JPH0850911A - 平板状固体電解質燃料電池 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】固体電解質板とセパレーターの熱膨張係数の差
により生じる熱応力を減少させるとともに、ガス供給用
マニホールド間のシール性を良好に行うことができ、さ
らには、単位セルを積層方向と直角な方向に接続してそ
の面積を増加させることを可能にする。 【構成】両面に電極２２、２３が形成された固体電解質
板２１がセパレーター２４を介して複数積層された平板
状固体電解質燃料電池において、積層方向に直角な方向
の面積の比較で固体電解質板２１の面積がセパレーター
２４の面積より小さく、セパレーター２４間の固体電解
質板がない部分にガスケット２５を挟着した構成。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、平板状固体電解質燃料
電池に関する。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池は、炭化水素等の燃料ガスと空
気等の酸化剤ガスの持つ化学エネルギーを電気化学的な
反応によって直接電気エネルギーに変換する装置であ
り、そのうち、固体電解質燃料電池（ＳＯＦＣ）は、電
解質が常態または作動条件下で液状となるリン酸型（Ｐ
ＡＦＣ）や溶融炭酸塩型（ＭＣＦＣ）と異なり、電解質
による周辺材料の腐食、電解質自体の分解、蒸発等がな
く電池構造を簡素化でき、また、動作温度が１０００℃
程度と高いため、燃料として水素の他、メタンや天然ガ
スを改質することなくそのまま使用することができると
共に、排熱をガスタービンや蒸気タービンに導くことに
より、高いエネルギー利用効率を得ることができる。固
体電解質燃料電池は、構造の違いにより円筒型、モノリ
シック型（またはハニカム型）および平板型に大別さ
れ、このうち平板型は、高出力密度、低コスト、コンパ
クト化の観点から注目されている。

【０００３】図９〜図１１は、従来の平板状固体電解質
燃料電池の１例を示し、図９は分解斜視図、図１０は全
体斜視図、図１１は図１０の横断面図である。図９にお
いて、固体電解質板１の上面および下面には、多孔性電
極材料からなるカソード２およびアノード３が一体形成
されており、この固体電解質板１の複数をセパレーター
４を介して接合積層し、上下端に端子板５、６を積層し
て構成されている。セパレーター４は、ガス通路と電気
的接合体を兼ねるもので、セパレーター４の上下面にそ
れぞれ燃料ガス通路７および酸化剤ガス通路８が形成さ
れ、また、上部端子板５および下部端子板６の片面に
は、それぞれ酸化剤ガス通路８と燃料ガス通路７が形成
され、固体電解質板１とこの固体電解質板１を挟む燃料
ガス通路７と酸化剤ガス通路８とにより燃料電池の単位
セル９が構成されている。

【０００４】そして、図１０に示すように、このような
単位セル９を多数（図では３段）直列に積層して電池本
体１０を構成し、燃料ガス通路７に燃料ガスを供給し酸
化剤ガス通路８に空気を供給するために、電池本体１０
は円筒形のマニホールド１１内に装着される。これによ
り、電池本体の４つの側面とマニホールド１１の間で４
つのガス通路が形成されることになり、マニホールド１
１の下部には、燃料ガス供給管７ａ、燃料ガス戻り管７
ｂ、酸化剤ガス供給管８ａ、酸化剤ガス戻り管８ｂが接
続される。また、図１１に示すように、電池本体１０の
４隅とマニホールド１１の接触箇所は、アルミナ製の封
止部材１２が配設され、封止部材１２と電池本体１０お
よびマニホールド１１間には、作動温度（約１０００
℃）で軟化するガラスを挟み込んで封止している。

