JPH03219563A - 固体電解質型燃料電池 - 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】 〔産業上の利用分野〕 この発明は固体電解質を用い電気化学反応によってその
自由エネルギを電気エネルギに変換する固体電解質型燃
料電池に係り、特に信転性や特性および熱効率に優れる
固体電解質型燃料電池に関する。

〔従来の技術〕

従来のガスタービンやジーゼルエンジンのような熱機関
を利用する発電装置では、その発電効率がカルノーサイ
クルによって制限を受けるのに対− し、燃料電池の発電効率は電気化学反応の自由エネルギ
の変化とエンタルルビーとの関係に依存するので、熱機
関より高くなることが期待される。

したがって、燃料電池を発電装置として利用することは
資源の有効利用になり、それにともなってＣＯ，の排出
量が相対的に少なくなるのみならず、Ｎｏ、の排出も極
めて少なく、大気汚染による環境悪化に歯止めをかける
有力な手段の一つとして将来が期待されている。

燃料電池は、電解質板を酸素極（カソード）と燃料極（
アノード）で挟んだ構造になっており、酸素極側には酸
素または空気を供給し、燃料極側には水素または天然ガ
ス、メタノール、石油などの改質ガス、さらに石炭ガス
などを供給することにより、電気を化学的に取り出すと
ともに水も生成するものである。燃料電池は電解質の種
類によって分類され、アルカリ型、りん酸型、溶融炭酸
塩型および固体電解質型などが主として開発されている
。固体電解質型燃料電池は、電解質に固体酸化物を用い
、９００〜１０００℃で運転される。

固体電解質型燃料電池においては、例えばイツトリアで
安定化されたジルコニア固体電解質（ＺｒＯ２Ｙｚ０３
）の中を酸素イオン（０”−）が移行する。酸素極での
反応は １／２０ｇ　＋　２ｅ−＝　　Ｏ”−−一−−・・・・
（１）燃料極での反応は １１ｔ　　＋　Ｏ”−−ＬＯ＋　２ｅ−−−（２１Ｇｏ
　　＋　０ｔ−−ＣＯ，＋　２ｅ−−・−（３）電池全
体の反応としては １／２０ｔ　＋　Ｌ　　−ＨｇＯｆ４ｔ１／２０ｔ　＋
　Ｇｏ　　−Ｃｏ□　　、（５）となり、溶融炭酸塩型
と共にＣＯが直接燃料として使える特長がある。したが
って、天然ガス、メタノール、石油などの改質ガスをＣ
Ｏ変成器を介さないで燃料電池に直接供給できる上に、
運転温度が１０００℃と高く、燃料極にＮｉを使用して
いるので、燃料ガスの改質を電池の中で行えるため改質
器が不要になって燃料供給システムが他の燃料電池より
極めて箇素になる特徴がある。また、燃料電池からの排
出ガスは高温であるため、排熱の利用範囲が広くなる。

固体電解質型燃料電池のセル構造は大きく２つに分類さ
れる。一つは米国特許第３．４６０，９９１号公報、１
９８３ナシヨナル・ツユエル・セル・セミナ（Ｎａｔｉ
ｏｎａｌ　Ｆｕｅｌ　Ｃｅ１ｌ　Ｓｅｍ１ｎａｒ）Ｎｏ
ｖ、　１３−１６１９８３０ｒｋｌａｎｄ、Ｆｌｏｒｉ
ｄａ　ｐ７８及び１９８５フユエル・セル・セミナ（Ｆ
ｕｅｌ　Ｃｅ１ｌ　Ｓｅｍｌｎａｒ）Ｍａｙ、　１９−
２２１９８５　Ｔｕｃｓｏｎ、　Ａｒ１ｚｏｎａ　ｐ９
５によって開示されている円筒形のちのと、もう一つは
米国特許第３，５５４，８０８号公報、米国特許第４，
４９０．４４５号公報、１９８３ナシヨナル・ツユエル
・セル・セミナ（Ｎａｔｉｏｎａｌ　Ｆｕｅｌ　Ｃｅｌ
ｌＳｅｍ１ｎａｒ）Ｎｏｖ、　１３−１６１９８３　ｐ
’７４によって開示されている平板形である。固体電解
質型燃料電池は主要材料がセラミックスであるため機械
的にもろ（、熱膨張差やセル内の発電の不均一さによっ
て発生する熱応力によって破損しやすい問題があり、長
い間実現できなかった。しかし、上記の特許によって明
らかにされているように電解質材とほぼ同し熱膨張係数
の電極やセパレータ材料が見出され、実際に電池を試作
して発電試験が出来るようになった。特に１９８３ナシ
ヨナル・ツユエル・セル・セミナ（Ｎａｔｉｏｎａｌ　
Ｆｕｅｌ　Ｃｅ１ｌ　Ｓｅｍ１ｎａｒ）Ｎｏｖ、　１３
−１６１９８３０ｒｋｌａｎｄ、Ｆｌｏｒｉｄａ　ｐ７
８は熱膨張を逃げることを重視した構造になっているの
で、単セルごとの信鯨性は高くなるが、まだセル間の接
合部にはニッケル・フェルト・バンド（ｎｉｃｋｅｌ　
ｆｅｌｔ　ｐａｄ）を用いており、熱膨張を十分に吸収
できない問題があり、かつ電流が薄い電極の面方向に沿
って流れる構造のため、抵抗損失が大きくなり、発電密
度が低くなる欠点がある。

