JPH0737595A - 固体電解質型燃料電池 - Google Patents

固体電解質型燃料電池

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JPH0737595A
JPH0737595A JP5179486A JP17948693A JPH0737595A JP H0737595 A JPH0737595 A JP H0737595A JP 5179486 A JP5179486 A JP 5179486A JP 17948693 A JP17948693 A JP 17948693A JP H0737595 A JPH0737595 A JP H0737595A
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fuel cell
oxide fuel
solid oxide
electrode
solid electrolyte
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JP5179486A
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Tomoo Iwata
友夫 岩田
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Fuji Electric Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【目的】出力密度と熱的安定性に優れる固体電解質型燃
料電池を得る。 【構成】カソードであるセル基体１６Ａの一主面上に固
体電解質体１６Ｂと、アノード１６Ｃが、他の主面にセ
パレータ１６Ｄが積層され集合体１６になる。セル基体
１６Ａはランタンマンガナイトからなる多孔質の扁平筐
体で、その内部には酸化剤ガスが同一方向的に通流する
複数の反応ガス通流孔１８が主面に平行に貫通する。前
記集合体１６はスタック筐体１３の隔壁２７を間挿す
る。各集合体はその間に導電性のフェルト１７が介挿さ
れ、前記導電性のフェルトが有する間隙に燃料ガスが流
される。

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
のセル構造に係わり、特に電極／固体電解質体／セパレ
ータ集合体とその支持構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】固体電解質型燃料電池は電解質にジルコ
ニアを用い、1,00０℃近辺の高温で電池を作動させるた
め、高効率、高出力の発電が期待されるうえ燃料の改質
や電解質のメンテナンスも不要とされる。さらに燃料電
池からの排出ガスは高温であるため排熱の利用範囲も広
く、近年その研究開発が加速度的に内外、官民を問わず
進められている。固体電解質型燃料電池は構造的に円筒
型と平板型に大別され、いずれの型も主要材料としてセ
ラミックスが用いられる。
【０００３】図７は従来の円筒型固体電解質型燃料電池
を示し、図７（ａ）は要部拡大斜視図、図７（ｂ）はモ
ジュールを示す斜視図である。これは現在最も実用化に
近いとされるウエスチングハウス社の燃料電池で原理的
には熱膨張が自由で、ガスシールも不要の構造となって
いるのが最も大きな特徴である。図８は従来の円筒型固
体電解質型燃料電池のセルにつき電流の流れ方向を示す
斜視図である。この型のセルは電流が厚さの薄い電極の
面方向に沿って流れるような構造になっていて、電極部
での抵抗損失が大きくセルの出力密度が低くなるという
欠点が指摘されている。
【０００４】図９は従来の平板型固体電解質型燃料電池
を示す分解斜視図である。平板型では、電流がセル平面
を貫通する方向に流れて電流の流路長が前述の円筒型セ
ルの場合よりも短くすることが原理的に可能で、円筒型
に比してその抵抗損失が小さくなり、出力密度が高くな
ることが期待できる。しかし平板型は一般にセルとセパ
レータを重力方向に交互に積層して構成し、しかもマニ
ホルドを積層したセルとセパレータの側面に取り付ける
ため燃料電池の動作時にセルおよびセパレータは荷重に
よる応力および熱応力によって破損するという問題があ
