JPH07296831A - 固体電解質燃料電池 - Google Patents

固体電解質燃料電池

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JPH07296831A
JPH07296831A JP6089293A JP8929394A JPH07296831A JP H07296831 A JPH07296831 A JP H07296831A JP 6089293 A JP6089293 A JP 6089293A JP 8929394 A JP8929394 A JP 8929394A JP H07296831 A JPH07296831 A JP H07296831A
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JP
Japan
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fuel
electrode
air
separator
solid electrolyte
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Withdrawn
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JP6089293A
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English (en)
Inventor
Yuichi Hishinuma
祐一 菱沼
Yoshio Matsuzaki
良雄 松崎
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Tokyo Gas Co Ltd
Original Assignee
Tokyo Gas Co Ltd
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Publication date
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    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

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  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【目的】 燃料ガスと空気の混合を完全に防止し、長期
間にわたり安定的に運転できる固体電解質燃料電池を提
供すること。 【構成】 固体電解質層4を挟むように燃料極5と空気
極6を配置してなる平板状単電池3と、空気極に電気的
に接続され該空気極に酸化剤ガスを分配する外部マニホ
ールド方式の構造を単電池の空気極側に備え且つ燃料極
に電気的に接続され該燃料極に燃料ガスを分配する内部
マニホールド方式の構造を単電池の燃料極側に備えたセ
パレータ1とを交互に積層して構成する。

