JPH08255627A

JPH08255627A - 発電装置

Info

Publication number: JPH08255627A
Application number: JP7060614A
Authority: JP
Inventors: Shinji Kawasaki; 真司川崎; Kiyoshi Okumura; 清志奥村
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1995-03-20
Filing date: 1995-03-20
Publication date: 1996-10-01
Anticipated expiration: 2018-09-16
Also published as: JP3447837B2

Abstract

(57)【要約】【目的】いわゆる平板型の単電池を発電素子として使用
する発電装置において、各単電池の電流経路を短くし、
単電池の内部における温度勾配を小さくし、熱サイクル
によるガスシール部分の破壊や損傷を防止する。【構成】固体電解質型燃料電池の板状の単電池に一方の
発電用ガスの流通路８、９、１０が設けられている。単
電池の流通路に一方の電極が面している。流通路８、９
の開口４０、４１が複数設けられており、複数の開口４
０、４１が流通路を介して連通している。単電池の他方
の電極が発電室１４に面している。単電池の複数の開口
４０、４１が排ガス部１７に面している。互いに連通し
ている複数の開口のうち一個以上の開口４１に対してガ
ス供給管２０によってガスを供給する。開口４１と連通
している開口４０のうち一個以上が排ガス部１７へと向
かって開放されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、固体電解質型燃料電池
を使用した発電装置に関するものであり、特にこの単電
池に対して発電用ガスを供給する構造に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】固体電解質型燃料電池 (ＳＯＦＣ) につ
いては、様々な構造や形態が提案されている。これら
は、いわゆる平板型と円筒型とに大別される（エネルギ
ー総合工学１３−２，１９９０年）。ＳＯＦＣの単電池
の起電力は、開回路において約１Ｖであり、その電流密
度もせいぜい数百ｍＡ／ｃｍ²程度である。このため、
実際の発電装置においては、大きな発電面積を有する単
電池を、容易に直列、並列に接続できるようにすること
が重要である。この観点から、単電池とそのスタック
（集合電池）の構造を検討しなければならない。

【０００３】しかし、平板型単電池の場合には、主とし
てセラミックスの脆弱性から、平面精度が高く、発電面
積の大きい単電池を作製することは困難であった。これ
を解決するために、単電池間を電気的に接続するため
に、単電池の間に柔かい導電性材料を介在させる方法が
提案されている（特開平３−５５７６４号公報）。しか
し、この方法を採用した場合でも、一体品として作製で
きるセラミックス平板の大きさには限界があり、また構
造が複雑であるため、単電池間を並列に接続することが
困難であり、従って出力電流量を大きくすることが容易
ではない。更に、平板型の単電池の場合は、その形状か
ら、単電池の端部でガスシールを行うことが困難であ
る。

【０００４】特開昭６３−２６１６７８号においては、
偏平な空気電極管上に固体電解質膜および燃料電極膜を
成形し、この空気電極管の中に空気供給管を挿入するこ
とによって、空気電極に対して酸化ガスを供給してい
る。空気電極管内に供給された酸化ガスは、空気電極に
沿って流れ、空気電極管の開口から外部へと排出されて
排ガス室内へと入り、排ガス室内で燃料ガスと混合され
る。これによって、単電池の端部におけるガスシールを
不要にしている。本出願人が提案した特開平５−８９８
９０号公報の開示においても、やはり同様に単電池の端
部における酸化ガスと燃料ガスとの間のシールを不要と
している。

【０００５】また、特開平２−３０６５４５号公報によ
れば、平板形状の単電池の内部に複数の酸化ガス流通路
を形成し、各酸化ガス流通路の開口を単電池の一端部側
に設け、各酸化ガス流通路を単電池の他方の端部側で連
通させている。また、酸化ガスの供給路と排出路とを気
密に区分する。そして、単電池を燃料ガス流路内に設置
し、燃料ガス流路と酸化ガス供給路との間、および燃料
ガス流路と酸化ガス排出路との間を、気密性隔壁によっ
て区画する。この気密性隔壁に対して単電池を気密に連
結することによって、単電池の開口側の端部を強固に固
定している。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、特開昭６３−
２６１６７８号公報記載の技術においては、単電池の支
持体が偏平な筒形状の空気電極であるので、当然、単電
池の内部の酸化ガス流通路の寸法が大きくなり、このた
めに空気電極内の電流経路が長くなる。このため、単電
池の電気抵抗が大きいので、発電効率の観点から見て不
利である。

【０００７】また、偏平な筒形状の単電池の一方の端部
に開口を設け、他方の端部を封止し、酸化ガス流通路の
中に酸化ガス供給管を挿入している。従って、酸化ガス
は、単電池の他方の端部側に衝突し、方向転換して一方
の端部側へと向かって空気電極内を流れる。この際、酸
化ガスが新鮮な間は、即ち、他方の端部に近い部分で
は、酸化ガス中の酸素の利用効率が高く、発電温度が上
昇し易い。しかし、酸化ガスが空気電極内を流れて、一
方の端部に近づくのにつれて、酸化ガス中の酸素が消費
され、かつ酸化ガス中に電池反応の生成物である一酸化
炭素や水が生成してくる。この結果、一方の端部に近づ
くのにつれて、温度が低下する傾向がある。そして、こ
の発電温度が低下すると、酸化ガス中の酸素の利用効率
が、より一層低下する。この結果、単電池を長さ方向に
見たとき、即ち、単電池の一方の端部と他方の端部との
間で、温度勾配が発生してくることがある。