【０００５】そして、燃料ガス通路７に燃料ガスを供給
し、酸化剤ガス通路８に空気を供給し、上部および下部
端子板３、４を図示しない外部回路に接続すると、酸素
は燃料ガスと反応しようとしてイオン化して固体電解質
板１を通して流れ、このとき、カソード２側では酸素が
電子を取り込んで酸素イオンとなり、アノード３側では
この酸素イオンと燃料ガスが反応して電子を放出するの
で、外部回路にはカソードを正極、アノードを負極とし
て下部端子板６から上部端子板５へ電流が流れる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の燃料電池においては、単位セル９を縦方向に積層す
ることは比較的容易であるが、単位セル９を積層方向と
直角な方向の面積を増加させることは困難であるという
問題を有している。これは、単位セル９を構成するセパ
レーター４が導電性セラミックスからなり、成形および
焼成技術の制約から大きなセパレーター４を製造するの
が難しく、また、単位セル９を大きくすると、固体電解
質板１とセパレーター４の熱膨張係数の差により熱応力
が増大し、強度上の品質を確保できないとともに、固体
電解質板１およびセパレーター４とガス供給用マニホー
ルド間のシールが不十分になるからである。

【０００７】本発明は、上記問題を解決するものであっ
て、固体電解質板とセパレーターの熱膨張係数の差によ
り生じる熱応力を減少させるとともに、ガス供給用マニ
ホールド間のシール性を良好に行うことができ、さらに
は、単位セルを積層方向と直角な方向に接続してその面
積を増加させることができる平板状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】そのために本発明の平板
状固体電解質燃料電池は、両面に電極２２、２３が形成
された固体電解質板２１がセパレーター２４を介して複
数積層された平板状固体電解質燃料電池において、積層
方向に直角な方向の面積の比較で固体電解質板２１の面
積がセパレーター２４の面積より小さく、セパレーター
２４間の固体電解質板２１がない部分にガスケット２５
を挟着したことを特徴とする。ここで、上記構成に付加
した番号は、本発明の理解を容易にするために図面と対
比させるものであり、これにより本発明の構成が何ら限
定されるものではない。なお、本発明の実施態様として
は下記の構成が挙げられる。

【０００９】(1)図２に示すように、セパレーター２４
間に複数枚の固体電解質板２１を配設する構成。

【００１０】(2)図３に示すように、セパレーター２４
を積層方向と直角な方向に接続するために、セパレータ
ー２４の辺に接続用段差部２６ａ、２６ｂを形成し、接
続用段差部２６ａ、２６ｂにガス封止材を挟んで重ね合
わせて接続する構成。

【００１１】(3)図４、図５に示すように、電池本体３
０の燃料ガスの入口・出口、酸化剤ガスの入口・出口の
合計４面にそれぞれマニホールド３１を装着し、電池本
体３０とマニホールド３１との間をガスケット３３でガ
スシールし、各マニホールド３１の外周には、押さえ治
具３６が立設され、この押さえ治具３６と各マニホール
ド３１との間には、スプリングからなる弾性部材３７を
配設した構成。

【００１２】(4)セパレーター２４を積層方向と直角な
方向に接続した場合に、図６に示すように、電池本体５
１のある部分を冷却ブロック５２とし、冷却ブロック５
２で燃料ガスまたは酸化剤ガスと冷却媒体を熱交換させ
る構成。

【００１３】(5)セパレーター２４を積層方向と直角な
方向に接続した場合に、図７に示すように、電池本体５
１のある部分を予熱ブロック５６とし、予熱ブロック５
６で燃料ガスと酸化剤ガスを熱交換させる構成。

【００１４】(6)セパレーター２４を積層方向と直角な
方向に接続した場合に、図８に示すように、電池本体５
１のある部分を改質ブロック５７とし、燃料ガスが改質
ブロック５７で酸化剤ガスにより加熱され、改質触媒に
より改質された後、電池本体５１に流れるようにした構
成。

【００１５】

【作用および発明の効果】本発明においては、積層方向
に直角な方向の面積の比較で固体電解質板の面積がセパ
レーターの面積より小さくすることにより固体電解質板
とセパレーターの熱膨張係数の差により生じる熱応力を
減少させることができる。また、セパレーターのみがマ
ニホールドに当接する構造のため、当接する面精度を確
保することができ、ガス供給用マニホールド間のシール
性を良好に行うことができる。さらには、単位セルを積
層方向と直角な方向に接続してその面積を増加させるこ
とができる。

