積当りの出力を向上させ
る上で障害となっていた。

〔発明が解決しようとする課題〕

本発明の目的は、上記従来技術の欠点をなくし、体積出
力密度が高い平板積層型固体電解質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、平板状の固体電解質
と該固体電解質の両面にそれぞれ積層された燃料側電極
膜および酸素側電極膜からなる平板状の単セルをガス通
路用多孔体を介して、隣接する前記単セルの対向面が同
種の電極膜となるように多数積層し、前記ガス通路用多
孔体を一つ置きに燃料流路または空気流路としたことを
特徴とする。

〔作用〕

平板状の単セルをガス通路用多孔体を介し、隣接する単
セルの対向面が同種の電極膜となるように多数積層した
ことにより、前記ガス通路用多孔体を一つ置きに燃料ま
たは酸素含有ガス（以下、単に空気ということがある）
の専用流路とすることができ、インターコネクタ等のガ
スセパレータを必要としないので、積層部材数が減少し
、かつ該積層部材を薄くすることができるので、単位高
さ当りの単セル積層数が増加し、単位体積当りの発生エ
ネルギーが増大する。

本発明においてガス通路用多孔体とは、例えば矩形のガ
ス透過性の多孔部と、該多孔部の対向する２辺に形成さ
れたガスを透過させない緻密部とからなり、単セルを多
数積層する際に、単セル相互間に配置されてガス（燃料
または空気）の流路となるもので、上記ガスは緻密部に
沿って多孔部を流れる。

本発明において、ガス通路用多孔体の多孔部に例えば、
基盤目のように縦横のガス流路を設けることにより、ガ
スの流動抵抗を軽減し、さらに各電極膜へガスを用意に
供給することができるようになる。

本発明において単セルは、その隣接する対向面が同種の
電極膜となるようにガス通路用多孔体を介して積層され
るが、隣接する二つの単セルはペアとして２種の側面集
電体により、すなわち燃料側電極どうしを接続する集電
体と、酸素側電極どうしを接続する集電体とで電気的に
並列に接続される。上記並列に接続された単セルのペア
がさらに多数直列に接続されて平板積層型固体電解質燃
料電池が形成される。

〔実施例〕

第１図は、本発明の平板積層型固体電解質燃料電池を構
成する単セルの一部切欠斜視図である。

この単セルは平板状の固体電解質３と、該固体電解質膜
３の両面にそれぞれ積層されたｒＩｉ素極膜２および燃
料極膜４とからなり、前記固体電解質膜３は全ての辺に
おいて前記画電極膜の端部を囲むように、その周囲が前
記両電極面と同一レベルまで突出しており、当該単セル
の外周を形成している。またこの外周面は単セルを積層
して燃料電池を形成する際に、後述する集電用多孔板５
と接合してガスシール面となる。

第２図は、前記単セル１を積層する際に該単セル１の両
電極面に配置される集電用多孔板５の斜視図である。こ
の集電用多孔板５は電極からの電流を集める集電材であ
り、例えばＬａＣｒＯ３系ペロブスカイトの緻密な膜を
コートした金属など、熱や電気の良導体で、かつ耐熱性
の高い材料で構成される。またこの集電用多孔体５には
ガスが流通ずるガス流通孔６が設けられている（図中は
一部のみ記載）。

第３図は、単セル１を多数積層して燃料電池を構成する
際に使用されるガス通路用多孔体の斜視図である。この
ガス通路用多孔体は平板状に形成されたガス透過性の多
孔部８とガスを通過させない緻密部９とからなり、前記
多孔部８０対向する一対の２辺が緻密部９となっている
。多孔部８はガスが流通するガス流路となり、単セルｌ
の電極膜へのガスのデストリビュージョンの改善および
ガス流動抵抗を低減するために、両面に縦横のガス通路
用溝１０が設けられている。

第４図および第５図は、それぞれ第１側面集電体１１お
よび第２側面集電体１２を示す斜視図である。これらの
側面集電体は燃料電池を構成する際に、隣接して積層さ
れた二つの単セル１の同種の電極膜を連結するもので、
第１側面集電体１１は、上部に配置された単セル１の上
側の電極膜と下部に配置された単セル１の下側の電極膜
とを連結するもので、第２側面集電体１２は上部に配置
された単セルｌの下側の電極膜と下部に配置された上側
の電極膜とを連結するものである。これら側面集電体１
１および１２は前記集電用多孔板５と同様に熱や電気の
良導性および高い耐熱性が要求されるので、集電用多孔
板５と同様の材料、例えばＬａＣｒＯ３系ペロブスカイ
トの緻密な膜をコートした金属などで構成される。

第６図は、単セル１を積層した燃料電池スタックの斜視
図である。この燃料電池スタックは、単セル１をガス通
路用多孔体７を介して多数積層したものであり、各単セ
ルｌの画電極面には集電用多孔板５が配置されている。

また隣接する二つの単セルにおいて上部に配置された単
セルと下部に配置された単セルとではそれぞれ電極面が
逆、すなわち対向する面、および上部単セルの上側面と
下部単セルの下側面が同種の電極となっている。

また、前記ガス通路用多孔体７は一つ置きに燃料流路ま
たは空気流路となり、燃料流路となるガス通路用多孔体
７ａは、その緻密部９が燃料ガスの流れ方向と平行にな
るように、また空気流路となるガス通路用多孔体７ｂは
、その緻密部９が空気の流れ方向に平行になるように配
置されており、このガス通路用多孔体７の周囲はガス漏
れを防止するために所要個所がガスシール接合されてい
る。

さらに、この燃料電池スタックの側面は緻密質の第１側
面集電体１１および第２側面集電体１２が配置されてお
り、これにより隣接する二つの単セルが電気的に並列に
接続されている。また第１側面集電体と第２側面集電体
との接続、すなわち前記単セルのペアの接続は電池スタ
・ツタ外で行われ（図示省略）、各単セルペアは電気的
に直列に接続されている。

