JPH0367468A

JPH0367468A - 固体電解質燃料電池

Info

Publication number: JPH0367468A
Application number: JP1202645A
Authority: JP
Inventors: Tadashi Gengo; 義玄後; Tatsuo Kahata; 達雄加幡
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1989-08-04
Filing date: 1989-08-04
Publication date: 1991-03-22

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燃料電池（ＳＯＦＣ）の平板型セル
の構造に関する。本発明は、高温水蒸気電解、アルカリ
金属熱電変換素子、プロトン導電体固体電解質セル、ト
リチウム分離用電解セル、０２ポンプ用セル、直接酸化
用化学反応セル等に利用できる。

［従来の技術］従来の燃料電池は、第９図９第１０図に示すいわゆる円
筒型が主体である。これは重い基体管３を有するため重
量荷重（３〜４　ｋｇ／　ｋＷ程度）が大きく、且、管
寸法により、電池の体積密度が制限される（５０ｋＶ／
ｍ　　〜１００ｋＷ／ｍ”程度）。

その欠点をおぎなうため第１１図に示すいわゆるモノリ
シック型が開発されているが、ガス通路が千鳥になって
おり、ガス供給が複雑であリマニホールドと電池間の接
続が困難である。又、第９図から分る通り、全ての部品
が三次元的に結合されているため、作動時の内部温度差
による応力に対し柔軟性がなく実用化が困難である。

［発明が解決しようとする課題］（１）第９図〜１０図に示す円筒型電池の体積密度は円
筒の直径が構造上１０Ｉ１１程度以上小さく出来ず、又
多数組合せてモジュールにする時にその間隔も制限され
るので低い。本発明は、その体積密度を従来の１０倍以
上にすることを目的とする。

（２）第１１図に示されるモノリシック型の電池は、千
鳥に配された空気極、燃料極を有するため、複雑さと構
造的欠陥をもつ。本発明は、それらの欠陥を補うことを
目的とする。

（３）支持構造として円筒型は基体管３を用いているの
で重い。他方モノリシック型では電池の三次元構造自体
を用いているので、電池と支持体が独立でなく、構造的
な安定を確保しにくい。

（４）電池集合体に対する空気出入口及び燃料出入口の
配管が複雑である。

本発明は前述の問題点を解決する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］本発明に係る固体電解質燃料装置は、（１）セル本体を複数段積層したセル集合体からなる燃
料電池において、前記セル本体は燃料極４と空気極７の
間に固体電解質５をはさみこんだ平板状の発電素子をイ
ンタコネクタ６により直列に複数個接続した単セルで構
成して電流を平面内に流すとともに、集電は金属製の集
電用電極１２と集＠！！１１３により行ない、前記セル
集合体は、前記セル本体の積層において奇数段目のセル
本体と偶数段目のセル本体の表裏が逆になるように即ち
奇数段目と偶数段目のセル本体の電流の流れる方向が逆
になるように積層し、空気極７で囲まれた積層空間には
空気を流し、燃料極４で囲まれた積層空間には燃料を流
し、セル集合体の電気の集電は各セル本体の端部におい
て、集電線１３により隣接するセル本体の集電用電極１
２を直列に接続することにより行なうことを特徴とする
。

（２）前記（１）の固体電解質燃料電池において、セル
本体の支持はセル周辺の支持枠１５．１６とセル本体の
重量を順次下部に伝えるコルゲートプレート１１により
行うことを特徴とする。

（３）前記（１）の固体電解質燃料電池において、セル
本体の支持はセル周辺の支持枠１５．１６とセル本体の
重量を順次下部に伝えるセル支持用発泡体２１１により
行なうことを特徴とする。

（４）前記（１）の固体電解質燃料電池において、セル
本体は複数の単セルからなり、各単セルは支持枠３１４
に取付けられ、単セル相互間は板肉インタコネクタ３１
９により直列に接続されることを特徴とする。

