JPH05166518A

JPH05166518A - 固体電解質型燃料電池の単電池及びこれを用いた発電装置

Info

Publication number: JPH05166518A
Application number: JP3328697A
Authority: JP
Inventors: Takao Soma; 隆雄相馬; Shinji Kawasaki; 真司川崎; Katsumi Yoshioka; 克己吉岡
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1991-12-12
Filing date: 1991-12-12
Publication date: 1993-07-02
Anticipated expiration: 2013-08-06
Also published as: JP2783926B2

Abstract

(57)【要約】【目的】固体電解質型燃料電池の単位体積当たりの発
電量を大きくし、単電池の強度を大きくし、単電池とそ
のスタックとの信頼性を高め、かつ単電池の生産性を高
めることである。【構成】セパレータ5Aは、緻密質の電子伝導体からな
る。平面四辺形状の平板状本体5aの幅方向縁部の表面
に、一対の側壁5hが設けられ、これらの間に隔壁5bが設
けられ、一対の側壁5hの間に酸化ガス流路６が設けられ
る。一対の側壁5h及び隔壁5bに空気電極４が接合され、
酸化ガス流路６が覆われる。緻密質の固体電解質３が、
空気電極４の表面と幅方向側面4aを覆い、かつセパレー
タの側壁5hの外壁面5gの一部を覆う。固体電解質３の表
面に燃料電極２が設けられる。

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
の単電池及びこれを用いた発電装置に関するものであ
る。

【０００２】

【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 (SOFC)
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く必要とせず、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るため、安定且つ長寿命であ
る。

【０００３】上記のように、SOFCの構成材がすべて固体
であることから、様々な構造のSOFCが提案されている。
これらは、平板型と円筒型とに大別される( エネルギー
総合工学13−２，1990) 。これらのSOFCの単電池の起電
力は、開回路において約１Ｖ、電流密度も精々数100mA
／cm²程度である為、実使用にあたっては、大きな発電
面積を有する単電池を容易に直列、並列に接続できるよ
うにすることが重要である。この観点から、単電池とそ
のスタック( 集合電池) の構造を検討しなければならな
い。

【０００４】しかし、平板型セルにおいては、セラミッ
クスの脆弱性から、平面精度の高い大面積の単電池を作
製することは困難であった。これを解決する為に、単セ
ル間の電気的接続用に柔かい材料を介在させる方法が提
案されている（特開平3-55764)。しかし、この方法をも
ってしても、一体で作製するセラミックス平板の大きさ
には限界があり、また構造が複雑であるため、単電池間
の並列接続が困難で、出力電流量を容易に拡大できな
い。更に、平板型の単電池では、その端部でガスシール
を行うことが困難である。

【０００５】これに対して、現在最も製作技術の進んで
いるウエスティングハウス社の円筒型セル（エネルギー
総合工学13−２、1990年) においては、構造上強度のあ
る円筒型を用いることで、セラミックスの脆弱性を緩和
し、さらに単電池の片端を封じた構造にすることでシー
ルレス構造を可能としている。更に、金属性フェルトを
用いて直列、並列に容易に接続できる点で優れている。
しかし、この構造においては、電流が空気電極内におい
て固体電解質膜に平行に流れる為、電流経路が長く、こ
の過程での電力消費がある。これを解決する為に、円筒
断面の周方向以外に電流経路を設ける方法が提案されて
いる( 特開昭63-261678)。しかし、これでも固体電解質
膜に垂直に電流を流す平板型セル程には、セルの内部抵
抗を低減できない。また、この方法では、円筒状の多孔
質支持体の上に、気密質固体電解質膜を設ける必要があ
るが、この際、EVD 法等の高度で生産速度が小さく、製
造コストの大きい技術を用いる必要があった。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、単位
体積当たりの発電量を大きくし、ガスシールを容易に行
えるようにし、単電池の強度を大きくし、単電池とその
スタックとの信頼性を高め、かつその製造も容易に行な
えるようにすることである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、緻密質の電子
伝導体からなり、平面四辺形状の平板状本体の幅方向縁
部の表面に一対の側壁を備えているセパレータ；このセ
パレータの前記側壁に接合された空気電極；この空気電
極の表面と幅方向側面とを覆い、かつ前記セパレータの
側壁の外壁面の一部を覆う、緻密質の固体電解質；及び
この固体電解質の表面に設けられた燃料電極を有し、前
記平板状本体と前記一対の側壁と前記空気電極とによっ
て囲まれた空間に導電性の隔壁が設けられ、酸化ガス流
路が形成され、前記隔壁が前記平板状本体と前記空気電
極とに対して結合されている、固体電解質型燃料電池の
単電池に係るものである。

【０００８】また、本発明においては、上記の単電池を
集合化するのに際し、複数個の単電池を発電室に互いに
所定間隔を於いて配列し、この際複数個の単電池の燃料
電極及び開口の向きがほぼ同じになるように配列し、隣
り合う単電池の燃料電極とセパレータとを、気体の流通
を妨げない構造の耐熱導電体によって直列接続し、隣り
合う単電池のセパレータ同士を、気体の流通を妨げない
構造の耐熱導電体によって並列接続し、単電池の酸化ガ
ス流路内に酸化ガスを供給できると共に発電室内に燃料
ガスを供給できるように構成する。

