JPH04262369A - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、固体電解質型燃料電池
の構造に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】固体電解質型燃料電池（以下、ＳＯＦＣ
と略称で示す。）は、リン酸型，溶融炭酸塩型の燃料電
池につづく、第３世代の燃料電池と言われており、電解
質として酸化物固体内の酸素イオン導電性を利用してい
るため、電解質の損耗の問題は解消され、かつ１０００
℃近くの高温で運転されるため、発電効率も従来型の燃
料電池に比べて高いという利点がある。しかし、１００
０℃という高温で使用するためには使用材料に制限があ
り、電解質、各電極の全てが固定化され、例えば電解質
にはＹ２Ｏ２ドープＺｒＯ２（ＹＳＺ）、また燃料極に
はＮｉ＋ＺｒＯ２サーメット、酸素極にはペロブスカイ
ト系結晶構造の酸化物導電材料が使用されている。一般
的に、固体電解質は、導電性が低く、ＳＯＦＣを高温で
動作させる１つの理由は、高温によって抵抗率を低下さ
せることにある。しかし、高温だけでは抵抗の低下は不
十分であるので、一般的にはさらに電解質の薄膜化が行
われている。このように、ＳＯＦＣに使用される材料は
材料自体が脆いばかりでなく、電解質のように電池とし
ての所定の特性を得るために、薄膜化が必要とされる部
材もあり、このような部材の組合せによって構成された
ＳＯＦＣの電極部は総じて機械的強度が弱くなっている
。

【０００３】このようなＳＯＦＣの従来の構造例として
は、例えば図４の断面図に示す従来例が知られている。 これは、従来のリン酸型燃料電池の電極群の積み重ね方
式に準じた構造で、平板型と称されているものである。 この図において、１は単位発電セルである。単位発電セ
ル１は、固体電解質薄膜２、および該薄膜２の両側に位
置する酸素電極３、燃料電極４で構成された積層膜８と
、インタコネクタ５および該インタコネクタ５の両側の
、酸素電極と同じ材質の膜６、燃料電極と同じ材料の膜
７で構成された積層膜９を積み重ねることによって構成
されている。前記インタコネクタ５は、各単位発電セル
１を電気的に接触する部分である。このように単位発電
セル１が構成され、これが前記インタコネクタ５を介し
て複数個直列に接続されてモジュール１０が組み立てら
れている。なお、１１は燃料通路であり、１２は酸化剤
通路である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、燃料電池の
出力は単位発電セルあたり０．７〜０．８Ｖなので、上
記従来の固体電解質型燃料電池において、モジュール１
０から所定の電圧を得るためには、所定の数の単位発電
セル１を積層する必要がある。しかしながら、先に述べ
たように、固体電解質は、抵抗を減少させるために薄膜
化されており、積層膜８の機械的強度は弱い。従って、
この様な積層膜８や９を多数積み重ねようとしても、材
料強度が不十分なために圧縮・剪断に弱く、積ね重ね枚
数に制限が生じ、大きな出力電圧を持ったモジュール１
０を得ることが困難であった。また、一般的に従来例の
ような平板型のＳＯＦＣは、各材料を積み重ねた状態の
ままで一括して焼成する方法によって作製されるが、こ
の時各材料の線膨張率は必ずしも同一ではないので、焼
成後にクラックが発生するなどの問題があり、作製その
ものも非常に困難である。さらに、平板型ＳＯＦＣにお
いては、燃料ガス，酸化剤ガスの供給のために、モジュ
ール１０の側面に各ガスの供給と排出のためのマニホー
ルドの設置が必要であるが、酸化物固体を使用したＳＯ
ＦＣの場合、積層膜８や９の端部における気密を確保す
ることと合わせ、マニホールドの取り付けそのものも難
しい。特に、モジュール１０の枚数が変わった場合、そ
の都度専用のマニホールドを準備しなければならないと
いう構成上の問題もあり、コスト上昇を招く原因にもな
っている。