（５）前記（１）の固体電解質燃料電池において、正方
形の平板型セル本体を積層したセル集合体で電池スタッ
クを構成し、前記正方形のセル集合体の４つの角をシー
ル而４２６構成のために切取り、そのシール面４２６を
用いて前記正方形のセル集合体の周囲の４個のマニホー
ルド４１１〜４１４をシールし、前記マニホールドのう
ち正方形セル本体の対角線上にある１対のマニホールド
４１１゜４１２の一方を空気入口、他方を空気出口とし
、他の１対のマニホールド４１３，４１４の一方を燃料
入口、他方を燃料出口として、積層した各セル本体に空
気及び燃料の供給及び排気を行う発電モジュールを形成
することを特徴とする。

（６〉前記（５）の固体電解質燃料電池において、複数
の発電モジュールからなる燃料電池の各発電モジュール
のマニホールドの下面に燃料入口用マニホールド端部４
１５と空気入口用マニホールド端部４１６を設け、各発
電モジュールのマニホールドの上面に空気出口用マニホ
ールド端部４１７と燃料出口用マニホールド端部４１８
を設けることにより、各発電モジュールが共通の燃料入
口配管及び燃料出口配管により燃料の供給及び排出を行
ない、共通の空気入口配管及び空気出口配管により空気
の供給及び排出を行なうことを特徴とする。

［作用〕（１）セルを平面内直列接続することにより、第１１図
に示すモノリシック型の様に、各電池平板間を三次元的
に接合せずに集電を可能とし、それにより各平板間を独
立させる。

各独立した平板は熱応力に対し柔軟である。

（２）セルを周辺及びコルゲートプレートで支持するこ
とにより、柔軟さを失わずに安定した支持を行う。

（３）セルを周辺及び発泡体２１１で支持することによ
り、柔軟さを失わずに安定した支持を行う。

（４）セルを周辺及び電池平面内の枠３１４で支持する
ことにより、柔軟さを失わずに安定した支持を行う。

（５〉集電部を燃料側に配することにより、安価な金属
を集電材料として用いることができる。

（６）空気とガスを９，１ｏという具合に平板電池の間
に交互に流すことにより、マニホールデイングが容易と
なる。空気とガスの流れは第１図の様に直交型が最も容
易であるが、電池特性上つと１０が同一方向から平行に
流入する場合あるいは、平行ではあるが、９．１０が逆
流する対向流でも可である。

（７〉平板型セルを効率よ＜ｆａ重ねた電池集合体を第
４図（Ｂ）に示すように、直交流型のモジュールに組込
むことにより、シールを構造的に安定で確実にし、単ス
タックを正方形断面とすることにより、モジュールとし
て組合せるときに第４図（Ｅ）の様に単純な形に出来る
。

［実施例］本発明の実施例を第１図〜第８図に示す。

本発明の第１実施例を第１図に示す。第１図（Ａ）は本
発明に使用される平板型単セルの例を示し、第１図（Ｂ
）はその支持構造を示す。

第１図において、燃料極４．電解質５．及び空気極７で
構成された発電素子は、インコネクタ６で直列に接続さ
れ単セルを構成する。各素子が短絡しない様、又強度向
上のため絶縁材８を入れである。又周辺支持部の補強の
ため補強材１４を入れる。

この平板単セルを燃料供給側１０に燃料極４を向け、空
気側９に空気極７を向けて交互に重ねる。

そのため第１図（Ｂ）に示す様にセル端部の構成は異る
。各セルは端部で集電用電極１２を介して集電線１３に
より直列に接続される。支持は部材１５及び１６により
周辺で行なわれ、全体は部材１１により順次下部に重量
を伝える。シールは１５と１６の間でシール材１７を用
いて行なわれる。

第１図（Ｂ）に示す支持構造は平板状の電池板１８の支
持を上下の電池板間にはさんだ波形のコルゲート材１１
　（ＹＳＺ、ｌ　２０３他セラミックス焼結体）によっ
て行なっている。このコルゲート材１１の波形は一段毎
に直交するように配置している。

これは、空気の流れと燃料の流れ方向が一段毎に直交す
るようにしているものであり、このコルゲート材１１の
波形もこれと合致させ、流れを阻害しないようにしてい
る。

このコルゲート材１１の突部に接していない電池板１８
の部分が少々下がる傾向があるが、空気燃料の流れはス
ムーズである。

本発明の第２実施例を第２図に示す。

第２図に示す支持構造は、第１実施例のコルゲート材の
代りに、発泡体２１１　（ＹＳＺ、１２０３他セラミッ
クス発泡体）を用いてる点が兄なっている。この支持用
発泡体２１１は内部に多数の連通した気孔を持っている
。そのためガスの流れが容易になる。

