JPH0260062A - 積層型燃料電池 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 Ａ、産業上の利用分野 本発明は積層型の燃料電池に関するものである。

Ｂ９発明の概要 本発明は、枠部材に電解質物体とこの電解質物体の両側
に位置する陽極と陰極の電極板を組み込み、この単セル
の複数個を各同極の電極板同志が各々対向すると共に、
各同極の電極板間にそれぞれ燃料用のマニホルドを形成
するように積層したらのにおいて、 前記枠部材に陽極導体用および陰極導体用の貫通孔を形
成し、これらの貫通孔内に導体を設け、それぞれ陽極導
体と陽極電極および陰極導体と陰極電極を接続し、隣接
する枠部材間にソール部を設けると共に、焼成前のアル
ミナを積層した後に焼成して前記枠部材を形成すること
により、製作容易にして小型化でき、かつ安全性に優れ
た燃料Ｎ池を得る。

Ｃ１従来の技術 燃料電池本体は、固体電解質の両側に陽極と陰極の電極
板を配置して単位電池（単セル）を構成し、この単セル
を曳数個直列に積層して構成されている。この単セルを
陽極電極同志と陰極電極板同志が対向するように複数個
配置したセルに対して、陰極板側に燃料として水素ガス
（水素）を供給し、陽極板側に酸化剤として、空気（酸
素）を供給して水素を酸素と反応させて電気を生じさせ
ろと共に、水を生成させている。

すなわち、燃料電池本体１０は、第５図に示すように、
複数個の単位電池（単セルＳ）と、これらの単セルＳを
直列に積層固定する抑え板１ａ。

１ｂと、積層固定した電池本体ｌＯの各単セルＳの陰極
板側に水素ガスＨ７を供給する水素ガス供給用マニホル
ド２と、陽極板側に空気を供給する空気供給用マニホル
ド３と、各単セルＳの陽極板および陰極板からそれぞれ
電気を取り出す集電リード４および５によって構成され
ている。

この様な積層型燃料電池においては、ガス供給用のマニ
ホルド２．３は、電池本体ＩＯの外側に付設されている
。また、供給された水素ガスと空気が電解質を介して反
応を行うことによって水と電気エネルギーか発生し、こ
の発生した電気エネルギーを外部に取り出す集電リード
（ブスバー）４．５も、セルの外側に付設されている。

Ｄ９発明が解決しようとする課題 従来の積層を燃料電池においては、第！の課題として、
マニホルドやブスバーがセルの外側に付設されていたた
め、燃料電池自体の全体構造が大型となり、また複数個
の単セルを積層するときの作業が煩雑であった。

しかるに、ガス供給用のマニホルドをセル枠内に内設し
、セルの全体構造をその分だけ小型化することは、特開
昭６２−１７７８１号公報において退室されている。し
かし、集電体で集電した電気エネルギーを外部に取り出
すブスバーをセルの枠内に内股することは、集電体とブ
スバーとの接続が煩雑になるため、今まで行われていな
かった。

積層型燃料電池における第２の課題として、セル外周部
の絶縁枠板は、（１）熱サイクルに耐えること、（２）
電解質との界面のガスシール性、（３）絶縁性、および
酸化還元反応に強い等の性能を満たす材料にしなければ
ならない。

第３の課題としては、電解質の両側に陰極と陽極の電極
板を配し、陰極側に水素ガスを供給し、陽極側に空気を
供給しているので、電池内外における反応ガスの漏れを
防止することが重要である。

すなわち、ガス漏れが起こると、燃料電池の発電効率の
低下を生じさせるばかりでなく、爆発等の大災害につな
がるので、ガス漏れを防止するために、単セル同志の積
層には充分な注意が払わガなければならない。

本発明は上記従来の問題点に鑑みてなされたものでその
目的は、積層型燃料電池において、焼成前のアルミナを
積層した後に焼成して単セルの枠部材を形成し、この棒
部材内にブスバー用の貫通孔を内設し、単セルを積層し
た後に各セルの集電体と接合するブスバーを挿設すると
共に、隣接する各セルの枠部材間に有効なシール部を形
成することにより、製作容易にして小型化が可能な積層
型燃料電池を提供することである。