【０００８】特開平５−８９８９０号公報記載の技術に
おいても、これと同様に、単電池の長さ方向に温度勾配
が発生しうる。また、この技術によっても、やはり単電
池の内部の酸化ガス流通路の寸法が大きくなり、空気電
極内の電流経路が長くなる傾向があることが判明してき
た。確かに、この単電池は平板形状のものであるから、
円筒形状や偏平な筒状の単電池に比較すると、厚さは小
さくなる。しかし、実際には、各単電池に複数の流通路
が形成されており、各流通路内の末端まで酸化ガス供給
管を挿入する作業が必要である。このとき、各供給管は
セラミックス等の耐熱性材料によって形成するが、供給
管内の圧力損失を考慮すると、供給管の内径は１ｍｍ程
度は必要であり、その外形は３ｍｍ程度は必要である。
そして、供給管の真直度を向上させるのには限界があ
り、供給管の外形と流通路の内径との間には、少なくと
も５ｍｍ程度の隙間を予め設けておかないと、供給管を
流通路内に挿入する作業に支障をきたす。この結果、単
電池の厚さ方向に見た流通路の寸法は、８ｍｍ程度以上
とする必要が出てくる。

【０００９】また、特開平２−３０６５４５号公報記載
の技術においても、上記と同様に、酸化ガスの供給路側
では単電池の温度が上昇し、酸化ガスの排出路側では単
電池の温度が低下するため、上記と同様に温度勾配が発
生する。また、単電池を供給管に対して固着させ、この
供給管によって燃料ガスと酸化ガスとを区分する構造で
あるが、このガスシールを長期間保持することはきわめ
て困難である。特に、発電装置の稼働時の温度は１００
０℃程度まで上昇し、停止時には室温まで温度を降下さ
せることが通常であるが、この熱サイクルによってガス
供給管と気密性隔壁との接合部分に加わる応力が増大
し、ガスシール部分が破損することがある。

【００１０】本発明の課題は、いわゆる平板型の単電池
を発電素子として使用する発電装置において、各単電池
の電流経路を短くして内部抵抗を小さくできるようにす
ることである。また、単電池の内部における温度勾配を
小さくすることである。更に、熱サイクルによるガスシ
ール部分の破壊や損傷、これによる酸化ガスと燃料ガス
との漏れが発生しないようにすることである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明に係る発電装置に
おいては、板状の単電池に一方の発電用ガスの流通路を
設け、この流通路に一方の電極が面しており、流通路の
開口を複数設けると共に複数の開口を流通路を介して連
通させ、単電池の外面側に他方の電極を露出させること
によって、単電池を構成した。更に、排ガス部に単電池
の複数の開口が面する状態で、互いに連通している複数
の開口のうち一個以上に対して一方のガスを供給するた
めのガス供給管を設け、この開口と連通している開口の
うち一個以上にはガス供給管を設けず、排ガス部へと向
かって開放させる。

【００１２】これによって、ガス供給管から開口を通し
て流通路内へと一方の発電用ガスを供給することがで
き、一方の発電用ガスは、流通路内を流れ、別の開口か
ら排ガス室内へと排出される。即ち、ガス供給管は、流
通路の奥の方まで挿入する必要はなく、ガス供給口を流
通路の開口の近傍に位置させるだけで、流通路内への一
方の発電用ガスの供給と、流通路からのこのガスの排出
とを実施できるようになる。このように各流通路の奥な
いし末端部分にまでガス供給管を挿入する必要がなくな
ったので、ガス供給管の真直度を考慮して各流通路の単
電池の厚さ方向の寸法をガス供給管の外形よりも大きく
しておく必要はない。

【００１３】この結果、各流通路の前記寸法を小さくす
ることができるので、単電池の電流経路を短くして内部
抵抗を小さくすることができる。具体的には、単電池の
厚さ方向に見た流通路の寸法を、５ｍｍ以下とすること
ができるようになり、この場合でもガス供給管の設置作
業を容易に行うことができた。ただし、流通路内におけ
る圧力損失の観点からは、この寸法を１ｍｍ以上とする
ことが好ましい。

【００１４】しかも、本発明において、更に排ガス部と
発電室との間を通気可能にすると、単電池は発電室内に
設置されており、単電池を気密性隔壁に対して固着ない
し接合する必要がなくなる。この場合には、他方の発電
用ガスは、発電室内で発電に寄与した後、排ガス部内へ
と流入する。また、ガス供給管を単電池に対して接合す
る必要もなく、単電池の流通路内へと供給された一方の
発電用ガスは、別の開口から排出され、排ガス部内へと
流入する。このように、本態様の発電装置においては、
ガスシールが不要な構造を実現することができる。

【００１５】また、本発明の発電装置においては、排ガ
ス部側に面した単電池の一辺にある流通路の特定の開口
から一方の発電用ガスを供給しており、この開口の周辺
では、いまだ一方の発電用ガスが新鮮なので、温度が上
昇し易くなる。しかし、単電池の内部で流通路が連通し
ていて、やはり排ガス部側に面した開口から、発電に有
用な成分である燃料や酸素が消費された、減損した発電
用ガスが排出されるので、この別の開口の周辺では、温
度が上昇しにくい。そして、ガス供給管が挿入された開
口と、発電用ガスを排出する開口とは、共に排ガス部側
に面しているので、温度が上昇し易い領域と、温度が低
下し易い領域とが、単電池内において比較的に近い位置
にある。これによって、開口付近の全体の熱収支には、
極端な上昇や下降が起こりにくくなり、温度勾配が生じ
にくくなった。

【００１６】更には、ガス供給管が挿入された開口を、
１つおきに設けたり、あるいは２つおきに設けることに
よって、温度が上昇し易い領域と温度が低下し易い領域
とが単電池内において更に近い位置となり、温度勾配が
小さくなるため、好ましい。同様に、ガス供給管が挿入
された開口の両側に隣接する各開口を、発電用ガスが排
出される開口とすると、やはり温度が上昇し易い領域と
温度が低下し易い領域とが単電池内において更に近い位
置となり、温度勾配が小さくなる。

【００１７】

【実施例】本発明においては、単電池は平板形状である
ことが、電流経路を短くするという観点からは好ましい
が、他の形状であってもよい。この際、単電池の平面的
形状も特に限定しないが、通常は、単電池が平面的に見
て四辺形をなしており、単電池の開口のすべてが四辺形
の一辺に設けられている。単電池が四辺形である場合に
は、この短辺の長さ：長辺の長さは、１：２以上とする
ことが好ましい。

