JPH0589895A

JPH0589895A - 固体電解質型燃料電池

Info

Publication number: JPH0589895A
Application number: JP3249934A
Authority: JP
Inventors: Nobuhiko Kususe; ▲のぶ▼彦楠瀬
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 1991-09-30
Filing date: 1991-09-30
Publication date: 1993-04-09

Abstract

(57)【要約】【目的】割れとガスリークがなく電流容量の大きな固体
電解質型燃料電池を得る。【構成】単電池と、セパレータ板と、マニホールドとを
有し、単電池は平板状の固体電解質体をカソードとアノ
ードの両電極が挟持してなり、セパレータ板は前記両電
極に燃料ガスと酸化剤ガスの両反応ガスを分離して供給
するもので前記単電池と交互に積層されてセルスタック
を形成し、マニホールドは積層された前記単電池とセパ
レータ板の中央部に形成され、積層された前記単電池と
セパレータ板の間の第一の積層面に形成された第一の反
応ガス流路を介して前記電極の一つに第一の反応ガスを
供給するものであり、この際前記単電池とセパレータ板
の間の第二の積層面に形成された第二の反応ガス流路を
介して第二の反応ガスが前記電極と異なる他の電極にセ
ルスタックの外部より供給されるものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は固体電解質型燃料電池
の構造に係り、特に平板型の固体電解質型燃料電池の反
応ガス供給用のマニホールドに関する。

【０００２】

【従来の技術】ジルコニア等の酸化物固体電解質を用い
る燃料電池は、作動温度が８００〜１１００℃と高温で
あるために発電効率が高く、触媒が不要であるといった
長所があり、電解質が固体であるため取扱いや保守が容
易であるとされ第三世代の燃料電池として期待されてい
る。しかし、一方では運転温度が高いために使用可能な
材料に制約がある、といった問題を内包している。固体
電解質型燃料電池の構造としては、大きく分けて円筒型
と平板型の２つのタイプがある。平板型には図９に示し
たように固電解質体２の両面にカソード３及びアノード
19を形成した単電池18と、反応ガス通路を形成したリブ
付セパレータ板17とを順次積み重ねて電池を構成してい
く自立膜方式と、第10図に示したように電極材料やセパ
レータ材料で製作した電池基材21及びセパレータ基材４
の表面に固体電解質体２やセパレータ層５或いは電極層
20を形成して電極／電解質結合体６及びセパレータ板７
を作り、これを順次積み重ねて電池を構成していく支持
膜方式とが採用されている。

【０００３】平板型においては単電池への反応ガス供給
法として、リン酸型や溶融炭酸塩型等、従来の燃料電池
で採用されている外部マニホールド方式が一般的であ
り、特に自立膜方式では、その傾向が強い。また、その
変形例として例えば特開平１−２７９５７６号公報に開
示されているように電池スタックの周囲に設置した容器
を外部マニホールドとして利用するといった方法もえら
れている。その他の反応ガス供給法としては、単電池或
いは電極／電解質結合体及びセパレータ板の中央部に燃
料及び酸化剤の２種類の反応ガス供給用マニホールドを
設けた、例えば特開平２−１６８５６８号公報や特開平
２−３０４８７０号公報記載の電池のような内部マニホ
ールド方式が考えられている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】内部マニホールド方
式、例えば特開平２−１６８５６８号公報記載のものの
ように中央部に複数の反応ガス供給用のマニホールドを
設けている構造では、マニホールド穴間に応力が集中し
て割れが発生する確率が高い。またマニホールド穴間に
は何らかのガスシールが必要になるが、ガスシールの施
工不良によりマニホールド穴間で反応ガスが混合するこ
ともある。これらが原因で反応ガスが入口側で混合・燃
焼して消費されると開回路電圧の低下や電池内部での部
分的なガス欠などを生じ、電池性能や寿命を低下させる
原因となる。これらの問題点について従来、例えば特開
平２−３０４８７０号公報記載の発明のような解決案が
考えられている。この発明では中央部に大きな穴を設
け、その穴部に２種類の反応ガス供給用のトンネルを有
するパイプを設置することにより、マニホ−ルド穴間の
割れやガスシールの不備に起因して発生する反応ガス混
合の危険性を避けられるとしている。確かに、この発明
によればマニホールド穴間での反応ガスの混合は２つの
反応ガス用のトンネル間を予めち密化することにより避
けられるが、依然としてパイプとパイプが設置されてい
る穴との僅かな隙間に２種類の反応ガスが流れ込む可能
性があり、結局はこの部分でマニホールド間の反応ガス
の混合が発生し電池性能を低下させるという危険性を取
り除くことはできない。さらに、このような構造ではパ
イプと周囲の電池構成部材との熱膨張係数が完全に一致
させないと両者の熱膨張の違いで応力が発生し、部材の
変形や破損を生じるという問題もあるため解決策とはな
り得ない。