Ｅ９課題を解決するための手段 本発明は、上記目的を達成するために、枠部材に電解質
物体とこの電解質物体の両側に位置する陽極と陰極の電
極板を組み込んで単セルを構成し、この単セルの複数個
を陽極の電極板同志および陰極の電極板同志が各々対向
すると共に、これらの各同極の電極板間にそれぞれ燃料
用マニホルドを形成するように積層した燃料電池におい
て、焼成前のアルミナを積層した後に焼成したものによ
り前記枠部材形成し、この枠部材に陽極ブスバー用の貫
通孔と陰極ブスバー用の貫通孔を形成し、前記陽極ブス
バー用の貫通孔内には前記陽極板と接続するように軟質
導電材をもとに形成した陽極ブスバーを設けると共に、
前記陰極ブスバー用の貫通孔内には前記陰題板と接続す
るように軟質導電材をもとに形成した陰極ブスバーを設
け、前記単セルの隣接する枠部材間にシール部を介設し
て燃料電池を構成する。

Ｆ、作用 枠部材に形成された陽極ブスバー用貫通孔に陽極ブスバ
ーを挿設すると該陽極ブスバーは陽極板と接続されると
共に、同じく前記枠部材に形成された陰極ブスバー用貫
通孔に陰極ブスバーを挿設すると該陰極ブスバーは陰極
板と接続される。したがって棒部材内に設けられた各ブ
スバーを通して電気エネルギーが取り出される。また、
隣接する枠部材間に配設されたシール部材によりガスシ
ール性が確保される。

Ｇ、実施例 以下に本発明の実施例を第１図〜第５図を参照しながら
説明する。

第３図は本発明の各実施例に係る燃料電池本体１０の平
面図、第１図は第３図のＩ−Ｉ線断面図、第２図は第３
図の■−■線断面図であって、第４図に本発明の実施例
による燃料電池本体を構成するセルを分解したしのを示
す。

第１図〜第５図において１１は白金等からなる陰極板（
ＴＬ電極板、１２は同じく白金等からなる陽極板（電極
板）、１３は例えば、イツトリウム。

カル７ウム等の酸化物をジルコニアに固溶させた安定化
ジルコニアやフッ化ランタン等からなる固体電解質物体
である。これらの陰極板１１．陽極板１２．固体電解質
物体１３は枠部材１４内に組み込まれた状態で単セルＳ
を構成している。陰極板１１および陽極板１２には各々
金属メツシュ例えばニッケルメツシュ等からなる陰極側
集電体１５および陽極側集電体１６が設置されている。

陰極板１１．陽極板１２．固体電解質物体１３陰極側集
電体１５．陽極側集電体１６を組み込んだ枠部材１４の
互いに対向する隅部１７．＋８には、第４図に示すよう
に、水素ガス流路用のマニホルド１９．２０を設け、か
つそれぞれに溝状のチャンネル２１．２２が設けられ、
陰極板１１とマニホルド１９．２０が連通されている。

枠部材１４の残りの互いに対向する隅部２３，２４には
空気流路用のマニホルド２５．２６が設けられ、かつそ
れぞれに溝状のチャンネル２７．２８が設けられ、陽極
板１２とマニホルド２５．２６が連通している。

さらに、枠部材１４の一方の辺部１４ａには、陰極側ブ
スバー用の貫通孔２９が設けられ、このブスバー用貫通
孔２９には陰極側集電体」５の一部が突出している。ま
た、枠部材１４の他方の辺部１４ｂには陽極側ブスバー
用貫通孔３０が設けられ、この陽極側ブスバー用貫通孔
３０には陽極側集電体１６の一部が突出している。