【０００９】

【実施例】

（実施例１）以下、図１〜図８を順次参照しつつ、本発
明の実施例について説明する。図２はセパレータ5Aを示
す斜視図である。このセパレータ5Aの平面形状は長方形
であり、この長方形の長辺の長さと、短辺の長さとの比
は２以上である。

【００１０】平面長方形状の平板状本体5aの幅方向縁部
の表面に、一対の細長い側壁5hが形成されている。これ
らの側壁5hは、共に四角柱形状であり、セパレータの長
さ方向の一端から他端へと向って延びる。一対の側壁5h
の間に、四角柱形状の隔壁5bが、長さ方向の一端から他
端へと向って、互いに平行に例えば計３列形成されてい
る。セパレータ5Aを長さ方向にみたとき、一方の縁部に
四角柱状の縁部側隔壁5cが形成されている。縁部側隔壁
5cは、隔壁5b及び側壁5hと連続している。隔壁5b、側壁
5hの間に、互いに平行な酸化ガス流路６が計四列形成さ
れている。各酸化ガス流路６の一端は縁部側隔壁5cによ
って、後述するように閉塞される。各酸化ガス流路６の
他端は開口している。各隔壁5b及び縁部側隔壁5cの高さ
は、ほぼ同じに設定されている。

【００１１】このセパレータ5Aは、気密質の電子伝導体
からなる。更に、このセパレータ5Aは、酸化ガスと燃料
ガスとに対して曝されるので、耐酸化性と耐還元性とを
備えていなければならない。こうした材料としては、La
CrO₃セラミックス、酸化ガスにさらされる部分をLaCrO₃
セラミックスで被覆したニッケルジルコニアサーメット
等を例示できる。

【００１２】図３は、電池素子部分を燃料電極２の側か
らみた平面図、図４は電池素子部分のみを空気電極4Aの
側からみた平面図、図１は完成した単電池を示す断面図
である。緻密質の固体電解質板３の平面形状は、セパレ
ータ5Aの平面形状とほぼ同じである。固体電解質板３の
表面には、平面長方形状の燃料電極膜２が形成されてい
る。

【００１３】固体電解質３の燃料電極２と反対側の表面
には、やはり平面長方形状の空気電極4Aが形成されてい
る。空気電極4Aが存在しない部分では、固体電解質３の
周縁に沿って、一対の細長い突起3aと、細長い突起3bと
が形成されている。これらの突起3a、3bも、固体電解質
３の一部をなす。空気電極4Aの幅方向側面4aは、突起3a
によって覆われており、露出しない。空気電極膜4Aの長
さ方向の縁部側側面4bも、突起3bによって覆われてお
り、露出しない。

【００１４】ここで、この単電池の好ましい製造手順に
ついて触れる。ここでは図５を参照する。空気電極4A
は、ドーピングされたか、又はドーピングされていない
LaMnO₃, CaMnO₃, CaNiO₃, LaCoO₃等で製造でき、ストロ
ンチウムを添加したLaMnO₃が好ましい。この空気電極
は、あらかじめ気孔率が20〜35％となるように焼成さ
れ、別個に準備したセパレータ5Aと接合される。接合の
際には、空気電極4Aと隔壁5b, 5c及び側壁5hとを向い合
わせる。隔壁5b, 5c、側壁5hの表面に、接合用のセラミ
ックス粉末層８を設ける。セラミックス粉末層８の材質
は、空気電極4Aの材質か、セパレータ5Aの材質が提案さ
れる。そして各隔壁5b, 5c、側壁5hをそれぞれ空気電極
4Aに当接させた状態で加熱処理し、空気電極、インター
コネクター（セパレータ）からなる積層体を得る。

【００１５】固体電解質３は、前記空気電極4A、セパレ
ータ積層体の空気電極及び空気電極とセパレータの界面
を覆う様に、前記したような形状で形成される。形成法
としては、溶射法が提案される。燃料電極膜２は図３に
示す様に固体電解質３の表面に形成される。これによ
り、図１、図６に示す単電池1Aを作製できる。

【００１６】この単電池1Aにおいては、酸化ガス流路６
の一端が縁部側隔壁5cによって閉塞される。細長い突起
3aによって、空気電極4Aの幅方向側面4aと、セパレータ
5Aの幅方向外壁面5gの一部とが覆われる。細長い突起3b
によって、空気電極4Aの長さ方向の縁部側の側面4bと、
縁部側隔壁5cの外壁面の一部とが覆われる。酸化ガス流
路６と空気電極4Aの側面4a、4bとは、いずれも気密質で
あるセパレータ5Aと固体電解質３とによって包囲されて
いる。従って、酸化ガス流路６の開口以外から、酸化ガ
スが漏れることはない。

【００１７】次に、上記の単電池を集合してなる発電装
置の構成例について述べる。図７は、こうした発電装置
を単電池の長さ方向に切ってみた一部断面図である。図
８は、図７の発電装置を単電池の幅方向に切ってみた部
分断面図である。発電装置全体は、略直方体状の缶10内
に収容されている。缶10の内部には、燃料ガス室18、発
電室17、燃焼室16、酸化ガス室15が設けられている。缶
10の貫通孔10c が燃料ガス室18に連通し、貫通孔10b が
酸化ガス室15に連通し、貫通孔10a が燃焼室16に連通す
る。