平板形電池の内１９８３ナショナル・ツユエル・セル・
セミナ（Ｎａｔｉｏｎａｌ　Ｆｕｅｌ　Ｃｅ１ｌ　５ｅ
ｎｌｎａｒ）Ｎｏｖ。

１３−１６１９８３０ｒｋｌａｎｄ、Ｆｌｏｒｉｄａ　
ｐ７４で発表されたものは、電解質、電極およびセパレ
ータを一体焼結したモノリシック構造であり、出力密度
が極めて高くなる特長があるが、製法に高度な技術を必
要とするのみならず、熱膨張はほとんど逃げられない構
造になっているので、大きいものが出来ず適用範囲が限
定される欠点がある。また、米国特許第４，４９０．４
４５号公報の燃料電池は、電解質である０ Ｚｒ０ｇ　　ＹｚＯｓの円板状薄膜（厚さ０．０１〜０
．０２ｉｎｃｈ）の画側に電極（厚さ０．００３〜０．
００５ｉｎｃｈ）を塗り付けて焼結したものを単セルと
して、それをリブ付のセパレータ板で挟んだ構造である
。タイトなガスシールを設けていないのでセルごとの熱
膨張は逃げることができる。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながらこのような燃料電池においては、反応ガス
は単セルの主面上を直径に沿って流れるので反応ガスの
パスが長くなりやすく、反応ガスの濃度勾配が大きくな
って、セル面上の電池の出力分布の不均一性が増大する
という問題がある。

この発明は上述の点に鑑みてなされ、その目的は電池の
各部材が相互に自由にスライドできるうえ、反応ガスの
パスが短（なるようにして、燃料電池の温度変化に際し
て電池部材の熱破損がなく信頼性に優れるうえ特性に優
れる固体電解質型燃料電池を提供すること、あわせて排
出ガスの燃焼熱を利用することにより、熱効率に優れる
固体電解質型燃料電池を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上述の目的はこの発明によれば １）固体電解質体の両生面にカソードとアノードの電極
を配してなる平板型単セルと、この単セルの両電極に酸
化剤ガスと燃料ガスの両反応ガスを個別に供給する反応
ガス分配手段とを積層してなる固体電解質型燃料電池に
おいて、 （１）中央部と周辺部との関に反応ガスを導くとともに
、単セルとの間の電気的接続を行う案内羽８Ａを有する
反応ガス分配手段４Ａ、　ＩＩＡ、　ＩＩＢと、（２）
積層された単セルと反応ガス分配手段の中央部を貫通し
、単セルのアノードとカソードにそれぞれ反応ガスを並
列的に給気もしくは排気するマニホルド５，６、とを備
えること、 ２）固体電解質体の両生面にカソードとアノードの電極
を配してなる平板型単セルと、この単セルの両電極に酸
化剤ガスと燃料ガスの両反応ガスを個別に供給する反応
ガス分配手段とを積層してなる固体電解質型燃料電池に
おいて、 （１）中央部と周辺部との間に反応ガスを導くとともに
、単セルとの間の電気的接続を行う案内羽８Ａと、周辺
部に反応ガス排出用の反応ガス排出スリット１４、とを
有する反応ガス分配手段４Ａ、　ＩＩＡ、　１１Ｂと、 （２）積層された単セルと反応ガス分配手段の中央部を
貫通し、単セルのアノードとカソードにそれぞれ反応ガ
スを並列的に給気するマニホルド５．６と、 （３）単セルと反応ガス分配手段の積層されたセルスタ
ックの周囲に設けられ、セルスタック周囲に発生する燃
焼炎２３をさえぎる遮炎体１８と、（４）前記セルスタ
ックと前記遮炎体を予熱室を介して収納する断熱体１７
Ａ、とを備えること、３）固体電解質体の両生面にカソ
ードとアノードとを配してなる平板型単セルと、この単
セルの両電極に酸化剤ガスと燃料ガスの両反応ガスを個
別に供給する反応ガス分配手段とを積層してなる固体電
解質型燃料電池において、 （１）中央部と周辺部との関に反応ガスを導くとともに
、単セルとの間の電気的接続を行う案内羽８Ｂ１３ および周辺部に設けられた反応ガスシール用の案内羽８
Ｂとを有する反応ガス分配手段４Ｃ，ＩＩＣ，１１０と
、（２）積層された単セルと反応ガス分配手段の中央部
を貫通し、単セルのアノードとカソードにそれぞれ反応
ガスを並列的に給気もしくは排気するマニホルド２７．
２８および積層された単セルと反応ガス分配手段の周辺
部で前記反応ガスシール用の案内羽の内側を貫通するマ
ニホルド５．６と、（３）単セルと反応ガス分配手段の
積層されたセルスタックを収容するスタック室に隣接す
るとともに防炎壁３２でスタック室と仕切られた燃焼室
３０、とを備えること、により達成される。

