JPH0562695A - 平板状固体電解質燃料電池 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 平板状固体電解質燃料電池において、単セル
内の温度分布を均一化して耐久性の向上を図るととも
に、燃料改質及びガス予熱機能をセルスタック構造内部
に設けて小形化と長寿命化を図る。 【構成】 つば形状を有する電解質１を挟んで酸素極２
と燃料極３が形成されてなるフレーム付き単セル４と、
インタコネクタ６または５，７とが交互に並んだ集合体
上部の開口部をガス供給口及びガス排出口とする。この
上部から、内壁部に燃料の改質触媒層１５を有する燃料
ガス供給管８と、酸素ガス供給管９とを、それぞれ単セ
ル４内部に挿入する。その上部において排出ガスを燃焼
させ、ガス供給管８，９への加温室とする。また、各ガ
ス供給管８，９のセル底部部分に開口部１６を設け、ガ
ス流路がセル底部で折り返される構造とする。これによ
り、単セル４全体の温度分布を均一化する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、平板状の固体電解質燃
料電池のセルスタック構造に係り、特にガス供給管内包
セル構造，ガスシール構造及び排ガス燃焼室を有した小
形・高発電効率の平板状固体電解質燃料電池に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】固体電解質燃料電池は、電解質が固体で
あるため、電解液の管理が不要であるほか、動作温度が
１０００℃と高温であるため、発電効率が高く、熱エネ
ルギーの回収効率の向上が期待できるなど、数々の利点
を有している。ところが、動作温度が高いことは、メリ
ットだけでなく、構成材料の熱膨張係数の違いによるク
ラックなどが発生し易く、寿命が短いという問題があ
る。この問題を解決するために、電極材，電解質材料の
研究のほかに、セル構造につていも検討が進められてお
り、円筒型，平板型などが提案されている。

【０００３】図８は、従来例の一つとして、特開昭６４
−４１１７２号公報で説明されている従来の平板型の固
体電解質燃料電池の構造図である。図において、１，
１′はＹｔを固溶させたＺｒＯ₂（ＹＳＺ）からなる、
例えば、厚さ１００μｍの固体電解質、２，２′はＬａ
（Ｓｒ）ＭｎＯ₃からなる、例えば、厚さ１５０μｍの
酸素極、３，３′はＮｉ−ＺｒＯ₂サーメットからなる
多孔質の燃料極であり、これらより発電部（電圧発生
部）が構成されている。また、６ａ，６ａ′は酸素ガス
通路を形成するための波型インタコネクタ、６ｂ，６
ｂ′は燃料ガス通路を形成するための波型インタコネク
タ、６ｃ，６ｃ′は両ガスを完全に分離するための緻密
性の平板状インタコネクタである。発電部１，２，３と
１′，２′，３′は、波型インタコネクタ６ａ，６
ａ′，６ｂ，６ｂ′およびインタコネクタ６ｃ，６ｃ′
により電気的に直列に接続される。図８では発電部が２
つしか記載されていないが、実際は多数の発電部が直列
に接続され、スタックが形成される。また、空気および
燃料ガスはあらかじめ予熱器を経て、その流れは発電部
に対して直交して流れている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来の技術による平板状固体電解質燃料電池では、
次のような問題点があった。

【０００５】まず、燃料電池本体の問題点としては、固
体電解質の厚みが１００μｍと薄膜なため、ぜい弱で積
層に耐えないこと、ならびに燃料ガスおよび酸素ガスが
単セルとインタコネクタ間からリークするのを防止する
完全なシール方法がないということがある。また、燃料
ガスおよび酸素ガスが直交しているために、発電部やイ
ンタコネクタなどの温度が均一にならず、その結果熱歪
みによる変形が生じ、甚だしい場合には発電部，インタ
コネクタにクラックなどが入り、寿命が短くなる問題が
ある。これは、燃料電池の発電反応が発熱反応であるた
めに、ガスの入口部分では温度が低く、ガスの出口部分
では温度が高くなることに起因している。すなわち、燃
料ガスと空気の流路が直交しているため、例えば発電部
電極平板の四隅のうち一隅の温度上昇が他の隅に比べ
て、大きくなる。この結果、同一平面で温度上昇が大き
い部分と少ない部分が発生するために、各材質の熱膨張
係数などを一致させても、同一平面での個所によって熱
膨張の程度が異なり、甚だしい場合には電極などにクラ
ックが発生することになる。このため、図８に示すよう
な従来構造では、高温時での長期運転中にセル破損のお
それが生じること、及び、ガスリークによる発電効率が
低くなることの問題点があった。