った。またセルとセパレータの間あるいはそれらとマニ
ホルドとの間のガスシールが極めて困難である。
【０００５】図１０は従来の異なる平板型固体電解質型
燃料電池を示す断面図である。これは特開平１−１６９
８７８号公報に開示された燃料電池である。この燃料電
池は空気電極２がセルの基体となっている。この基体は
頂面および複数のガス供給チエンバ３を有する扁平で幅
広の多孔質体である。この燃料電池においては多孔質体
である内部電極の頂面の主要部分を除き、電解質５が接
触する。この電解質５には外側電極である燃料電極８が
接触している。さらに電解質５に覆われていない内部電
極頂面の主要部分をカバーする電子伝導性相互接続材料
６が、さらにこの相互接続材料６の主要部分と接触する
金属繊維フェルトストリップ９が設けられ高温固体電解
質電気化学的電池結合体が構成される。ガス供給チエン
バ３は一端が閉じられており、ガス供給管４がその内部
に挿入されている。反応ガスである空気はガス供給管４
により供給され、途中でリターンしてガス供給管４の外
側を流れて排出される。燃料ガスは電気化学的電池結合
体の外側を流れる。このような電気化学的電池結合体
は、金属繊維フェルトストリップ９を介して相互に電気
的に接続され、温度変化にともない電池結合体内部に発
生した熱応力は自由膨張収縮により緩和される。このと
き空気電極２の内部ではその頂面に垂直な方向が電流の
流路となる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかしながらこのよう
な従来の電気化学的電池結合体にあっては、ガス供給チ
エンバ３内にガス供給管４が位置しているために電気化
学的電池結合体の電流流路を短くすることができず、電
池の内部抵抗が増大して電池の出力密度が小さくなると
いう問題があった。
【０００７】この発明は上述の点に鑑みてなされ、その
目的は熱膨張収縮が自由な電池結合体につきその電流流
路を短くして内部抵抗が小さく、出力密度が大きいうえ
に熱的安定性にも優れる固体電解質型燃料電池を提供す
ることにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上述の目的はこの発明に
よれば、平板型の固体電解質型燃料電池であって、
（１）スタック筐体と、（２）複数の電極／固体電解質
体／セパレータ集合体とを有し、複数の電極／固体電解
質体／セパレータ集合体はスタック筐体を並列的に間挿
し、電極／固体電解質体／セパレータ集合体は、第一の
電極であるセル基体と、固体電解質体と、第二の電極
と、セパレータとからなり、セル基体は多孔質の扁平筐
体で、複数の反応ガス通流孔が扁平筐体の主面に平行に
貫通してその内部には第一の反応ガスが同一方向に通流
するものであり、固体電解質体はセル基体の外表面の一
主面に積層され、第二の電極は前記固体電解質体の上に
積層され、スタック筐体は内部にスタック反応室を備
え、スタック反応室は並列的に配置された電極／固体電
解質体／セパレータ集合体と、その間に介挿された導電
性のフェルトを内蔵し、導電性のフェルトの間隙には第
二の反応ガスが流されるものであるとすることにより達
成される。
【０００９】
【作用】セル基体である扁平筐体の内部に設けられた反
応ガス通流孔は直線的な配列をして扁平筐体を貫通する
ので、筐体の扁平性が高まり電流の流路が短くなる。集
合体はスタック筐体を間挿するとともに集合体間に導電
性フェルトが介挿されるから集合体の熱膨張が自由であ
る。複数第一反応ガスの通流孔内の反応ガス通流方向は
単一方向的で復流しないから、セル基体の温度勾配が小
さくなる。
【００１０】
【実施例】次にこの発明の実施例を図面に基づいて説明
する。図１はこの発明の実施例に係る固体電解質型燃料
電池のモジュールを示す斜視図である。図２はこの発明
の実施例に係る固体電解質型燃料電池モジュールのＡＢ
ＣＤ面切断分解断面図である。
【００１１】図３はこの発明の実施例に係る固体電解質
型燃料電池モジュールのＥＦＧＨ面切断分解断面図であ
る。図４はこの発明の実施例に係る固体電解質型燃料電
池モジュールのＩＪＫＬ面切断面図である。図５はこの
発明の実施例に係る固体電解質型燃料電池モジュールに
つき酸化剤ガスの通流方向を透視的に示す平面図であ
る。