さらに詳しくは、第１図に示すように、枠部材１４は中
空板状のにして円環状の突出部を有する焼成前のアルミ
ナからなる枠板１４ａ、１４ｂと中空枠板１４ｃをガラ
スシール４３を介して積層した後に焼成して形成したも
ので、枠板１４ａと１４ｃの間には負電極板１１と集電
板１５を配設し、枠板１４ｂと１４ｃ間には正電極板１
２と集電板１６を配設すると共に、電極板１１と１２間
には固体電解質物体１３を介設して単セルＳを構成する
。

複数個の単セルＳを積層し、これらを端板３３ａ、３３
ｂと、抑え板３４ａ、３４ｂと、ボルト３５およびナツ
ト３６によって積層固定する。これらの単セルＳを積層
固定すると、陰電極板ＩＩ側同志間に水素ガス用のマニ
ホルド４５ａか形成され、陽電極板Ｉ２側同志には空気
用のマニホルド４５ｂが形成されると共に、陰極ブスバ
ー用の貫通孔３９と陽極ブスバー用の貫通孔４０が形成
され、これらの貫通孔３９．４０に導電ペースト。

アルミダイキャストおよび低温ローＨ（、例えぼりん銅
ろう、黄銅ろう）等の軟質導電材を圧入し、陰極ブスバ
ー３７と陽極ブスバー３８を形成する。

導電ペーストをブスバー用貫通孔３９．４０に圧入して
ブスバー３７．３８とする場合、導電ペーストはその融
点以上に温度を上げて液状にして圧入する。そのため、
セルの枠材としては導電ペーストの融点以上の温度及び
圧入時の圧力に対して何ら変形等のない材料が要求され
る。また、圧入時にブスバー用貫通孔３９．４０以外の
部分に導電ペーストが漏れないように単セル同志をシー
ルしなければならない。

これらの性能を満足する枠材としては、アルミナ（ＡＱ
ｚＯｓ）、ジルコニア、ムライト、マグネシア等の酸化
物系のセラミックスを用いる。また、セルを積層する場
合のシール手段としては枠部材に形成された凹部３　］
、　ａと凸部３１ｂを嵌め合わせてシール部３２を形成
する。

さらに、単セルＳ同志を積層固定すると、第２図に示す
ように、水素ガス流通路４１と空気（０２）流通路４２
が形成される。水素ガス流通路４！はチャンネル２Ｉと
連通し、空気流通路４２はチャンネル２２と連通してい
る。

単セル同志のシール本来の目的は、燃料、酸化剤等のガ
スリークを防止するためのガスシールであり、このシー
ルにより導電ペースト圧入時にも漏れの心配がない。

上述のように構成された燃料電池本体１０において、単
セルＳは枠部材１４に形成されている凹部３１ａと、こ
の単セルＳに隣接するセルに形成された凸部３１ｂを嵌
め合わせることによってシール部３２が形成され、ガス
シール性を保持している。単セルＳを複数個積層した燃
料電池本体ＩＯにおいて、水素ガス（Ｈ７）は矢印Ａの
ように互いに通じ合っている水素ガス流路用マニホルド
１９．２０へ供給され、チャンネル２１．２２を経て陽
極板１１へ供給される。また、供給された水素ガスは固
体電解質物体１３を通して酸素と反応し、反応物である
水は水素ガス流通路４１を通して外部へ排出される。空
気は矢印Ｂのように互いに通じ合っている空気流路用マ
ニホルド２５゜２６へ供給され、チャンネル２７．２８
を経て陽極板１２に供給される。この場合の反応生成式
と陽極反応はＬ（ｔ＋　２　ｅ　−→ＨｚＯ＋　２　ｅ
−である。

導電ペースト、アルミダイキャストおよび低温ロー材等
の軟質導電材は第１図、第４図に示す矢印Ｃのように各
々互いに通じ合っている陰極側ブスバー用マニホルド２
９に圧入され、各セルの陰極側集電体１５と接合される
。同様に軟質導電参オは矢印りのように各々通じ合って
いる陽極側ブスバー用マニホルド３０に圧入され、各セ
ルの陽極側集電体１６と接合されると共に、それぞれ接
続端子４４ａ、４４ｂに接続される。