【００１８】燃料ガス室18と発電室17とは隔壁14によっ
て区分される。隔壁14には、一定間隔で燃料ガス供給孔
14a が設けられている。発電室17と燃焼室16とは隔壁12
によって区分される。隔壁12には、一定間隔で単電池挿
通孔12a が形成される。燃焼室16と酸化ガス室15とは隔
壁11によって区分される。隔壁11には、一定間隔で貫通
孔11a が形成される。

【００１９】各単電池1Aは発電室17内に収容され、単電
池1Aの端部が隔壁14に、アルミナフェルト等の絶縁性セ
ラミックスフェルト材を介して当接する。各単電池1Aの
開口８側の端部は、各単電池挿通口12a を貫通し、燃焼
室16に露出する。この結果、各酸化ガス流路６は、燃焼
室16と連通する。単電池挿通孔12a と単電池1Aの外周面
との間には、単電池挿通孔12a のほぼ全周に亘って若干
の隙間が開いており、この隙間に、緩衝材13が充填され
ている。この結果、各単電池1Aの端部が、緩衝材13を介
してゆるく保持される。緩衝材13としては、例えば、ア
ルミナフェルト等のセラミックスフェルト材が好まし
い。

【００２０】缶10の発電室17の底には、平板状の集電板
19が設置され、集電板19の上に集電材層20が設けられて
いる。単電池1Aは、本実施例では、上下方向と左右方向
とに、それぞれ一定間隔を置いて延びるように配置され
ている。ただし、図８においては、図面の寸法上の制約
から、こうした集合電池のうち下方の３列のみを図示
し、かつ左側の２列のみを図示した。むろん、こうした
集合電池中に含まれる単電池1Aの個数は、適宜選択でき
るものである。

【００２１】発電室17内において最下端の単電池1Aは、
集電材層20の上に載置される。集電材層20は、単電池1A
の形状や変形に追随させるため、弾性と可塑性とを有す
るものがよい。最下端の単電池1Aの上に、所定間隔を置
いて順次他の単電池1Aを配置し、上下の単電池1Aの燃料
電極２と平板状本体5aとを対向させる。これらの間に、
略平板形状の耐熱導電体21A を挿入し、上下方向に隣り
合った単電池1Aの燃料電極２と平板状本体5aとを電気的
に接続する。また、図８において左右方向に隣り合う単
電池1Aの間に、細長い耐熱導電体21B を挿入する。これ
により、単電池1Aのセパレータ5A同士を電気的に接続す
る。各耐熱導電体21A と21B は、接触しないようにす
る。

【００２２】隔壁11の貫通孔11a とほぼ同じ内径を有す
る円筒状の供給管９が、隔壁11に一定間隔で固定され
る。各供給管９の内側空間は、それぞれ貫通孔11a を介
して酸化ガス室15に連通する。各供給管９は、燃焼室16
を横切り、開口８を通って酸化ガス流路６内に挿入さ
れ、平板状本体5a上に支持される。各供給管９の先端に
ある供給口が、縁部側隔壁5cと若干の距離を置いて対向
する。

【００２３】次に、図７を参照しつつ、この発電装置の
動作について述べる。酸化ガスは、缶10の外部から、貫
通孔10b を通して矢印Ａのように供給され、酸化ガス室
15を通り、貫通孔11a から矢印Ｂのように供給管９内へ
と送られる。次いで、この酸化ガスは、矢印Ｃのように
供給管９内を流れ、供給口から矢印Ｄのように酸化ガス
流路６内へと供給される。そして、この酸化ガスはすぐ
に縁部側隔壁5cに衝突して矢印Ｄのように方向転換し、
空気電極4Aと供給管９との間を流れ、開口８から燃焼室
16へと排出される。

【００２４】一方、燃料ガスは、缶10の外部から、矢印
Ｅのように貫通孔10c を通って燃料ガス室18内へと供給
され、更に燃料ガス供給孔14a を通って矢印Ｆのように
発電室17内に供給される。そして、主として耐熱導電体
21A, 21Bの中を通り抜け、更に緩衝材13を矢印Ｇのよう
に通り抜けて、燃焼室16内に排出される。発電装置の動
作時には、空気電極4Aと固体電解質３との界面で酸化ガ
スが酸素イオン等を生じ、これらの酸素イオン等が固体
電解質３を通って燃料電極２へと移動し、燃料ガスと反
応すると共に電子を燃料電極２へと放出する。そして、
正極である空気電極4Aと負極である燃料電極２との間に
電位差が生ずる。こうした単電池を前記したように直列
接続、並列接続し、最終的に集電板19から電力を取り出
す。

【００２５】発電室17と燃焼室16との間では、僅かの差
圧で燃焼室16へと燃料ガスの流れが生ずるように設計さ
れており、燃焼室16から発電室17への逆流を防いでい
る。発電室17を通過した燃料ガスには、反応によって生
成した水蒸気、炭酸ガス等が含まれており、かつその燃
料含有量も減少している。この減損した燃料ガスが、同
様に減損した排酸化ガスと燃焼室16内で燃焼する。この
燃焼熱により、供給管９内を流れている新鮮な酸化ガス
を予熱できる。貫通孔10a から、矢印Ｈのように燃焼排
ガスを排出する。燃料ガスとしては、水素，改質水素，
一酸化炭素，炭化水素等の燃料を含むガスを用いる。酸
化ガスとしては、酸素を含むガスを用いる。