【００１８】また、流通路の平面的形状も特に限定しな
い。しかし、単電池が平面的に見て四辺形をなしている
場合には、流通路が、単電池の一辺からこれと対向する
他辺へと向かって延びる直線状部分と、単電池の他辺側
でこれら直線状部分を連通させている連通部分とを備え
ていることが好ましい。この場合には、各流通路の直線
状部分のうち、ガス供給管が設けられている直線状部分
については発電用ガスが一辺から他辺へと向かって流
れ、この他の直線状部分については、発電用ガスが他辺
から一辺へと向かって流れる。

【００１９】好ましい態様においては、単電池が、板状
の燃料電池素子と、この燃料電池素子に接合されている
セパレータとを備えており、燃料電池素子の固体電解質
部分とセパレータとが気密に接触している。これによっ
て、各流通路が、単電池の外部に対して確実に気密に保
持される。この場合において、好ましくは、固体電解質
板の一方の表面上に空気電極膜を形成し、他方の表面上
に燃料電極膜を形成する。

【００２０】本発明においては、ガス供給管を開口内に
挿入することは必須ではなく、ガス供給管の端部にある
供給孔と開口とが対向していれば、発電用ガスの吹き出
し圧力によって、発電用ガスが開口内へと送り込まれ
る。しかし、流通路の開口内にガス供給管を挿入し、ガ
ス供給管のガス供給孔を、流通路の開口側の端部に位置
させることが好ましく、これによって、新鮮な発電用ガ
スが、開口に入らずに漏れることを、確実に防止するこ
とができる。

【００２１】ここで、ガス供給管の流通路内への挿入距
離ないし間隔が大きすぎると、流通路のうち発電に寄与
しない部分の長さが増加するので、単電池における実質
的な発電部分の手前までガス供給管を挿入することが好
ましい。この間隔ないし距離は、発電装置の設計によっ
て異なるが、一般的には、２〜１０ｍｍとすることが好
ましい。

【００２２】本発明においては、流通路の内壁面や単電
池の端面に対して、ガス供給管を強固に接合することは
しない。しかし、流通路の内壁面や単電池の端面とガス
供給管とを接触させることはできる。また、流通路の内
壁面や単電池の端面と、ガス供給管との間に、柔軟な素
材からなる緩衝材を介在させることができる。

【００２３】また、本発明の発電装置においては、一個
の単電池を使用して発電することも可能ではあるが、通
常は多数の単電池を縦方向および横方向に積層し、各単
電池を直列および並列に接続することが必要である。こ
の場合には、複数の単電池を、発電室に互いに所定間隔
を置いて配列し、この際複数個の単電池の他方の電極及
び開口の向きがほぼ同じになるように配列し、隣り合う
単電池の他方の電極とセパレータとを耐熱導電体によっ
て直列接続し、隣り合う単電池のセパレータ同士を耐熱
導電体によって並列接続することが好ましい。こうした
耐熱導電体は、気体の流通を妨げない構造を有している
必要があり、具体的には、耐熱性金属からなるフェルト
状物質や、スポンジ状物質が好ましい。

【００２４】以下、必要に応じて図面を参照しつつ、本
発明の実施例を更に詳細に説明する。図１（ａ）はＳＯ
ＦＣの燃料電池素子１を示す斜視図であり、図１（ｂ）
は燃料電池素子１を空気電極膜２側から見た平面図であ
る。平板状固体電解質３の平面形状は長方形である。こ
の平板状固体電解質３の一方の面に空気電極膜２が設け
られ、他方の面に燃料電極膜４が設けられている。

【００２５】燃料電池素子１の空気電極膜２側において
は、平板状固体電解質３の２つの長辺の縁部に沿って、
固体電解質の露出部分５が設けられており、１つの短辺
に沿って、固体電解質の露出部分６が設けられている。

【００２６】空気電極膜２の材質は、ドーピングされた
か、又はドーピングされていないＬａＭｎＯ₃、ＣａＭ
ｎＯ₃、ＬａＮｉＯ₃、ＬａＣｏＯ₃等のペロブスカイ
ト型複合酸化物が好ましく、カルシウムまたはストロン
チウムを添加したＬａＭｎＯ₃が特に好ましい。平板状
固体電解質３は、一般にはイットリア安定化ジルコニア
等によって製造できる。燃料電極膜４の材質は、一般に
はニッケルジルコニアサーメット又はコバルトジルコニ
アサーメットが好ましい。

【００２７】図２は、セパレータ７を示す平面図であ
る。セパレータ７の平面形状は長方形であり、この長方
形の長片の長さと、短辺の長さとの比は２以上である。
このセパレータ７の４辺のうち、２つの長辺に沿って、
それぞれ細長い外周突起７ａが、互いに平行になるよう
に形成されている。セパレータ７の１つの短辺に沿っ
て、細長い外周突起７ｂが形成されている。各外周突起
７ａの各端部が、それぞれ外周突起７ｂの端部と連続し
ている。セパレータ７の長方形状の平板状本体７ｄと、
外周突起７ａおよび７ｂとによって、セパレータ７の外
枠が構成されている。

【００２８】平板状本体７ｄの表面上には、更に例えば
２列の細長い隔壁７ｃが、互いに平行に、かつ外周突起
７ａに平行に形成されている。隔壁７ｃの一方の端部
は、平板状本体７ｄの末端面まで延びており、隔壁７ｃ
の他方の端部は、外周突起７ｂとは連続しておらず、こ
れら両者の間に隙間がある。

【００２９】セパレータ７の材質は、気密質の電子伝導
体である。更に、セパレータ７は、酸化ガスと燃料ガス
とに対して曝されるので、高温において耐酸化性と耐還
元性とを備えていなければならない。こうした材料とし
ては、ＬａＣｒＯ ₃セラミックス、酸化ガスにさらされ
る部分をＬａＣｒＯ₃セラミックスで被覆したニッケル
ジルコニアサーメット等を例示できる。

