JPH06188022A - 固体電解質型燃料電池 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】本発明は、発電膜全面にわたって略均一に反応
させることを可能にしえることを主要な目的とする。 【構成】両面にカソードとアノードとを夫々形成した固
体電解質と、この固体電解質のカソード側，アノード側
に夫々配置された支持層と、前記カソード，固体電解
質，アノード及び支持層をカソード側，アノード側から
挟むインタコネクタとを有する一体積層型の電池本体(1
0)と、前記電池本体の一方の面に並列に取り付けられた
カソード側ガス排出マニホールド(22)及びアノード側ガ
ス投入マニホールド(23)と、前記電池本体の他方の面に
前記カソード側ガス排出マニホールド及びアノード側ガ
ス投入マニホールドに夫々対向して並列に取り付けられ
たアノード側ガス排出マニホールド(24)及びカソード側
ガス投入マニホールド(25)とを具備し、前記電池本体を
構成する各層のガス出入口が上記各マニホールドに連通
されていることを特徴とする固体電解質型燃料電池。

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に
関し、特にガス投入・排出に改良を施した固体電解質型
燃料電池に関する。

【０００２】

【従来の技術】固体電解質型燃料電池（以下、ＳＯＦＣ
と呼ぶ）は大きく別けて円筒型と平板型に区分けされ、
後者の平板型にはモノシリックやプレーナ，一体積層型
と種々のものが知られている。図６は、一体積層型のＳ
ＯＦＣの斜視図を示す。

【０００３】図中の符号１は固体電解質で、上下面にア
ノード（燃料極）２とカソード（酸素極もしくは空気
極）３を夫々密着させた積層体となっている。この積層
体上には、両側をシール部材４ａ，４ｂでかつ上部をイ
ンタコネクタ５ａで囲まれたアノード側支持層６が配置
されている。一方、前記積層体下には、両側をシール部
材７ａ，７ｂでかつ下部をインタコネクタ５ｂで囲まれ
たカソード側支持層８が配置されている。なお、これら
の構成を電池本体10と呼ぶ。

【０００４】前記積層体で燃料と酸素を反応させること
により電子を発生させるが、前記燃料や酸素は前記シー
ル部材，アノード側支持層及びカソード側支持層より導
かれる。ＳＯＦＣの大容量化を図る場合は、上記のよう
な構成のものが数十段・数百段と積み重ねられる。

【０００５】このようにスタック化された平板型ＳＯＦ
Ｃのガスの流れの代表的なものは、図７（Ａ），（Ｂ）
に示す通りである。ここで、図７（Ａ）は平面図、図７
（Ｂ）は図７（Ａ）のＸ−Ｘ線に沿う断面図を示す。図
に示すように、前記電池本体10の４つの側壁面に、燃料
及び空気（酸素）を投入・排出するためのマニホールド
11，12，13，14が取り付けられている。前記マニホール
ド11，12にはガスの投入口15，16が夫々設けられ、残り
のマニホールド13，14には排出口17，18が夫々設けられ
ている。

【０００６】そして、カソード側よりのガスは投入口15
からマニホールド11，電池本体10，マニホールド13を通
り、排出口17へ至る。一方、アノード側のガスは、カソ
ード側のガスと直交するようにして、投入口16，マニホ
ールド12，電池本体10，マニホールド14を通り、排出口
18へ至る。つまり、アノード側のガスは、このカソード
側のガス流れの上もしくは下を直交するように流れる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】このように、電池本体
10に対してカソード，アノード夫々の出入口のマニホー
ルドは対面して設けられていることから、発電膜である
積層体を境として夫々のガスは直交して流れる為、ガス
の反応が最初に交じわった所を中心に反応効率が高くな
り、発電膜全体に均一な反応とはなかなかなり得ないの
が現状である。これはまた、本反応が発熱反応であるが
故、熱応力分布も偏在する結果を招き、長期間使用の為
の信頼性の観点から好ましくない現象と言える。また、
夫々のガスは直交している為、マニホールドを電池本体
に図示した通り四方に設ける必要があり、電池本体を複
数個併列して設ける場合、コンパクト化の観点からも好
ましくない。