この支持用発泡体は多少のガス圧損を発生するが、上下
の電池板の支持は、下がることなく完全に行なえる。

本発明の第３実施例を第３図に示す。第３図（Ａ）〜（
Ｂ）は第３実施例に使用するセルを示す。

単セル３１８を支持枠３１４に任意の数取り付けること
により、基体を置くことによる重量及び拡散抵抗という
負担を無くす。単セル３１８の相互間はセル内集電線（
板内インタコネクタ）３１９にて接続する。枠３１４に
は補強リブ３２０を入れても良い。

この平板セルを燃料供給側１０に燃料極４を向け、空気
側９に空気極７を向けて交互につみ重ねる。セルは空気
極で終るものと、燃料極で終るものがあるため、セル端
部の電極の構成は各セルで異る。各単セルは板肉インタ
コネクタ３１９を介して集電線１３により直列化される
。支持は平面内は３１４にて行ない、その荷重は周辺で
１５゜１６により下方に伝えられる。平面間に補助的に
ブロックを一部設置して、平面と平面との間で荷重を伝
えることも可能である。

第１図〜第３図に示す実施例におけるリード線１３（集
電線、Ｎｉ他金属及びサーメット材料より成る。）によ
る集電方法については、第５図〜第７図に示すようにセ
ル本体（電池板）の電流の褥れ方向が各段毎に反対方向
となっている為に、その端部で上下のセル本体をリード
線１３で接合する事によって、セル本体が直列に配置さ
れたこととなる。この電流の取り出しは、モジュールの
天板部と底板部よりそれぞれ取り出すことになる。

支持部材によるセル本体の支持方法は、第８図に示す通
り、積層されたセル本体の＠部にこの支持部材１５．１
６をガスシールを行なって接合している。この支持部材
は、空気及び燃料の流路を形成する層と、ガス導入部支
持部材とを交互に積層した形にしている。

第１実施例〜第３実施例においては、（１）セルを平面構成にし、電流を平面内に流す様にす
る。

（２）セルを１５．１６及び１１の材料で支持し、支持
用に電池の基体板は用いず重量は順次下に伝える。

（３）集電は１２及び１３の部材を燃料側に配すること
により、金属系の材料を用いて行う。

（４）ガスは平板電池と平板電池の間に流す。

本発明の第４実施例を第４図に示す。

第４図（Ａ）に示す構造の単セル４０１を第４図（Ｂ）
に示す形状において　Ａ　２３　Ｂとし、寸ｉＤはシー
ル面４２６の機能を十分に発揮できる寸法としてＡ、Ｂ
の数分の１〜数百分の１とする。寸法Ｃは任意とする。

燃料口４２４及び空気口４２５の数、寸法はガスの圧力
損失が少なく、且、支持体として十分な強度がある様に
材料との対応で決定する。燃料と空気とは４０４，４０
５の様に直交流とする。

この電池集合体の周囲に４１１，４１２゜４１３．４１
４のマニホールドを第４図（Ｃ）の様に配置する。上下
には第４図（Ｄ）の４１５〜４１８のマニホールドの端
部を付ける。そのノ１１スタックを接続し、第４図（Ｅ
）〜（Ｐ）の様にモジュール化出来る。これはもちろん
線上にならべるだけでなく、面上にならべることも可能
である。マニホールドの端部４１５〜４１８に対応し、
配管４１９〜４２２をつなぎ込む。

電池集合体の角は第４図（Ｂ）の様に４２６のシール面
構成のため、切り取り第４図（Ｃ）に示す通り、その面
４２６を用いて各マニホールド間をシールする。シール
材はガラス融薬、セラミックス等を用いる。

各車スタックは壁と隔壁として利用して組み合せる。し
かし隣接するマニホールドが同一気体をハンドリングす
るときにはこの隔壁は取り診いても良い。

第４図（Ｇ）に示すように、ガス及び空気の供給、排出
の為のマニホールドを集合セルの各端部に取り付けたた
め、各ガス及び空気の燃料電池流路への供給、排出がシ
ンプルになる。