【００１６】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照しつつ説
明する。図１は、本発明における平板状固体電解質燃料
電池の１実施例を示し、単位セルの分解斜視図である。

【００１７】平板状の固体電解質板２１の両面には、電
極としてのカソード２２およびアノード２３が形成され
る。固体電解質板２１は、酸素イオン伝導性を有する電
解質、例えば、部分安定化ジルコニア、安定化ジルコニ
アなど公知の固体電解質材料で作った板状物からなり、
厚さは０．０５〜０．３ｍｍ程度、より好ましくは０．
０８〜０．２５ｍｍ程度が適当である。０．０５ｍｍよ
り薄いと強度上問題があり、０．３ｍｍを越えると電流
路が長くなり好ましくない。

【００１８】カソード２２は、酸素通路側なので高温下
で酸素に対して耐食性のある導電性材料、例えば、Ｌａ
_XＳｒ_1-XＭｎＯ₃などの導電性複合酸化物粉末を固体電
解質板２１片面に塗布し、ガス透過性となるように多孔
性に形成する。塗布の手法としては、はけ塗り法、スク
リーン印刷法があり、その他、多孔状膜の作成方法とし
てはＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法、スパッタ法、溶射法
等が可能である。

【００１９】アノード２３は、水素通路側なので高温下
で水素に対して耐食性のある導電性材料（例えば、Ｎｉ
／ＺｒＯ₂サーメットなど）を用い、ガス透過性となる
ように多孔性に形成する。また、アノード２３、カソー
ド２２は多孔性の板状化が可能であれば、それを電解質
と付着させて使用することも可能である。

【００２０】各セルの両面にカソード２２とアノード２
３を形成した固体電解質板１１は、ガス通路と電気的接
合体（集電体）を兼ねたセパレーター２４を介して積層
される。本発明においては、積層方向に直角な方向の面
積の比較で固体電解質板２１の面積がセパレーター２４
の面積より小さくすることが特徴の一つであり、これに
より固体電解質板２１とセパレーター２４の熱膨張係数
の差により生じる熱応力を減少させることができる。固
体電解質板２１は、金属または例えばＬａ_XＳｒ_1-XＣｒ
Ｏ₃などの導電性セラミックスで形成する。セパレータ
ー２４の両面には、酸化剤ガス流路２４ａと燃料ガス流
路２４ｂを構成する溝が形成され（図では溝を片面だけ
示している）、上下のセパレーター２４の酸化剤ガス流
路２４ａと燃料ガス流路２４ｂが交差するように配置し
てある。

【００２１】固体電解質板２１、セパレーター２４を積
層して組み立てる際には、酸化剤ガス流路２４ａと燃料
ガス流路２４ｂが交差する位置に固体電解質板２１が位
置するように積層する。セパレーター２４間の固体電解
質板２１がない部分は絶縁性のＡｌ₂Ｏ₃を主成分とした
無機質多孔体からなるガスケット２５を挟み込みガス封
止する。ガスケット２５は荷重をかけることによって収
縮するため、セパレーター２４とカソード２２、アノー
ド２３の電気的接触は損なわれることはない。セパレー
ター２４間の固体電解質板２１がない部分の電気的絶縁
性をさらに確実なものにするためにアルミナ等の被膜を
プラズマ溶射等で被覆してもよい。

【００２２】固体電解質板２１とセパレーター２４を積
層して組み立てるときには、固体電解質板２１とセパレ
ーター２４間でガスリークしないように封止する必要が
ある。これは例えば軟化点が約８００℃のガラスペース
トまたはガラス薄板で封止すればよく、このガラスペー
ストまたはガラス薄板は、電池の作動温度（９００〜１
０００℃）では十分に軟化してガスを封止する。また、
セパレーター２４間と同様に無機質多孔体からなるガス
ケットを用いてもよい。