第７図は、前記燃料電池スタック１３を運転する際に用
いられる箱体（蓋は図示省略）に該燃料電池スタック１
３を収納する概念図である。

図において、箱体１４の内側は断熱材で裏張りされてお
り、四隅には収納される燃料電池スタック１３と密着し
てガスをシールするためのガスシール用部材１５が配置
されている。また箱体１４の外側面には上記燃料電池ス
タック１３に燃料を供給するための燃料供給管１６が、
また該燃料供給管１６が設けられた面と直角に接する一
方の面には空気を供給する空気供給管１７が設けられて
おり、両供給管１６および１７が設けられた面に対向す
る外側面にはそれぞれ燃料ガスまたは空気の抜き出し管
（図示省略）が設けられている。このような構成の箱体
１４に、発生した電気を取り出すための集電端子１８が
取り付けられた前記燃料電池スタック１３が、その燃料
流路が箱体１４の燃料供給管１６と連通ずるように、ま
た空気流路が箱体１４の空気供給管１７と連通ずるよう
に、収納されて平板積層型固体電解質燃料電池が構成さ
れる。

このような構成の平板積層型固体電解質燃料電池におい
て、燃料供給口１６から燃料ガスとして例えば水素Ｆが
、空気供給管１７がら空気Ａがそれぞれ供給される。水
素Ｆは燃料電池スタック１３の燃料流路であるガス通路
用多孔体７ａを流通して各単セル１の燃料極膜４に供給
され、余剰の水ｉＦは燃料電池スタック１３から流出し
、箱体１４の燃料抜き出し管を経て電池外に取り出され
る。一方、空気供給管１７から供給された空気Ａは、燃
料電池スタック１３の空気流路であるガス通路用多孔体
７ｂを通り、各単セル１の酸素極膜２に酸素を供給し、
空気抜き出し管を経て燃料電池外に排出される。このよ
うにして燃料と酸素が供給された各単セル１の電極間で
電極反応が生じる。すなわち、単セルｌの酸素極膜２に
供給された酸素は、該酸素極膜２で外部回路からの電子
を受は取って酸素イオンとなり、その後、固体電解質膜
３に入って荷電単位となる。一方、燃料極膜４に供給さ
れた水素Ｆは、該燃料極１ｊＪｉ４で前記固体電解質膜
３中の酸素イオンと反応して水を形成し、電子を外部回
路へ放出する。他の単セルにおいても同様の電極反応が
生じ、電気エネルギーが発生する。発生した電気エネル
ギーは集電されてより強力な電気エネルギーとして集電
端子１８を経て外部に取り出される。

本実施例によれば、インターコネクタ等のガスセパレー
タ層をなくし、ガス流通用多孔体７ａおよび７ｂを含め
積層した全ての平板を電池を構成するものとして活用し
たので、単位高さ当りの単セル積層数が増加し、体積出
力密度が高くなる。

本実施例において、ガス通路用多孔体７はその多孔部８
と緻密部９を一体に製作したものであっても、また、別
体として製作したものであってもよい。ガス通路用多孔
体７の材質としては、例えばｙｓｚ、ｃｓｚ、アルミナ
等の電気伝導性のないものが用いられる。また本実施例
において、燃料流路となるガス通路用多孔体７ａに燃料
の内部改質を行う触媒を担持させることもできる。

本実施例において、集電用多孔板５は、使用される雰囲
気温度が燃料電池の動作温度であり、高い耐熱性を要求
されるうえ、熱や電気の良導体であることが必要なため
、ｌ、ａｃｒ０３系のペロプスカイトの緻密な膜をコー
トした金属のほか、例えば前記ペロプスカイトを緻密に
作りその中に金属系のファイバーを埋めたもので製作す
ることもできる。このように、前記ペロプスカイトに金
属系のファイバーを埋めたものを使用する場合はその形
状を多孔板とせず、断面矩形の棒状体を並べて使用して
もよい。さらに、燃料極膜４の集電用多孔板５としてニ
ッケル（Ｎｉ）板を直接使用することもできる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、積層する全ての平板を燃料電池の構成
部材としたので、単位体積当りの単セル積層数が増加し
、燃料電池の体積出力密度が向上する。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第６図は、本発明の一実施例である平板積層型
固体電解質燃料電池を構成する部材を示すもので、第１
図は、単セルの一部切欠斜視図、第２ＦＩ！Ｊは、集電
用多孔板の斜視図、第３図は、ガス通路用多孔体の斜視
図、第４図および第５図は、それぞれ第１側面集電体、
第２側面集電体の斜視図、第６図は、燃料電池スタック
の斜視図、第７図は、燃料電池スタックを箱体に収納す
る概念図である。 １・・・単セル、２・・・酸素極膜、３・・・固体電解
質、４・・・燃料極膜、５・・・集電用多孔板、６・・
・ガス流通孔、７・・・ガス通路用多孔体、８・・・多
孔部、９・・・緻密部、１０・・・ガス通路用溝　１１
．１２・・・側面集電体、１３・・・燃料電池スタック
、１４・・・箱体、１５・・・ガスシール用部材、１６
・・・燃料供給管、１７・・・空気供給管。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）平板状の固体電解質と該固体電解質の両面にそれ
   ぞれ積層された燃料側電極膜および酸素側電極膜からな
   る平板状の単セルをガス通路用多孔体を介して、隣接す
   る前記単セルの対向面が同種の電極膜となるように多数
   積層し、前記ガス通路用多孔体を一つ置きに燃料流路ま
   たは空気流路としたことを特徴とする平板積層型固体電
   解質燃料電池。