【０００５】また、従来の内部マニホールド方式の構造
では、少なくとも２種類の反応ガス供給用のマニホール
ドに相当する部分は電池反応に寄与せず、その分だけ有
効電極面積が減少してしまう。電極面積の減少は、特に
大面積化が困難だと言われている自立膜方式にとって大
きな問題となっている。これらの問題をまとめて整理す
ると、内部マニホールド方式ではマニホールド間の反応
ガスの混合とマニホールドによる有効電極面積の減少が
解決すべき課題として残されている。一方、従来の外部
マニホールド方式では、電池スタックの端面に反応ガス
供給用のマニホールドが取りつけられているが、高温
（1000℃近傍) でこのマニホールドをどのようにして押
さえつけるかが大きな課題となっている。マニホールド
の電池スタックとの接触部には反応ガスの漏れを防ぐた
めにガスシールが施されており、一般にはセラミクスシ
ートやセラミクスクロス或いはこれらの部材にガラス等
を浸透させたものを設置してガスシールを行っている。
このようなシール構造では、マニホールドは電池スタッ
クに対して常に各部とも均一な力で押しつけられている
必要がある。実験室規模の実験では電気炉の外部からネ
ジ等を用いて締付けることも可能であるが、実用規模の
大きなマニホールドを均一に外部から押さえつけるのに
はかなりの困難が伴う。また、電池スタックの熱膨張と
マニホールドの熱膨張を一致させる必要もあり、さらに
は両部材の伸び縮みに締付け機構を追従させるといった
必要も生じる。

【０００６】これらの問題を解決するために例えば特開
平１−２７９５７６号公報記載の発明のように電池スタ
ックの周囲に設置した容器を外部マニホールドとして利
用するといった方法が考案されている。この考案によれ
ば、マニホールドを電池スタックに押しつける機構は不
要となり装置の簡素化が行える。しかし、この方式では
単位となる電池スタックごとに外部にマニホールド兼用
の容器を設置する必要があり、複数の電池スタックをま
とめて１つの発電装置を構成することを考えた場合に
は、この容器分のスペースは全く無駄となる。これらの
問題点をまとめると、外部マニホールド方式ではマニホ
ールドの均一な締付けやマニホールドと電池スタックと
の熱膨張の一致、或いは装置の大きさが解決すべき課題
として残されている。この発明は上述の点に鑑みてなさ
れ、その目的とするところはマニホールドの構成に改良
を加えることにより割れとガスリークがないうえに電流
容量に優れる固体電解質型燃料電池を提供することにあ
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】単電池と、セパレータ板
と、マニホールドとを有し、単電池は平板状の固体電解
質体をカソードとアノードの両電極が挟持してなり、セ
パレータ板は前記両電極に燃料ガスと酸化剤ガスの両反
応ガスを分離して供給するもので前記単電池と交互に積
層されてセルスタックを形成し、マニホールドは積層さ
れた前記単電池とセパレータ板の中央部に形成され、積
層された前記単電池とセパレータ板の間の第一の積層面
に形成された第一の反応ガス流路を介して前記電極の一
つに第一の反応ガスを供給するものであり、この際前記
単電池とセパレータ板の間の第二の積層面に形成された
第二の反応ガス流路を介して第二の反応ガスが前記電極
と異なる他の電極にセルスタックの外部より供給される
ものであるとすることにより達成される。

【０００８】

【作用】セルスタックの中央部には反応ガス用のマニホ
ールドが１つしか設けられていないために、従来の構造
で問題になっていた２つのマニホールド間の割れやマニ
ホールド間でのガスリークを根本的に回避することが可
能となる。また、中央に設置したマニホールドに燃料ガ
スを供給することにより、マニホールドの断面積は酸化
剤ガスを供給する場合と比較して大幅に縮小することが
可能となり、内部マニホールド方式としては有効電極面
積を最大にすることが可能となる。