【００２６】本実施例によれば、以下の効果を奏しう
る。 (1) 電池素子7Aが平板状であるので、例えば、現在最も
実用性が高いと言われるSOFCである円筒型SOFC (特開昭
57-11356 号公報等) にくらべて、格段に発電面積を大
きくでき、単位体積当たりの発電量を増大させることが
できる。

【００２７】(2) 固体電解質３を成形する際、プラズマ
溶射法を使用できる。即ち、円筒型の単電池を製造する
場合のように、固体電解質をEVD で設ける必要はない。
従って、こうした従来法にくらべ、固体電解質膜の生産
性を上げ、コストを下げることができる。こうした意味
で、固体電解質３の厚さは10μm 以上、500 μm 以下と
することが好ましく、50μm 以上、100 μm 以下とする
と更に好ましい。

【００２８】(3) セパレータ5Aに隔壁5bが設けられ、各
隔壁5bが空気電極4Aに連結されている。これにより、空
気電極4Aから隔壁5bを通る電流経路が発生するので、空
気電極4A内を膜と平行に流れる距離が格段に短縮され
る。この結果、特に空気電極4A内における内部抵抗が低
減されるので、単電池出力が向上する。

【００２９】(4) 上記のように、各隔壁5bが平板状の電
池素子に対して接合されているので構造強度が大きい。
従って、単電池のレベルで見ても、集合電池のレベルで
見ても、信頼性が高くなった。この理由は、単電池1A
が、マルチチャンネル構造、即ち、小さな四角筒状部を
幾つか合体させたような構造を備え、緻密なセラミック
ス等を実質的な支持体としているからである。

【００３０】(5) 前述したように、発電室17の圧力を燃
焼室16の圧力よりも大きくして燃料ガスを一方向に流
す。また、酸化ガスについても、酸化ガス流路６から燃
焼室16へと一方向的に流している。従って、単電池1Aの
四周を単電池挿通孔12a において気密かつリジッドにシ
ールする必要がない。このために単電池1A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。

【００３１】(6) しかも、各単電池1Aの保持と位置決め
とを、気体の流通を妨げない耐熱導電体21A, 21Bと、緩
衝材13とによりソフトに行っている。これにより、単電
池1Aが熱膨張しても、単電池1Aにかかる応力が一層小さ
くなる。

【００３２】(7) 燃料ガス室18と燃焼室16との間に発電
室17が設けられているので、酸化ガスは、燃焼室16にお
いて、既に減損した水蒸気等の多い廃燃料ガスと接触す
る。従って、開口８付近で、局部的で急激な燃焼と発熱
とが発生することはない。従って、これに伴なって単電
池端部で亀裂が生ずるおそれはない。

【００３３】（実施例２）図９は、他の単電池1Bを幅方
向に切ってみた、図１と同様の断面図である。このう
ち、固体電解質３、燃料電極膜２の構成、製造法は実施
例１と同様である。空気電極4Bとセパレータ5Bについて
は形状が実施例１と異なる。すなわち、セパレータ5Bの
平板状本体5aの幅方向の両縁に、それぞれ側壁5hが設け
られる。また空気電極4Bには、複数列の隔壁4cが設けら
れる。これらを接合することによって、側壁5hと隔壁4c
の間、隣り合う隔壁4cの間に、それぞれ酸化ガス流路６
が形成される。こうした幅方向断面を有する単電池1Bの
他の部分の構成は、単電池1Aの構成と同じにすることが
できる。

【００３４】（実施例３）本実施例においては、酸化ガ
ス流路が双方向的に開口しているタイプの単電池と、こ
うした単電池の新たな集合形態について説明する。図10
は、セパレータ5Cを示す斜視図であり、図11は単電池1C
をその長さ方向に切って見た断面図である。

【００３５】このセパレータ5Cにおいては、平板状本体
5aの表面に、一対の側壁5hと、例えば３列の隔壁5bが互
いに平行に形成されている。本例では、各隔壁5b、側壁
5hがセパレータ5Cの長さ方向の一端から他端まで延びて
いる。各隔壁5bはいずれも四角柱形状であり、隔壁5b、
側壁5hの間に、やはりいずれも四角柱形状の酸化ガス流
路６が形成されている。各酸化ガス流路６は、セパレー
タ5Cの長さ方向の一端から他端まで、直線状に延びてい
る。図10において、24は後述する予熱領域を示し、25は
後述する発電領域を示す。

【００３６】空気電極4Aは、セパレータ5Cとほぼ同じ平
面形状を備え、隔壁5b、側壁5hの表面に接合されてい
る。空気電極4Aの表面に固体電解質23が設けられ、固体
電解質23の表面に燃料電極２が設けられる。この単電池
1Cの幅方向断面形状は、図１に示した単電池1Aと同じで
ある。単電池1Cの長さ方向の両端において、酸化ガス流
路６が開口している。空気電極4Aは、セパレータ5Cの幅
方向においては固体電解質23によって覆われるが（図１
と同じ）、セパレータ5Cの長さ方向の両端においては、
固体電解質23によって覆われてはいない。これらの開口
部分は、酸化ガス室か燃焼室に露出するので、多孔質の
空気電極4Aの表面を緻密質材料で覆わなくともよい。