単セルは自立性の薄板状にあるいは基板上に支持して膜
状に形成することができる。自立性の単セルは支持体と
なる基板を使用しない。反応ガス分配手段についても同
様で自立性で緻密質の薄板状体であるセパレート板かま
たは案内羽を有する多孔質基板と、緻密質のセパレータ
膜を一つの主面に支持し他の主面に案内羽を有する多孔
質若しくは緻密質の基板とから形成される分配手段のい
１４− ずれかを使用することができる。マニホルドは単セルの
アノードに燃料ガスを供給し、あるいは反応後の燃料ガ
スを排出する。また単セルのカソードに酸化剤ガスを供
給し、あるいは反応後の酸化剤ガスを排出する。マニホ
ルドは反応ガス管によりこれを形成し、あるいは単セル
と反応ガス分配手段の厚さ方向に形成された反応ガス流
通孔を重合することによって形成することができる。反
応ガス分配手段の案内羽は反応ガスを単セルの中央部と
周辺部の間に移動させる。反応ガスの流れ方には直線状
、ジグザグ、ら旋状等が可能である。

また反応ガス分配手段の最外周辺部にガスシール用の案
内羽を設けることができる。このとき反応ガスは単セル
と反応ガス分配手段の積層されたセルスタックの周囲に
排出されることがない。反応ガス排出スリットを用いる
と、セルスタックの周囲に排出できる。ガスシールは単
セルと反応ガス分配手段の全体につき行うことは要せず
、局部的にガラス０リングを用いて行うことができる。

ガラスＯＩＪソング替えてセラミックス接着材による封
止も可能であるあセルスタックの周囲に反応ガスを排出
するときは、セルスタック周囲の炎室において燃焼炎が
生ずる。このときは燃料ガス改質器と酸化剤ガス外部供
給管、または反応ガス外部供給管を燃焼炎の熱を利用し
て加熱することができる。セルスタックの周囲の炎室に
反応ガスを排出しないときは、マニホルドにより各排出
ガスを集めスタック室と隔離された燃焼室で排出ガスを
反応させる。

〔作用〕

反応ガスは反応ガス分配手段に対しその中央部にあるマ
ニホルドと周辺部との間を流れるので燃料電池各部材間
の全体的なガスシールの必要性がなくなる。ガスシール
はマニホルド近傍等で局部的に行うことができる。また
反応ガスは中央部と周辺部の間を流れるので反応ガスの
パスが短くなり、反応ガスの濃度勾配が少なくなる。セ
ルスタックより排出された反応ガスは遮炎体とセルスタ
ックの間であるいはセルスタックと仕切られた燃焼室で
反応して燃焼するのでその燃焼熱を有効に利用すること
ができる。

〔実施例〕

（実施例１） 次にこの発明の実施例を図面に基いて説明する。

第１図はこの発明の実施例に係るセルスタックのセパレ
ータ膜つき多孔質基板を示し、第１図（ａｌは平面図、
第１図（ｂ）は第１図（ａ）のＡ−Ａ矢視図である。多
孔質基板１１八（反応ガス分配手段）はランタンマンガ
ナイト（ＬａＭｎＯｓ）を用いて形成される。セパレー
タ膜４Ａは緻密なランタンクロマイト（ＬａＣｒＯｓ）
層で形成される。セパレータ膜４Ａも反応ガス分配手段
の１部である。セパレータ膜つき多孔質基板１１Ａの中
央部には反応ガス流通孔である酸化剤ガス供給マニホル
ド６と燃料ガス供給マニホルド５とが設けられる。酸化
剤ガス供給マニホルド６には反応ガス供給スリット１０
＾が形成される。多孔質基板ｔｉａには酸化剤ガスを導
くリブ状の案内羽８Ａ、酸化剤ガスを放射状にガイドす
るスリット２９、また酸化剤ガス排出用の反応ガス排出
スリット１４が設けられる。また燃料ガス供給マニホル
ドを形１７− 成するリプにはガスシール用にガラスＱ　ＩＪソング２
が装着される。第２図はこの発明の実施例に係るセルス
タックの単セルつき多孔質基板を示し、第２図（ａｌは
平面図、第２図中）は第２図（８１のＢ−Ｂ矢視図であ
る。多孔質基板１１Ｂ（反応ガス分配手段）はニッケル
ージルコニア　（Ｎｌ−ＺｒＯｔ）サーメットを用いて
形成される。多孔質基板１１Ｂ上には単セル１３が形成
される。単セル１３はイツトリアｍｏｓ）で安定化され
た緻密質のジルコニアからなる固体電解質体１．多孔質
のＮｉ−Ｚｒ０＝サーメツトからなるアノード２．多孔
質のランタンマンガナイトからなるカソード３から構成
される。単セル１３つき多孔質基板１１Ｂの中央部には
酸化剤ガス供給マニホルド６と燃料ガス供給マニホルド
５とが設けられる。燃料ガス供給マニホルド５には反応
ガス供給スリットＩＯＢが形成される。多孔質基板１１
Ｂには燃料ガスを導くリプ状の案内羽８Ａ、燃料ガスを
放射状にガイドするスリット２９、また燃料ガス排出用
の反応ガス排出スリット１４が設けられる。酸化剤ガス
供給マニホルド６を形成する基板のリブ１８− にはガスシール用にガラス０リング１２が装着される。