【００３０】図３（ａ）は、燃料電池素子１とセパレー
タ７とを接合する前の状態を示す断面図であり、図３
（ｂ）は、燃料電池素子１とセパレータ７とを接合する
ことによって製造した単電池１１の横断面を示す断面図
である。燃料電池素子１の空気電極膜２と、セパレータ
７の隔壁７ｃとを向い合わせる。この際、外周突起７
ａ、７ｂおよび隔壁７ｃの各上端面に、接合用のセラミ
ックス粉末層３４を設ける。この粉末層３４の材質は、
空気電極膜２の材質、固体電解質の材質またはセパレー
タ７の材質と同じにすることができる。

【００３１】そして、各外周突起７ａを、それぞれ露出
部分５に当接させ、外周突起７ｂを露出部分６に当接さ
せ、隔壁７ｃを空気電極膜２に当接させる。この際、各
外周突起７ａの幅と露出部分５の幅とをほぼ同じにする
必要があり、また、外周突起７ｂの幅と露出部分６の幅
とをほぼ同じにする必要がある。この状態で焼成するこ
とによって、図３（ｂ）に示す単電池１１を得る。

【００３２】単電池１１においては、各外周突起７ａお
よび外周突起７ｂと平板状固体電解質３とが接合されて
おり、各隔壁７ｃと空気電極膜２とが接合されている。
外周突起７ａと隔壁７ｃとの間には、単電池１１の一辺
から他辺へと延びるような直線状流通路８が形成されて
おり、各隔壁７ｃの間には、単電池１１の一辺から他辺
へと延びるような直線状流通路９が形成されている。中
央にある流通路９の両側に、それぞれ流通路８が形成さ
れている。

【００３３】各流通路８、９は、それぞれ単電池１１の
末端面に開口を有している。単電池１１の外周突起７ｂ
側の端部には、この外周突起７ｂに対して平行に延びる
連通部分１０が形成されている。各流通路８、９の外周
突起７ｂ側の端部８ｂ、９ｂは、それぞれ連通部分１０
に連続しており、連通部分１０によって、各流通路８と
流通路９とが、互いに接続され、連通する。

【００３４】本実施例の単電池１１においては、気密質
であるセパレータ７の外周突起７ａ、７ｂと、気密質の
平板状固体電解質３とが接合されており、通気性のある
空気電極膜２はこれらの内部に包囲されている。従っ
て、流通路８、９の開口以外からは、酸化ガスが漏れる
ことはない。

【００３５】また、図３（ｂ）の単電池を製造する際に
は、必ずしも上記の方法による必要はない。例えば、燃
料電池素子１のグリーンシートと、セパレータ７のグリ
ーンシートとを積層し、両者を一体に焼結することも考
えられる。

【００３６】次に、上記の単電池を集合してなる発電装
置の構成例について述べる。図４は、こうした発電装置
を、単電池１１のうちのセパレータ７の部分で切断して
みた一部断面図である。図５は、図４と同じ発電装置
を、単電池の長さ方向に切ってみた部分断面図である。

【００３７】本実施例においては、この発電装置全体
が、略直方体状の缶２３内に収容されている。缶２３の
内部には、燃料ガス室１２、発電室１４、排ガス室１
７、酸化ガス室１９が設けられている。缶２３の貫通孔
２３ｃが燃料ガス室１２に連通しており、貫通孔２３ａ
が酸化ガス室１９に連通しており、貫通孔２３ｂが排ガ
ス室１７に連通している。

【００３８】燃料ガス室１２と発電室１４とは、隔壁１
３によって区分されている。隔壁１３には、一定間隔で
燃料ガス供給孔１３ａが設けられている。発電室１４と
排ガス室１７とは、隔壁１５によって区分されている。
隔壁１５には、一定間隔で単電池挿入孔１５ａが形成さ
れている。排ガス室１７と酸化ガス室１９とは、隔壁１
８によって区分されている。隔壁１８には、一定間隔で
貫通孔１８ａが形成されている。

【００３９】各単電池１１は発電室１４内に収容されて
おり、各単電池の外周突起７ｂが、アルミナフェルト等
の絶縁性セラミックスフェルト材を介して、隔壁１３に
対して当接している。各単電池１１の開口４０、４１側
の端部は、各単電池挿入口１５ａを貫通し、排ガス室１
７に露出する。この結果、各流通路８、９の開口は、排
ガス室１７に面する。単電池挿入孔１５ａと単電池１１
の外周面との間には、単電池挿入孔１５ａのほぼ全周に
わたって若干の隙間が開いており、この隙間に、アルミ
ナフェルト等のセラミックスフェルト材等の緩衝材１６
が充填されている。この結果、各単電池１１は、緩衝材
１６によってゆるく保持される。

【００４０】発電室１４の底部には、平板状の集電板３
７が設置されており、集電板３７の上に集電材層３６が
設置けられている。単電池１１は、本実施例では、上下
方向と左右方向とに、それぞれ一定間隔を置いて規則的
に配置されている。ただし、図面の寸法上の制約から、
図５においては、こうした集合電池のうち下方の３列の
みを図示し、図４においては１個の単電池１１のみを示
した。むろん、こうした集合電池中に含まれる単電池１
１の個数は、適宜選択できるものである。

【００４１】発電室１４内において最下端の単電池１１
は、集電材層３６の上に敷置されている。集電材層３６
の材質は、単電池１１の形状や変形に追随させるため、
弾性と可塑性とを有していることが好ましい。最下端の
単電池１１の上に、所定間隔を置いて、順次他の単電池
１１を配置し、上下方向に隣り合った単電池１１の燃料
電極膜４と平板状本体７ｄとを対向させる。この燃料電
極膜４と平板状本体７ｄとの間に、略平板形状の耐熱導
電体３５を挿入し、上下方向に隣り合った単電池１１の
燃料電極膜４と平板状本体７ｄとを電気的に接続する。