【０００６】一方、発電セル以外のガス予熱器及び燃料
ガスの改質装置が燃料電池本体よりも大きくなり、燃料
電池の小形化をはばんでいるという問題点もあった。

【０００７】改質装置の問題点に関しては、燃料ガスを
直接燃料極へ供給し燃料極面上で水素を作るための改質
反応を発電反応と同時に進行させる内部改質型燃料電池
にする方法がある。しかし、この燃料電池は改質装置が
不要なため、従来に比べてコンパクトな燃料電池発電シ
ステムを実現できる利点がある半面、燃料の改質により
炭素析出反応が起こるため、燃料極の寿命を短くし、電
池寿命が低下するという問題点が存在している。

【０００８】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、その目的はセル内の温度分布を十分
に均一化して耐久性の向上を図るとともに、燃料改質及
び予熱機能をセルスタック構造内部に設計して小形で長
寿命な平板状固体電解質燃料電池を提供することにあ
る。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明の平板状固体電解質燃料電池の第１の構成に
おいては、燃料極，電解質，酸素極からなる平板状単セ
ルと、このような単セル間を電気的につなぐ平板状イン
タコネクタとを縦向き姿勢でかつ左右に並ぶ状態に付設
した固体電解質燃料電池であって、前記電解質及び前記
インタコネクタの形状が、その底部と側部の端部が厚く
なっているつば形状を有し、その上面はガス供給・排出
の開口部を有しており、それらが交互に並んで構成され
る外壁部が非導電性高粘度融体で満たされた外容器に収
納され、さらにガス供給管を内包し、該ガス供給・排出
の開口部から該ガス供給管をセル内部に挿入し、該ガス
供給管のセル底部部分から電極表面にガス供給可能な開
口部を形成したことを特徴とする。

【００１０】また、同じく本発明の第２の構成では、上
記第１の構成において、前記ガス供給・排出の開口部上
部で排出ガスを燃焼させ、この開口部をガス供給管への
加温室としている。

【００１１】さらに、本発明の第３の構成では、上記第
２の構成において、前記燃料極へのガス供給管がその内
壁部に燃焼ガス改質層を有するものとしている。

【００１２】

【作用】本発明の平板状固体電解質燃料電池は、単セル
とインタコネクタとが交互に並んだ集合体上部の開口部
をガス供給口及びガス排出口とし、ガス流路が底部で折
り返される構造とすることにより、ガス供給管の温度分
布をガス導入口の開口部よりセル底部に向かって高くな
るようにし、単セルの温度分布をセル底部よりガス排出
口の開口部に向かって高くなるようにしている。そのた
めに、セル内部でガス流路の折り返しのない従来構造と
比較して、単セル全体の温度分布が均一化される。この
ことによって、単セルの不均一温度に起因する単セルの
変形・亀裂の発生を防止する。さらに、単セルとインタ
コネクタとが交互に並んだ集合体単セルを外壁部を、非
導電性高粘度融体を満たした外容器に収納することによ
り、単セルの上下及び左右方向の応力歪を開放または吸
収し、亀裂の発生を防止する。また、もし単セルの変形
によりガスリークが生じる状況が生じても、スタック外
壁部が非導電性高粘度融体によりガスシールされる。

【００１３】また、開口部上部での排出ガスの水素ガス
と酸素ガスを燃焼させることにより、生成する燃焼熱を
供給ガスの加温／保温に使用可能にし、新たな加温室の
設置を不要又は縮小できるようにする。

【００１４】さらに、燃料ガス供給管の内壁に燃料ガス
を改質する触媒層を設置することにより、改質装置を不
要とし、小形化と燃料極の炭素析出による劣化の防止の
両方を達成する。

【００１５】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細
に説明する。

【００１６】図１はこの発明の第１の実施例に係るガス
供給管内包セルスタック断面図で、図２はスタック構成
要素の分解斜視図、図３はセルスタック斜視図、図４は
セルスタック平面図、図５は燃料ガス供給管の外観斜視
図である。

【００１７】本実施例を構成する要素として、各図中の
１は電解質、２は酸素極、３は燃料極、４は単セル、５
はインタコネクタ（スタック左端部）、６はインタコネ
クタ（スタック中間部）、７はインタコネクタ（スタッ
ク右端部）、８は燃料ガス供給管、９は酸素ガス供給
管、１０は外容器、１１はセラミックガイド、１２は上
部ガラスシール部、１３はフェルト状導電体、１４は側
壁部ガラスシール部、１５は改質触媒層、１６は開口部
である。

【００１８】本実施例では、電解質１，酸素極２，燃料
極３からなる平板状の単セル４と平板状のインタコネク
タ６とが縦向き姿勢で左右に並ぶ状態に交互に集合さ
れ、その両側はインタコネクタ５とインタコネクタ７で
挟まれる。電解質１は、その側部と底部の端部が厚くな
っているつば形状を有し、単セル４の上面から見た電解
質１の形状は、図２，図３に示すごとくＨ形状になって
おり、上側が開かれたフレーム付単セルを構成してい
る。

