JPH04248273A - 平板型固体電解質燃料電池集合体 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、平板型固体電解質燃料
電池集合体に関する。更に詳述すると本発明は、平板状
の単電池（セル）を積層した平板型固体電解質燃料電池
スタックを多数配置して１組の発電用燃料電池のモジュ
ールあるいはこのモジュールを複数組合せたユニットを
形成する平板型固体電解質燃料電池集合体に関する。 尚、燃料電池のモジュールとは燃料電池スタックを横に
並べて集合させたもので、燃料電池の作動温度を管理で
きる最大単位を意味する。また、燃料電池のユニットと
は、複数のモジュールあるいは燃料電池スタックを集め
て発電に供し得る最小単位の集合を意味する。そして、
本明細書において燃料電池の集合体とは前述のモジュー
ル及びユニットを含む意味で使用されている。

【０００２】

【従来の技術】固体電解質燃料電池は、電池構成材料が
全て固体であるため、電池本体の長寿命化並びに周辺シ
ステムの単純化が期待できる。更に、電池作動温度が高
いため（約１０００℃）、排熱を有効に利用できれば極
めて高い効率をもつ発電プラントを構築できる可能性が
ある。

【０００３】このような固体電解質燃料電池は空気極　
　と固体電解質　　と燃料極とからなっており、空気極
に空気等の酸化剤ガス、燃料極に水素等の燃料ガスを流
すことにより発電させる。しかしながら、この電池の電
圧は高々１Ｖ程度であるため、実用化にはこれらの電池
を直列に接続し、積層電池にして高い電池電圧を得るこ
とが必要である。

【０００４】単電池の積層構造としては、従来、円筒型
と平板型が考えられ開発されつつあるが、円筒型に比べ
ると機械的強度は弱いが単位体積当たりの出力密度が高
い平板型が注目されている。更に平板型固体電解質燃料
電池は、図８に示すようにセパレータ１０１とインター
コネクタ１０２，１０２とを別々の材料で形成してから
一体化した別体型タイプと、図９に示すようにセパレー
タ２０１がインターコネクタを兼ねた一体型タイプとが
考えられる。尚、単電池１０３は両方とも同じ構成で空
気極１０３ａと、電解質１０３ｂと、燃料極１０３ｃと
で構成されている。そして、別体型タイプの電池は、セ
パレータ１０１と別部材で構成されるインターコネクタ
１０２，１０２にガスディフューザの溝１０４が形成さ
れ、一体型タイプの電池ではインターコネクタを兼ねて
いるセパレータ２０１の表裏面にガスディフューザの溝
２０４が形成されている点に違いがあり、電池製作法が
若干異なるだけである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この平
板型固体電解質燃料電池を実用化させるには、１）単電
池の面積を拡大することが困難である。 ２）熱応力の緩和が困難である。 ３）ガスの供給法が難しい。 等の実用化を阻む難しい問題がある。即ち、固体電解質
燃料電池も、本来なら既に開発されている溶融炭酸塩型
燃料電池のように１ｍ２　またはそれ以上の大きさの単
電池を作製できれば非常に高性能であるが、その電池構
成材料がセラミックスであるため機械的強度に問題があ
ることと、発電時における熱応力破壊等の問題があるた
め大型化が難しい。即ち、平板型固体電解質燃料電池は
せいぜい１００〜２００ｃｍ２　の広さの単電池、また
１０ｃｍ×１０ｃｍ×１０ｃｍ＝１０００ｃｍ３　程度
の容積の大きさの積層電池（以下、単電池を複数枚積層
した電池を積層電池という）しか作製できない可能性も
ある。 しかもその場合における単電池の積層（スタック）法や
更に積層電池の集積（モジュール）法やそれらへのガス
供給方式並びにガスシール方式が問題となるが、これら
の問題に対する解決は従来何ら得られていない。

【０００６】本発明は、小片から成る単電池を多数積層
した状態でも熱応力破壊の虞がなくかつ燃料ガスと酸化
剤ガスとを混わることなく良好に供給し得る平板型固体
電解質燃料電池の集合体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】