【００４２】また、左右方向に隣り合う単電池１１の間
にも、細長い耐熱導電体を挿入する。これにより、単電
池１１のセパレータ７同士を電気的に接続することがで
きる。直列接続用の各耐熱導電体と、並列接続用の各耐
熱導電体とは、互いに接触しないようにする。

【００４３】本実施例においては、円筒状のガス供給管
２０を、隔壁１８に対して固定する。２１は、この固定
用の金具である。各ガス供給管２０の固定位置は、それ
ぞれ対応する各流通路の位置に合わせる必要がある。各
ガス供給管２０の内側空間は、それぞれ貫通孔１８ａを
介して酸化ガス室１９に連通している。各ガス供給管２
０は、排ガス室１７を横切り、流通路９の開口４１に挿
入されており、ガス供給管２０の端部２０ａおよび供給
孔２０ｂが、流通路９の端部９ａに位置している。この
際、ガス供給管２０と単電池１１とは接合ないし接着さ
れていない。また、流通路８の端部８ａには、ガス供給
管は挿入されていない。

【００４４】次に、この発電装置の動作について述べ
る。燃料ガスは、缶２３の外部から、矢印Ｈのように貫
通孔２３ｃを通って燃料ガス室１２内へと供給され、更
に矢印Ｉのように燃料ガス供給孔１３ａを通って発電室
１４内に供給される。そして、主として耐熱導電体３５
の中を通り抜け、更にセラミックスフェルト材１６をも
通り抜けて、排ガス室１７内に排出される。

【００４５】酸化ガスは、缶２３の外部から、貫通孔２
３ａを通して矢印Ａのように供給され、酸化ガス室１９
を通り、貫通孔１８ａから矢印Ｂのようにガス供給管２
０内へと送られる。次いで、この酸化ガスは、矢印Ｃの
ようにガス供給管２０内を流れ、供給口２０ｂから矢印
Ｄのように流通路９内へと供給される。そして、この酸
化ガスは、単電池１１の中央の流通路９内を、流通路の
一方の端部９ａから端部９ｂに至るまで流れ、更に外周
突起７ｂに衝突して向きを変え、かつ分岐する。分岐し
た各酸化ガス流は、連通部分１０内を矢印Ｅのように流
れ、次いで各外周突起７ａに衝突して再度方向転換し、
直線状の各流通路８内を矢印Ｆのように流れる。そし
て、各流通路８の各開口４０から、矢印Ｇのように、排
ガス室１７へと排出される。

【００４６】発電装置の動作時には、空気電極膜２と平
板状固体電解質３との界面で酸化ガスが酸素イオン等を
生じ、これらの酸素イオン等が平板状固体電解質３を通
って燃料電極膜４へと移動し、燃料ガスと反応すると共
に電子を燃料電極膜４へと放出する。この結果、正極で
ある空気電極膜２と負極である燃料電極膜４との間に電
位差が生ずる。この単電池１１を直列接続および並列接
続し、最終的に集電体３７から電力を取り出す。

【００４７】発電室１４と排ガス室１７との間は、通気
可能になっており、僅かの差圧によって、発電室１４か
ら排ガス室１７へと燃料ガスの流れが生ずるように設計
されている。発電室１４を通過した燃料ガスには、電池
反応によって生成した水蒸気、炭酸ガス等が含まれてお
り、かつその燃料含有量も減少している。本実施例にお
いては、この減損した燃料ガスが、同様に減損した酸化
ガスと排ガス室１７内で燃焼する。この燃焼熱により、
ガス供給管２０内を流れている新鮮な酸化ガスを予熱で
きる。貫通孔２３ｂから、矢印Ｊのように燃焼排ガスを
排出する。ただし、場合によっては、減損した燃料ガス
と酸化ガスとの混合を、排ガス室１７の外部で行わせる
こともできる。

【００４８】燃料ガスとしては、水素，改質水素，一酸
化炭素，炭化水素等の燃料を含むガスを用いる。酸化ガ
スとしては、酸素を含むガスを用いる。

【００４９】本実施例においては、平板状固体電解質３
を成形する際、テープキャスト法やプレス成形法を使用
できる。即ち、円筒型の単電池を製造する場合のよう
に、固体電解質膜をEVD, CVDのような気相法によって設
ける必要はない。

【００５０】本実施例の単電池１１では、セパレータ７
に外周突起７ａ、７ｂおよび隔壁７ｃを形成し、これら
の各突起を燃料電池素子１に接合している。特に空気電
極膜２に対して隔壁７ｃを接合している。これによっ
て、空気電極膜２から隔壁７ｃを通る電流経路が発生す
るので、空気電極膜２内をこの膜と平行に流れる距離が
短縮される。そして、本発明においては、前述した理由
によって隔壁７ｃの高さを小さくすることができるの
で、特に電流経路の長さが大きく減少する。

【００５１】気体の流通を妨げない耐熱集電体は、耐熱
金属繊維を編んで作ったフェルト状物質とするか、多数
の開気孔を有するスポンジ状物質とするのが好ましい。
これらの材質としては、ニッケルが好ましい。上記のス
ポンジ状物質を作製するには、例えば、耐熱金属粉末と
発泡剤とバインダーとを混練し、成形、焼成すればよ
い。

【００５２】単電池内における各直線状流通路の数は、
適宜変更することができる。ただし、上記した実施例の
ように、３列の直線状流通路を連通させ、このうち中央
にある直線状流通路の端部にガス供給管を挿入し、この
直線状流通路の両側の流通路にはガス供給管を挿入せ
ず、開放することが好ましい。なぜなら、中央の直線状
流通路の両側の各直線状流通路に対して、ほぼ同量の発
電用ガスを供給することができるからである。