このような構成で積層されたモノニール電池は、電気的
には単セルを並列接続した構成となっている。このよう
なモジュールを電気的に直列に接続することによって所
定の電圧を発生させることができる。

上述の如き本発明の第１実施例に係る燃料電池によれば
、次の如き利点がある。

（ａ）単セルを複数個直列に積層した燃料電池において
、ガス供給用マニホルドばかりでなく、集電体で集電さ
れた電気エネルギーを取り出すブスバーをセルの枠内に
内設したので燃料電池全体をコンパクトにできる。

（ｂ）枠板をアルミナ材等の酸化物系のセラミックスと
したので、耐熱サイクル性、耐絶縁性、耐酸化還元性を
満足する枠材とすることができる。

（ｃ）単セル同志の積層は、枠（オの四部とこれに隣接
するセル上の凸部で嵌め合わ仕ガスノール性が向上した
。

（ｄ）ブスバーは導電ペースト１アルミナダイカスト、
低温ロー材等を圧入して形成しているため、セルの枠内
に内設することができる。

（ｅ）ブスバーを単セル内に形成しているため、複数個
の単セルをスタックするときの組み付は作業が簡単にで
きる。

上記実施例では枠部材！４の材質をアルミナ（Ａｌｌ！
２０３）とし、ブスバー３７．３８の材質を導電ペース
トとし、シール部３２を凹凸嵌合としたものであるが、
本発明においては、これらの材質又はシール部３２とし
て以下に述べる様な種々の組み合わせによる他の種々な
変形例か考えられる。

すなわちシール部３２を、第５図（Ｂ）に示すように、
枠部材１４の枠板１４ａと１４ｂに凹部３１ａ又は凸部
３１ｂを形成し、これらの四部３Ｉａと凸部３１ｂをグ
リーンソート３１ｃ状態、すなわち焼成曲の状態で嵌め
合わせ、その後焼成することによってノール部３２を構
成し、ガスシール性を保持している。したがって、単セ
ル同志の積層は、グリーンシート状態３１（？の枠部材
の凹部とこれに隣接する単セル上の凸部で嵌め合わせそ
の後焼成するのでガスリークのない緻密なシール性が得
られる。

第５図（Ｃ）に示すように枠部材１４の枠板１４ａと１
４ｂに夫々対向する凹部を形成し、枠板１４２Ｌと１４
ｂを重ね合わせて形成される溝内に銅製パツキン３１ｄ
を挿入してシール部３２が構成する。したがって、単セ
ル同志の積層は、枠部材の凹部３１ａとこれに隣接する
セル上の凹部３１ａとを銅製パツキン３１ｃｌを介して
シールしているので、ガスシール性が向上する。

また、第５図（Ｄ）に示すように、接合材としてのガラ
スセメント３１ｅを粘液状で塗布、あるいはスクリーン
印すリし、ガラスセメント３１ｅが固化する温度まで昇
温しで接合する手段によって構成する。

この場合、例えば１００°Ｃ／ｈ　（時間）の昇温スピ
ードで６００℃まで温度を上げ、この温度で１時間保持
した後、５０°Ｃ／ｈのスピードで室温まで降温するこ
とによって得られる。また、ノール部３２は枠板１４ａ
、１４ｂのうち一方に凹部を、他方の凸部を形成し、こ
れらを嵌合し、かつガラスセメントで接合するようにし
ても良い。このように、ガラスセメントを枠板の接合面
に塗布あるいはスクリーン印刷し、ガラスセメントを接
合材として接合するので、ガスシール性が向上する。

さらに、枠部材１４の材質をジルコニア材とし、ブスバ
ー３７．３８の材質を導電ペーストとし、シール部３２
を凹部３１ａと凸部３１ｂをグリーンシート状態、すな
わち焼成前の状態で嵌め合わせて積層し、その後焼成し
たものとする。

また、第５図（Ｃ）に示すようにシール部３２を枠部材
１４における枠板１４ａに形成した凹部３１ａと枠板１
４ｂに形成した凹部３１ａと銅製パツキン３１ｄとする
。

さらにまた、第５図（Ｄ）に示すように、ノール部３２
を枠板１４ａと１４ｂの接合面にガラスセメント３１ｅ
を塗布、あるいはスクリーン印刷し、ガラスセメントを
接合材として接合する手段によってシール部３２を構成
する。