【０００９】

【実施例】図１は本発明の実施例の１つで、反応ガス流
路を設けたアノード基材１はアノードの材料であるニッ
ケル−ジルコニアをプレス成型後に焼結させて得てい
る。このアノード基材１の片面には電解質２及びカソー
ド３が形成されており、これらをまとめて電極／電解質
結合体６と呼んでいる。このアノード基材１の中央部に
は燃料ガス供給用のマニホールド８が設けられていて、
反応に用いられる燃料ガスはこのマニホールド８からガ
ス流路を通って電池各部に供給される。そして反応によ
り生成した水蒸気と少量の余剰燃料は最外周に設けられ
た出口スリット15から電池外部に排出される。一方、酸
化剤ガス用のガス流路を設けたセパレータ基材４の片面
にはセパレータ層５が形成されており、これらをまとめ
てセパレータ板７と呼んでいる。セパレータ基材４はカ
ソードの材料であるランタンマンガナイト（LaMnO₃）か
らできており、セパレータ層５にはランタンクロマイト
が用いられる。セパレータ板７の中央部にも燃料ガス供
給用のマニホールド８が設けられており、電池反応に用
いられる燃料ガスがこの内部を流通している。酸化剤ガ
スはセルの外部からセパレータ基材４の片面のガス流路
に流れ込んで電池の反応及び冷却に使用される。

【００１０】実際のスタックは電極／電解質結合体６と
セパレータ板７とを交互に複数枚積層して構成される。
図２は図１に示した電極／電解質結合体６とセパレータ
板７とを交互に複数枚積層して構成した積層スタック10
の断面図である。積層スタック10の中央部には各部材を
貫通して燃料ガス供給用のマニホールド８が設置され、
この内部を燃料ガスが流通している。燃料ガスはマニホ
ールド８から各電極／電解質結合体６のガス流路へと分
配される。ここで、カソード３及びセパレータ板７のマ
ニホールド８に面した部分には、燃料ガスが侵入しない
ようにガス不透過層９が形成されている。このガス不透
過層９はアルミナケイ酸ガラスやソーダライムガラス等
を含浸するか、ジルコニアやランタンクロマイト或いは
アルミナをプラズマ溶射して形成している。

【００１１】図３は本発明の実施例で、図２に示したよ
うに本発明により得られた電極／電解質結合体６とセパ
レータ板７から構成された積層スタック10を複数個組み
合わせた発電ユニットの構成例である。複数の積層スタ
ック10は、断熱材11及び耐熱金属或いはセラミクス等か
ら構成されている函体12の内部に設置される。函体12の
内部には積層スタック10の他に酸化剤ガス供給口13及び
図示していない反応ガス排出口16、さらには酸化剤ガス
の偏りを防止して各積層スタック10に均等に酸化剤ガス
を供給するための仕切り板14が設置される。酸化剤ガス
は酸化剤ガス供給口13より函体12の内部に供給された後
に、各積層スタック10の酸化剤導入スリットから電池内
部へと流れ込む。電池内部では電池反応により一部が消
費されると共に、反応により発生した熱を受け取り酸化
剤排出スリットより再び函体12の内部に流れ出す。さら
に余剰の燃料ガス及び反応により生成した水蒸気と共に
反応ガス排出口16から系外に排出される。

【００１２】なお、各積層スタック10への燃料ガスの供
給は図示されていない配管により、各スタックの底部か
ら行われる。図４は図３に示したような複数の積層スタ
ック10からなる発電ユニットの他の実施例の平面図であ
る。この例では４つの積層スタック10により作られる中
央の隙間に酸化剤ガス供給口13を設け、ここから各スタ
ック及び各セルに対して酸化剤ガスが供給する。また、
函体12と積層スタック10との隙間に反応ガス排出口16を
設けている。これらの隙間を有効に活用することにより
発電ユニットの面積・体積を縮小することを可能として
いる。この例においては、燃料ガスは各積層スタック10
の中央部のマニホールド８から各セルに供給されて反応
に使用された後、余剰の燃料ガスは生成した水蒸気と共
に出口スリット15から函体12の内部に排出される。一
方、酸化剤ガス供給口13より函体12の内部に供給された
酸化剤ガスは、積層スタック10を構成している図示して
いないセパレータ板７に設けられている導入スリットか
ら各セルに導入される。各セルに導入された酸化剤ガス
は反応及び冷却に使用された後、排出スリットから函体
12に戻る。