【０００７】かかる目的を達成するために、本発明の平
板型固体電解質燃料電池集合体は、異なる平面上で燃料
ガスと酸化剤ガスとを異る方向から供給するガスディフ
ューザ溝を表面側と裏面側とに形成したスペーサを介し
て複数の単電池を積層した平板型固体電解質燃料電池を
縦横に配置すると共にこれらの間に前記燃料電池の燃料
ガス及び酸化剤ガスの出入口を除く部分を囲繞する周壁
を設け、この周壁と前記燃料電池との間に絶縁性の緩衝
材を配置して前記燃料電池を保持すると共に前記緩衝材
の中に窒素ガスあるいはその他の非酸化性ガスを供給し
、かつ前記燃料電池の前記ガスディフューザ溝と連通し
て燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段及び前記燃料電
池を通過した燃料ガスを排出する燃料ガス排出手段と、
前記燃料電池の酸化剤ガスを流通させるガスディフュー
ザ溝と連通して酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手
段及び前記燃料電池を通過した酸化剤ガスを排出する酸
化剤ガス排出手段とを有するようにしている。

【０００８】

【作用】したがって、燃料ガス供給手段及び酸化剤ガス
供給手段から供給された燃料ガスと酸化剤ガスとは、積
層状態の燃料電池のガスディフューザ溝を通過して単電
池の燃料極と空気極とに夫々燃料ガスと酸化剤ガスとを
供給する。そして、この燃料電池を通過した使用済みの
燃料ガス及び酸化剤ガスは燃料ガス排出手段及び酸化剤
ガス排出手段から外部に排出される。燃料ガスと酸化剤
ガスとは燃料電池を囲繞する周壁と燃料電池との間に設
けられている絶縁性緩衝材と窒素ガスとによってシール
され混わることがない（混わっても燃料ガスと酸化剤ガ
スは希薄であったり、また電池の外部であったりするた
めに燃焼反応が電池本体へ与える影響は少ない。また、
燃料電池は絶縁性緩衝材によって弾性支持され、その熱
膨張による変位が吸収される。

【０００９】

【実施例】以下、本発明の構成を図面に示す実施例に基
づいて詳細に説明する。

【００１０】図２に本発明の平板型固体電解質燃料電池
の積層構造の最小単位を示す。この最小単位の燃料電池
は、固体電解質１ｂを空気極１ａと燃料極１ｂで挾んだ
サンドイッチ構造の単電池１と、この単電池１を積層す
るためのセパレータ２，２とから成る。本実施例のセパ
レータ２，２はインターコネクタを兼ねた一体型であっ
て、その表面側と裏面側とにガス分配供給用のガスディ
フューザ溝４，５が形成されている。この燃料電池の単
電池１及びセパレータ２，２は、燃料ガスのガスディフ
ューザ溝４の出入口４ａ，４ｂと酸化剤ガスのガスディ
フューザ溝５の出入口５ａ，５ｂとを互いに重ならずに
開口させるための少なくとも４つの辺を有する多角形を
成しており、好ましくはガスの流れを対称的に配置する
ために六角形以上の偶数角形に形成されている。単電池
１とセパレータ２，２を含む燃料電池の形状は特に図示
のものに限定されるものではないが、多数の燃料電池を
縦横に配置する際に無駄なスペースが出ない六角形が好
ましい。そこで、本実施例では六角形の燃料電池を例に
挙げて説明する。勿論、燃料電池の形状は上述の多角形
に特に限定されず、円形でも良い。この場合、燃料ガス
の出入口４ａ，４ｂと酸化剤ガスの出入口５ａ，５ｂと
は互いに重なり合わないように例えば９０°置きに開口
すれば足りる。