【００１９】電解質１の材料は、イットリア（Ｙ₂Ｏ₃）
で安定化されたジルコニア（ＺｒＯ₂）で、ガス不透過
性の緻密体である。酸素極２はＬａ（Ｓｒ）ＭｎＯ₃か
らなる多孔体、燃料極３はＮｉとＺｒＯ₂のサーメット
の多孔体である。インタコネクタ５，６，７はＬａＣｒ
Ｏ₃からなるガス不透過性の緻密体である。単セル４と
インタコネクタ５，６，７の集合体は、外容器１０に収
納され、単セル４とインタコネクタ５，６，７で構成さ
れる外壁部と外容器１０の間には、非導電性ガラス融体
で満たされた側壁部ガラスシール部１４が形成され、単
セル４とインタコネクタ５，６，７の接触界面からのガ
スリークを防止している。単セル４とインタコネクタ
５，６，７は、セル上部面で固定されていないために、
上下方向の熱膨張変化による応力歪が開放され、熱破損
を防止されている。また、図では省略してあるが、スタ
ック外壁部と外容器１０の間にある側壁部ガラスシール
部１４にさらに無機繊維ファイバをスペーサとして介在
させることにより、左右方向の熱膨張変化に対する外容
器１０との発生応力をより一層吸収できるように構成し
てある。

【００２０】単セル４とインタコネクタ５，６，７とで
構成される空間には、燃料極３側において燃料ガス供給
管８が、酸素極２側において酸素ガス供給管９が、それ
ぞれ設置されており、一例で示す底部の開口部１６より
各ガスが各電極面上に供給される。酸素ガス供給管９は
燃料ガス供給管８（図５）の改質触媒層１５がない構造
となっている。各ガス供給管は外容器１０上部にあるセ
ラミックガイド１１を通してセルスタック内部に抜差し
自在に挿入され、外容器１０は上部と下部に分離可能と
なっており、その間のガスシールは非導電性ガラス融体
を用いた上部ガラスシール部１２によってなされる。

【００２１】各ガス供給管８，９を通過する供給ガスは
セルスタック底部に向かって暖められ、約１０００℃に
暖められた供給ガスはさらに単セル４上部に向かって発
電反応による発熱量により暖められるが、その発熱量は
ガス供給管８，９の供給ガスを暖めるのに使用され、セ
ルスタック全体の温度分布の均一化が図れるように構成
されている。さらに、セルスタック上部で排出ガスの燃
料ガスと酸素ガスの燃焼熱がガス供給管８，９に供給さ
れるガスを加温するように構成してある。

【００２２】燃料ガス供給管８は、メタン，エタン，プ
ロパン等の燃料ガスを水素ガスに改質できるように、内
壁部に改質触媒層１５（図５）を設けたアルミナ又はジ
ルコニア等の耐熱性セラミック管から成る。改質触媒層
１５はアルミナ又はジルコニア等の耐熱性セラミックに
燃料の水蒸気改質反応に対し、活性のあるロジウム（Ｒ
ｈ），ルテニウム（Ｒｕ），ニッケル（Ｎｉ），白金
（Ｐｔ）の８族遷移金属又は酸化バリウム（ＢａＯ）を
含有させたものから成る。改質反応は吸熱反応のため
に、セルスタック上部での燃焼熱及びセル発電反応によ
る反応熱は改質反応を促進させる供給熱として使用され
る。

【００２３】さらに、インタコネクタ５，６，７と単セ
ル４との間には、電気的接続が得られるようにフェルト
状導電体１３を設けてある。フェルト状導電体１３の材
料としては、酸素極２側では耐熱性，耐酸化性に優れた
ＬａＭｎＯ₃やＮｉ基合金やＣｏ基合金やＰｔのフェル
ト状材、その他適当なもの、燃料極３側では還元に対す
る耐食性に優れたＮｉのフェルト状材、その他適当なも
のから成る。

【００２４】次に、本発明の第２の実施例を説明する。
図６に溝付インタコネクタ５′，６′，７′と単セル４
とから構成される本発明のスタック構成要素の分解斜視
図を、図７にそのセルスタック平面図を示す。本実施例
は、単セル４間の電気的接合を、フェルト状導電体１３
を用いずに、溝付インタコネクタ５′（スタック左端
部），６′（スタック中間部），７′（スタック右端
部）を用いて行う以外は、前記実施例と同じ構成になっ
ている。