セパレータ膜つき多孔質基板１１Ａは次のようにして調
製される。縦と横が３００ｆｉ×３００ｆｉで厚さ２ｎ
のリブ状案内羽つき多孔質基板の平坦な主面上にランタ
ンクロマイトを緻密にプラズマ溶射し、厚さ４０μのセ
パレータ膜４Ａが形成される。単セルつき多孔質基板１
１Ｂは次のようにして調製される。縦と横が３００　鶴
Ｘ　３００　ｔｘで厚さ２ｆｉの多孔質基板の平坦な主
面にＮｉ　　Ｚｒ０ｔサーメツトが多孔質にプラズマ溶
射され、犀さ１００−のアノード２が形成される。アノ
ード２の上にイツトリアで安定化されたジルコニアが溶
射され、厚さ３０−の緻密な固体電解質体１が形成され
る。続いてランタンマンガナイトがプラズマ溶射され、
厚さ８００−の多孔質なカソード３が形成される。ラン
タンマンガナイトを用いた多孔質基材は、緻密質にする
こともできる。しかしこの場合においてもランタンマン
ガナイトは還元性ふん囲気で還元されるので緻密質のラ
ンタンクロマイトからなるセパレータ膜は必要である。

第３図はこの発明の実施例に係るセパレータ膜つき多孔
質基板１１Ａと単セルつき多孔質基板１１Ｂを交互に積
層したセルスタックを示す断面図である。反応ガス供給
スリッ）　ＩＯＡ。

１０Ｂを通じて反応ガスの供給される様子が矢印で示さ
れる。右列の矢印は酸化剤ガスの流れ、左列の矢印は燃
料ガスの流れである。積層によって反応ガス流通孔がつ
ながり各反応ガスを並列的に反応ガス分配手段に供給す
るマニホルドが形成される。第４図は第３図のＡ部を示
す部分拡大図で第４図ｔａｌは加熱前の状態を示す断面
図、第４図ｆｂｌは加熱後の状態を示す断面図である。

加熱によってガラス０リング１２が溶融し、液体シール
が行われる。ガラスＯリング１２の装着される基板のリ
ブはその内壁にセラミックセメント等を用いて目詰部３
４が形成される。反応ガスは目詰部３４を透過すること
ができない。

ランタンマンガナイトからなる多孔質基板１１Ａには酸
化剤ガスが流される。酸化剤ガスは案内羽８Ａとスリッ
ト２９により多孔質基板１１Ａの周辺部に向かってジグ
ザグに流れるので単セルのカソード３に酸化剤ガスが分
配される。一方燃料ガスは旧−ＺｒＯ□サーメットから
なる多孔質基板１１Ｂに流される。燃料ガスは酸化剤ガ
スと同様にして流れ、単セルのアノード２に燃料ガスが
分配される。セパレータ膜４＾は酸化剤ガスと燃料ガス
が相互に混触する事を防止する。電気化学反応により単
セルに発生した起電力（０，５〜０．９　Ｖ）は直列的
に加算される。ランタンマンガナイトからなる多孔質基
板１１Ａやランタンクロマイトからなるセパレータ膜４
ＡおよびＮｉ　−ＺｒＯ，サーメットからなる多孔質基
板１１Ｂは電子電導性があり、電流を直列的に流すこと
ができる。

セパレータ膜４Ａは多孔質基板１１Ａ上に溶射され物理
的に接合しているので相互に自由に熱膨張収縮してスラ
イドすることができる。単セル１３と多孔質基板１１Ｂ
との関係、単セルを構成するアノード２．固体電解質体
１．カソード３間の関係についても同様である。セパレ
ータ膜つき多孔質基板１１Ａと単セルつき多孔質基板１
１Ｂを積層したセルスタックにおいても、セパレータ膜
４Ａと多孔質基１− 板１１Ｂとの間、単セル１３と多孔質基板１１Ａとの間
はセルスタックの温度変化により自由に熱膨張収縮して
スライドすることができる。これは反応ガスを反応ガス
分配手段の中央部と周辺部の間に放射状に導（ためにセ
パレータ膜つき多孔質基板１１＾と単セルつき多孔質基
板１１Ｂを積層するだけで足りるからである。ガスシー
ルは多孔質基板１１Ａ。