【００３７】図12は、こうした単電池１を集合してなる
発電装置の一部分を示す断面図である。図面の寸法の制
約から、図12においては、本発電装置のうち下側の３列
のみを図示する。

【００３８】緻密質材料からなる略直方体形状の缶30の
相対向する側壁に、貫通孔30a と30b とが設けられる。
この缶30の内部には、図面において右側から順番に、燃
料ガス室37、酸化ガス室38、発電室40、燃焼室39が設け
られる。燃料ガス室37と酸化ガス室38とは気密性の隔壁
33によって区分され、酸化ガス室38と発電室40とは気密
性隔壁34によって区分され、発電室40と燃焼室39とは隔
壁36によって区分されている。

【００３９】発電室40は、予熱領域24と発電領域25とに
分けられる。予熱領域24は隔壁34側にあり、発電領域25
は隔壁36側にある。燃料ガス室37を供給管31が横断し、
供給管31の内部空間が酸化ガス室38に連通する。気密性
隔壁34には、貫通孔34a と単電池挿通孔34b とが形成さ
れている。酸化ガス室38を供給管32が横切っており、各
供給管32の内部空間が燃料ガス室37に連通している。各
供給管32の内径は貫通孔34a の内径とほぼ同じであり、
各供給管32が貫通孔34a に位置合わせされている。各貫
通孔34a は予熱領域24に面している。

【００４０】単電池挿通孔34b の形状及び寸法は、単電
池1Cの幅方向の形状及び寸法とほぼ同じである。図面表
示の都合上、図12においては、一つの単電池1Cについて
は断面図を示し、二つの単電池1Cについては正面図を示
してある。このため、図12においては、貫通孔34b のう
ち一つを断面で示し、他の二つを点線で示してある。各
単電池挿通孔34b は、貫通孔34a の間に規則的に設けら
れている。隔壁36にも、単電池挿通孔36a が、所定間隔
を置いて規則的に設けられている。各単電池挿通孔36a
の寸法は、単電池1Cの幅方向寸法よりも若干大きくなっ
ている。

【００４１】各単電池1Cの一端は単電池挿通孔34b 内に
挿通され、他端が単電池挿通孔36aに挿通される。これ
により、各単電池1Cが、隔壁34と36との間に架け渡され
る。単電池1Cと単電池挿通孔34b との間は、気密にシー
ルし、燃料ガスや酸化ガスがここから漏れないようにし
なければならない。こうした気密シールを行うには、ガ
スケットを用いるか、又は有機樹脂で両部材の隙間を封
じる方法が提案される。

【００４２】単電池挿通孔36a の周面と単電池1Cの外周
との間には、単電池挿通孔36a の全周に亘って、若干の
隙間がある。この隙間に、気体の流通を妨げない緩衝材
13が充填されている。単電池1Cの図面において左側の端
部は、緩衝材13を介して、隔壁36によりゆるく支持され
る。

【００４３】予熱領域24においては、上下方向及び左右
方向に隣り合う各単電池1Cの間の空間に、通気性断熱材
35が充填されている。従って、これらの断熱材35は、単
電池の支持材料としても機能する。

【００４４】発電領域25においては、図８に示したもの
と同じ構成になっている。即ち、上下方向に隣り合った
単電池1Cの燃料電極２とセパレータ5Cとが、耐熱導電体
21Aによって電気的に接続されている。最下端の単電池1
Cのセパレータ5Cは、耐熱導電体21A を介して、集電板1
9A に電気的に接続されている。

【００４５】この発電装置の動作を説明する。燃料ガス
は、貫通孔30a から燃料ガス室37内に矢印Ｉのように供
給され、供給管32内に矢印Ｊのように送り込まれる。次
いで、この燃料ガスは、供給管32、貫通孔34a を通過
し、予熱領域24を通過し、更に発電領域25を流れ、矢印
Ｋのように緩衝材13を通過し、燃焼室39に入る。

【００４６】一方、酸化ガスは、矢印Ｌのように供給管
31内を通過し、酸化ガス室38内に入り、次いで、矢印Ｍ
で示すように、酸化ガス流路６内に流入する。そして、
この酸化ガスは、予熱領域24、発電領域25を順次通過
し、矢印Ｎのように燃焼室39内に流出する。燃焼室39に
おいて、減損した燃料ガスと減損した酸化ガスとが燃焼
される。貫通孔30b から、矢印Ｐのように、燃焼排ガス
が排出される。

【００４７】本実施例に係る単電池及び発電装置におい
ても、実施例１で述べた(1) 〜(7)の効果を奏すること
ができる。ただし、本発電装置では、単電池1Cの図12に
おいて右側の端部はリジッドに固定している。

【００４８】更に重要なことに、本実施例で用いる単電
池1Cにおいては、酸化ガス流路６の一端が封じられてお
らず、その両端が開口している。しかも、セパレータ5C
が押し出し成形等によって比較的容易に成形可能な形を
している。仮に、酸化ガス流路６の一端を封じるものと
すると、こうしたセラミックス加工は難しく、封じた部
分に充分な強度を与えることがかなり困難になる。この
ため、生産技術の点からは、単電池1Cが非常に有利であ
る。