【００１２】図６はこの発明の実施例に係る固体電解質
型燃料電池のセル基体を酸化剤ガスの通流方向とともに
示す斜視図である。モジュールは酸化剤ガス導入マニホ
ルド１１と酸化剤ガス排出マニホルド１２とスタック筐
体１３とスタック筐体１３に内蔵された電極／固体電解
質体／セパレータ集合体１６とからなる。前記両マニホ
ルド１１，１２とスタック筐体１３は載置の関係にあ
る。
【００１３】スタック筐体１３は第一の緩衝ガス室２５
とスタック反応室２３と第二の緩衝ガス室２６に分かれ
る。電極／固体電解質体／セパレータ集合体１６はスタ
ック筐体１３にセル基体固定部品２４を介して吊着され
るとともにスタック筐体１３の隔壁２７を間挿する。
【００１４】電極／固体電解質体／セパレータ集合体１
６はセル基体１６Ａ，固体電解質体１６Ｂ，アノード１
６Ｃ，セパレータ１６Ｄからなる。セル基体１６Ａは扁
平筐体で内部を複数の酸化剤ガス通流孔１８が主面に平
行に並列的に貫通する。セパレータ１６Ｄは扁平筐体の
一つの主面に緻密に積層される。酸化剤ガス通流孔１８
の開孔する二つの副面には被覆層は形成されない。固体
電解質体１６Ｂは前記主面と副面を除く扁平筐体の面に
緻密に積層される。
【００１５】前記集合体１６はスタック反応質２３にお
いて、フェルト１７が介挿される。フェルト１７はニッ
ケル製の多孔質体であり、前記集合体１６間の電気的導
通を図り、多孔質体の間隙には燃料ガスが流れる。前記
集合体１６には酸化剤ガス導入マニホルド１１を介して
酸化剤ガスが供給される。酸化剤ガスは酸化剤ガス通流
孔１８を通流して、酸化剤ガス排出マニホルド１２を介
して排出される。
【００１６】第一の緩衝ガス室２５と第二の緩衝ガス室
２６には燃料排ガスが流される。両緩衝ガス室の圧力は
酸化剤ガスや燃料ガスに対して負圧に設定される。酸化
剤ガス，酸化剤排ガス、燃料ガス，燃料排ガスは前記集
合体１６とスタック筐体１３の隔壁２７の間隙を流れて
両緩衝ガス室に流入するから酸化剤ガスと燃料ガスの組
成変化をシールレスで防止できる。前記集合体１６はセ
ル基体固定部品２４を介して吊着されるから、その熱膨
張収縮は自由であり、熱的に安定な固体電解質型燃料電
池が得られる。
【００１７】前記集合体１６の酸化剤ガス通流孔１８は
セル基体１６Ａを貫通するのでセル基体１６Ａを肉薄に
調製することができ集合体１６の内部抵抗を小さくする
ことができる。また酸化剤ガスは酸化剤ガス通流孔１８
を一方向的に通流するので、集合体１６の酸化剤ガス通
流方向の熱勾配を小さくでき、電池の熱サイクルに対し
て安定な固体電解質型燃料電池が得られる。
【００１８】第一の緩衝ガス室２５，第二の緩衝ガス室
２６に流すガスは燃料排ガスに替えて，窒素ガス，稀ガ
スまたは水蒸気ガス等を用いることができる。また両緩
衝ガス室のガス圧力は、負圧に替えて、正圧のガスを流
すこともできる。 前記集合体１６は吊着に替えて、水
平にスタック筐体１３を間挿することもできる。
【００１９】前記集合体１６とスタック筐体１３の隔壁
２７との間隙には図示しないがセラミックスファイバ等
を充填することができる。第一と第二の緩衝ガス室は、
その隔壁２７をアルミナ，ジルコニア等のセラミックス
を用いて調製することができる。スタック筐体１３、酸
化剤ガス導入マニホルド１１，酸化剤ガス排出マニホル
ド１２は耐熱性金属，セラミックスまたはそれらのコン
ポジットを用いることができる。耐熱性金属としてはフ
エライト系ステンレス鋼，インコネル６００等が適当で
ある。またセラミックスにはアルミナまたはジルコニア
等が用いられる。
【００２０】前記集合体１６のセル基体１６Ａはランタ
ンマンガナイトLaMnO3またはランタンクロマイトLaCrO3
等のランタンペロブスカイト複酸化物を押出しにより成
型し、燒成して、調製することができる。固体電解質体
１６Ｂは３０〜５０μｍ粒径のイツトリア安定化ジルコ
ニアＹＳＺ等を大気圧または減圧のプラズマ溶射法等を
用いて１５０〜２００μｍ厚さに積層することができ
る。セパレータ１６Ｄはランタンカルシウムクロマイト
La(Ca)CrO3またはランタンストロンチウムクロマイトLa
(Sr)CrO3を溶射法等で１５０〜２００μｍ厚さに積層す
ることができる。
【００２１】アノード１６Ｃは酸化ニッケルＮｉＯ−ジ