【０００５】本発明は、上記問題点を解決するためにな
されたものであり、その目的は、シールやマニホールド
の取り付けを容易にするとともに、大形化，大出力化を
可能にする固体電解質型燃料電池を提供することにある
。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明の固体電解質型燃料電池においては、中空筒
状の基体上に燃料電極層を形成し固体電解質層を介して
外表面側に酸素電極層を形成した外部酸素電極発電セル
と、中空筒状の基体上に酸素電極層を形成し固体電解質
層を介して外表面側に燃料電極層を形成した外部燃料電
極発電セルとを作製し、これらの発電セルの両端部を嵌
合し得る取り付け穴を有しかつインタコネクタの機能を
持つ分離板を容器内に収め、前記の外部酸素電極発電セ
ルと外部燃料電極発電セルを前記分離板で仕切られた空
間毎に交互に前記取り付け穴により取り付け、酸化剤ガ
スが前記外部酸素電極発電セルの外表面および前記外部
燃料電極発電セルの内表面にのみ接触する流路を形成す
る該酸化剤ガスの供給口と排出口を前記容器に設けると
ともに、燃料ガスが前記外部燃料電極発電セルの外表面
および前記外部酸素電極発電セルの内表面にのみ接触す
る流路を形成する燃料ガスの供給口と排出口を前記容器
に設けたこと特徴としている。

【０００７】

【作用】本発明の固体電解質型燃料電池では、中空筒状
の基体に発電セルを形成し、これを容器に固定された分
離板の間に収容することで、十分な機械的強度を得る。 この機械的強度により、また、分離板にインタコネクタ
機能を持たすことにより、多数の発電セルを直列にまた
は並列に接続可能にする。これにより、大出力を有する
モジュールを容易に実現するともに、その機械的強度に
よりシールやマニホールドの取り付けを容易にする。

【０００８】

【実施例】以下、本発明の実施例を、図面を参照して詳
細に説明する。

【０００９】図１，図２は本発明の一実施例における単
位発電セルの構造を示す図であり、図１は断面図、図２
は外観図を示している。本実施例に用いる単位発電セル
には、外表面が酸素電極となったもの（外部酸素電極発
電セル）と、逆に燃料電極となったもの（外部燃料電極
発電セル）の２種類があるが、図１，図２ではこのうち
の外部燃料電極発電セルの構造を代表例として示してい
る。

【００１０】本実施例の外部燃料電極発電セルは、中空
筒状の基体管２０の表面に酸素電極２３を円筒の層状に
形成し、その酸素電極２３の一端を露出させてその表面
に固体電解質層２２を形成し、さらに固体電解質層２２
の表面に燃料電極２１を円筒の層状に形成する。ここで
基体管２０としては、カルシア安定化ジルコニア（ＣＳ
Ｚ）の使用が可能であり、発電に関与する各層はいずれ
も溶射法によって、燃料電極２１は、ＮｉＯ＋ＹＳＺを
５０〜２００μｍで、また、固体電解質層２２はＹＳＺ
を５０〜２００μｍで、また、酸素電極２３は例えばＬ
ａＳｒＭｎＯ３をやはり５０〜２００μｍの厚みで形成
することで容易に作製することが出来る。なお、各層の
形成にあたっては、溶射法だけでは無く所定の薄膜性能
（薄さ、緻密さ等）が得られれば、レーザＰＶＤ法，Ｃ
ＶＤ法，ＥＶＤ法等の適用が可能である。

【００１１】一方、外部酸素電極発電セルは、上記各層
を形成する製造過程において、図１の燃料電極２１と酸
素電極２３の形成部を入れ替えるだけで同様に作製する
ことができる。これらの単位発電セルは、両端の各電極
端部を分離板３０で接続固定される。このような構造の
発電セルを使用し、かつ、分離板３０にインタコネクタ
の機能を持たせることで、各発電セルを順次直列に接続
することができる。なお、インタコネクタの材料として
は、ＬａＭｇＣｒＯ３等の適用が可能である。何れにせ
よ、各電極，固体電解質，インタコネクタの材料に関し
ては、限定するものでは無く、基本的に従来の平板型Ｓ
ＯＦＣで使用されている材料が使用可能である。