【００４９】また、図12に示すような構成の発電装置を
提供することで、単電池1Cを集合化し、動作させること
が可能となった。こうした構成の発電装置は、非常に特
徴があるので、その作用等を更に詳しく説明する。固体
電解質型燃料電池を動作させるに当って重要なことは、
燃料ガスと酸化ガスとを分離することである。このため
には、各部材を気密にシールしなければならない。こう
した気密シールを行うには、ガスケットや有機封止材な
どを用いる方法がある。

【００５０】しかし、発電室内の温度は、動作時には10
00℃にも上る。このような高温下においては、上述のよ
うな気密シール材を用いることが難しい。こうした気密
シール材は、高々500 ℃位までしか耐えられないからで
ある。このため、図７に示すような構造の発電装置にお
いては、上述のような気密シールを不要にしたシールレ
ス構造を採用する。こうしたシールレス構造を実現する
には、縁部側隔壁5cによって単電池1Aの一端を封じなけ
ればならない。

【００５１】これとは異なり、本実施例の発電装置にお
いては、隔壁34と単電池1Cの端部との間で、気密なシー
ルを実施する。隔壁36側では、燃料ガスを流すために、
気密シールは施さない。この際、発電領域25では、1000
℃程度の高温となる。そこで、隔壁34と発電領域25との
間に断熱材35を配置し、予熱領域24を形成したわけであ
る。むろん、予熱領域24内では隔壁34へと近づくにつれ
て急速に温度が下がる。隔壁34において上述のような気
密シールを行うには、このシール部分の温度を、発電領
域25内よりもかなり低温に、好ましくは500 ℃以下にし
なければならない。更に、350 ℃以下では、樹脂製シー
ル材の選択種が広がる。しかし100 ℃以下にするには、
予熱領域24を長くする必要が生じ、単位体積当たりの発
電量が減る。従って、100 〜350 ℃が最も好ましい範囲
である。この一方、燃料ガス及び酸化ガスは、予熱領域
24を通過する間に、共に予熱されることになる。

【００５２】本実施例において、断熱材35の材質は、以
下のものが好ましい。多孔質アルミナブロック、アルミ
ナフェルトを重ねたもの、あるいはこれらの複合体。上
記の例では、単電池1Cの端部を単電池挿通孔34b に挿通
した。しかし、この代りに単電池1Cの末端面を気密性隔
壁34に当接させ、両者の間を気密にシールしてもよい。
ただしこの場合も、気密性隔壁34に、酸化ガスのための
孔を設ける必要はある。

【００５３】図11に示す単電池では、酸化ガス流路６に
は何も障害物を設けていない。しかし、予熱領域24にお
いては、酸化ガスを発電のために消費してはいない。そ
こで、図13に示すように、予熱領域24において、通気性
の断熱材26を充填することができる。こうした断熱材26
としては、セラミックス多孔体、セラミックスファイバ
ー等が好ましい。通気性の断熱材26を予熱領域24に充填
することにより、発電領域25内の高熱を効果的に吸収し
て断熱効果を上げ、気密シール部分の温度を一層引き下
げることができる。これと共に、熱を吸収した断熱材26
を酸化ガスが通過する間に、酸化ガスを一層効果的に予
熱できる。断熱材26がない場合にくらべて、酸化ガスの
流れる距離が長くなるからである。

【００５４】また、図14に示すようなセパレータ5Dを用
いることもできる。このセパレータ5Dでは、セパレータ
の幅方向の両縁部の表面に、一対の側壁5hが互いに平行
に形成されている。発電領域25においては、一対の側壁
5hの内側に、例えば計３列の四角柱状の隔壁5dが、セパ
レータの長さ方向に向って互いに平行に形成されてい
る。この発電部分では、酸化ガス流路６が、互いに平行
に４列設けられている。

【００５５】予熱領域24においては、酸化ガス流路が複
雑に屈曲している。まず、単電池の予熱部分の入口側か
らみると、まずセパレータ5Dの幅方向に延びる四角柱形
状の隔壁5fが、セパレータ5Dの一端から発電領域の方へ
と向って、計３列形成されている。各隔壁5fは、互いに
対して平行であり、かつセパレータ5Dの長さ方向に対し
て垂直である。各隔壁5fの一端は、一対の側壁5hのうち
のいずれかと一体化しており、その他端は、側壁5hと若
干の隙間を残している。三列の隔壁5fの間に酸化ガス流
路6Aが形成される。この酸化ガス流路6Aは、側壁5hの間
で大きく蛇行する。

【００５６】隔壁5fと5dとの間には、計４個の直方体状
の隔壁5eが形成されている。計４個の幅の小さい隔壁5e
は、セパレータ5Dの幅方向へと向って一列に並び、この
うちの二つはそれぞれ側壁5hに一体化している。隔壁5e
の間には、短かい酸化ガス流路6Bが、計３箇所に形成さ
れている。

【００５７】本実施例では、予熱領域24において、酸化
ガス流路が蛇行し、屈曲しているので、酸化ガス流路が
直線状の場合にくらべて、酸化ガスの流過距離がかなり
長くなる。従って、酸化ガスの予熱を効果的に行える。
ただし、図14に示すようなセパレータ5Dには押し出し成
形などは適用できないので、生産性の点では、図13のも
のにくらべるとかなり落ちる。