【００１１】セパレータ２には異なる平面上で異なる方
向から燃料ガスと酸化剤ガスとが夫々導入されて排出さ
れるガスディフューザ溝４，５をを設けたインターコネ
クタ部３が表面側と裏面側とに形成されている。例えば
、図２に示すように、セパレータ２の表面側に燃料ガス
を通過させるガスディフューザ溝４を相対向する２辺間
に設けてその周辺にインターコネクタ部３を形成する一
方、裏面側に酸化剤ガスを通過させるガスディフューザ
溝５を前述のガスディフューザ溝４とは異なる辺間に設
けてその周辺にインターコネクタ部３を形成している。 ガスディフューザ溝４，５は空気極１ａと燃料極１ｃと
にくまなくガスを供給するため、内部で円弧状に迂回し
かつ溝幅も広げられている。本実施例の場合、六角形の
セパレータ２の２辺間に燃料ガス用のガスディフューザ
溝４が形成されると共に他の２辺間に酸化剤ガス用のガ
スディフューザ溝５が形成され、残りの２辺は閉ざされ
ている。このインターコネクタを兼ねたセパレータ２，
２によって各辺から燃料極には燃料ガスが、空気極には
酸化剤ガスが夫々供給される。勿論、インターコネクタ
とセパレータとを別部材で形成して貼り合せたものでも
良い。

【００１２】上述の単電池１とセパレータ２，２とを所
定数だけ順次積層して一体化することによって積層電池
６が構成されている。このとき、積層電池６は積層した
長さが例えば約１ｍの長さである場合、熱応力が発生し
たときの影響が大きくなりそれが緩和できない。そこで
例えば厚み１０ｃｍ程度の積層電池６を作製し、これを
１０個積み上げて１ｍ　の集積電池７とする（本明細書
では積層電池６を直列に接続したものを集積電池７と定
義する）。このように細分化された積層電池６を積み上
げることによって構成される集積電池７によって１つの
燃料電池スタックが形成され熱応力の緩和が図られる。 図５に積層電池６の一例を示す。この積層電池６は６個
の単電池１を積層して得られたものである。この積層電
池６では、六角形の上下対称な２つの辺は、片側が酸化
ガスの入口５ａ、もう片側が酸化ガスの出口５ａである
。 更に六角形のもう一つの上下対称な２つの辺は、片側が
燃料ガスの入口４ａ、もう片側が燃料ガスの出口４ｂで
ある。六角形の残りの上下対称な２つの辺の面には穴が
開いておらず、それぞれのガスが漏れないようにしてあ
る。インターコネクタ部３のガスディフューザ溝４，５
は図示の如き円弧状に特に限定されるものではなく、空
気極１ａや燃料極１ｃのできるだけ広い範囲にくまなく
供給し得るものであればどのような形状構造でも良い。

【００１３】本実施例の場合、以上のような構造の単電
池１とセパレータ２，２とを積層した積層電池６を更に
積み上げて所定長さ例えば１ｍ　の集積電池７を得てい
る。この集積電池７から成る燃料電池スタックは、更に
例えば図１及び図４のように１ｍ３　の単位容積に縦・
横に並べられて１つの集合体として構成される。この集
合体は、モジュールあるいはユニットを構成する。例え
ば、縦横に配置された集積電池７の間に周壁８ａ，８ｂ
を設け、この周壁８ａ，８ｂと集積電池７との間に絶縁
性の緩衝材９を配置すると共にその中に非酸化性のガス
を供給するようにし、かつ周壁８ａ，８ｂに囲まれた空
間に燃料供給手段１０と酸化剤ガス供給手段１１と燃料
ガス排出手段１２及び酸化剤ガス排出手段１３を設けて
燃料ガスと酸化剤ガスとが互いに接触せずに集積電池７
の各セパレータ２，２のガスディフューザ溝４，５内を
通過するように設けられている。