【００２３】図２は、本発明の他の実施例を示す単位セ
ルの分解斜視図である。なお、図１の実施例と同一の構
成については同一番号を付けて説明を省略する。図１の
実施例は、セパレーター２４間に１枚の固体電解質板２
１を設けた例を示しているが、本実施例はセパレーター
２４間に複数枚の固体電解質板２１を設けた例を示し、
各固体電解質板２１にそれぞれ酸化剤ガス流路２４ａと
燃料ガス流路２４ｂが交差するように配置している。

【００２４】図３は、本発明の他の実施例を示す単位セ
ルの分解斜視図である。本実施例は図２のセパレーター
２４を積層方向と直角な方向に接続した例を示し、その
ために、セパレーター２４の両辺に接続用段差部２６
ａ、２６ｂを形成し、接続用段差部２６ａ、２６ｂにガ
ス封止材を挟んで重ね合わせて接続する。なお、図２で
は２枚のセパレーター２４を接続しているが、接続する
枚数は任意であり、また、セパレーター２４の４辺に接
続用段差部を形成し、二次元的に水平方向に接続して拡
大するようにしてもい。垂直方向の積層は、図９に示し
た従来の平板型構造と同様にセパレーターの両面に交差
するように酸化剤ガス流路と燃料ガス流路を設け、重ね
合わせていけばよい。

【００２５】このようにして組み立てた電池本体に酸化
剤ガスおよび燃料ガスを供給するためには、燃料ガスの
入口・出口、酸化剤ガスの入口・出口にマニホールドを
取り付ける必要がある。図５はマニホールドの取り付け
例を示し、図５（Ａ）は斜視図、図５（Ｂ）は断面図で
ある。

【００２６】上記のようにして組み立てた電池本体３０
の燃料ガスの入口・出口、酸化剤ガスの入口・出口の合
計４面にそれぞれ箱型状セラミックス製のマニホールド
３１が装着される。電池本体３０とマニホールド３１
は、ガラスシールを介してベース部材３２に固定される
とともに、電池本体３０とマニホールド３１との間はガ
スケット３３でガスシールされる。ガスケット３３とし
ては、例えばＡｌ₂Ｏ₃を主成分とした無機質多孔体、１
０００℃で軟化するガラス或いはこれらを組み合わせて
使用する。この場合、従来はセパレーターと固体電解質
板のサイズが同一であり、セパレーターと固体電解質板
の両方がマニホールドに当接するため、熱膨張係数の差
により当接する面精度を確保することが困難であった
が、本発明においては、セパレーター２４のサイズを固
体電解質板２１のそれよりも大きくし、セパレーター２
４のみがマニホールド３１に当接する構造のため、当接
する面精度を確保することができる。

【００２７】各マニホールド３１には、ベース部材３２
を貫通してガス供給管３４とガス排出管３５が接続され
ている。各マニホールド３１の外周には、押さえ治具３
６が立設され、この押さえ治具３６と各マニホールド３
１との間には、スプリングからなる弾性部材３７が配設
されている。弾性部材３７は、電池本体３０内の各部材
およびマニホールド３１の熱膨張差による応力の発生を
吸収するために設けられ、熱膨張差により発生する応力
を緩和し、予め熱膨張差を見込んだ間隙を設ける必要が
なく、常温で間隙を設けずに組立が可能となる。弾性部
材３７としては、固体燃料電池の作動温度１０００℃で
もバネ機能に劣化がない例えば窒化珪素バネを用いる。
また、スプリングの代わりに耐熱性弾性材を用いること
も可能である。この耐熱性弾性材としては、高温におけ
る酸化および還元雰囲気において安定である材料、例え
ばインコネルのようなＮｉ基耐熱合金、アルミナ、シリ
カ、アルミナ−シリカ、炭化珪素、窒化珪素等のセラミ
ックス、これら合金とセラミックスの複合材などが挙げ
られ、このような材料をスポンジ状やフェルト状構造に
して用いる。