【００１２】次に、以上のように作成した単位発電セル
を組み合わせて構成した燃料電池のモジュールの構造を
説明する。図３はそのモジュールの組み立てを示す透視
的な斜視図である。図中、３０は分離板、３１は外容器
、３２は外部酸素電極発電セル、３３は外部燃料電極発
電セル、３４は酸化剤ガス供給口、３５は燃料ガス供給
口である。３６は酸化剤ガス排出口、３７は燃料ガス排
出口、３８は電気出力部を示している。

【００１３】モジュール化は、外部酸素電極発電セル３
２と外部燃料電極発電セル３３を交互に分離板３０によ
って固定し、この様に固定した状態で外容器３１の内容
に収納して行う。酸化剤ガス供給口３４は、分離板３０
で仕切られた外部酸素電極発電セル３２の収容された空
間の外容器３１の側面に設けられ、ここから流入した酸
化剤ガスは、外部酸素電極発電セル３２に接触した後、
次の空間内の外部燃料電極発電セル３３の基体管の内側
を通過し、酸化剤ガス排出口３６より外部に排出される
。一方、燃料ガスは燃料ガス供給口３５より流入した後
、酸化剤ガスと同様に外部酸素電極発電セル３２の基体
管の内側を通過した後、次の空間内の外部燃料電極発電
セル３３に到達し、ここでセルの表面に接触した後、そ
の空間の外容器３１の側面に設けた燃料ガス排出口３７
より外部に排出される。ここでは、発電セルの直列接続
数として２つの例について示したが、発電セルの直列接
続数、および分離板３０に固定する発電セルの並列本数
は必要とする発電電力に応じて選定すれば良く、また、
このようなモジュールを直・並列に接続すれば任意の出
力を得ることが出来、設計上は図３の概念ですべての場
合について対応することが出来る。直列接続数の増加が
必要な場合には、必要な数だけ分離板３０を設置し単位
発電セル３２，３３を設置することになるが、このよう
な場合には、ガスの流路の下流側では反応による消耗に
よりガス濃度が低下することもある。しかし、そのよう
な場合には、適宜、外容器側面に燃料ガス供給口３５や
酸化剤ガスの供給口３４を設置すれば良い。

【００１４】以上のように構成した一実施例の動作およ
び作用を述べる。

【００１５】本実施例の発電の動作にあたっては、従来
のＳＯＦＣと同様に１０００℃等の使用温度下に本モジ
ュールを設置し、各ガスを供給するだけである。これら
の各ガスが単位発電セル３２，３３の各電極に接触する
ことにより、発電された電流を外容器１の両端近傍の分
離板３０に接続した電気出力部３８から得ることが出来
る。このときのモジュールの出力は使用する単位発電セ
ル３２，３３の大きさと本数で調節することができる。 このため、単位発電セル３２，３３として数種類の長さ
のものを作成しておくのが好適であり、モジュールの組
み立てに当たっては、数種類の単位発電セル３２，３３
の中から１種を選定し、次にそのセルの長さに応じて分
離板３０と外容器３１の大きさを決定し、分離板３０で
仕切られた空間に所定の本数の単位発電セル３２，３３
を取り付ければ良い。さらに、外容器３１内で直列に接
続する単位発電セル３２，３３の数も、外容器３１の大
きさを変えるだけで任意に設定することが出来る。この
ように、モジュール出力の増減は、単位発電セル３２，
３３を選定し、これに合わせて分離板３０と外容器３１
の大きさを決定するだけで行うことができる。