ルコニアＺｒＯ2 粉体を酸化ニッケルＮｉＯが４０〜４
５を体積％を占めるように混合したあとバインダと溶剤
を加えてスラリを調製し、このスラリを塗布，乾燥，燒
成して形成することができるフェルト１７はニッケル金
属，コバルト金属等が用いられる。セル基体１６Ａは、
ランタンペロブスカイト複酸化物で調製され，それ自体
でカソード電極として動作するがセル基体１６Ａにカソ
ード電極作用のある他の電極層を積層することもでき
る。
【００２２】酸化剤ガス通流孔１８を通流する酸化剤ガ
スはセル基体１６Ａで電子と結合して酸素イオンとな
る。酸素イオンは固体電解質体１６Ｂを拡散してアノー
ド１６Ｃにおいて水素と反応して水分子となる。酸素イ
オンから遊離された電子はフェルト１７とセパレータ１
６Ｄを拡散してセル基体１６Ａに達する。生成した水分
子と末反応の水素ガス分子は燃料排ガスとして排出され
る。
【００２３】
【発明の効果】この発明によれば、平板型の固体電解質
型燃料電池であって、（１）スタック筐体と、（２）複
数の電極／固体電解質体／セパレータ集合体とを有し、
複数の電極／固体電解質体／セパレータ集合体はスタッ
ク筐体を並列的に間挿し、電極／固体電解質体／セパレ
ータ集合体は、第一の電極であるセル基体と、固体電解
質体と、第二の電極と、セパレータとからなり、セル基
体は多孔質の扁平筐体で、複数の反応ガス通流孔が扁平
筐体の主面に平行に貫通してその内部には第一の反応ガ
スが同一方向に通流するものであり、固体電解質体はセ
ル基体の外表面の一主面に積層され、スタック筐体は内
部にスタック反応室を備え、スタック反応室は並列的に
配置された電極／固体電解質体／セパレータ集合体とそ
の間に介挿された導電性のフェルトを内蔵し、導電性の
フェルトの間隙には第二の反応ガスが流されるものであ
るとするので、筐体の扁平性が高まり、電流の流路が短
くなり、出力密度に優れる燃料電池が得られる。さらに
電極／固体電解質体／セパレータ集合体の熱膨張が自由
であるうえ温度勾配が小さくでき、熱的安定性にも優れ
る固体電解質型燃料電池が得られる。
【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
のモジュールを示す斜視図
【図２】この発明の実施例に係る固体電解質型燃料電池
モジュールのＡＢＣＤ面切断分解断面図
【図３】この発明の実施例に係る固体電解質型燃料電池
モジュールのＥＦＧＨ面切断分解断面図
【図４】この発明の実施例に係る固体電解質型燃料電池
モジュールのＩＪＫＬ面切断面図
【図５】この発明の実施例に係る固体電解質型燃料電池
モジュールにつき酸化剤ガスの通流方向を透視的に示す
平面図
【図６】この発明の実施例に係る固体電解質型燃料電池
のセル基体を酸化剤ガスの通流方向とともに示す斜視図
【図７】従来の円筒型固体電解質型燃料電池を示し、図
７（ａ）は部分拡大斜視図、図７（ｂ）はモジュールを
示す斜視図
【図８】従来の円筒型固体電解質型燃料電池のセルにつ
き電流の流れ方向を示す斜視図
【図９】従来の平板型固体電解質型燃料電池を示す分解
斜視図
【図１０】従来の異なる平板型固体電解質型燃料電池を
示す断面図
【符号の説明】 ２ 空気電極 ３ ガス供給チエンバ ４ ガス供給管 ５ 電解質 ６ 相互接続材料 ８ 燃料電極 ９ 金属繊維フェルトストリップ １１ 酸化剤ガス導入マニホルド １２ 酸化剤ガス排出マニホルド １３ スタック筐体 １４ 燃料ガス導入マニホルド １５ 燃料ガス排出マニホルド １６ 電極／固体電解質体／セパレータ集合体 １６Ａ セル基体 １６Ｂ 固体電解質体 １６Ｃ アノード １６Ｄ セパレータ １７ フェルト（Ｎｉ） １８ 酸化剤ガス通流孔 ２２ 集電板 ２３ スタック反応室 ２４ セル基体固定部品 ２５ 第一の緩衝ガス室 ２６ 第二の緩衝ガス室 ２７ 隔壁

Claims (16)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】平板型の固体電解質型燃料電池であって、 （１）スタック筐体と、 （２）複数の電極／固体電解質体／セパレータ集合体と
    を有し、 複数の電極／固体電解質体／セパレータ集合体はスタッ
    ク筐体を並列的に間挿し、 電極／固体電解質体／セパレータ集合体は、第一の電極
