JPH10199554A - 固体電解質型燃料電池の積層構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 固体電解質板の寸法サイズを小さくしてガス
供給用の穴加工も不要とした固体電解質型燃料電池の積
層構造を提供すること。 【解決手段】 固体電解質板１２の片面に燃料極１４
を、また反対面に空気極１６を設けた単電池１８とセパ
レータ２０とを交互に積層して固体電解質型燃料電池を
形成するに際し、セパレータ２０の燃料極１４との対向
面に燃料ガス分配路２２を、空気極１６との対向面に空
気分配路２４を、夫々の分配路を流れる燃料ガス及び空
気が直交流をなす方向に形成し、該燃料ガス分配路と空
気分配路とが交差する領域内に単電池１８が納まるよう
に配設する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、固体電解質板の片
面に燃料極が、また反対面に空気極が設けられる単電池
がセパレータを介して積層構造をなす固体電解質型燃料
電池（ＳＯＦＣ）の積層構造に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】平板型の固体電解質型燃料電池（以下
「ＳＯＦＣ」と称する）には、燃料電池の内部にガス通
路を備えた「内部マニホールド型」と電池の外部にガス
通路を備えた「外部マニホールド型」とがある。このう
ち、内部マニホールド型に分類される平板型ＳＯＦＣと
して従来一般的に知られているものを図６に示す。

【０００３】同図に示したこの平板型ＳＯＦＣは、イッ
トリア安定化ジルコニア（Ｙ₂Ｏ₃Ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ
ＺｒＯ₂） 材料あるいはスカンジア安定化ジルコニア
（Ｓｃ₂Ｏ₃ Ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ ＺｒＯ₂） 材料に
よる固体電解質板１００の片面にニッケル−サーメット
系材料による燃料極１０２が、他方の片面にランタンス
トロンチウムマンガナイト系材料による空気極１０４の
薄膜がコーティングされた単電池１０６がランタンクロ
マイト系セラミックス材料もしくは耐熱金属材料による
セパレータ１０８を介して多層にわたって積層されてい
る。

【０００４】そしてセパレータ１０８の四隅角部及び固
体電解質板１００の四隅角部には、燃料ガス管の挿通孔
１１０ａ，１１０ｃ，１１２ａ，１１２ｃ、空気管の挿
通孔１１０ｂ，１１０ｄ，１１２ｂ，１１２ｄとがそれ
ぞれ対角線の位置関係で設けられている。

【０００５】また、セパレータ１０８には、固体電解質
板１００の燃料極１０２や空気極１０４へ燃料ガスや空
気を分配するためのガス分配用の溝１１４が形成される
が、この溝１１４は、積層電池の両端面に設けられるセ
パレータ１０８には電極に当接する側にのみ形成され、
積層電池の内部に介挿されることになるセパレータ１０
８にはその上下両面に形成されている。その溝１１４に
よって形成される流路の方向は、燃料ガス及び空気を分
配するためのガス分配用の溝の組合せにより、平行ある
いは直交にもできる。図７に示した形状は、ガス流路を
平行にした例である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うに従来一般に知られる積層タイプのＳＯＦＣでは単電
池を構成する燃料極と空気極とを支持する固体電解質板
に穴加工を施す必要があり、そのために、以下（１）乃
至（５）に示した欠点が指摘されている。すなわち、 （１） 一般的に固体電解質板はセラミック材料による
ものであるから加工性が悪く、これに穴加工を施すとき
に割れ（クラック）が発生したりして、歩留まりが悪い
ため、製作コストが高くなる。

【０００７】（２） 固体電解質板に穴が開いた部分
は、どうしても構造強度が低下してしまうため、その部
分で固体電解質板が割れ易くなる。また、単電池を構成
する固体電解質板の電極以外の部分にも空気や燃料ガス
の通過によってそれらのガス圧がかかるため、その部分
で固体電解質板が割れ易くなる。