【００１６】本実施例では、燃料電極２１，固体電解層
２２，酸素電極２３が基体管２０の表面に形成され、こ
の基体管２０で単位発電セル３２，３３が外容器３１に
固定された分離板３０で仕切られた空間に支えられるの
で、単位発電セル３２，３３は十分な機械的強度を持っ
て収容される。このため、多数の単位発電セル３２，３
３の直列，並列接続が可能となり、大きな出力を持った
燃料電池モジュールを容易に作製可能となる。これによ
り、図４のような積層構造のＳＯＦＣにおける問題、即
ち、（１）積層構造の電極は材料強度が不十分なために
圧縮・剪断に弱く、積み重ね枚数に制限が生じ大きな出
力電圧を持ったモジュールを得ることが困難である。 （２）一般的に従来例のような平板型のＳＯＦＣは、各
材料を積み重ねた状態のままで一括して焼成する方法に
よって作製されるが、この時各材料の線膨張率は必ずし
も同一ではないので焼成後にクラックが発生するなどの
問題があり作製そのものも非常に困難である。といった
従来の平板型ＳＯＦＣに内在する問題を一気に解決する
ことができる。

【００１７】なお、本発明の発電セルとしては中空状で
あれば良く、特に外形にこだわるものではない。また、
実施例では、燃料ガスと酸化剤ガスの流し方として、供
給口が並列に存在し供給された各ガスの濃度が下流側に
行くに従って順次低下する、いわゆる平行流方式につい
て示したが、これとは逆に対向して各ガスを供給する対
向流方式でも良く、ガスの供給方法に関しても特に規定
するものでは無い。さらに、図１において、燃料電極２
１、酸素電極２３は一層の例で示したが、１本の基体管
上に各電極を複数形成し、それらを基体管上に設けたイ
ンタコネクタで接続した構造のセルであっても、本発明
を適用することが出来る。このように本発明は、その主
旨に沿って種々に応用され、種々の実施態様を取り得る
ものである。

【００１８】

【発明の効果】以上の説明で明らかなように、本発明の
固体電解質型燃料電池では、中空状の基体を用いて外表
面の電極が酸素電極と燃料電極となる２種の発電セルを
作製し、これらを分離板で複数に分割された容器内にイ
ンタコネクタの機能を持たせ分割板を介して交互に接続
して収納する構造としているので、十分な機械的強度が
得られ、その機械的強度により、多数の発電セルが直列
，並列に接続できるようになり、大出力のモジュールが
容易に作製可能となる。これまで、従来の平板型ＳＯＦ
Ｃでは、極板の機械的強度が弱く積層枚数に制限が生じ
るばかりか、寸法の大きな極板の作製も困難であり、Ｓ
ＯＦＣそのものの大出力化が出来なかったという欠点が
あったが、本発明は、このような課題を解消し、大形な
固体電解型燃料電池の実現を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明は一実施例に用いる単位発電セルの構造
を示す断面図

【図２】上記単位発電セルの外観図

【図３】上記実施例の組み立てを示す斜視図

【図４】従
来例の構造例の断面図

【符号の説明】

２０…基本管、２１…燃料電極、２２…固体電解質、２
３…酸素電極、３０…分離板、３１…外容器、３２…外
部酸素電極発電セル、３３…外部燃料電極発電セル、３
４…酸化剤ガス供給口、３５…燃料ガス供給口、３６…
酸化剤ガス排出口、３７…燃料ガス排出口、３８…電気
出力部。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　中空筒状の基体上に燃料電極層を形成
   し固体電解質層を介して外表面側に酸素電極層を形成し
   た外部酸素電極発電セルと、中空筒状の基体上に酸素電
   極層を形成し固体電解質層を介して外表面側に燃料電極
   層を形成した外部燃料電極発電セルとを作製し、これら
   の発電セルの両端部を嵌合し得る取り付け穴を有しかつ
   インタコネクタの機能を持つ分離板を容器内に収め、前
   記の外部酸素電極発電セルと外部燃料電極発電セルを前
   記分離板で仕切られた空間毎に交互に前記取り付け穴に
   より取り付け、酸化剤ガスが前記外部酸素電極発電セル
   の外表面および前記外部燃料電極発電セルの内表面にの
   み接触する流路を形成する該酸化剤ガスの供給口と排出
   口を前記容器に設けるとともに、燃料ガスが前記外部燃
   料電極発電セルの外表面および前記外部酸素電極発電セ
   ルの内表面にのみ接触する流路を形成する燃料ガスの供
   給口と排出口を前記容器に設けたこと特徴とする固体電
   解質型燃料電池。