【００５８】上記の実施例においては、平面形状が長方
形の単電池を用いた。しかし、単電池の平面形状を平行
四辺形にしてもよい。この場合も、その短辺の長さに対
する長辺の長さの比は、２倍以上とすることが好まし
い。各酸化ガス流路をその幅方向に切ってみた断面積
は、0.01〜２cm²とすることが好ましい。これは、断面
積が0.01cm²以下では酸化ガス導入管を設けることが困
難となる為である。一方、２cm²以上では単電池内にお
ける酸化ガス容量が大きい為、必要以上に多量の酸化ガ
スを導入する必要が生ずる為である。

【００５９】気体の流通を妨げない耐熱導電体は、耐熱
金属繊維を編んで作ったフェルト状物質とするか、多数
の開気孔を有するスポンジ状物質とするのが好ましい。
これらの材質としては、ニッケルが好ましい。上記のス
ポンジ状物質を作製するには、例えば、耐熱金属粉末と
発泡剤とバインダーとを混練し、成形、焼成すればよ
い。

【００６０】

【発明の効果】本発明によれば、電池素子が平板状であ
るので、円筒型SOFCにくらべて、格段に発電面積を大き
くでき、単位体積当りの発電量を増大させることができ
る。また、固体電解質は、溶射法等で成形できるので、
EVD 等を用いて固体電解質膜を形成する必要のある円筒
型SOFCにくらべ、固体電解質の生産性を上げ、コストを
下げることができる。

【００６１】更に、緻密質の電子伝導体からなるセパレ
ータに一対の側壁を設け、これらの間に酸化ガス流路を
形成し、空気電極によって酸化ガス流路を覆い、前記一
対の側壁に空気電極を接合させている。そして、導電性
の隔壁が、平板状本体と空気電極とに対して結合されて
いる。これにより、空気電極から隔壁を通る電流経路が
発生するので、空気電極を膜と平行に流れる距離が格段
に短縮される。この結果、特に空気電極内における内部
抵抗が低減されるので、単電池出力が向上する。しか
も、一対の側壁以外に隔壁が平板状の電池素子に対して
接合されており、かつ隔壁も緻密な材料で形成されてい
るので、従来の平板型SOFCにくらべて、単電池の構造強
度が飛躍的に向上し、スタックとしての信頼性も高まっ
た。

