JPH11297341A - 固体電解質型燃料電池 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 発電部の面内温度差が小さい固体電解質型燃
料電池を得る。 【解決手段】 固体電解質型燃料電池１は、発電部５と
インターコネクタ８を積み重ねたスタック構造を有して
いる。発電部５は、固体電解質膜２と燃料極３と空気極
４とで構成されている。インターコネクタ８の上面に
は、リブ９ａ〜９ｃが燃料ガス流路の方向に分断区分さ
れた状態で配設されている。そして、リブ９ａ，９ｂ，
９ｃのそれぞれの相互の間隔Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３は、燃料
ガス流路の流入口から流出口に向かって順次広く設定さ
れている。インターコネクタ８の下面には燃料ガス用溝
１０ａ〜１０ｃの方向に対して直交する複数の酸化ガス
用溝１２が所定の間隔で設けられている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、固体電解質型燃料
電池に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の固体電解質型燃料電池と
して、図４に示す構造のものが知られている。この固体
電解質型燃料電池２１は、燃料極２３及び空気極２４を
それぞれ下面及び上面に設けた固体電解質膜２２からな
る発電部２５とインターコネクタ２８とを積み重ねてス
タック構造としたものである。インターコネクタ２８の
上面には複数本のリブ２９が設けられ、リブ２９相互間
に燃料ガス流路である燃料ガス用溝３０が形成されてい
る。インターコネクタ２８の下面にも、複数本のリブ３
１が設けられ、リブ３１相互間に酸化ガス流路である酸
化ガス用溝３２が燃料ガス用溝３０の方向に対して直交
する方向に形成されている。この燃料ガス用溝３０及び
酸化ガス用溝３２にそれぞれ燃料ガス、酸化ガスを流し
て、燃料極２３及び空気極２４に各ガスをゆきわたらせ
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、燃料ガ
ス用溝３０と酸化ガス用溝３２の方向が直交する構造の
固体電解質型燃料電池２１は、図５に示すように、発電
部２５の面内温度差が大きいという問題点があった。特
に、この問題は燃料ガス側で顕著であった。この温度差
は発電部２５の面内での電極反応が均一でないことに起
因している。つまり、従来のリブ２９、３１を有するイ
ンターコネクタ２８では、燃料ガスの流入口近傍での電
極反応により燃料ガスが消費され、流入口から遠ざかる
につれてガス濃度が低下する。従って、発電量がガス流
入口側では大きく、流出口側では小さくなる。一方、酸
化ガスは、消費によるガス濃度の変化が小さく、酸化ガ
スの流入口側での温度は高くならない。ところが、流出
口近傍に近づくにつれて発電により生じた熱を吸収して
温度が高くなる。このため、発電部２５の面内温度は、
燃料ガス流入口の近傍、かつ、酸化ガスの流出口近傍で
温度が高く、そこから離れた部分で温度が低くなる。こ
の発電部２５の面内温度差とその偏りのため、発電部２
５内部に熱応力が発生し、発電部２５の破損が起きる心
配があった。

【０００４】そこで、本発明の目的は、スタック内部、
あるいは一つの発電部内での温度差を抑えることができ
る固体電解質型燃料電池を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】以上の目的を達成するた
め、本発明に係る固体電解質型燃料電池は、インターコ
ネクタの少なくとも一面にガス流路を設け、前記ガス流
路を流入口から流出口に渡って構成する複数のリブがガ
ス流路方向に分断区分され、かつ、隣接するリブ相互の
間隔を前記ガス流路の流入口から流出口に向かって分断
区分毎に順次広く設定したことを特徴とする。

【０００６】

【作用】以上の構成により、隣接するリブ相互の間隔が
狭いガス流路の流入口側では発電面積が減少する。その
ため、ガス流路の流入口側での発電量が抑えられ、発熱
量も減少する。また、ガスの流れが速くなり、発生した
熱の除去にも貢献する。一方、隣接するリブ相互の間隔
が広いガス流路の流出口側では発電面積が大きくなる。
そのため、ガス流路の流出口側での発電量が増加し、発
熱量も増加する。これにより、発電部の面内温度差が緩
和される。

【０００７】また、複数のリブを同一幅とすることによ
り、インターコネクタの設計及び製造が容易になる。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る固体電解質型
燃料電池の実施形態について添付図面を参照して説明す
る。図１は、電池内部でガス改質を行わない外部改質方
式の固体電解質型燃料電池１の構成を示すものである。
なお、外部改質方式とは、燃料ガス（水素及び一酸化炭
素等）の改質をスタック構造体（後述）の外部で行なう
方式である。逆に、原料の天然ガスを改質せずに直接ス
タック構造体に供給し、スタック構造体内に充填した触
媒によりスタック構造体内部で水素及び一酸化炭素に改
質する方式を内部改質方式という。