【００５３】図６は、他の単電池を使用した発電装置の
要部を示す断面図である。発電装置の全体の構成や、燃
料電池素子１の構成については、図１〜図５に示した発
電装置の全体の構成および燃料電池素子１の構成と同じ
であるので、説明しない。この点は、図７の発電装置に
おいても同様である。

【００５４】セパレータ２５の平面形状は長方形であ
る。セパレータ２５の４辺のうち、２つの長辺に沿っ
て、それぞれ細長い外周突起２５ａが、互いに平行にな
るように形成されている。セパレータ２５の１つの短辺
に沿って、細長い外周突起２５ｂが形成されている。各
外周突起２５ａの各端部が、それぞれ外周突起２５ｂの
端部と連続している。セパレータ２５の長方形状の平板
状本体２５ｄと、外周突起２５ａ、２５ｂとによって、
セパレータ２５の外枠が構成されている。

【００５５】平板状本体２５ｄの表面上には、合計４列
の細長い隔壁２５ｃが、互いに平行に、かつ外周突起２
５ａに平行に形成されている。隔壁２５ｃの一方の端部
は、平板状本体２５ｄの末端面まで延びており、隔壁２
５ｃの他方の端部は、外周突起２５ｂとは連続しておら
ず、これら両者の間に隙間がある。隔壁２５ｃのうち２
列は、セパレータ２５のほぼ中央部にある隔壁２５ｅの
図６において上側にあり、残りの２列は、隔壁２５ｅの
下側にある。隔壁２５ｅは、平板状本体２５ｄの開口側
の末端面から外周突起２５ｂまで連続的に延びている。

【００５６】この単電池においても、各外周突起２５ａ
および外周突起２５ｂと平板状固体電解質３とが接合さ
れており、各隔壁２５ｃ、２５ｅと空気電極膜３とが接
合されている。外周突起２５ａと隔壁２５ｃとの間、お
よび隔壁２５ｃと隔壁２５ｅとの間にそれぞれ直線状流
通路８Ａ、８Ｂが形成されており、２列の隔壁２５ｃの
間に直線状流通路９が形成されている。各流通路８Ａ、
８Ｂ、９は、それぞれ開口４０または４１を有してい
る。外周突起２５ｂ側の端部には、この外周突起２５ｂ
に対して平行に延びる連通部分１０が形成されている。
各流通路８Ａ、８Ｂ、９の外周突起２５ｂ側の端部８
ｂ、９ｂは、それぞれ連通部分１０に連続しており、連
通部分１０によって、各流通路８Ａまたは８Ｂと流通路
９とが、互いに接続され、連通する。ただし、流通路８
Ａと８Ｂとは、隔壁２５ｅによって分断されている。

【００５７】酸化ガスは、酸化ガス室１９、ガス供給管
２０内を通り、矢印Ｃのようにガス供給管２０内を流
れ、供給口２０ｂから矢印Ｄのように流通路９内へと供
給され、流通路９内を、一方の端部９ａから端部９ｂに
至るまで流れる。次いで、この酸化ガスは、外周突起２
５ｂに衝突して向きを変え、かつ分岐する。分岐した各
酸化ガス流は、連通部分１０内を矢印Ｅのように流れ、
次いで各外周突起２５ａまたは隔壁２５ｅに衝突して再
度方向転換し、直線状の各流通路８Ａまたは８Ｂ内を矢
印Ｆのように流れ、各開口４０から、矢印Ｇのように排
ガス室１７へと排出される。

【００５８】図７は、他の単電池を使用した発電装置の
要部を示す断面図である。セパレータ２７の２つの長辺
に沿って、それぞれ細長い外周突起２７ａが、互いに平
行になるように形成されている。セパレータ２７の１つ
の短辺に沿って、細長い外周突起２７ｂが形成されてい
る。各外周突起２７ａの各端部が、それぞれ外周突起２
７ｂの端部と連続している。

【００５９】平板状本体２７ｄの表面上には、例えば合
計４列の細長い隔壁２７ｃが、外周突起２７ａに平行に
形成されている。隔壁２７ｃの一方の端部は、平板状本
体２５ｄの末端面まで延びており、隔壁２７ｃの他方の
端部は、外周突起２７ｂとは連続していない。

【００６０】この単電池においても、各外周突起２７ａ
および２７ｂと平板状固体電解質３とが接合されてお
り、各隔壁２７ｃと空気電極膜３とが接合されている。
図７において上側から順に、外周突起２７ａと隔壁２７
ｃとの間に直線状流通路８Ｃが形成されており、隔壁２
７ｃの間に直線状流通路９、８Ｄ、９が形成されてお
り、隔壁２７ｃと下側の外周突起２７ａとの間に直線状
流通路８Ｅが形成されている。各流通路８Ｃ、８Ｄ、８
Ｅおよび９は、それぞれ開口４０または４１を有してい
る。外周突起２７ｂ側の端部には、この外周突起２７ｂ
に対して平行に延びる連通部分１０が形成されている。
各流通路８Ｃ、８Ｄ、８Ｅおよび９の外周突起２７ｂ側
の端部８ｂ、９ｂは、それぞれ連通部分１０に連続して
いる。上から見て２列目と４列目の直線状流通路９の端
部９ａ内に、外周突起２０の端部２０ａが挿入されてい
る。

【００６１】酸化ガスは、酸化ガス室１９、各ガス供給
管２０内を通り、矢印Ｃのように各ガス供給管２０内を
流れ、供給口２０ｂから矢印Ｄのように流通路９内へと
供給され、流通路９内を流れ、外周突起２７ｂに衝突し
て向きを変え、かつ分岐する。分岐した各酸化ガス流
は、連通部分１０内を矢印Ｅのように流れ、直線状の各
流通路８Ｃ、８Ｄまたは８Ｅ内を矢印Ｆのように流れ、
各開口４０から、矢印Ｇのように排ガス室１７へと排出
される。このように、流通路８と９とを交互に設けるこ
とも好ましい。