［発明の効果］本発明は前述のように構成されているので、以下に記載
するような効果を奏する。

（＋）燃料電池の体積効率・重量幼牛が従来の円筒型の
ものに比し１０倍以上となる。

（２）燃料電池が柔軟に支持されるため、従来のモノリ
シック型のものに比し電池内熱応力に強くなる。

ぐ３〉燃料電池の各部品を個別に作成し、組立てられる
ので、大型化する際もハンドリング、セラミックスの焼
成が容易である（従来のモノリシック型のものは大型化
すると均一温度で焼くのは困難である。）。

（４）集電は燃料側において金属電線により行うことが
でき、安価にできる。

（５）平板型セルを効率良くつみ重ねた電池集合体を直
交流型のモジュールに組むことができる。

（６）燃料及び空気の入口及び出口を効率よく配置出来
る。

（７）マニホールドと電池集合体とが一体化され、構造
的に安定になる。

（８）スタックをモジュールとして集合させても各スタ
ックとマニホールドが正方形を構成するので安定構造の
大型モジュールを容易に製作できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例を示す図、第２図は本発明
の第２実施例を示す図、第３図は本発明の第３実施例を
示す図、第４図は本発明の第４実施例を示す図、第５図
〜第７図は第１〜第３実施例の集電方法を示す図、第８
図は本発明のセル本体の支持方法を示す図、第９図〜第
１１図は従来装置を示す図である。１・・・発電単素子、２・・・単セル（円筒型）、３・
・・基体管−材料はＡｌ７　０　　、Ｃ３Ｚ、ＹＳＺ、
そ３の他、４・・・燃料極−材料はＮｆ、Ｎｉ／ＣＳＺ。Ｎｉ／ＡＮ　　Ｏ、Ｃｏ／Ｃ３Ｚ他金属及びサー３メットＩ　ｎ　Ｏ２系セラミツクス、５・・・電解質−
材料はＺｒＯ、Ｂｉ　　Ｏ、ＣｅＯ２他固体電解２　　
　　　　２　　３質及びその安定化されたもの、６・・・インタコネクタ
ー材料は電極と電極をつなぐＬａＣｒＯ３系。金属他、７・・・空気極−材料はＬ　ａ　Ｃｏ　Ｏａ系
。Ｌ　ａ　Ｍ　ｎ　０３系ｒ　　１　ｎ　０２系他ペロブ
ス力イト系スピネル系等酸化物導電体、８・・・絶縁材
−材料はＡＩ　　Ｏ、ＹＳＺ他セラミックス、９・・・
空気側、３１０・・・燃料供給側、１１・・・支持用コルゲート材
−材料はＹＳｚ、Ａｐ２０３他セラミックス、１２・・
・集電用電極−材料はＮｉ、Ｎｉ／Ｃ３Ｚ他金属及びサ
ーメット、１３・・・集電線−材料はＮｉ他金属及びサ
ーメット、１４・・・周辺補強板−材料はｌ　　Ｏ、Ｙ
ＳＺ−Ｃ３Ｚ他セラミツクス、３１５・・・セル周辺の支持枠−材料はＡρ２０３゜ｙｓ
ｚ−ｃｓｚ他セラミックス、１６・・・セル周辺の支持
枠−材料はＡρ　ｏ　　、ｙｓｚ−ｃｓｚ他３セラミックス、１７・・・シール材−材料はガラス融薬
他、１８・・・電池板、２１１・・・セル支持用発泡体
−材料はＹＳＺ、ＡｌＩ２Ｏ３ｌ上２Ｏックス発泡体、
２１９・・・ガラス融薬等による気密化面（１５のかわ
り）、２２０・・・発泡体（１６のかわり）、３１４・
・・補強枠、３１８・・・単セル、３１９・・・！２西
集電線（板内インタコネクタ）−材料はＮｉ。Ｎ　ｉ　／　ＣＳ　Ｚ等金属及びサーメット、３２０・
・・補強リプ−材料はＡ、ｌｉｔ　　Ｏ、Ｃ３Ｚ、ＹＳ
Ｚ等の３セラミックス、４０１・・・単セル、４０２・・・セル
支持体、４０３・・・集電線、４０４・・・燃料導入方
向、４０５・・・空気導入方向、４０６・・・空気極、
４０７・・・燃料極、４０８・・・電解質、４０９・・
・インタコネクタ、４１０・・・絶縁物、４１１・・・
空気人口マニホールド、４１２・・・空気出口マニホー
ルド、４１３・・・燃料入口マニホールド、４１４・・
・燃料出口マニホールド、４１５・・・燃料入口マニホ
ールド（入口部）　４１６・・・空気入口マニホールド
（入口部）　４１７・・・空気出口マニホールド（出口
部）、４１８・・・燃料出口マニホールド（出口部）、
４１９・・・燃料入口配管、４２０・・・空気入口配管
、４２１・・・燃料出口配管、４２２・・・空気出口配
管、４２３・・・単スタック、４２４・・・電池入口燃
料口、４２５・・・電池入口空気口、４２６・・・シー
ル面。（Ａ）Ｗ！本イ１匁！１角［