【００２８】図４はマニホールドへのガス供給・排出の
他例を示している。なお、図５の例と同一の構成につい
ては同一番号を付けて説明を省略する。本実施例におい
ては、ガス供給管３４とガス排出管３５を押さえ治具３
６を貫通して各マニホールド３１の側面に接続するよう
にしている。

【００２９】図６は、本発明の他の実施例を示し、セパ
レーターを積層方向と直角な方向に接続してその面積を
増加させた場合の冷却構造を示す概念図である。本実施
例は、セパレーターを積層方向と直角な方向に接続した
場合に電池本体のある部分を冷却ブロックとするもの
で、例えば電池本体５１の中央部を冷却ブロック５２と
し、各電池本体５１に燃料ガス用マニホールド５３と酸
化剤ガス用マニホールド５４を配設するとともに、冷却
ブロック５２に冷却媒体用マニホールド５５を配設し、
燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却媒体が図示矢印に示す
如く流れるように構成する。冷却ブロック５２は、セパ
レーター間に固体電解質板の代わりにガス封止板を挟着
したプレート型熱交換器であり、燃料ガスと冷却媒体を
熱交換させ燃料ガスおよびセパレーターを冷却可能にし
ている。なお、酸化剤ガスを冷却媒体と熱交換させるよ
うにしてもい。

【００３０】図７は、本発明の他の実施例を示し、セパ
レーターを積層方向と直角な方向に接続してその面積を
増加させた場合の予熱構造を示す概念図である。本実施
例は、セパレーターを積層方向と直角な方向に接続した
場合に電池本体のある部分を予熱ブロックとするもの
で、例えば電池本体５１の中央部を予熱ブロック５６と
し、各電池本体５１および予熱ブロック５６に燃料ガス
用マニホールド５３と酸化剤ガス用マニホールド５４を
配設し、図示矢印に示す如く、酸化剤ガスが予熱ブロッ
ク５６で燃料ガスにより加熱された後、電池本体５１に
流れるように構成する。予熱ブロック５６は、前記冷却
ブロック５２と同様にセパレーター間に固体電解質板の
代わりにガス封止板を挟着したプレート型熱交換器であ
る。なお、燃料ガスを予熱させるようにしてもい。

【００３１】図８は、本発明の他の実施例を示し、セパ
レーターを積層方向と直角な方向に接続してその面積を
増加させた場合の燃料改質構造を示す概念図である。本
実施例は、セパレーターを積層方向と直角な方向に接続
した場合に電池本体のある部分を改質ブロックとするも
ので、例えば電池本体５１の中央部を改質ブロック５７
とし、各電池本体５１および改質ブロック５７に燃料ガ
ス用マニホールド５３と酸化剤ガス用マニホールド５４
を配設し、図示矢印に示す如く、燃料ガスが改質ブロッ
ク５７で酸化剤ガスにより加熱され、改質触媒により改
質された後、電池本体５１に流れるように構成する。改
質ブロック５７は、前記冷却ブロック５２と同様にセパ
レーター間に固体電解質板の代わりにガス封止板を挟着
したプレート型熱交換器であり、さらに燃料ガス通路に
改質触媒を充填したものである。

【００３２】［具体的実施例］図２のセル集合様式に従
い３段直列セルの固体電解質燃料電池を製作した。固体
電解質板２１には、イットリアを３モル％添加したジル
コニアである部分安定化ジルコニアを用い、またセパレ
ーター２４にはランタンクロマイトを用いた。固体電解
質板２１は、寸法５０×５０×０．２ｍｍの板状物を用
い、酸素通路側にＬａ_0.8Ｓｒ_0.2ＭｎＯ₃粉末（平均粒
径約５μｍ）をはけ塗り法で厚さ０．３ｍｍに塗布して
カソード２２とし、水素通路側にＮｉ／ＺｒＯ₂（７／
３重量比）のサーメット混合粉末をはけ塗り法で厚さ
０．３ｍｍに塗布してアノード２３とした。セパレータ
ー２４の寸法は、１５０×１５０ｍｍで厚さ５．０ｍ
ｍ、溝の深さを１．０ｍｍとした。