【０００８】ところで、平板型のＳＯＦＣにおいては、
前述の通り発電膜を境にアノード側・カソード側ガスが
交互に流されることとなる。従って、従来よりも変換効
率・発電膜の熱分布やコンパクト化の観点から対向流と
することが求められていたものの、発電膜が多段化され
た電池本体はアノード・カソード夫々の入口（排出口）
が交互に配置されている。このため、ガス流れを対向流
とするとき、一層一層にガス投入（排出）管を設ける必
要が生じ、それは製作上あるいはシール性等の信頼性か
ら見て、１０００℃という高温で反応するＳＯＦＣにあ
っては、実現困難とされていた。

【０００９】本発明は上記事情を鑑みてなされたもの
で、ガス投入（排出）口を一層，一層の単位で見る考え
を排し、面の左右（横置きタイプにあっては上下）を分
割するという思考を取り入れ、これにより同一面側に異
なる反応ガスの出入口を設けることを可能とし、併せガ
スの出入口を２面に減少させ得ることで電池本体を隣り
合わせることも可能となり、モジュール化の際のコンパ
クト化も実現できる固体電解質型燃料電池を提供するこ
とを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明では、電池本体の
ガス流れを対向流となり得るよう、ガスの出入口は電池
本体の２面のみを用いることとする。このことから、電
池を堅置きとする場合は面に対して、左右にカソード用
とアノード用のマニホールドを設ける。このとき、一方
の面をカソード側ガス排出マニホールドとアノード側投
入マニホールドを並列して設けるとするならば、対向す
る相手面には夫々アノード側ガス排出マニホールドとカ
ソード側ガス排出マニホールドを取り付ける。即ち、

【００１１】本発明は、両面にカソードとアノードとを
夫々形成した固体電解質と、この固体電解質のカソード
側，アノード側に夫々配置された支持層と、前記カソー
ド，固体電解質，アノード及び支持層をカソード側，ア
ノード側から挟むインタコネクタとを有する一体積層型
の電池本体と、前記電池本体の一方の面に並列に取り付
けられたカソード側ガス排出マニホールド及びアノード
側ガス投入マニホールドと、

【００１２】前記電池本体の他方の面に前記カソード側
ガス排出マニホールド及びアノード側ガス投入マニホー
ルドに夫々対向して並列に取り付けられたアノード側ガ
ス排出マニホールド及びカソード側ガス投入マニホール
ドとを具備し、前記電池本体を構成する各層のガス出入
口が上記各マニホールドに連通されていることを特徴と
する固体電解質型燃料電池である。

【００１３】

【作用】本発明においては、マニホールドに合わせて電
池本体のガス入口・排出口が設けられている。このこと
は、前記手段で述べた通りカソード側とアノード側の夫
々のガスは出入口が左右に反対に取り付けらていること
により、満偏なく発電膜上を分散して流れる。

【００１４】そして、同発電膜を介して、夫々のガスが
対向して流れることにより、発電膜全面に亘って、より
均一なガスを反応させることができ、反応効率が増すと
共に、発熱反応による発電膜の温度分布不均一も少なく
なる。

【００１５】

【実施例】以下、この発明の一実施例に係るＳＯＦＣを
図１（Ａ），（Ｂ）、図２（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）、図
３及び図４を参照して説明する。ここで、図１（Ａ）は
この実施例に係るＳＯＦＣの要部の平面図、図１（Ｂ）
は図１（Ａ）のＸ−Ｘ線に係る縦断面図、図２（Ａ）は
前記ＳＯＦＣの略平面図、図２（Ｂ）は図２（Ａ）を一
方の側面から見た側面図、図２（Ｃ）は図２（Ａ）を他
方の側面から見た側面図、図３は前記ＳＯＦＣ内のカソ
ード側ガス流路の水平断面図、図４は前記ＳＯＦＣ内の
アノード側ガス流路の水平断面図を示す。