【００１４】周壁８ａ，８ｂは燃料電池７の燃料ガスの
出入り口４ａ，４ｂと酸化剤ガスの出入り口５ａ，５ｂ
とを除く部分を囲繞するもので、当該周壁８ａ，８ｂと
集積電池７との間の空間１６に絶縁性の緩衝材９を入れ
ることにより、ガスシールすると共に集積電池７の熱膨
張差による変位を吸収して熱応力を緩和し得るように設
けられている。緩衝材９としては、耐熱性に優れた非導
電性の弾性体例えばジルコニア繊維、アルミナ繊維等の
セラミックス繊維が好適なものの１つとして挙げられる
。

【００１５】しかしながら、これだけではガスシールと
しては不完全であるため、周壁８ａ，８ｂの中央に図５
及び図６に示すように、非酸化性ガス供給孔１４を設け
てそこから緩衝材９中あるいは緩衝材９を囲まれた空間
１６内に非酸化性ガスを流し込むように設けられている
。非酸化性ガスとしては、例えば窒素ガスが好適なもの
の１つとして挙げられるが、特にこれに限定されるもの
ではなく、炭酸ガスや不活性ガス等の使用も可能である
。非酸化性ガス供給孔１４には例えば窒素ガスを壁面か
ら噴出させるための噴射孔１５，１５，…，１５が開口
されている。非酸化性のガスはセラミックウールから成
る緩衝材９と相まって酸化剤ガスと燃料ガスとの混合を
抑制することができる。また、緩衝材９は図１に示すよ
うに、周壁面８ａ，８ｂと集積電池７との間の空間１６
の全域に設ける必要はなく、場合によっては図８に示す
ように空間１６の両端に緩衝材９を設け、それらの間の
空間１６部分に非酸化性ガスを供給するようにしても良
い。

【００１６】燃料ガス供給手段１０と酸化剤ガス供給手
段１１並びにこれらの排出手段１２，１３は、図４に示
すように六角形の集積電池７が縦、横２個ずつ並べられ
てできる空間１７に交互に燃料ガス供給手段１０、同排
気手段１２、酸化剤ガス供給手段１１、同排気手段１３
が設けられている。各ガスの供給手段１０，１１として
は、例えば図７のような集積電池７に囲まれた空間１７
に収まる管のようなものが好適なものの１つとして挙げ
られる。この供給管１０，１１は、各供給ガスを集積電
池７を載置する床面（図示省略）から上方まで一旦搬送
してから集積電池７に囲まれた空間１７に供給する。他
方、ガスの排出手段１２，１３としては、例えば前述の
床面に開口される排気口のようなものが好適なものの１
つとして挙げられる。この排気口１２，１３は排気手段
例えば誘引ブロワ等と連通し、床面から使用済みガスを
排出する。このように供給管１０，１１を経て上方から
供給した各ガスを下方から排出することによって比較的
均一に各電極に供給することができる。しかも、供給ガ
スは供給管１０，１１内を上昇する間に集積電池７の作
動熱（約１０００℃）を受けて予熱される。燃料ガス供
給管１０と酸化剤ガス供給管１１とは例えば図４に示さ
れるように、交互に配置されまた燃料ガス用排気口１２
と酸化剤ガス排気口１３とも交互に配置されている。 尚、図４には燃料の排ガスは右斜線で示され、酸化剤ガ
スの排ガスは左斜線で示してある。

【００１７】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように本発明は
積層された燃料電池の周囲に周壁を設け、該周壁と燃料
電池との間に絶縁性の緩衝材を設けて燃料電池を緩衝材
で弾性保持する一方、この緩衝材中に非酸化性のガスを
供給してガスシールしながら燃料ガスと酸化剤ガスとを
燃料電池の側方から互いに接触しないように異なる方向
から供給しかつ回収するようにしているので、小片の燃
料電池を積層したものを集めて全体で１つの燃料電池の
集合体として構成することができる。しかも、周壁と絶
縁性緩衝材と非酸化性ガスとによって燃料ガス供給系と
酸化剤ガス供給系とが遮断されるため、燃料ガスと酸化
剤ガスとを互いに接触させずに燃料電池に供給し得ると
ともに高温作動において燃料電池に熱膨張が生じてもこ
れを緩衝材が吸収して熱応力破壊を防ぐことができる。 よって、単位体積当たりの出力密度が高い平板型固体電
解質燃料電池を実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかる平板型固体電解質燃料電池の集
合体の一実施例をモジュールとして示す平面図である。