【０００８】（３） 上記（２）の問題を回避するため
に固体電解質板の構造強度を上げることを目的として、
板厚で大きくする措置を施せば、材料コストが高くな
る。また、電池内部の抵抗増加となり電池性能の低下を
招く。 （４） 固体電解質板の端縁周辺部分には、燃料ガス管
や空気管の穴加工領域、つまり、電極面を構成しない領
域を含むため、固体電解質板の面積に対して有効電極面
積が小さくなり、固体電解質板の寸法に対して電力の出
力が低くなる。 （５） さらに、固体電解質板の寸法サイズが大きくな
るため、反りやうねりに対する許容度が低く、寸法的に
変形を生じやすい問題もある。

【０００９】本発明の解決しようとする課題は、固体電
解質板に燃料ガスや空気用の穴加工を施す必要をなく
し、固体電解質板の負荷を軽減すると共に、固体電解質
板の有効電極面積を大きくした固体電解質型燃料電池の
積層構造を提供しようとすることにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】この課題を解決するため
に本発明に係る固体電解質型燃料電池の積層構造にあっ
ては、固体電解質板の片面に燃料極が、また反対面に空
気極が設けられた単電池とセパレータとが交互に積層さ
れた固体電解質型燃料電池において、前記セパレータの
燃料極との対向面に形成される燃料ガス分配路と、空気
極との対向面に形成される空気分配路とが、夫々の分配
路を流れる燃料ガス及び空気が直交流をなす方向に形成
され、該燃料ガス分配路と空気分配路とが交差する領域
内に前記単電池が納まるように配設されていることを要
旨とするものである。

【００１１】上記構成を有する固体電解質型燃料電池の
積層構造によれば、燃料ガスは燃料ガス分配路を通っ
て、固体電解質板の燃料極面に供給され、空気は空気分
配路を通って固体電解質板の空気極面に供給されるが、
単電池のサイズが燃料ガス分配路と空気分配路とが交差
する領域内に納まる大きさとなっているので、単電池面
にかかるガス圧の負荷はそれ程大きくなく、単電池を構
成する固体電解質板がそのガス圧によって割れるという
ことは回避される。また、固体電解質板のサイズが燃料
ガス分配路と空気分配路とが交差する領域内に納まる大
きさということで、その両面に施される電極のサイズも
目いっぱいに大きくすることができ、固体電解質板の面
積に対して有効電極面積が大きくなる。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好適な一実施の形
態を図面を参照して詳細に説明する。図１は、本発明の
一実施の形態に係る固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）
の構造を概念的に示した分解斜視図である。同図に示し
たＳＯＦＣ１０は、固体電解質板１２，１２…の一方の
面には燃料極１４，１４…、他方の面には空気極１６，
１６…が設けられた単電池１８，１８…とセパレータ２
０，２０…とが交互に積層されたものである。

【００１３】そして固体電解質板１２，１２…の燃料極
１４，１４…と対向するセパレータ２０，２０…の面に
は多本数の溝からなる燃料ガス分配路２２，２２…が形
成され、固体電解質板１２，１２…の空気極１６，１６
…と対向するその反対側の面には多本数の溝からなる空
気分配路２４，２４…が形成されている。これら燃料ガ
ス分配路２２，２２…と空気分配路２４，２４…とは、
夫々の分配路を流れる燃料ガスと空気とが直交流をなす
方向関係に形成されている。

【００１４】また、各セパレータ２０，２０…の燃料ガ
ス分配路２２，２２…は互いに平行に、同じく各セパレ
ータ２０，２０…の空気分配路２４，２４…も互いに平
行に形成されている。そして上記した単電池１８，１８
…は、該燃料ガス分配路２２，２２…と空気分配路２
４，２４…とが交差する領域内に配設されている。

【００１５】このように多くの溝が配されたセパレータ
２０，２０…には、その本体の一方の対向縁寄り部位に
燃料極１４，１４…へ燃料ガスを供給するための燃料ガ
ス供給孔２６ａ，２６ｂ，２６ｃと、反応した後の燃料
ガスを排出するための燃料ガス排出孔２８ａ，２８ｂ，
２８ｃとが形成され、その他方の対向縁寄り部位には、
空気極１６，１６…へ空気を供給するための空気供給孔
３０ａ，３０ｂ，３０ｃと、反応した後の空気を排出す
るための空気排出孔３２ａ，３２ｂ，３２ｃとが形成さ
れている。