Ｈ、発明の効果 本発明は以上の如くであって、枠部（オに陽極側ブスバ
ー用の貫通孔と陰極ブスバー用の貫通孔を形成し、陽極
側ブスバー用の貫通孔内には陽極板と接合するブスバー
を挿設すると共に、陰極側ブスバー用の貫通孔内には陰
極板と接合するブスバーを挿設したから、ブスバーが積
層体の外側でスペースを取ることがなく、全体をコンパ
クトにすることができる。しかも、複数の単セルをスタ
ックするとき、集電体とブスバーとの煩雑な接続作業が
不要であり、製作容易にして小型化が可能な燃料電池を
得ることができる。

さらに本発明によれば、単セルの枠部材の材質を焼成前
のアルミナを積層した後に焼成して枠部材を形成し、ブ
スバーの材質を軟質導電材とし、シール部として凹凸嵌
合、グリーンシート焼成銅製パツキンおよびカラスセメ
ントを用いたから、燃料電池における諸要件を充分に満
たす高信頼性の積層型燃料電池を得ることができるもの
である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例による積層型燃料電池を示した
もので第３図のＩ−１線断面図、第２図は第３図の■−
■線断面図、第３図は本発明の実施例による燃料電池の
平面図、第４図は単セル群の斜視図、第５図（Ａ）〜（
Ｄ）はシール部の変形例を示す拡大図、第６図は燃料電
池の構成原理図である。 １１・・・陰電極、１２・・陽電極、１３・・・電解質
物体、＋　４　・＝枠部材、ｌ　４　ａ〜ｌ　４　ｃ−
枠板、１５゜１６・・・集電板、１９．２０・・・水素
ガス流路用のマニホルド、２５．２６・・・空気流路用
の貫通孔、２９．３０・・・ブスバー用の貫通孔、３１
ａ・・・凸部、３１ｂ・凹部、３１ｃ＝グリーンノート
、３１ｄ銅製パツキン、３１ｅ・・・ガラスセメント、
３７・・・陰極側のブスバー　３８・・・陽極側のブス
バー４０．４１・・・ブスバー挿設用孔、４２．４３・
・・ガス流通路。 第１図 実施例の燃料電池 第３図 平面図 ＋１−陰電極 １２−陰電極 ３　電解質物体 １４　枠部材 ４３〜＋４ｂ　　枠板 ５．１６・集電板 １９．２０・・水素ガス用貫通孔 ２５．２６　　・空気通路用貫通孔 ２９．３０・・ブスバー用貫通孔 ３１ａ−凸部 ３１ｂ・・凹部 ３２−　ノール部 ３７・陰極ブスバー ３８・・陽極ブスバー ５ａ、４５ｂ・燃料用マニホールド 第５図 （Ａ） （Ｂ） （Ｃ） （Ｄ） 第６図 積層型燃料電池の原理図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）枠部材に電解質物体とこの電解質物体の両側に位
   置する陽極と陰極の電極板を組み込んで単セルを構成し
   、この単セルの複数個を陽極の電極板同志および陰極の
   電極板同志が各々対向すると共に、これらの各同極の電
   極板間にそれぞれ燃料用マニホルドを形成するように積
   層した燃料電池において、焼成前のアルミナを積層した
   後に焼成したものにより前記枠部材形成し、この枠部材
   に陽極ブスバー用の貫通孔と陰極ブスバー用の貫通孔を
   形成し、前記陽極ブスバー用の貫通孔内には前記陽極板
   と接続するように軟質導電材をもとに形成した陽極ブス
   バーを設けると共に、前記陰極ブスバー用の貫通孔内に
   は前記陰極板と接続するように軟質導電材をもとに形成
   した陰極ブスバーを設け、前記単セルの隣接する枠部材
   間にシール部を介設して構成したことを特徴とする積層
   型燃料電池。