【図面の簡単な説明】

【図１】単電池1Aを幅方向に切って見た断面図である。

【図２】セパレータ5Aの斜視図である。

【図３】電池素子部分を燃料電極２側から見た平面図で
ある。

【図４】電池素子部分を空気電極4A側から見た平面図で
ある。

【図５】空気電極4Aとセパレータ5Aとを接合する前の状
態を示す断面図である。

【図６】単電池1Aの閉塞端部の周辺を示す断面図であ
る。

【図７】発電装置の一部分を単電池の長さ方向に切って
見た一部断面図である。

【図８】図７の発電装置の一部分を単電池の幅方向に切
って見た断面図である。

【図９】他の単電池1Bを幅方向に切って見た断面図であ
る。

【図１０】セパレータ5Cを示す斜視図である。

【図１１】単電池1Cをその長さ方向に切って見た断面図
である。

【図１２】他の発電装置の一部分を、単電池1Cの長さ方
向に切って見た一部断面図である。

【図１３】通気性の断熱材26をセパレータ5Cの酸化ガス
流路内に充填した状態を示す斜視図である。

【図１４】セパレータ5Dを示す斜視図である。

【符号の説明】

1A, 1B, 1C 単電池２燃料電極３，23 固体電解質 4A, 4B 空気電極 4a 空気電極の幅方向側面 4b 縁部側の側面 5A, 5B, 5C, 5D セパレータ 5a 平板状本体 4c, 5b, 5d, 5e, 5f 導電性の隔壁 5c 縁部側隔壁 5g セパレータの側壁の外壁面 5h 一対の側壁６，6A, 6B 酸化ガス流路８開口９酸化ガス供給管 10, 30 缶 11, 12, 14, 33, 34 気密性の隔壁 13 緩衝材 15, 38 酸化ガス室 16, 39 燃焼室 17, 40 発電室 18, 37 燃料ガス室 21A, 21B 耐熱導電体 24 予熱領域 25 発電領域 26 通気性の断熱材 A, B, C, D, L, M, N 酸化ガスの流れ E, F, G, I, J, K 燃料ガスの流れ H, P 燃焼排ガスの流れ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】緻密質の電子伝導体からなり、平面四辺
形状の平板状本体の幅方向縁部の表面に一対の側壁を備
えているセパレータ；このセパレータの前記側壁に接合
された空気電極；この空気電極の表面と幅方向側面とを
覆い、かつ前記セパレータの側壁の外壁面の一部を覆
う、緻密質の固体電解質；及びこの固体電解質の表面に
設けられた燃料電極を有し、前記平板状本体と前記一対
の側壁と前記空気電極とによって囲まれた空間に導電性
の隔壁が設けられ、酸化ガス流路が形成され、前記隔壁
が前記平板状本体と前記空気電極とに対して結合されて
いる、固体電解質型燃料電池の単電池。
【請求項２】前記電子伝導体が電子伝導性セラミック
スである、請求項１記載の固体電解質型燃料電池の単電
池。
【請求項３】前記固体電解質の厚さが10μm 以上、50
0 μm 以下である、請求項１記載の固体電解質型燃料電
池の単電池。
【請求項４】前記固体電解質の平面形状が長方形であ
り、その短辺の長さに対する長辺の長さの比が２倍以上
である、請求項１記載の固体電解質型燃料電池の単電
池。
【請求項５】前記酸化ガス流路が前記長辺と平行に延
びるように形成され、前記酸化ガス流路をその幅方向に
切ってみた断面積が0.01〜２cm²である、請求項４記載
の固体電解質型燃料電池の単電池。
【請求項６】前記セパレータの長さ方向の一方の縁部
に縁部側隔壁が形成され、これにより前記酸化ガス流路
の一端が閉塞され、この酸化ガス流路の他端が開口し、
前記縁部側隔壁と前記空気電極とが接し、この空気電極
の前記一方の縁部側の側面と前記縁部側隔壁の外壁面の
一部とが前記固体電解質によって覆われている、請求項
１記載の固体電解質型燃料電池の単電池。
【請求項７】前記セパレータの長さ方向の両端におい
て、前記酸化ガス流路が開口し、このセパレータの長さ
方向の両端の間で前記酸化ガス流路が導通している、請
求項１記載の固体電解質型燃料電池の単電池。
【請求項８】前記酸化ガス流路が略直線状であり、前
記セパレータの長さ方向の一端から他端へと互いに平行
に延びている、請求項７記載の固体電解質型燃料電池の
単電池。
【請求項９】単電池のうち発電部分においては略直線
状の酸化ガス流路が互いに平行に形成されており、単電
池のうち酸化ガスを予熱するための予熱部分においては
酸化ガス流路が平面的にみて屈曲している、請求項７記
載の固体電解質型燃料電池の単電池。
【請求項１０】請求項１記載の単電池が複数個互いに
所定間隔を置いて配列され、この際複数個の単電池の燃
料電極及び開口の向きがほぼ同じになるように配列さ
れ、隣り合う単電池の燃料電極とセパレータとが気体の
流通を妨げない構造の耐熱導電体によって直列接続さ
れ、隣り合う単電池のセパレータ同士が気体の流通を妨
げない構造の耐熱導電体によって並列接続され、単電池
の酸化ガス流路内に酸化ガスを供給すると共に前記発電
室内に燃料ガスを供給できるように構成された発電装
置。
【請求項１１】前記耐熱導電体が、ニッケル製のフェ
ルト状物質又はニッケル製のスポンジ状物質からなる、
請求項10記載の発電装置。
【請求項１２】発電装置内に少なくとも燃料ガス室と
発電室と燃焼室と酸化ガス室とが設けられ、請求項６記
載の単電池が複数個互いに所定間隔を置いて配列され、
この際複数個の単電池の燃料電極及び開口の向きがほぼ
同じになるように配列され、隣り合う単電池の燃料電極
とセパレータとが気体の流通を妨げない構造の耐熱導電
体によって直列接続され、隣り合う単電池のセパレータ
同士が気体の流通を妨げない構造の耐熱導電体によって
並列接続され、前記発電室と前記燃焼室とを区分する隔
壁に設けられた単電池挿通孔に各単電池の開口端側が挿
入され、各単電池と前記隔壁との間に緩衝材が設けら
れ、各単電池の開口から前記酸化ガス流路内に酸化ガス
供給管が挿入され、前記酸化ガス室内の酸化ガスが前記
酸化ガス供給管及び前記酸化ガス流路を通過して前記燃
焼室へ流れるように構成され、前記燃料ガス室内の燃料
ガスが前記発電室及び前記単電池挿通孔を通過して前記
燃焼室へ流れるように構成された、発電装置。
【請求項１３】発電装置内に少なくとも燃料ガス室と
酸化ガス室と発電室と燃焼室とが設けられ、前記発電室
が発電領域と予熱領域とに区分され、請求項７記載の単
電池が前記発電室に複数個互いに所定間隔を置いて配列
され、この際複数個の単電池の燃料電極及び開口の向き
がほぼ同じになるように配列され、前記発電領域で隣り
合う単電池の燃料電極とセパレータとが気体の流通を妨
げない構造の耐熱導電体によって直列接続され、前記発
電領域で隣り合う単電池のセパレータ同士が気体の流通
を妨げない構造の耐熱導電体によって並列接続され、前
記予熱領域において隣り合う単電池間に気体の流通を妨
げない構造の断熱材が充填され、前記酸化ガス室と前記
予熱領域とが気密性隔壁によって区分され、この気密性
隔壁と各単電池との間が気密にシールされ、前記燃料ガ
ス室内の燃料ガスが前記予熱領域及び前記発電領域を通
過して前記燃焼室へと流れるように構成され、前記酸化
ガス室内の酸化ガスが前記酸化ガス流路を通って前記燃
焼室へと流れるように構成されている、発電装置。
【請求項１４】前記気密性隔壁と前記単電池との間の
気密シールが、100℃〜500 ℃の温度範囲で行われるよ
うに構成されている、請求項13記載の発電装置。