【００１６】かくして、空気供給孔３０ａ，３０ｂ，３
０ｃ、空気分配路２４、空気排出孔３２ａ，３２ｂ，３
２ｃは連通して設けられ、また、燃料ガス供給孔２６
ａ，２６ｂ，２６ｃ、燃料ガス分配路２２、燃料ガス排
出孔２８ａ，２８ｂ，２８ｃは、連通して設けられる。

【００１７】次に、ＳＯＦＣ１０の要部断面構造につい
て図２及び図３を参照して説明する。図２は、図１に示
した線Ａ−Ａ’についての部分断面を拡大して示した図
であり、図３は、同じく図１に示した線Ｂ−Ｂ’につい
ての部分断面を拡大して示した図である。上述したよう
に、単電池１８，１８…とセパレータ２０，２０…とは
交互に多層にわたって積層されるものであるが、このと
きに、単電池１８，１８…の寸法サイズが該燃料ガス分
配路２２，２２…と空気分配路２４，２４…とが交差す
る領域内に納まる大きさであることから、単電池１８，
１８…を挟んでいるセパレータ２０，２０…の間に隙間
ができないように単電池１８，１８…の周囲には、セパ
レータ２０，２０…と外形寸法が同一に形成されたスペ
ーサ部材３４が配置される。

【００１８】矢示するＣ及びＤ方向は、燃料ガスが流れ
る方向を示しており、これによって、燃料ガス供給孔２
６ａ，２６ｂ，２６ｃから導入された燃料ガスが燃料ガ
ス供給路３６を介して燃料ガス分配路２２に流れ込み、
電極反応に供された後、燃料ガス排出路３８を介して燃
料ガス排出孔２８ａ，２８ｂ，２８ｃから排出される経
路が示されている。また、燃料ガスと燃料極１４，１４
…とが接触する部位の構造が示されている。一方、空気
分配路２４，２４…を流れる空気は図示された多くの溝
を通って手前から奥へ向かって流れるようになってい
る。

【００１９】一方、図３において、矢示するＥ及びＦ方
向は、空気が流れる方向を示しており、これによって、
空気供給孔３０ａ，３０ｂ，３０ｃから導入された空気
が空気供給路４０を介して空気分配路２４に流れ込み、
電極反応に供された後、空気排出路４２を介して空気排
出孔３２ａ，３２ｂ，３２ｃから排出される経路が示さ
れている。また、空気と空気極１６，１６…とが接触す
る部位の構造が示されている。一方、燃料ガス分配路２
２，２２…を流れる燃料ガスは図示された多くの溝を通
って手前から奥へ向かって流れるようになっている。

【００２０】これら図１乃至図３において、固体電解質
板１２，１２…は、イットリア安定化ジルコニア（Ｙ₂
Ｏ₃ Ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ ＺｒＯ₂） 材料あるいは
スカンジア安定化ジルコニア（Ｓｃ₂Ｏ₃ Ｓｔａｂｉｌ
ｉｚｅｄ ＺｒＯ₂） 材料により形成され、燃料極１
４，１４…は、ニッケル−サーメット系（Ｎｉ−ＹＳ
Ｚ）材料により形成され、空気極１６，１６…は、ラン
タンストロンチウムマンガナイト系（ＬａＳｒＭｎ
Ｏ₃）材料により形成されている。また、セパレータ２
０，２０…は、ランタンクロマイト系材料により形成さ
れ、スペーサ部材３４は、ガラスやセラミックファイバ
ーにより形成されている。