    であるセル基体と、固体電解質体と、第二の電極と、セ
    パレータとからなり、 セル基体は多孔質の扁平筐体で、複数の反応ガス通流孔
    が扁平筐体の主面に平行に貫通してその内部には第一の
    反応ガスが同一方向に通流するものであり、 固体電解質体はセル基体の外表面の一主面に積層され、 第二の電極は前記固体電解質体の上に積層され、 スタック筐体は内部にスタック反応室を備え、 スタック反応室は並列的に配置された電極／固体電解質
    体／セパレータ集合体と、その間に介挿された導電性の
    フェルトを内蔵し、導電性のフェルトの間隙には第二の
    反応ガスが流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。
  2. 【請求項２】請求項１記載の燃料電池において、スタッ
    ク筐体の一つの外表面には第一の反応ガス供給マニホル
    ドが配設され、前記一つの面に対向する外表面には第一
    の反応ガス排出マニホルドが配設されてなることを特徴
    とする固体電解質型燃料電池。
  3. 【請求項３】請求項１記載の燃料電池において、スタッ
    ク筐体は第一の緩衝ガス室と第二の緩衝ガス室を備え、
    両緩衝ガス室はスタック反応室を挟んで配設するととも
    に電極／固体電解質体／セパレータ集合体が間挿するも
    のであることを特徴とする固体電解質型燃料電池。
  4. 【請求項４】請求項３記載の燃料電池において、緩衝ガ
    スは燃料排ガスであることを特徴とする固体電解質型燃
    料電池。
  5. 【請求項５】請求項３記載の燃料電池において、緩衝ガ
    スは水蒸気ガスであることを特徴とする固体電解質型燃
    料電池。
  6. 【請求項６】請求項３記載の燃料電池において、緩衝ガ
    スは第一と第二の反応ガスよりも負圧であることを特徴
    とする固体電解質型燃料電池。
  7. 【請求項７】請求項３記載の燃料電池において、緩衝ガ
    ス室はセラミックスからなることを特徴とする固体電解
    質型燃料電池。
  8. 【請求項８】請求項１記載の燃料電池において、電極／
    固体電解質体／セパレータ集合体は、スタック筐体に吊
    着されてなることを特徴とする固体電解質型燃料電池。
  9. 【請求項９】請求項１記載の燃料電池において、スタッ
    ク筐体は耐熱性金属，セラミックスまたはそれらの複合
    体であることを特徴とする固体電解質型燃料電池。
  10. 【請求項１０】請求項９記載の燃料電池において、耐熱
    性金属はフェライト系ステンレス鋼またはインコネル６
    ００であることを特徴とする固体電解質型燃料電池。
  11. 【請求項１１】請求項９記載の燃料電池において、セラ
    ミックスはアルミナまたはジルコニアであることを特徴
    とする固体電解質型燃料電池。
  12. 【請求項１２】請求項１記載の燃料電池において、セル
    基体はランタンペロブスカイト複酸化物であることを特
    徴とする固体電解質型燃料電池。
  13. 【請求項１３】請求項１２記載の燃料電池において、ラ
    ンタンペロブスカイト複酸化物はランタンマンガナイト
    LaMnＯ3 またはランタンクロマイトLaCrＯ3であること
    を特徴とする固体電解質型燃料電池。
  14. 【請求項１４】請求項１記載の燃料電池において、導電
    性のフェルトはニッケル金属またはコバルト金属である
    ことを特徴とする固体電解質型燃料電池。
  15. 【請求項１５】請求項１記載の燃料電池において、セパ
    レータはランタンクロマイトLaCrＯ3 であることを特徴
    とする固体電解質型燃料電池。
  16. 【請求項１６】請求項１記載の燃料電池において、電極
    ／固体電解質体／セパレータ集合体は第一の電極である
    セル基体と、セル基体と別異に設けられた第一の電極
    と、固体電解質体と、第二の電極と、セパレータとから
    なることを特徴とする固体電解質型燃料電池。
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