【００１６】図中の符号21は燃料電池を示し、その電池
本体10の構成は前述した図６と同じような構成になって
いる。前記電池本体21の一方の側壁面には、カソード側
ガス排出マニホールド22とアノード側ガス投入マニホー
ルド23とが互いに並列に取り付けられている。前記カソ
ード側ガス排出マニホールド22，アノード側ガス投入マ
ニホールド23には、夫々カソード側ガスマニホールド排
出口22ａ，アノード側ガスマニホールド投入口23ａが設
けられている。

【００１７】前記電池本体21の他方の側壁面には、アノ
ード側ガス排出マニホールド24及びカソード側ガス投入
マニホールド25が、前記カソード側ガス排出マニホール
ド22，アノード側ガス投入マニホールド23に夫々対向し
て並列に取り付けられている。前記アノード側ガス排出
マニホールド24，カソード側ガス投入マニホールド25に
は、夫々アノード側ガスマニホールド排出口24ａ，カソ
ード側ガスマニホールド投入口25ａが設けられている。
なお、図２（Ｂ）中の矢印はカソード側ガス流れを示
す。

【００１８】図２に示すように、前記カソード側ガス排
出マニホールド22に対して複数のカソード側ガス排出口
26が開口し、アノード側ガス投入マニホールド23に対し
て複数のアノード側ガス投入口27が夫々開口されてい
る。同様に、前記アノード側ガス排出マニホールド24に
対してアノード側ガス排出口28が開口し、前記カソード
側ガス投入マニホールド25に対してカソード側ガス投入
口29が夫々開口されている。

【００１９】前記電池本体10の内部から見た構成は、カ
ソード側が図３、アノード側が図４の如くなっている。
図３は、上記したように電池本体10内のカソード側ガス
流路を水平断面で示したもので、発電部31側の上面に端
部シール部32ａ，32ｂが取り付けられ、前記カソード側
ガス投入口29，カソード側ガス排出口26以外にガスの流
入，排出が行われないようになっている。

【００２０】同様に、図４のアノード側も、発電部31側
の上面に端部シール部32ｃ，32ｄが取り付けられ、前記
アノード側ガス排出口28，アノード側ガス投入口27以外
にガスの流入，排出を行われないようにしている。

【００２１】上記実施例に係るＳＯＦＣによれば、固体
電解質１の上下面にアノード２とカソード３を夫々密着
させた積層体等からなる電池本体10と、この電池本体10
の一方の側壁面に互いに並列に取り付けられたカソード
側ガス排出マニホールド22及びアノード側ガス投入マニ
ホールド23と、前記電池本体10の他方の側壁面に前記カ
ソード側ガス排出マニホールド22，アノード側ガス投入
マニホールド23に夫々対向して並列に取り付けられたア
ノード側ガス排出マニホールド24及びカソード側ガス投
入マニホールド25とを具備し、かつ前記カソード側ガス
排出マニホールド22に対して複数のカソード側ガス排出
口26が開口し、アノード側ガス投入マニホールド23に対
して複数のアノード側ガス投入口27が開口し、前記アノ
ード側ガス排出マニホールド24に対してアノード側ガス
排出口28が開口し、カソード側ガス投入マニホールド25
に対してカソード側ガス投入口29が夫々開口された構成
になっている。従って、カソード側電池内部のガス流れ
は図３の矢印のようになり、アノード側電池内部のガス
の流れは図４の矢印のようになって、発電膜上を満偏な
く一方へ流れ、カソードとアノード夫々のガス流れを対
向させることができるため、発電膜全面に亘って略均一
に反応させることができる。また、図１に示した通り、
マニホールドは２面のみに取り付けられる為、他の面に
密接して別の電池本体10´を設置することが可能であ
る。