Claims

【特許請求の範囲】

（１）セル本体を複数段積層したセル集合体からなる燃
料電池において、前記セル本体は燃料極（４）と空気極
（７）の間に固体電解質（５）をはさみこんだ平板状の
発電素子をインタコネクタ（６）により直列に複数個接
続した単セルで構成して電流を平面内に流すとともに、
集電は金属製の集電用電極（１２）と集電線（１３）に
より行ない、前記セル集合体は、前記セル本体の積層に
おいて奇数段目のセル本体と偶数段目のセル本体の表裏
が逆になるように即ち奇数段目と偶数段目のセル本体の
電流の流れる方向が逆になるように積層し、空気極（７
）で囲まれた積層空間には空気を流し、燃料極（４）で
囲まれた積層空間には燃料を流し、セル集合体の電気の
集電は各セル本体の端部において、集電線（１３）によ
り隣接するセル本体の集電用電極（１２）を直列に接続
することにより行なうことを特徴とする固体電解質燃料
電池。
（２）セル本体の支持は、セル周辺の支持枠（１５、１
６）とセル本体の重量を順次下部に伝えるコルゲートプ
レート（１１）により行うことを特徴とする請求項（１
）記載の固体電解質燃料電池。
（３）セル本体の支持は、セル周辺の支持枠（１５、１
６）とセル本体の重量を順次下部に伝えるセル支持用発
泡体（２１１）により行なうことを特徴とする請求項（
１）記載の固体電解質燃料電池。
（４）セル本体は複数の単セルからなり、各単セルは支
持枠（３１４）に取付けられ、単セル相互間は板内イン
タコネクタ（３１９）により直列に接続されることを特
徴とする請求項（１）記載の固体電解質燃料電池。
（５）正方形の平板型セル本体を積層したセル集合体で
電池スタックを構成し、前記正方形のセル集合体の４つ
の角をシール面（４２６）構成のために切取り、そのシ
ール面（４２６）を用いて前記正方形のセル集合体の周
囲の４個のマニホールド（４１１〜４１４）をシールし
、前記マニホールド（４１１、４１２）の一方を空気入
口、他方を空気出口とし、他の１対のマニホールド（４
１３、４１４）の一方を燃料入口、他方を燃料出口とし
て、積層した各セル本体に空気及び燃料の供給及び排気
を行う発電モジュールを形成することを特徴とする請求
項（１）記載の固体電解質燃料電池。
（６）複数の発電モジュールからなる燃料電池の各発電
モジュールのマニホールドの下面に燃料入口用マニホー
ルド端部（４１５）と空気入口用マニホールド端部（４
１６）を設け、各発電モジュールのマニホールドの上面
に空気出口用マニホールド端部（４１７）と燃料出口用
マニホールド端部（４１８）を設けることにより、各発
電モジュールが共通の燃料入口配管及び燃料出口配管に
より燃料の供給及び排出を行ない、共通の空気入口配管
及び空気出口配管により空気の供給及び排出を行なうこ
とを特徴とする請求項（５）記載の固体電解質燃料電池
。