１１Ｂについてマニホルド近傍のガラス０リング１２に
よる局部的なシールに限定される。ガラス０リングによ
るガスシールは前述のように液体シールとなるからセル
スタック各構成部材の熱膨張収縮を妨げることがない。

また反応ガスは放射状に流れるために反応ガスのパスが
短くできる。これはセパレータ膜４＾や単セル１３を基
板上に形成する支持膜方式にとって極めて有利である。

支持膜方式は大面積のセルスタックを可能にするために
反応ガスのパスが長くなってくるからである。反応を終
了した反応ガスはセルスタックの周辺から排出され燃焼
する。

（実施例２） ２− 第５図はこの発明の異なる実施例に係るセルスタックを
示し、第５図（ａｌは断面図、第５図中）は第５図（ａ
）のＣ−Ｃ矢視図である。燃料ガスである水素ガスが燃
料ガス供給マニホルド５によってセパレート板４Ｂ　（
反応ガス分配手段）に導入される。

反応ガスである酸素ガスが酸化剤ガス供給マニホルド６
によって自立性の！ｉ板であるセパレート板４Ｂに導入
される。酸化剤ガスと燃料ガスはセパレート板４Ｂの二
つの主面に反応ガス供給孔１０Ｂを介してそれぞれ分離
して導入される。反応ガス供給マニホルドはイツトリア
（ＹｚＯａ）で安定化されたジルコニア製の反応ガス管
である。セパレー）１４Ｂはランタンクロマイト（Ｌａ
ＣｒＯｓ）製で０．５〜２ｆｉ厚に緻密に焼成される。

ランタンクロマイトは電子電導性があり、酸化ふん囲気
においても酸化されることがない。さらにランタンクロ
マイトはイ・ノドリアで安定化されたジルコニアに近似
した熱膨張率を示す。単セル１３はこのランタンクロマ
イトにより直列に接続される。セパレート板４Ｂの二つ
の主面にはそれぞれ案内胴８＾が設けられる。この案内
胴８Ａはセパレート板４Ｂの中央部から周辺部に向かっ
て反応ガスを導く。酸化剤ガスはこのようにして単セル
のカソード３に到達する。一方燃料ガスは阜セルのアノ
ード２に到達する。

固体電解質体１はイツトリアで安定化された自立性の薄
板状ジルコニアで５０〜５００戸厚に調製される。固体
電解質体１の主面にはアノード２とカソード３が焼きつ
けられる。アノード２としてＮｌＺｒ０□が使われる。

厚さは０．０１〜１日に選ばれる。

カソード３はランタンマンガナイトが使用される。

共に多孔質に―製される。

このような構成の燃料電池においては単セル１３とセパ
レート板４Ｂとはガスシールを要しない。従って単セル
１３とセパレート板４Ｂとは単に交互に積み重ねるだけ
でよい。そのために熱膨張の過程で単セル１３とセパレ
ート板４Ｂとは相互に自由にスライドするので熱応力の
発生がない０反応ガス供給マニホルド５，６とマニホル
ド用の単セル１３とセパレート板４Ｂに設けられた貫通
孔との間の間隙は、セパレート板４Ｂにシール壁９を設
け、シール壁９と反応ガス供給マニホルド５，６との間
にセラミック封止部７を形成することによってふさぐこ
とができる。この封止部７によって発生する熱応力は小
さいので全体としての熱応力は小さいままである。周辺
部に達した反応ガスはここで燃焼し、燃料電池の温度を
所定の高温度に維持する。

単セルは第５図では円板形状としているがこれに限定さ
れるものでなく角形のものでもよい。また案内胴８Ａも
電池特性が最大になるようガス等配を考慮した設計を自
由になし得る。

また反応ガス供給マニホルド５．６は２本とせず１本に
まとめることも可能である。この場合は反応ガス供給マ
ニホルドの内部を２つの反応ガスが分離して流れる。こ
の場合、貫通孔の数が減るメリットがある。

第６図は案内胴８Ａの変形例に係るセルスタ・ツクを示
し、第６図（ａ）は平面図、第６図（ｂ）は第６図（１
１１のＤ−Ｄ矢視図である。案内胴８Ａはら旋状に形成
される。案内胴８Ａのピッチはセルスタックの直径によ
り最適値に選ばれる。反応ガスを単セル１３に２５− 均等に流すことができ、排ガスを１箇所に集めることが
できる。

第７図はガスシールの変形例に係るセルスタックを示す
断面図である。円形の固体電解質体１にアノード２とカ
ッ・−ド３の積層された単セル１３と円形のセパレート
板４Ｂとが交互に積層され、反応ガス管である燃料ガス
供給マニホルド５と酸化剤ガス供給マニホルド６とが貫
通する。他に反応ガス管である燃料ガス排出マニホルド
と酸化剤ガス排出マニホルドとが貫通するがこれは図示
を省略している。アノード２にはガラス貯溜部１６Ａが
設けられ内部にガラス０リング１２Ｂが装着される。