【００２５】本実施例では、平板状の単セル４と平板状
の溝付インタコネクタ６′とが縦向きに交互に並べら
れ、スタック左端部には溝付インタコネクタ５′が、ス
タック右端部には溝付インタコネクタ７′がそれぞれ配
置され、側壁部ガラスシール部１４が形成された外容器
１０に収められる。セルスタック外壁部と外容器１０と
の間にはガラスシール部１４が介在し、燃料ガス及び酸
素ガスのガスリークを防止して発電効率を向上させてい
る。

【００２６】本実施例では、溝付インタコネクタ５′，
６′，７′の突状部により単セル４間の電気的接続が保
持されている。従って、本実施例では、フェルト状導電
体１３が不要となり、フェルト状導電体１３を挿入する
工程を省けるため組立性が容易となる。

【００２７】溝付インタコネクタ５′，６′，７′の溝
部に沿ってガス供給管８，９が挿入され、セルスタック
底部より、酸素ガス及び燃料ガスはそれぞれ単セル４の
酸素極２，燃料極３に供給される。そのことにより、前
記実施例と同様にセルスタック全体の温度分布の均一化
が図れ、セルスタックの変形破損を防止し得る。また、
燃料ガス供給管８は、前記実施例と同様に内壁部に改質
触媒層１５を設けてあり、燃料極での改質に伴う劣化を
防止できるようにしてある。

【００２８】なお、改質された燃料ガスの開口部１６の
形状は、図５に示された四角形状である必要はなく、丸
形状でもだ円形でも任意の形状でよい。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。

【００２９】

【発明の効果】以上の説明で明らかなように、本発明の
平板状固体電解質燃料電池によれば、ガス供給口とガス
排出口が同じ開口部に位置し、ガス流路がセルスタック
底部で折り返される構造によりセルスタックの温度分布
を均一化できるため、さらには、セルスタックの上下左
右の応力歪を吸収できる構造のため、セルスタックの変
形・破損を防止することができる。

【００３０】また、請求項２の発明によれば、特に外部
のガス与熱室を不要もしくは縮小することができ、小形
化に寄与する。

【００３１】さらに、請求項３の発明は、特にセルスタ
ック内の挿入される燃料ガス供給管の内壁部に燃料ガス
改質層を設けてあるため、燃料極では主に発電反応が起
こり、内部燃料改質に伴う燃料極の劣化を抑制し、長寿
命化を実現出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例を示すガス供給管内包セ
ルスタック断面図

【図２】上記第１の実施例のスタック構成要素の分解斜
視図

【図３】上記第１の実施例のセルスタック斜視図

【図４】上記第１の実施例のセルスタック平面図

【図５】上記第１の実施例の燃料ガス供給管の外観斜視
図

【図６】本発明の第２実施例を示すスタック構成要素の
分解斜視図

【図７】上記第２の実施例のセルスタック平面図

【図８】従来例を示す平板型の固体電解質燃料電池構造
図

【符号の説明】

１…電解質、２…酸素極、３…燃料極、４…単セル、５
…インタコネクタ（スタック左端部）、５′…溝付イン
タコネクタ（スタック左端部）、６…インタコネクタ
（スタック中間部）、６′…溝付インタコネクタ（スタ
ック中間部）、７…インタコネクタ（スタック右端
部）、７′…溝付インタコネクタ（スタック右端部）、
８…燃料ガス供給管、９…酸素ガス供給管、１０…外容
器、１１…セラミックガイド、１２…上部ガラスシール
部、１３…フェルト状導電体、１４…側壁部ガラスシー
ル部、１５…改質触媒層、１６…開口部。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃料極，電解質，酸素極からなる平板状
   単セルと、このような単セル間を電気的につなぐ平板状
   インタコネクタとを縦向き姿勢でかつ左右に並ぶ状態に
   付設した固体電解質燃料電池であって、 前記電解質及び前記インタコネクタの形状が、その底部
   と側部の端部が厚くなっているつば形状を有し、その上
   面はガス供給・排出の開口部を有しており、それらが交
   互に並んで構成される外壁部が非導電性高粘度融体で満
   たされた外容器に収納され、さらにガス供給管を内包
   し、該ガス供給・排出の開口部から該ガス供給管をセル
   内部に挿入し、該ガス供給管のセル底部部分から電極表
   面にガス供給可能な開口部を形成したことを特徴とする
   平板状固体電解質燃料電池。
2. 【請求項２】 前記ガス供給・排出の開口部上部で排出
   ガスを燃焼させ、この開口部をガス供給管への加温室と
   したことを特徴とする請求項１記載の平板状固体電解質
   燃料電池。
3. 【請求項３】 前記燃料極へのガス供給管がその内壁部
   に燃焼ガス改質層を有することを特徴とする請求項２記
   載の平板状固体電解質燃料電池。