【００２１】図４は、このスペーサ部材３４の平面形態
を示す図であり、中央部には単電池１８，１８…が納ま
る寸法サイズの孔が設けられるとともに、セパレータ２
０に設けられた端縁周辺部の燃料ガス供給孔２６ａ，２
６ｂ，２６ｃ、燃料ガス排出孔２８ａ，２８ｂ，２８
ｃ、空気供給孔３０ａ，３０ｂ，３０ｃ、空気排出孔３
２ａ，３２ｂ，３２ｃに対応するところには長方形状の
孔が四つ設けられている。このスペーサ部材３４は、上
述したようにガラスやセラミックスファイバー等により
形成されるものであるが、それは、単電池１８，１８…
のみならずＳＯＦＣ１０にかかる負荷を軽減する機能、
例えば、稼動時の熱応力や何等かの外力による衝撃を吸
収する機能を与えるためである。

【００２２】また、こうして単電池１８，１８…の周囲
に配置されたスペーサ部材３４により、単電池１８，１
８…とセパレータ２０，２０…とが交互に多段にわたっ
て積層されたときのその内部を流れる各種ガスが外部へ
漏れないようにされている。なお、ガスシール構造の詳
細については、本出願の内容とは関係ないため省略す
る。

【００２３】図５（ａ）及び（ｂ）はセパレータ２０，
２０…の平面形態を示す図である。同図（ａ）は、空気
分配路２４，２４…が形成された平面を示す図であり、
同図（ｂ）は、同図（ａ）に示したセパレータ２０，２
０…をそのまま裏がえした形態を示す図であり、燃料ガ
ス分配路２２，２２…が形成されている。そして、これ
らに図示する線Ａ−Ａ’及び線Ｂ−Ｂ’は、図１に示し
た各線を示している。端縁周辺部には、上述した燃料ガ
ス供給孔２６ａ，２６ｂ，２６ｃ、燃料ガス排出孔２８
ａ，２８ｂ，２８ｃ、空気供給孔３０ａ，３０ｂ，３０
ｃ及び空気排出孔３２ａ，３２ｂ，３２ｃ、燃料ガス供
給路３６、燃料ガス排出路３８、空気供給路４０、空気
排出路４２が形成されている。

【００２４】かくしてこのように構成されるＳＯＦＣ１
０の発電メカニズムは次の通りである。すなわち、電極
反応用空気が空気供給孔３０ａ，３０ｂ，３０ｃを通っ
て空気供給路４０から空気分配路２４，２４…へ導入さ
れると、該空気は、溝に沿って流れて単電池１８，１８
…の空気極１６，１６…に接触する。これにより、その
空気極１６，１６…で酸素イオン（Ｏ^2-）が生成され、
この酸素イオン（Ｏ^2-）が固体電解質板１２，１２…を
移動して反対面側の燃料極１４，１４…に到達する。

【００２５】一方、燃料ガス供給孔２６ａ，２６ｂ，２
６ｃを通って燃料ガス供給路３６から燃料ガス分配路２
２，２２…へ導入された燃料ガスは、該燃料ガス分配路
２２，２２…によって案内される方向に従って流れ、こ
れにより、各セパレータ２０，２０…における燃料ガス
流の方向は、上述した空気流の方向に対しては直交する
方向になる。この燃料ガス中の水素ガス（Ｈ₂） は、空
気極側より移動してきた酸素イオン（Ｏ^2-）と反応して
水蒸気（Ｈ₂Ｏ） となり電子を放出する。これにより燃
料極と空気極の間に電気が発生する。

【００２６】固体電解質板１２，１２…やセパレータ２
０，２０…等の夫々の部材は、ガス圧を受けることにな
るが、固体電解質板１２，１２…は両電極と略同一の大
きさで穴が形成されることなく作製されているため、Ｓ
ＯＦＣ１０は全体として高いガス圧にも耐え得る。ま
た、燃料ガスや空気の供給孔並びにそれらの排出孔はセ
パレータのみに設けられているためガスの給排気による
ガス流の固体電解質板１２，１２…への影響を低減させ
た状態で発電状態が得られるようになる。

【００２７】以上説明した本発明の一実施例によれば、
以下（１）乃至（４）に示した効果が期待されるもので
ある。すなわち、 （１） 固体電解質板に燃料ガスや空気の流通穴を設け
る必要がないので単電池の製作上の歩留まりが向上し、
製造コストを低減することができる。また、固体電解質
型燃料電池を用いたシステムのイニシャルコストを低減
することができる。