カソード３には突起部１５Ａが設けられる。セパレート
板４Ｂの上面にはガラス貯溜部１６Ｂ、下面には突起部
１５Ｂが形成される。このような固体電解質型燃料電池
は以下のようにして調製される。イ・ノドリアで安定化
したジルコニアを用い円形状の固体電解質体（１００〜
５００μ厚）１が形成される。固体電解質体１は燃料ガ
ス供給マニホルド、酸化剤ガス供給マニホルド、燃料ガ
ス排出マニホルド。

２６− 酸化剤ガス排出マニホルド用の貫通孔を有する。

固体電解質体１の１主面にＮｉ　　ＺｒＯｘサーメット
が１００μ厚に溶射され多孔質のアノード２が形成され
る。固体電解質体１の他の主面にはランタンマンガナイ
トがスパッタリングされ、５０〜２００戸厚の多孔質な
カソード３が形成される。またＮｉ　−ＺｒＯ２サーメ
ットを用いガラス貯溜のための溝を有するガスケット状
のガラス貯溜部１６Ａがプレス成型され温度１０００℃
で焼成される。またランタンマンガナイトを用いガスケ
ット状の突起部１５Ａがプレス成型され温度１０００℃
で焼成される。セパレート板４Ｂはランタンクロマイト
を用い、燃料ガス供給マニホルド等の貫通孔を有しかつ
ガラス貯溜部１６Ｂと突起部１５Ｂを有する形でプレス
成型され、緻密に焼成される。ガラス貯溜部１６Ａ、１
６Ｂの中にはガラスＱ　ＩＪソング２Ｂ、　１２Ｃが装
着される。ガラスとしては融点９００℃で作業温度１０
００℃のソーダライムガラスが用いられる。単セル１３
とセパレート板４Ｂとが交互に積層され、燃料ガス供給
マニホルド等が貫通孔内にセットされる。燃料電池の動
作温度が１０００℃で維持される。このときアノード２
にガラス貯溜部１６＾が焼きつけられる。またカソード
３には突起部１５Ａが焼きつけられる。ガラスＯリング
１２Ｂ、　１２Ｃは溶融して液体シールが可能となる。

反応を終了した燃料ガスと酸化剤ガスは図示しない燃料
ガス排出マニホルドと反応ガス排出マニホルドとによっ
て排気される。排出ガスはセルスタックの周辺で燃焼す
ることをせず、隔離された燃焼室内で反応する。

運転終了後はガラスは固化するがソーダライムガラスの
線膨張係数はジルコニアやその他の電極材料より大きい
ため、ガラス貯溜部１６Ａ、１６Ｂで小さい体積を占め
、他の電池構成材料に割れの損傷を与えない。

第８図はガスシールの異なる変形例に係るセルスタック
を示す断面図である。反応ガス排出マニホルドは用いな
いのでセルスタック周辺部でのガスシールは行わない。

排出ガスはセルスタックの周囲で燃焼する。

（実施例３） 第９図はこの発明の実施例に係る燃焼室を有する固体電
解質型燃料電池の断面図である。燃焼室３４がセルスタ
ックの周囲に設けられる。燃料ガスである天然ガスが水
蒸気と共に燃料ガス外部供給管２ＯＡから導入され、改
質器２２の上部から入り、下でＵターンして上部に出て
、燃料ガス外部供給管２０Ｂを経てセルスタック１９に
入る。この間天然ガスは予熱室２５で予熱されながら、
改質器内の触媒によって水素、ＣＯｌ及びＣＯ２に改質
される。このような改質に適した温度は７００〜８５０
℃であるため、本電池の運転温度８００〜１０００℃か
らの排ガスや燃焼ガスで十分改質できる。また、酸化剤
ガスである空気は酸化剤ガス外部供給管２１Ａから入っ
て２１Ｂに至る経路によって改質器の廻りをスパイラル
に廻って電池の運転温度近くまで予熱され、セルスタッ
ク１９の上面の中央部から電池内に入る。

各反応ガスはセルスタック内で反応したのち、未反応の
水素及び酸素と生成した水とが一緒にセルスタックの周
囲の炎室２４に排出されてくる。そこで混合して燃焼し
、燃焼炎２３を形成する。この９− とき遮炎体１８は炎で直接に改質器２２を加熱しないよ
うに配置してあり、遮炎体１８には小さい孔があけられ
ており、熱の遮蔽は出来るだけ少なくするように配慮し
ている。燃焼したガスである水蒸気二酸化炭素ガス、窒
素は予熱室２５で冷却されて、排ガス孔２６を通って外
部に取り出される。しかしこの段階でも排ガスは十分高
温であるため、更に温水を生成するのに用いることもで
きる。

改質器用容器材料や酸化剤ガス外部供給管２１Ａ２１Ｂ
には耐熱合金であるインコロイ８００Ｈなどが適してお
り、遮炎体１８は耐火レンガを薄くしたものやアルミナ
などが適している。セルスタック１９炎室２４．遮炎体
１８．予熱室２５は断熱体１７Ａにより収容される。