【００１３】函体12内部では、燃料ガスの余剰分及び生
成した水蒸気と酸化剤ガスが混合し、共に反応ガス排出
口16より外部へと排出される。図５は本発明の異なる実
施例であり、電解質２の両側にはカソード３とアノード
19が形成され、これら３つが一体となって単電池18を構
成している。単電池18の中央部に設けられたマニホール
ド８の内部には燃料ガスが流れる。リブ付セパレータ板
17の両面にはそれぞれガス流路が設けられており、燃料
ガスはリブ付セパレータ板17の中心部からガス流路の溝
に沿って最外周の出口スリット15まで流通し、この間に
大部分は反応により消費され代わりに水蒸気が発生す
る。発生した水蒸気は少量の余剰燃料と共に出口スリッ
ト15より外部に排出される。一方の酸化剤ガスは、この
リブ付セパレータ板17の裏面に設けられているガス流路
に沿って流れることによりカソード反応や冷却に使用さ
れる。図６は図４に示した実施例の単電池18とリブ付セ
パレータ板17とを交互に複数枚積層して構成した積層ス
タック10の断面図である。中央部には各部材を貫通する
かたちで燃料ガス供給用のマニホールド８が設置され、
この内部を燃料ガスが流通しマニホールド８からリブ付
セパレータ板17の片面に設けられている燃料ガス流路へ
と分配される。この場合にはカソード３のマニホールド
８に面した部分には、燃料ガスが侵入しないようにガス
不透過層９が形成されている。

【００１４】図７は第１図の異なる実施例でアノード基
材１の平面図である。反応に用いられる燃料ガスはマニ
ホールド８より電池内に流れ込み、ガス流路を通って出
口スリット15Ａ, 15Ｂ及び15Ｃより排出される。なお最
外周には酸化剤ガスの侵入を防ぐためにガス不透過層９
が形成されている。図８は第１図の異なる実施例でセパ
レータ板７の平面図である。セパレータ板７の中央部に
は燃料ガス用のマニホールド８が設置されており、この
内部を燃料ガスが流れる。一方のセパレータ板７の表面
に設けられた多数の突起により形成された空間には酸化
剤ガスが流通する。このような突起を全面にわたりほぼ
均等に設けることにより酸化剤ガスが全面均等に流通可
能となり、濃度分極を低く抑えて高い出力を得ることが
できる。さらにカソードとの接触面積を多く保つことが
可能となって、接触部の抵抗に起因する特性の低下を抑
えることができる。さらに、全面ほぼ均一な加工を施す
ことにより部分的な強度の低下やそれに起因して発生す
る割れを防止するといった効果もある。

【００１５】

【発明の効果】この発明によれば、単電池と、セパレー
タ板と、マニホールドとを有し、単電池は平板状の固体
電解質体をカソードとアノードの両電極が挟持してな
り、セパレータ板は前記両電極に燃料ガスと酸化剤ガス
の両反応ガスを分離して供給するもので前記単電池と交
互に積層されてセルスタックを形成し、マニホールドは
積層された前記単電池とセパレータ板の中央部に形成さ
れ、積層された前記単電池とセパレータ板の間の第一の
積層面に形成された第一の反応ガス流路を介して前記電
極の一つに第一の反応ガスを供給するものであり、この
際前記単電池とセパレータ板の間の第二の積層面に形成
された第二の反応ガス流路を介して第二の反応ガスが前
記電極と異なる他の電極にセルスタックの外部より供給
されるものであるので、次のような効果が得られる。

【００１６】中央部にマニホールドを１つだけ設け、そ
こに燃料ガスを流すことにより生じるメリットの１つの
例として、以下のような条件で電池スタックを設計した
場合のマニホールド面積を計算して比較を行う。電池の
有効電極面積を500cm²とし、これを50セル積層したスタ
ックを仮定する。計算にあたっては運転条件として、運
転温度及び供給ガス温度は1000℃で燃料ガス組成はH₂:C
O₂=80:20, 酸化剤ガスは Airとし、ガスの利用率はUf=8
0%,Uox=20%とした。また気体の体積膨張は気体の状態方
程式に従うと仮定し、マニホールド入口での線速度が10
m/ｓとなるようにマニホールドの断面積を算出した。定
格電流密度 500mA/cm²で運転する場合に必要となるマニ
ホールドの断面積は下表のとおりである。比較のために
従来方式（パイプの中に２つの反応ガス供給用マニホー
ルドを設ける方式）での面積を同時に示した。