【００２８】（２） 固体電解質板に穴を開ける必要を
なくしたため、固体電解質板の構造強度が高くなる。さ
らに、固体電解質板の寸法サイズを小さくできるので、
空気や燃料ガスの流れによって発生するガス圧を受ける
面積が従来のものに較べて小さくなり、固体電解質板が
割れにくくなる。 （３） さらに、固体電解質板の寸法サイズが小さくな
り、電極面積を目いっぱいに大きくすることができるた
め、固体電解質板の面積に対して、その有効電極面積が
大きくなり、固体電解質板の寸法に対しての電力出力が
大きくなる。

【００２９】（４） さらにまた、固体電解質板の寸法
サイズを小さくしたことで電解質板の反りやうねりに対
する許容度が高く、寸法変形の問題もなく、全体として
構造強度が高くなる。

【００３０】尚、本発明は、上記した実施の形態に何ら
限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範
囲で種々の改変が可能である。例えば、上記の実施例に
おいては、燃料ガスや空気の給排気孔をセパレータの四
側辺位置に設けたが、これを四隅各部に設けてセパレー
タの上下面で燃料ガスと空気とが直交流となるように分
配路を形成するものであっても勿論よい。

【００３１】

【発明の効果】本発明の固体電解質型燃料電池（ＳＯＦ
Ｃ）の積層構造によれば、固体電解質板の寸法サイズを
小さくして、固体電解質板には燃料ガスや空気の給排気
用の穴を設けなくてもよいようにしたので、製造コスト
が低減されることはもとよりガス圧に対する単電池の割
れを防ぐことができ、さらに有効電極面積も大きくする
ことができる。したがって、固体電解質型燃料電池（Ｓ
ＯＦＣ）としての低廉化、並びに寿命の延長が期待され
るものであり、その産業上の有益性は大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態に係る平板型固体電解質
型燃料電池（ＳＯＦＣ）の積層構造を概念的に示す分解
斜視図である。

【図２】図１に示したＳＯＦＣの要部の拡大断面図であ
る。

【図３】同じく図１に示したＳＯＦＣの要部の拡大断面
図である。

【図４】単電池の周囲に設けられるスペーサ部材とセパ
レータとの位置関係を示す平面図である。

【図５】（ａ）は、空気分配路がある側のセパレータ面
の形態を示した図であり、（ｂ）は、燃料ガス分配路が
ある側のセパレータ面の形態を示した図である。

【図６】従来一般的に知られる平板型積層構造の固体電
解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）の外観斜視図である。

【図７】図６に示したＳＯＦＣに適用されるセパレータ
の平面図である。

【符号の説明】

１０ 固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ） １２ 固体電解質板 １４ 燃料極 １６ 空気極 １８ 単電池 ２０ セパレータ ２２ 燃料ガス分配路 ２４ 空気分配路 ２６ａ，２６ｂ，２６ｃ 燃料ガス供給孔 ２８ａ，２８ｂ，２８ｃ 燃料ガス排出孔 ３０ａ，３０ｂ，３０ｃ 空気供給孔 ３２ａ，３２ｂ，３２ｃ 空気排出孔 ３４ スペーサ部材 ３６ 燃料ガス供給路 ３８ 燃料ガス排出路 ４０ 空気供給路 ４２ 空気排出路

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 固体電解質板の片面に燃料極が、また反
   対面に空気極が設けられた単電池とセパレータとが交互
   に積層された固体電解質型燃料電池において、前記セパ
   レータの燃料極との対向面に形成される燃料ガス分配路
   と、空気極との対向面に形成される空気分配路とが、夫
   々の分配路を流れる燃料ガス及び空気が直交流をなす方
   向に形成され、該燃料ガス分配路と空気分配路とが交差
   する領域内に前記単電池が納まるように配設されている
   ことを特徴とする固体電解質型燃料電池の積層構造。