第１０図は燃焼室の変形例に係る固体電解質型燃料電池
を示し、第１０図（ａ）は断面図、第１０図Ｑ）ｌは第
１０図（ａ）のＥ−Ｅ矢視図である。予熱室２５におい
て燃料ガス外部供給管２ＯＡと酸化剤ガス外部供給管２
１Ａ　とが予熱される。

（実施例４） ３〇− 第１１図はこの発明のさらに異なる実施例に係るセルス
タックのセパレータ膜つき多孔質基板１１Ｃを示し、第
１１図＋８１は平面図、第１１図（ｂｌは第１１図＋８
１のＦ−Ｆ矢視図である。多孔質基板１１Ｃは周辺部の
酸化剤ガス供給マニホルド６と同じく周辺部の燃料ガス
供給マニホルド５．および中央部の燃料ガス排出マニホ
ルド２７と酸化剤ガス排出マニホルド２８とを有してい
る。さらに酸化剤ガスを周辺部から中央部へと導くリブ
状案内羽８Ａとガスシール用のリプ状案内羽８Ｂとが設
けられている。セパレータ膜４Ｃや多孔質基板１１Ｃの
材料、製法は第１図に示すセパレータ膜つき多孔質基板
１１Ａの場合と同様である。第１２図はこの発明のさら
に異なる実施例に係るセルスタックの単セルつき多孔質
基板を示し、第１２図（ａｌは平面図、第１２図（ｂ）
は第１２図ｆａｌのＦ−Ｆ矢視図である。単セル１３や
多孔質基板１１０の材料、製法は第２図に示す単セルつ
き多孔質基板１１Ｂの場合と同様である。セパレータ膜
つき多孔質基板１１Ｃと単セルつき多孔質基板ＬＩＤと
は積層され、第１３図に示すセルスタック１９が形成さ
れる。

（実施例５） 第１３図はこの発明の異なる実施例に係る燃焼室を有す
る固体電解質型燃料電池の部分断面図である。燃料ガス
は燃料ガス外部供給管２０Ｂ、第１１図と第１２図で示
されるる燃料ガス供給マニホルド５第１１図、第１２図
で示されるる燃料ガス排出マニホルド２７そして燃料ガ
ス外部排出管３１Ｂを通る。酸化剤ガスは酸化剤ガス外
部供給管２１Ｂ、第１１図と第１２図に示される酸化剤
ガス供給マニホルド６、第１１図と第１２図で示される
酸化剤ガス排出マニホルド２８そして酸化剤ガス外部排
出管３１Ａを通る。排出ガスは燃焼室３ｏで燃焼する。

燃焼熱により燃料ガス外部供給管と燃料ガス外部供給管
が加熱され、内部を流れる反応ガスが予熱される。燃焼
室３ｏは防炎壁３２でスタック室３３と隔離される。燃
焼室３゜やスタック室３３は断熱体１７Ｂにより形成さ
れる。

反応ガスは予熱されてスタック１９に供給されるので燃
料電池を構成するセラミックス材料が熱破損することが
ない。また燃料電池の単セルの温度が所定の高温度に維
持されるので燃料電池の特性が向上する。

〔発明の効果〕

この発明によれば、反応ガス分配手段の中央部と周辺部
との間に放射状に反応ガスを導くので燃料電池各部材間
の全体的なガスシールの必要性がなくなる。ガスシール
を行うとしても局部的なシールで足りる。そのために燃
料電池の各部材は自由にスライドして熱膨張収縮を行う
ことができる。