【００２２】なお、本発明に係る固体電解質型燃料電池
は、上記実施例のようにガス排出側マニホールドの中に
ガス投入用マニホールドを内蔵するようにしたものもの
に限らず、この他、例えば図５に示す構造のものでもよ
い。つまり、図５は、電池本体21にカソード側ガス投入
マニホールド51を覆うようにアノード側ガス排出マニホ
ールド52を配すと共に、これと対向してアノード側ガス
投入マニホールド53を覆うようにカソード側ガス排出マ
ニホールド54を配置する構成のものである。

【００２３】これにより、発熱反応により温度上昇した
排出ガスを投入ガスと熱交換することができ、投入ガス
の温度上昇させるための予熱器等の負担を軽くすること
ができる。なお、このときカソード側及びアノード側の
夫々のガス投入マニホールド51，53の位置は真中寄りに
あってもよい。これらの配置は、夫々のガス流れに対し
てアノード側支持層６，カソード側支持層７の形状変更
等により適宜配置が選択され、設計されることとなる。

【００２４】

【発明の効果】以上詳述した如く本発明によれば、発電
膜を境としてカソード側とアノード側の夫々の反応させ
るためのガスをほぼ対向して流がせる為、発電膜全面に
亘ってほぼ均一に反応させることができ、またマニホー
ルドを電池本体に対して２面に設けるようにしたことに
より、他の２面に密接して他の電池を配置でき、モジュ
ールしたときもコンパクト化を図ることができる固体電
解質型燃料電池を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係るＳＯＦＣの説明図であ
り、図１（Ａ）は同ＳＯＦＣの要部の平面図、図１
（Ｂ）は図１（Ａ）のＸ−Ｘ線に係る縦断面図。

【図２】本発明の一実施例に係るＳＯＦＣの説明図であ
り、図２（Ａ）は前記ＳＯＦＣの略平面図、図２（Ｂ）
は図２（Ａ）を一方の側面から見た側面図、図２（Ｃ）
は図２（Ａ）を他方の側面から見た側面図。

【図３】前記ＳＯＦＣ内のカソード側ガス流路の水平断
面図。

【図４】前記ＳＯＦＣ内のアノード側ガス流路の水平断
面図。

【図５】本発明の他の実施例に係る燃料電池の概略平面
図。

【図６】一体積層型の電池本体の概略斜視図。

【図７】スタック化された平板型ＳＯＦＣの説明図であ
り、図７（Ａ）は平面図、図７（Ｂ）は図７（Ａ）のＸ
−Ｘ線に沿う断面図。

【符号の説明】

１…固体電解質、 ２…アノード、 ３…カソ
ード、４ａ，４ｂ，７ａ，７ｂ…シール部材、 ５
ａ，５ｂ…インタコネクタ、６…アノード側支持層、
８…カソード側支持層、22…カソー
ド側ガス排出マニホールド、23，53…アノード側ガス投
入マニホールド、24，52…アノード側ガス排出マニホー
ルド、25，51…カソード側ガス投入マニホールド、 26
…カソード側ガス排出口、27…アノード側ガス投入口、
28…アノード側ガス排出口、29…カソ
ード側ガス投入口、 31…発電部。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 両面にカソードとアノードとを夫々形成
   した固体電解質と、この固体電解質のカソード側，アノ
   ード側に夫々配置された支持層と、前記カソード，固体
   電解質，アノード及び支持層をカソード側，アノード側
   から挟むインタコネクタとを有する一体積層型の電池本
   体と、 前記電池本体の一方の面に並列に取り付けられたカソー
   ド側ガス排出マニホールド及びアノード側ガス投入マニ
   ホールドと、 前記電池本体の他方の面に前記カソード側ガス排出マニ
   ホールド及びアノード側ガス投入マニホールドに夫々対
   向して並列に取り付けられたアノード側ガス排出マニホ
   ールド及びカソード側ガス投入マニホールドとを具備
   し、 前記電池本体を構成する各層のガス出入口が上記各マニ
   ホールドに連通されていることを特徴とする固体電解質
   型燃料電池。