【０００９】固体電解質型燃料電池１は矩形体であり、
発電部５とインターコネクタ８を積み重ねたスタック構
造体を有している。発電部５は、固体電解質膜２と、固
体電解質膜２の上面に形成された空気極４と、固体電解
質膜２の下面に形成された燃料極３とで構成されてい
る。固体電解質膜２の材料としては、Ｙ₂Ｏ₃を数ｍｏ１
％添加されて安定したＺｒＯ₂セラミックス等が用いら
れる。空気極４は（Ｌａ，Ｓｒ）ＭｎＯ₃等のペロブス
カイト型酸化物導電材料からなり、燃料極３はＮｉ・Ｚ
ｒＯ₂サーメット等からなる。固体電解質膜２と空気極
４と燃料極３は、グリーンシート状にされたそれぞれの
原料を積み重ねて圧着した後、共焼結（同時に焼成する
こと）して発電部５とされる。

【００１０】インターコネクタ８は、燃料ガスと酸化ガ
スを分離するためのものであり、また、燃料ガスや酸化
ガスを外気から遮断し、隣り合う発電部５，５を電気的
に直列に接続するための電子伝導体の役目もしている。
インターコネクタ８の上面の左右の縁部には、手前側の
辺から奥側の辺にわたる枠部８ａ，８ａが設けられてい
る。この枠部８ａ，８ａの間に、手前側から順にリブ９
ａ，リブ９ｂ，リブ９ｃが分断区分された状態で配設さ
れている。図２に示すように、リブ９ａ〜９ｃは、イン
ターコネクタ８の設計及び製造がし易いように、長さＬ
と幅Ｗが全て同一のサイズに設定されている。

【００１１】リブ９ａ相互間及びリブ９ａと枠部８ａと
の間には、燃料ガス流路である燃料ガス用溝１０ａが形
成されている。リブ９ｂ相互間及びリブ９ｂと枠部８ａ
との間には、燃料ガス流路である燃料ガス用溝１０ｂが
形成されている。リブ９ｃ相互間及びリブ９ｃと枠部８
ａとの間には、燃料ガス流路である燃料ガス用溝１０ｃ
が形成されている。リブ９ａ〜９ｃは、長手方向が燃料
ガスが流れる方向に平行になるように配置されている。
燃料ガスは、燃料ガス用溝１０ａ〜１０ｃを通って燃料
極３にゆきわたる。

【００１２】ここに、手前側に配設された一点鎖線Ａで
囲まれた７本のリブ９ａ相互の間隔及びリブ９ａと枠部
８ａとの間隔、言い換えると、燃料ガス用溝１０ａの幅
をＤ１とする。同様に、中央部に配設された一点鎖線Ｂ
で囲まれた４本のリブ９ｂ相互の間隔及びリブ９ｂと枠
部８ａとの間隔、言い換えると、燃料ガス用溝１０ｂの
幅をＤ２とする。奥側に配設された一点鎖線Ｃで囲まれ
た３本のリブ９ｃ相互の間隔及びリブ９ｃと枠部８ａと
の間隔、言い換えると、燃料ガス用溝１０ｃの幅をＤ３
とする。燃料ガスが燃料ガス用溝１０ａの流入口から流
入し、燃料ガス用溝１０ｂを通って燃料ガス用溝１０ｃ
の流出口から排出される場合、Ｄ１〜Ｄ３の寸法は、条
件式Ｄ１＜Ｄ２＜Ｄ３が満足するように設定される。

【００１３】本実施形態では、Ｄ１＝１ｍｍ，Ｄ２＝５
ｍｍ，Ｄ３＝１０ｍｍとし、リブ９ａ〜９ｃの長さＬを
３０ｍｍ、幅Ｗを１ｍｍ、燃料ガスが流れる方向のリブ
９ａと９ｂの間隔Ｐ１及びリブ９ｂと９ｃの間隔Ｐ２を
それぞれ１５ｍｍとした。また、インターコネクタ８は
１２０ｍｍ×１２０ｍｍの正方形状とした。

【００１４】図１に示すように、インターコネクタ８の
下面の手前側及び奥側の縁部には、右側の辺から左側の
辺にわたる枠部８ｂ，８ｂが設けられている。この枠部
８ｂ，８ｂの間に、右側の辺から左側の辺にわたるリブ
１１が３本設けられ、リブ１１相互間及びリブ１１と枠
部８ｂとの間に酸化ガス流路である酸化ガス用溝１２が
燃料ガス用溝１０ａ〜１０ｃの方向に対して直交する方
向に所定の間隔で形成されている。この酸化ガス用溝１
２によって、酸化ガスが空気極４にゆきわたる。インタ
ーコネクタ８の材料としては、ニッケルクロム合金等の
耐熱性及び耐酸性の合金や導電性金属酸化物粉末を含有
したセラミック等が用いられる。

【００１５】なお、図示していないが、発電部５とイン
ターコネクタ８の積層体の上端部には、下面に酸化ガス
用溝を設けかつ上面は略平面（すなわち、上面には燃料
ガス用溝が設けられていない）のインターコネクタが配
置されている。一方、発電部５とインターコネクタ８の
積層体の下端部には、上面に燃料ガス用溝を設けかつ下
面は略平面（すなわち、下面には酸化ガス用溝が設けら
れていない）のインターコネクタが配置されている。