【００１７】

【表１】

【００１８】この条件では燃料ガスだけを内部マニホー
ルド方式にすることによりマニホールド面積を10.6cm²
と、酸化剤ガスを内部マニホールド方式にした場合の１
／８に抑えることができる。そして内部マニホールドの
設置に伴う電極有効面積の減少を従来の1/10に減少させ
られることと、マニホールド間での反応ガスの混合を避
けられることを併せた本発明の有利性が明らとなる。燃
料ガスのみを内部マニホールドにより供給すると酸化剤
ガスの供給方法が問題となる。本発明においては酸化剤
ガスの供給は従来のマニホールド方式とは異なる方法に
より供給することを特徴とする。即ち、各電池スタック
毎にマニホールドを設けるのではなく、電池スタックを
１つ以上設置可能な函体を作製し、この函体内部に電池
スタックを設置して函体内を流れる酸化剤ガスを電池ス
タックに導入して反応及び冷却に使用する。これにより
外部マニホールドは不要となり、締付けやセル本体とマ
ニホールドとの熱膨張の違いを懸念する必要もなくな
る。また本発明では複数の電池スタックを函体内に設置
して運転することが可能であり、これにより電池スタッ
ク毎にマニホールド兼用の容器を不要とし体積及び部品
の削減が可能となる。このような構造を採用する場合に
電池の外部、即ち函体内を通流させるガスを燃料ガスと
すると、利用率を80％程度に保ちながら、ガス欠を生じ
ないように各セルに等配を行うのは非常に困難である。
しかし、酸化剤ガスの場合には電池の冷却ガスを兼ねる
ために利用率は通常10〜20％程度と低く、この程度の利
用率であれば、厳密に等配ができていなくとも、各セル
に反応に必要なガスを供給することは可能であり、ガス
欠によるセルの損傷を生じる心配はない。よってスタッ
クの外部のガスを酸化剤ガスとすることにより、本発明
のような外部に通流させたガスの一部をセル内に導入し
て用いる方法でも、特性や寿命を損なわずにセルの運転
を行うことが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施例に係る固体電解質型燃料電池
を示す分解斜視図

【図２】この発明の実施例に係る固体電解質型燃料電池
を示す断面図

【図３】この発明の実施例に係る固体電解質型燃料電池
のセルスタックと函体を示す破断斜視図

【図４】この発明の実施例に係る固体電解質型燃料電池
のセルスタックと函体を示す要部断面図

【図５】この発明の異なる実施例に係る固体電解質型燃
料電池を示す分解斜視図

【図６】この発明の異なる実施例に係る固体電解質型燃
料電池を示す断面図

【図７】この発明のさらに異なる実施例に係る固体電解
質型燃料電池を示す平面図

【図８】この発明のさらに異なる実施例に係る固体電解
質型燃料電池を示す平面図

【図９】従来の実施例に係る固体電解質型燃料電池を示
す分解斜視図

【図１０】従来の実施例に係る固体電解質型燃料電池を
示す分解斜視図

【符号の説明】

１アノード基材２固体電解質体３カソード４セパレータ基材５セパレータ層５単電池７セパレータ板８マニホールド９ガス不透過層１０セルスタック１１断熱壁１２函体１３酸化剤供給口１４仕切り板１５出口スリット１６反応ガス排出口１７リブ付きセパレータ板１８単電池１９アノード２０電極２１電極基材

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】単電池と、セパレータ板と、マニホールド
とを有し、単電池は平板状の固体電解質体をカソードとアノードの
両電極が挟持してなり、セパレータ板は前記両電極に燃料ガスと酸化剤ガスの両
反応ガスを分離して供給するもので前記単電池と交互に
積層されてセルスタックを形成し、マニホールドは積層された前記単電池とセパレータ板の
中央部に形成され、積層された前記単電池とセパレータ
板の間の第一の積層面に形成された第一の反応ガス流路
を介して前記電極の一つに第一の反応ガスを供給するも
のであり、この際前記単電池とセパレータ板の間の第二
の積層面に形成された第二の反応ガス流路を介して第二
の反応ガスが前記電極と異なる他の電極にセルスタック
の外部より供給されるものであることを特徴とする固体
電解質型燃料電池。
【請求項２】請求項１記載の固体電解質型燃料電池にお
いて、単電池はアノード基材上に形成された固体電解質
体とカソードの電池／電解質結合体であることを特徴と
する固体電解質型燃料電池。
【請求項３】請求項１記載の固体電解質型燃料電池にお
いて、第一の反応ガスは燃料ガスであることを特徴とす
る固体電解質型燃料電池。
【請求項４】請求項１記載の固体電解質型燃料電池にお
いて、セルスタックが断熱壁により囲まれ仕切り壁と第
二の反応ガス供給口と第二の反応ガス排出口を有する函
体内に載置されるものであることを特徴とする固体電解
質型燃料電池。