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燃料電池に関
する。
【0002】
【従来の技術】最近、酸素と水素をそれぞれ、酸化剤お
よび燃料として、燃料が本来持っている化学エネルギー
を直接電気エネルギーに変換する燃料電池が、省資源、
環境保護などの観点から注目されている。
【0003】イットリアなどをドープしたジルコニアを
電解質層として用い、ランタンクロマイト酸化物等をセ
パレータとして用いた固体電解質燃料電池は、作動温度
が高く、発電効率が高く、高温の廃熱の利用により総合
効率が高いので、研究開発が進んでいる。
【0004】固体電解質燃料電池は固体電解質層を挟む
ように燃料極と空気極を配置してなる平板状単電池と、
隣接する単電池を電気的に直列に接続しかつ各単電池に
燃料ガスと酸化剤ガスとを分配するセパレータとを交互
に積層して複層のスタック(積層電池)として構成され
たものである。単電池に燃料ガスと酸化剤ガスを分配す
る構造がそれぞれセパレータの両面に配置されている。
このガス分配構造には外部マニホールド型と内部マニホ
ールド型の2種類があり、それらを有する固体電解質燃
料電池をそれぞれ外部マニホールド型固体電解質燃料電
池または内部マニホールド型固体電解質燃料電池と称し
ている。
【0005】内部マニホールド型固体電解質燃料電池は
セパレータが酸化剤ガスたとえば空気および燃料ガスの
給排気、分配および電気的接続の機能を兼ね備える一体
型の構造である。そのため、セパレータの辺部にガスの
給排気の孔が開けられ、この孔から単電池の電極面にガ
スが給排気され、さらに、電極面の隅々にガスを均等に
分配するため、および、隣あう単電池を直列に接続する
ため電極面に溝と突起が施されている。単電池の固体電
解質層の周縁にガス給排気の孔が開けられ、単電池とセ
パレータを積層する過程でこの孔を縦方向に連結し、ス
タック内部にそれぞれのガス給排気通路を形成してい
る。スタック内で燃料と空気が混合しないようにするた
め、単電池とセパレータとのシール面にシール剤を挟む
方法があるが適当な材料が見つからず、シール剤として
セラミック接着剤を使用する方法があるが、セラミック
接着剤で完全に接着すると、各構成材料の熱膨張の差に
より接着部に歪を生じ、単電池の固体電解質層に割れを
起こすとともに、複数回のサーマルサイクル中に接着剤
の劣化によりガス漏れ発生の原因となる。また、シール
剤をシリカ系ガラスを用いる方法があるが、シール剤中
のシリカ成分が長期運転中に蒸発し、低温部に付着、堆
積し、電極の劣化を引き起こす欠点がある。そこで、メ
カニカルシール法として単電池の燃料極側に対面するセ
パレータの表面の周縁部と単電池の固体電解質層の周縁
部との間に密封状態にジルコニア又は耐熱性金属のスペ
ーサを介在させる方法が開発された。しかし、燃料の給
排気孔と空気の給排気孔とが隣接しているためクロスリ
ークしやすい欠点がある。
【0006】外部マニホールド型固体電解質燃料電池は
空気および燃料ガスを供給するため、その外周に空気用
外部マニホールドと燃料ガス用外部マニホールドを設け
る型式である。この外部マニホールド型固体電解質燃料
電池ではスタックのコーナー部がマニホールドチューブ
と接触する。このコーナー接触部で空気および燃料ガス
が互いに漏れて混合し燃焼して電池反応が低下する。そ
こで、このコーナー接触部に棒状ガラスを介在させ溶融
状態にしてシールを行う方法、セメント系接着剤により
外部マニホールドをスタックに接着する方法、ガラス系
接着剤を結晶化させる方法等が開発されたがSiO成分
の蒸発による電極の被害や耐熱サイクル性に問題があっ
た。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】このような燃料ガスと
空気の混合を防止する従来の方法は完全でなく、燃料電
池の効率が低下するのはもちろん、混合により燃焼して
局部的に温度上昇を生じ、熱応力分布が不均一となり、
スタックの寿命を短縮させる原因となっている。本発明
は上述の点に鑑みてなされたもので、燃料ガスと空気の
混合を完全に防止し、長期間にわたり安定的に運転でき
る固体電解質燃料電池を提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明の固体電解質燃料電池は固体電解質層を挟む
ように燃料極と空気極を配置してなる平板状単電池と、
空気極に電気的に接続され該空気極に酸化剤ガスを分配
する外部マニホールド方式の構造を単電池の空気極側に
備え且つ燃料極に電気的に接続され該燃料極に燃料ガス
を分配する内部マニホールド方式の構造を単電池の燃料
極側に備えたセパレータとを交互に積層して構成される
ことを特徴とする。
【0009】
【作用】本発明の固体電解質燃料電池に使用するセパレ
ータはその片面に空気極に電気的に接続され該空気極に
酸化剤ガスを分配する外部マニホールド方式の構造を備
え、且つその反対面に燃料極に電気的に接続され該燃料
極に燃料ガスを分配する内部マニホールド方式の構造を
備えることにより、両ガスの給排方式を変えたので、酸
化剤ガスと燃料ガスは隔離されて、その混合を阻止され
ている。
【0010】
【実施例】以下、本発明を図面に基づいて説明する。
【0011】図1は本発明の固体電解質燃料電池の断面
図、図2は本発明の固体電解質燃料電池に使用されるセ
パレータの斜め上方から見た斜視図、図3は本発明の固
体電解質燃料電池に使用されるセパレータの斜め下方か
ら見た斜視図である。
【0012】本発明の固体電解質型燃料電池は、平板状
単電池3とセパレータ1を交互に積層してスタックとし
て組み立てられたものである。単電池3は固体電解質層
4を挟むように燃料極5としてNi/YSZサーメット
を、空気極6として(La、Sr)MnO3 をスクリー
ン印刷などによりコーティングしたものを配置したもの
である。固体電解質層4はイットリアなどをドープした
ジルコニア焼結体(YSZ)で造られる。固体電解質層
4の対角線方向の2隅にガスの給排気孔が開けられてい
る。このガス給排気孔は後述するセパレータ1の2隅の
給排気孔1aすなわち貫通孔1aの大きさおよび配置と
同一である。
【0013】セパレータ1は単電池3の燃料極5と空気
極6にそれぞれ使用される燃料ガスと酸化剤ガスを分離
してそれらのクロスリークを防止する作用と、単電池3
同志を電気的に直列に接続する作用を有するものであ
る。セパレータ1はNiやNi基合金等で造った耐熱性
金属板11と、導電性酸化物板12とを重ね合わせた複
合体として構成され、耐熱性金属板11を燃料極5の側