【００６２】また、単電池の構成も種々変更することが
できる。図８（ａ）、（ｂ）は、こうした単電池の構成
例を示す断面図である。図８（ａ）の単電池２８のセパ
レータ２９においては、セパレータ２９の４辺のうち、
２つの長辺に沿って、それぞれ細長い外周突起２９ａが
形成されており、１つの短辺に沿って、細長い外周突起
２９ｂが形成されている。各外周突起２９ａの各端部
が、それぞれ外周突起２９ｂの端部と連続している。セ
パレータ２９の長方形状の平板状本体２９ｄと、外周突
起２９ａ、２９ｂとによって、セパレータ２９の外枠が
構成されている。

【００６３】各外周突起２９ａおよび外周突起２９ｂ
と、図１に示す単電池の平板状固体電解質３とが接合さ
れている。外周突起２９ａの間の溝には、例えば２列の
隔壁３０が設けられており、各隔壁３０は、それぞれ空
気電極膜２および平板状本体２９ｄと接合されている。
外周突起２９ａと隔壁３０との間に直線状流通路８が形
成されており、一対の隔壁８の間に直線状流通路９が形
成されている。これらの流通路の平面的形状は、図３、
図４に示す単電池の流通路と同じである。隔壁３０は、
耐還元雰囲気の材料である必要はなく、大気中で安定
で、電気伝導度の高い、例えばＡサイトをアルカリ土類
金属で置換したランタンマンガナイト等で形成できる。

【００６４】図８（ｂ）の単電池３１においては、図２
のセパレータ７を使用した。各外周突起７ａ、外周突起
７ｂおよび隔壁７ｃと、空気電極膜２Ａとが接合されて
いる。外周突起７ａと隔壁７ｃとの間には直線状流通路
８が形成されており、各隔壁７ｃの間には直線状流通路
９が形成されている。

【００６５】更に、空気電極膜２Ａの表面を覆うように
固体電解質膜３２が形成されており、この上に燃料電極
膜４が形成されている。また、固体電解質膜３２は、更
に延在部３２ａを備えており、この延在部３２ａによっ
て、空気電極膜２Ａの側面２ａと、セパレータ７の外周
突起７ａの外側面４０とを、共に気密に被覆している。
従って、気密質であるセパレータ７の外周突起７ａ、７
ｂと、気密質の固体電解質３２とが接合されており、通
気性のある空気電極膜２Ａはこれらの内部に包囲されて
いる。従って、流通路８、９の開口４０、４１以外から
は、酸化ガスが漏れることはない。

【００６６】（本発明例１）図１〜図５を参照しつつ説
明した実施例に従って、実際に発電装置を構成し、その
稼働実験を行った。ただし、単電池として、図８（ｂ）
に示す横断面を有する単電池３１を使用した。また、セ
パレータ７はランタンクロマイトによって形成した。セ
パレータ７の外周突起７ａ、７ｂの幅はそれぞれ３ｍｍ
とし、平板状本体７ｄの厚さも２ｍｍとし、流通路８、
９、１０の幅も３ｍｍとした。空気電極膜２Ａはストロ
ンチウム置換ランタンマンガナイトによって形成し、そ
の厚さは１ｍｍとした。燃料電極膜４はニッケルジルコ
ニアサーメットによって形成し、その厚さは１００μｍ
とした。固体電界質膜３２は８ｍｏｌ％イットリア安定
化ジルコニアによって形成し、その厚さは１００μｍと
した。

【００６７】単電池３１の長さは３００ｍｍとし、単電
池３１の厚さ方向に見た流通路８、９、１０の寸法は３
ｍｍとした。アルミナ製の直径２．５ｍｍの酸化ガス供
給管を使用し、この端部を流通路９の開口４１内に挿入
した。ガス供給管２０の挿入部分の深さは５ｍｍとし、
この部分は接着しなかった。

【００６８】各単電池３１をニッケルフェルト材の間に
設置した。そして、ガス供給管２０から空気を供給し、
発電装置内に水素ガスを供給し、約１０００℃で発電実
験を行った。この結果、０．６Ｗ／ｃｍ²の出力密度が
得られた。また、単電池の発電部分における最低温度は
約１０１０℃であり、最高温度は約１０４５℃であっ
た。また、室温から１０００℃まで２００℃／時間の速
度て温度を上昇させ、１０００℃で２時間保持し、次い
で２００℃／時間の速度て温度を降下させるサイクルを
１サイクルとし、この熱サイクルを５回繰り返した。こ
の後にも単電池、ガス供給管および発電装置の各構成部
材にクラック等の異常は認められなかった。

【００６９】（本発明例２）本発明例１において、図６
に示す単電池を使用し、実験１と同様の実験を行った。
この結果、０．６Ｗ／ｃｍ²の出力密度が得られた。ま
た、単電池の発電部分における最低温度は約１０１５℃
であり、最高温度は約１０４５℃であった。また、上記
の熱サイクルを５回繰り返した後にも、単電池、ガス供
給管および発電装置の各構成部材にクラック等の異常は
認められなかった。

【００７０】（比較例１）本発明例１において、流通路
８、９の連通部分１０を設けず、各流通路を互いに独立
させた。また、ガス供給管を単電池の流通路のすべてに
挿入し、かつ各流通路の外周突起７ｂ側の端部にまで挿
入した。しかし、上記した寸法のガス供給管２０を各流
通路に挿入するときには、各流通路の単電池の厚さ方向
の寸法を１０ｍｍ程度以上としないと、各流通路の奥ま
でガス供給管を挿入することが困難であった。また、各
流通路の前記寸法を１０ｍｍとした条件下で出力密度を
測定すると、０．４Ｗ／ｃｍ²であった。また、単電池
の発電部分における最低温度は約９９０℃であり、最高
温度は約１０６０℃であった。