【図２】本発明にかかる平板型固体電解質燃料電池の単
セルの一実施例を示す分解斜視図である。

【図３】本発明にかかる平板型固体電解質燃料電池を積
層した状態の斜視図である。

【図４】本発明にかかる平板型固体電解質燃料電池の集
合体をユニットとしての燃料ガスと酸化剤ガスの供給方
法を示す説明図である。

【図５】周壁の一実施例を示す斜視図である。

【図６】他の周壁の例を示す斜視図である。

【図７】燃料ガスを供給するための供給管の一例を示す
斜視図である。

【図８】緩衝材及び非酸化性ガスの供給方法の他の実施
例を示す説明図である。

【図９】従来の別体型の平板型固体電解質燃料電池の一
例を示す分解し斜視図である。

【図１０】従来の一体型の平板型固体電解質燃料電池の
一例を示す分解斜視図である。

【符号の説明】

１　　単電池 ２　　インターコネクターを兼ねるセパレータ４　　燃
料ガスを通すガスディフューザ溝４ａ　　燃料ガスの入
口 ４ｂ　　燃料ガスの入口 ５　　酸化剤ガスを通すガスディフューザ溝５ａ　　酸
化剤ガスの入口 ５ｂ　　酸化剤ガスの出口 ６　　積層電池 ７　　集積電池 ８ａ　　周壁 ８ｂ　　周壁 ９　　絶縁性の緩衝材 １０　　燃料ガス供給手段 １１　　酸化剤ガス供給手段 １２　　燃料ガス排出手段 １３　　酸化剤ガス排出手段 １６　　周壁と燃料電池スタックとの間の空間１７　　
燃料電池スタックの間の空間

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　異なる平面上で燃料ガスと酸化剤ガス
   とを異る方向から供給するガスディフューザ溝を表面側
   と裏面側とに形成したスペーサを介して複数の単電池を
   積層した平板型固体電解質燃料電池スタックを縦横に配
   置すると共にこれらの間に前記燃料電池の燃料ガス及び
   酸化剤ガスの出入口を除く部分を囲繞する周壁を設け、
   この周壁と前記燃料電池との間に絶縁性の緩衝材を配置
   して前記燃料電池を保持すると共に前記緩衝材で囲まれ
   た領域に窒素ガスあるいはその他の非酸化性ガスを供給
   し、かつ前記燃料電池の前記ガスディフューザ溝と連通
   して燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段及び前記燃料
   電池を通過した燃料ガスを排出する燃料ガス排出手段と
   、前記燃料電池の酸化剤ガスを流通させるガスディフュ
   ーザ溝と連通して酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給
   手段及び前記燃料電池を通過した酸化剤ガスを排出する
   酸化剤ガス排出手段とを有することを特徴とする平板型
   固体電解質燃料電池集合体。
2. 【請求項２】　　前記緩衝材はセラミックス繊維から成
   ることを特徴とする請求項１記載の平板型固体電解質燃
   料電池集合体。
3. 【請求項３】　　前記燃料ガス供給手段は林立する前記
   燃料電池スタックの間に立設する筒状体から成り、燃料
   ガスを一端開口から導入して他端開口から噴出すること
   を特徴とする請求項１記載の平板型固体電解質燃料電池
   集合体。
4. 【請求項４】　　前記平板型固体燃料電池スタックは所
   定数の単電池を積層した積層電池を更に複数積み上げて
   所定高さの集積電池を構成していることを特徴とする請
   求項１記載の平板型固体電解質燃料電池集合体。
5. 【請求項５】　　前記平板型固体電解質燃料電池スタッ
   クは六角形以上の偶数角形であることを特徴とする請求
   項１ないし４のいずれかに記載の平板型固体電解質燃料
   電池集合体。