【００３３】この固体電解質板２１とセパレーター２４
を図２に示す如く積層し、固体電解質板２１とセパレー
ター２４の間に軟化点が約８００℃のガラス板を挟んで
ガス封止用とした。前記のように、このガラス板は電池
の作動温度１０００℃で軟化してガスを封止する。セパ
レーター２４間のガス封止にはＡｌ₂Ｏ₃を主成分とした
無機質多孔体を使用した。

【００３４】こうして積層した電池本体３０にマニホー
ルド３１を図５に示すように設置し、マニホールド３１
と電池本体３０間にはＡｌ₂Ｏ₃を主成分とした無機質多
孔体を挟み込みガスケットとした。電気の取り出しはセ
ルの上下にあてがった金属プレートを介して金属棒によ
り行った。

【００３５】このようにして作製して組み立てた固体電
解質燃料電池を、室温から１５０℃までは１℃／ｍｉｎ
で加熱し塗布電極の溶媒を蒸発させた。次いで１５０℃
〜３５０℃までは１℃／ｍｉｎで昇温し、３５０℃以上
では水素通路側にアノードの酸化を防止するため窒素ガ
スを流し、１℃／ｍｉｎで１０００℃まで昇温した。

【００３６】１０００℃になった後にガス出口流量を膜
流量計で測定したところ、アノード側、カソード側とも
外部リーク量は１〜２％程度であった。その後、１００
０℃に保持してアノード側に水素を８００ｃｃ／ｍｉ
ｎ、カソード側に空気を４０００ｃｃ／ｍｉｎ流し、発
電を開始した。開放電圧は３．５Ｖであった。放電特性
を下記の表１に示す。ガス・クロスリーク量は水素の
０．１％以下であった。次に最大燃料利用率を測定した
ところ８０％となった。

【００３７】

【表１】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明における平板状固体電解質燃料電池の１
実施例を示す単位セルの分解斜視図である。

【図２】本発明の他の実施例を示す単位セルの分解斜視
図である。

【図３】本発明の他の実施例を示す単位セルの分解斜視
図である。

【図４】本発明におけるマニホールドへのガス供給・排
出の他例を示す断面図である。

【図５】本発明におけるマニホールドの取り付け例を示
し、図５（Ａ）は斜視図、図５（Ｂ）は断面図である。

【図６】本発明の他の実施例を示し、セパレーターを積
層方向と直角な方向に接続してその面積を増加させた場
合の冷却構造を示す概念図である。

【図７】本発明の他の実施例を示し、セパレーターを積
層方向と直角な方向に接続してその面積を増加させた場
合の予熱構造を示す概念図である。

【図８】本発明の他の実施例を示し、セパレーターを積
層方向と直角な方向に接続してその面積を増加させた場
合の燃料改質構造を示す概念図である。

【図９】従来の平板状固体電解質燃料電池の１例を示す
分解斜視図である。

【図１０】従来の平板状固体電解質燃料電池の１例を示
す全体斜視図である。

【図１１】図１０の横断面図である。

【符号の説明】

２１…固体電解質板、２２…カソード、２３…アノー
ド、２４…セパレーター ２４ａ…酸化剤ガス流路、２４ｂ…燃料ガス流路、２５
…ガスケット ２６ａ、２６ｂ…接続用段差部、３０…電池本体、３１
…マニホールド ３３…ガスケット、５１…電池本体、５２…冷却ブロッ
ク ５３…燃料ガス用マニホールド、５４…酸化剤ガス用マ
ニホールド ５５…冷却媒体用マニホールド、５６…予熱ブロック、
５７…改質ブロック

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】両面に電極が形成された固体電解質板がセ
   パレーターを介して複数積層された平板状固体電解質燃
   料電池において、積層方向に直角な方向の面積の比較で
   前記固体電解質板の面積が前記セパレーターの面積より
   小さく、セパレーター間の固体電解質板がない部分にガ
   スケットを挟着したことを特徴とする平板状固体電解質
   燃料電池。