【００７１】（比較例２）特開平２−３０６５４５号公
報の記載に従って、発電装置を構成した。即ち、平板形
状の単電池の内部に複数の酸化ガス流通路を形成し、各
酸化ガス流通路の開口を単電池の一端部側に設け、各酸
化ガス流通路を単電池の他方の端部側で連通させた。酸
化ガスの供給路と排出路とを気密に区分し、単電池を燃
料ガス流路内に設置し、燃料ガス流路と酸化ガス供給路
との間、および燃料ガス流路と酸化ガス排出路との間
を、気密性隔壁によって区画した。この気密性隔壁に対
して単電池を気密に連結した。

【００７２】ただし、単電池の各部材の材料は、本発明
例１と同じにした。また、流通路の開口の前記寸法は３
ｍｍとした。この結果、出力密度は０．５Ｗ／ｃｍ²で
あった。また、単電池の発電部分における最低温度は約
１０００℃であり、最高温度は約１０５０℃であった。
また、前記熱サイクルを５回かけた後には、単電池と気
密性隔壁との間で接着部分にクラックが発生していた。

【００７３】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、い
わゆる平板型の単電池を発電素子として使用する発電装
置において、各単電池の電流経路を短くして内部抵抗を
小さくすることができ、温度勾配を減少させることがで
き、熱サイクルによるガスシール部分の破壊や損傷、こ
れによる酸化ガスと燃料ガスとの漏れを防止することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）はＳＯＦＣの燃料電池素子１を示す斜視
図であり、（ｂ）は燃料電池素子１を空気電極膜２側か
ら見た平面図である。

【図２】セパレータ７を示す平面図である。

【図３】（ａ）は、燃料電池素子１とセパレータ７とを
接合する前の状態を示す断面図であり、（ｂ）は、燃料
電池素子１とセパレータ７とを接合することによって製
造した単電池１１の横断面を示す断面図である。

【図４】図３（ｂ）の単電池１１を使用した発電装置
を、単電池１１のうちのセパレータ７の部分で切断して
みた一部断面図である。

【図５】図４と同じ発電装置を、単電池の長さ方向に切
ってみた部分断面図である。

【図６】他の単電池を使用した発電装置の要部を示す断
面図である。

【図７】更に他の単電池を使用した発電装置の要部を示
す断面図である。

【図８】（ａ）は、他の単電池２８の横断面を示す図で
あり、（ｂ）は更に他の単電池３１の横断面を示す図で
ある。

【符号の説明】

１燃料電池素子２、２Ａ空気電極膜３、３
２固体電解質４燃料電極膜７、２５、２
７、２９セパレータ７ａ、７ｂ、２５ａ、２５
ｂ、２７ａ、２７ｂ、２９ａ、２９ｂ外周突起７
ｃ、２５ｃ、２７ｃ、３０隔壁８、８Ａ、８Ｂ、
８Ｃ、８Ｄ、８Ｅガス供給管を挿入しない直線状流通
路８ａ、８ｂ直線状流通路の端部９ガス供
給管を挿入した直線状流通路９ａ、９ｂ直線状流
通路９の端部１０直線状流通路の連通部分１
１、２８、３１単電池１４発電室１７排
ガス室２０ガス供給管２０ａガス供給管の
端部２０ｂガスの供給孔Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、
Ｆ、Ｇ酸化ガスの流れ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】固体電解質型燃料電池の板状の単電池に一
方の発電用ガスの流通路が設けられており、前記単電池
の前記流通路に一方の電極が面しており、この流通路の
開口が複数設けられており、複数の開口が前記流通路を
介して連通しており、前記単電池の外面側に他方の電極
が露出している単電池；この単電池の前記他方の電極が
面している発電室；前記単電池の前記複数の開口が面し
ている排ガス部；および互いに連通している複数の開口
のうち一個以上に対して前記一方のガスを供給するため
のガス供給管を備えており、前記単電池の前記開口と連通している開口のうち一個以
上が前記排ガス部へと向かって開放されていることを特
徴とする、発電装置。
【請求項２】前記発電室と前記排ガス部とが通気可能で
あることを特徴とする、請求項１記載の発電装置。
【請求項３】前記単電池が平面的に見て四辺形をなして
おり、この単電池の前記開口のすべてが前記単電池の一
辺に設けられていることを特徴とする、請求項１または
２記載の発電装置。
【請求項４】前記流通路が、前記単電池の一辺からこれ
と対向する他辺へと向かって延びる直線状部分と、前記
単電池の前記他辺側でこれら直線状部分を連通させてい
る連通部分とを備えていることを特徴とする、請求項３
記載の発電装置。
【請求項５】前記単電池が、板状の燃料電池素子と、こ
の燃料電池素子に接合されているセパレータとを備えて
おり、ここで燃料電池素子の固体電解質部分と前記セパ
レータとが気密に接触していることを特徴とする、請求
項１〜４のいずれか一つの請求項に記載の発電装置。
【請求項６】前記開口内に前記ガス供給管が挿入されて
おり、このガス供給管のガス供給孔が、前記流通路の前
記開口側の端部に位置していることを特徴とする、請求
項１記載の発電装置。
【請求項７】前記単電池と前記ガス供給管とが接着され
ていないことを特徴とする、請求項１または６記載の発
電装置。
【請求項８】前記単電池の厚さ方向に見た前記流通路の
寸法が５ｍｍ以下であることを特徴とする、請求項１記
載の発電装置。
【請求項９】前記単電池の複数の前記開口について、前
記ガス供給管が備えられている開口が１つおきまたは２
つおきに配置されていることを特徴とする、請求項１記
載の発電装置。
【請求項１０】複数の前記単電池が前記発電室に互いに
所定間隔を置いて配列されており、この際複数個の単電
池の前記他方の電極及び前記開口の向きがほぼ同じにな
るように配列され、隣り合う前記単電池の前記他方の電
極と前記セパレータとが、気体の流通を妨げない構造の
耐熱導電体によって直列接続されており、隣り合う前記
単電池の前記セパレータ同士が、気体の流通を妨げない
構造の耐熱導電体によって並列接続されていることを特
徴とする、請求項５記載の発電装置。