に使用し、導電性酸化物板12を空気極6の側に使用す
る。耐熱性金属板11の上面は中央の一部が凹んで平ら
な底面を持ったポケット部11cとなり、このポケット
部11cに集電部としての導電性酸化物板12が矢印F
方向に嵌め込まれている。嵌め込んだとき、耐熱性金属
板11のポケット部11cの平らな底面と導電性酸化物
板12の平らな下面が重ね合わされて接合界面となる。
【0014】耐熱性金属板11はほぼ矩形状をなし、対
角線方向の2隅に燃料ガスの給排気孔1aが開けられ、
さらに、単電池3の電極5面全体に燃料ガスを均等に分
配するため、および、隣合う単電池3を直列に接続する
ため電極5面に複数列の燃料ガス流通溝11aと突起1
1bが施されている。燃料ガス流通溝11aはセパレー
タ1の長手方向に形成されている(図3参照)。突起1
1bは燃料電池を組立てたとき、単電池3の燃料極5に
接触して電気的に導通し発電部を形成するようになって
いる。溝11aは耐熱性金属板11の表面に形成されて
いるへこみ11fを通じて左右2個の対角線方向の燃料
ガスの給排気孔1aに連通している(図3参照)。換言
すれば、燃料ガスの分配構造は内部マニホールド型であ
る。したがって、燃料極に電気的に接続され該燃料極に
燃料ガスを分配する内部マニホールド方式の構造とは燃
料ガスの給排気孔1a、燃料ガス流通溝11a、突起1
1bおよびへこみ11fを総称したものである。また、
耐熱性金属板11の表面の周縁部11dは単電池3の固
体電解質層4やスペーサ2と重なるシール面となる(図
1参照)。燃料ガスはセパレータ1に矢印B1方向に供
給され、矢印B2方向に排出される。
【0015】導電性酸化物板12はほぼ正方形をなし、
たとえばストロンチゥムドープランタンクロマイトを加
圧成型し空気中で焼成して得たものであり、上面に酸化
剤ガスたとえば空気の流通溝12aと突起12bを備
え、下面は扁平面である。空気の流通溝12aと突起1
2bはセパレータ1の幅方向(長手方向軸線に対し横方
向)に端部から端部まで形成され、空気の分配を直接ス
タックの外部から行う外部マニホールド型である。空気
極に電気的に接続され該空気極に酸化剤ガス(空気)を
分配する外部マニホールド方式の構造とは空気の流通溝
12aと突起12bを総称したものである。酸化剤ガス
はセパレータ1に矢印A1方向に供給され、矢印A2方
向に排出される。
【0016】セパレータ1と固体電解質層4との間にス
ペーサ2が挿入されている。スペーサ2は厚さ数百ミク
ロンのジルコニア等のセラミックまたは金属板で作ら
れ、その2隅に燃料ガスの給排気孔が開けられている。
この給排気孔はセパレータ1の給排気孔1aと同一の大
きさと配置を有する。
【0017】上記実施例ではセパレータ1を耐熱性金属
板11と導電性酸化物板12からなる複合構造とし、耐
熱性金属板11に設ける空気流通溝11aと導電性酸化
物板12に設ける燃料ガス流通溝12aを直交させてい
るので、空気と燃料ガスの給排気孔の位置を確実に隔離
させることができ、両者の混合を一層防止することがで
きる。
【0018】上記実施例において、セパレータ1は耐熱
性金属板11と、導電性酸化物板12とを重ね合わせた
複合セパレータとして説明したが、セパレータ1を複合
式にせず単一体に作った場合も同様に本発明を実施する
ことができる。
【0019】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、空
気極に電気的に接続され該空気極に酸化剤ガスを分配す
る構造を外部マニホールド方式の構造に形成して空気極
側のセパレータ面に設け、且つ燃料極に電気的に接続さ
れ該燃料極に燃料ガスを分配する構造を内部マニホール
ド方式の構造に形成して燃料極側のセパレータ面に設
け、燃料電池に燃料ガスと空気を供給し排出する位置を
別方式にして隔離したので、次のような極めて優れた効
果が得られる。 (1)容易に内部、外部複合マニホールド構造の固体電
解質燃料電池を得ることができる。 (2)従来のマニホールドや外部マニホールドの単独方
式と比較して燃料ガスと酸化剤ガスがよく分離されてい
るため、両ガスが混合して燃焼するおそれが減少し、燃
料の利用率が向上し且つ長期間にわたり安定的に運転で
きる固体電解質燃料電池を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の固体電解質燃料電池の断面図である。
【図2】本発明の固体電解質燃料電池に使用されるセパ
レータの斜め上方から見た斜視図である。
【図3】本発明の固体電解質燃料電池に使用されるセパ
レータの斜め下方から見た斜視図である。
【符号の説明】
1 セパレータ 1a 貫通孔 2 スペーサ 3 単電池 4 固体電解質層 5 燃料極 6 空気極 11 耐熱性金属板 11a 燃料ガス流通溝 11b 突起 11d 周縁部 11f へこみ 12 導電性酸化物板 12a 酸化剤ガス流通溝 12b 突起

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 固体電解質層を挟むように燃料極と空気
    極を配置してなる平板状単電池と、空気極に電気的に接
    続され該空気極に酸化剤ガスを分配する外部マニホール
    ド方式の構造を単電池の空気極側に備え且つ燃料極に電
    気的に接続され該燃料極に燃料ガスを分配する内部マニ
    ホールド方式の構造を単電池の燃料極側に備えたセパレ
    ータとを交互に積層して構成されることを特徴とする固
    体電解質燃料電池。
  2. 【請求項2】 前記セパレータを耐熱性金属板と導電性
    酸化物板からなる複合構造とし、耐熱性金属板に設ける
    空気流通溝と導電性酸化物板に設ける燃料ガス流通溝を
    直交させたことを特徴とする請求項1に記載の固体電解
    質燃料電池。
JP6089293A 1994-04-27 1994-04-27 固体電解質燃料電池 Withdrawn JPH07296831A (ja)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006518538A (ja) * 2003-02-20 2006-08-10 ベバスト・アクチィエンゲゼルシャフト 燃料電池スタック

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006518538A (ja) * 2003-02-20 2006-08-10 ベバスト・アクチィエンゲゼルシャフト 燃料電池スタック
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