【００１６】次に、この構成の固体電解質型燃料電池１
の作用効果について図１及び図２を参照して説明する。
水素ガス等の燃料ガスは、インターコネクタ８の燃料ガ
ス用溝１０ａの流入口から供給され、燃料極３に導かれ
る。同様に、空気や酸素ガス等の酸化ガスはインターコ
ネクタ８の酸化ガス用溝１２の流入口から供給され、空
気極４に導かれる。固体電解質型燃料電池１の内部は高
温（約８００〜１０００℃）に保持されており、空気極
４に供給された酸化ガスと燃料極３に供給された燃料ガ
スとが固体電解質膜２を介して電極反応を起こし、発電
部５の厚み方向に電流が流れる。

【００１７】このとき、燃料ガス用溝１０ａ，１０ｂ，
１０ｃのそれぞれの幅Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３が、燃料ガス流
路の流入口から流出口に向かって順次広くなっているの
で、幅Ｄ１の狭い燃料ガス用溝１０ａでは、発電面積が
小さくなる。したがって、燃料ガス流路の流入口側での
発熱量が抑えられ、発熱量も減少する。また、ガスの流
れが速くなるので発生した熱が充分除去される。一方、
幅Ｄ３の広い燃料ガス用溝１０ｃでは発電面積が大きく
なる。したがって、燃料ガス流路の流出口側での発電量
が増加し、発熱量も増加する。この結果、図３に示すよ
うに、発電部５の面内温度分布が均一化され、発電部５
の割れ等の破損も抑えることができる。よって、固体電
解質型燃料電池１の信頼性を向上させ、かつ、電池特性
の低下を防止することができる。

【００１８】反応後の燃料ガスは、燃料ガス用溝１０ｃ
の流出口から排出される。同様に、反応後の酸化ガス
は、酸化ガス用溝１２の流出口から排出される。

【００１９】なお、本発明に係る固体電解質型燃料電池
は前記実施形態に限定するものではなく、その要旨の範
囲内で種々に変更することができる。インターコネクタ
に設けるリブの形状、数等は任意である。また、前記実
施形態では、発電部の面内温度差の問題に大きな影響を
及ぼす燃料ガス流路側のみについて本発明を適用した
が、酸化ガス流路側にも同様に本発明を適用してもよい
ことは言うまでもない。

【００２０】

【発明の効果】以上の説明で明らかなように、本発明に
よれば、隣接するリブ相互の間隔をガス流路の流入口か
ら流出口に向かって分断区分したリブ毎に順次広く設定
したので、隣接するリブ相互の間隔が狭いガス流路の流
入口側では、発電面積が小さくなる。そのため、ガス流
路の流入口側での発電量が抑えられ、発熱量も減少す
る。また、ガスの流れが速くなるので、発生した熱が除
去され温度上昇が抑えられる。一方、隣接するリブ相互
の間隔が広いガス流路の流出口側では、発電面積が大き
くなる。そのため、ガス流路の流出口側での発生量が増
加し、発熱量も増加する。この結果、発電部の面内温度
差を抑えることができ、発電部の破損を減少させ、固体
電解質型燃料電池の信頼性を向上させると共に、電池特
性の低下を防止することができる。

【００２１】また、複数のリブを同一幅とすることによ
り、インターコネクタの設計及び製造を容易に行うこと
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る固体電解質型燃料電池の第１実施
形態を示す分解斜視図。

【図２】図１に示した固体電解質型燃料電池のインター
コネクタの平面図。

【図３】図１に示した固体電解質型燃料電池の発電部の
面内温度分布図。

【図４】従来の固体電解質型燃料電池を示す分解斜視
図。

【図５】図４に示した固体電解質型燃料電池の発電部の
面内温度分布図。

【符号の説明】

１…固体電解質型燃料電池 ２…固体電解質膜 ３…燃料極 ４…空気極 ５…発電部 ８…インターコネクタ ９ａ，９ｂ，９ｃ…リブ １０ａ，１０ｂ，１０ｃ…燃料ガス用溝 Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３…間隔 Ｗ…幅

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 固体電解質膜とこの固体電解質膜の表裏
   面にそれぞれ設けられた燃料極と空気極とからなる発電
   部と、この発電部の燃料極側又は空気極側の少なくとも
   一方の側に配設されるインターコネクタとを積み重ねて
   構成した固体電解質型燃料電池において、 前記インターコネクタの少なくとも一面にガス流路を設
   け、前記ガス流路を流入口から流出口に渡って構成する
   複数のリブがガス流路方向に分断区分され、かつ、隣接
   するリブ相互の間隔を前記ガス流路の流入口から流出口
   に向かって分断区分毎に順次広く設定したことを特徴と
   する固体電解質型燃料電池。
2. 【請求項２】 前記複数のリブは同一幅であることを特
   徴とする請求項１記載の固体電解質型燃料電池。