また放射状の反応ガスの流れのために反応ガスのバスを
短くすることができ、反応ガスの濃度勾配が減少する。

このようにして信頼性と特性に優れる固体電解質型燃料
電池が得られる。さらに反応ガスの排出ガスは燃焼室に
おいて燃焼させることができ、その燃焼熱を利用して熱
効率に優れる固体電解質型燃料電池が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の実施例に係るセルスタックのセパレ
ータ膜つき多孔質基板を示し、第１図Ｔａ）は平面図、
第１開山）は第１図Ｔａ）のＡ−Ａ矢視図、３３− 第２図はこの発明の実施例に係るセルスタックの単セル
つき多孔質基板を示す、第２図（ａ）は平面図、第２図
（ｂ）は第２図Ｔａ）のＢ−Ｂ矢視図、第３図はこの発
明の実施例に係るセルスタックを示す断面図、第４図は
第３図のＡ部を示す部分拡大図で第４図＋１１）は加熱
前の状態を示す断面図、第４図（１））は加熱後の状態
を示す断面図、第５図はこの発明の異なる実施例に係る
セルスタックを示し、第５図（ａ）は断面図、第５図（
ｂｌは第５図Ｔａ）のＣ−Ｃ矢視図、第６図は案内羽の
変形例に係るセルスタックを示し、第６図ｆａ）は平面
図、第６図（ｂ）は第６図（ａ）のＤ−Ｄ矢視図、第７
図はガスシールの変形例に係るセルスタックを示す断面
図、第８図はガスシールの異なる変形例に係るセルスタ
ックを示す断面図、第９図はこの発明の実施例に係る燃
焼室を有する固体電解質型燃料電池の断面図、第１０図
は燃焼室の変形例に係る固体電解質型燃料電池を示し、
第１０図（ａｌは断面図、第１０図中）は第１０図（ａ
）のＥ−Ｅ矢視図、第１１図はこの発明のさらに異なる
実施例に係るセルスタックのセパレータ膜つき多孔質基
板を４− 示し、第１１図＋ａｌは平面図、第１１開山）は第１１
図ｆａｌのＦ−Ｆ矢視図、第１２図はこの発明のさらに
異なる実施例に係るセルスタックの単セルつき多孔質基
板を示し、第１２図ｆａ）は平面図、第１２図（ｂｌは
第１２図（ａ）のＦ−Ｆ矢視図、第１３図はこの発明の
異なる実施例に係る燃焼室を有する固体電解質型燃料電
池の部分断面図である。 ４＾、４Ｃ：セパレータ膜、５：燃料ガス供給マニホル
ド、６：酸化剤ガス供給マニホルド、８Ａ：案内羽、Ｉ
ＩＡ、ＩＩＢ、ＩＩＣ，ＩＩＤ　：多孔質基板（反応ガ
ス分配手段）、１７＾　：断熱体、１８：遮炎体、２３
；燃焼炎、２７：燃料ガス排出マニホルド、２８：酸化
剤ガス排出マニホルド、３０：燃焼室、３２：防炎壁、
５ シー シー トｕや

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）固体電解質体の両主面にカソードとアノードの電極
   を配してなる平板型単セルと、この単セルの両電極に酸
   化剤ガスと燃料ガスの両反応ガスを個別に供給する反応
   ガス分配手段とを積層してなる固体電解質型燃料電池に
   おいて、 （１）中央部と周辺部との間に反応ガスを導くとともに
   、単セルとの間の電気的接続を行う案内羽を有する反応
   ガス分配手段と、 （２）積層された単セルと反応ガス分配手段の中央部を
   貫通し、単セルのアノードとカソードにつきそれぞれ反
   応ガスを並列的に給気もしくは排気するマニホルド、と
   を備えることを特徴とする固体電解質型燃料電池。 ２）固体電解質体の両主面にカソードとアノードの電極
   を配してなる平板型単セルと、この単セルの両電極に酸
   化剤ガスと燃料ガスの両反応ガスを個別に供給する反応
   ガス分配手段とを積層してなる固体電解質型燃料電池に
   おいて、 （１）中央部と周辺部との間に反応ガスを導くとともに
   、単セルとの間の電気的接続を行う案内羽と、周辺部に
   反応ガス排出用の反応ガス排出スリット、とを有する反
   応ガス分配手段と、 （２）積層された単セルと反応ガス分配手段の中央部を
   貫通し、単セルのアノードとカソードにつきそれぞれ反
   応ガスを並列的に給気するマニホルドと、 （３）単セルと反応ガス分配手段の積層されたセルスタ
   ックの周囲に設けられ、セルスタック周囲に発生する燃
   焼炎をさえぎる遮炎体と、 （４）前記セルスタックと前記遮炎体を予熱室を介して
   収納する断熱体、とを備えることを特徴とする固体電解
   質型燃料電池。 ３）固体電解質体の両主面にカソードとアノードとを配
   してなる平板型単セルと、この単セルの両電極に酸化剤
   ガスと燃料ガスの両反応ガスを個別に供給する反応ガス
   分配手段とを積層してなる固体電解質型燃料電池におい
   て、 （１）中央部と周辺部との間に反応ガスを導くとともに
   、単セルとの間の電気的接続を行う案内羽および周辺部
   に設けられた反応ガスシール用の案内羽とを有する反応
   ガス分配手段と、 （２）積層された単セルと反応ガス分配手段の中央部を
   貫通し、単セルのアノードとカソードにつきそれぞれ反
   応ガスを並列的に給気もしくは排気するマニホルドおよ
   び積層された単セルと反応ガス分配手段の周辺部で前記
   反応ガスシール用の案内羽の内側を貫通するマニホルド
   と、 （３）単セルと反応ガス分配手段の積層されたセルスタ
   ックを収容するスタック室に隣接するとともに防炎壁で
   スタック室と仕切られた燃焼室、とを備えることを特徴
   とする固体電解質型燃料電池。 ４）反応ガス管よりなるマニホルドを備えることを特徴
   とする請求項１、２または３記載の固体電解質型燃料電
   池。 ５）反応ガス流通孔よりなるマニホルドを備えることを
   特徴とする請求項１、２または３記載の固体電解質型燃
   料電池。 ６）反応ガスを直線状に導く案内羽を備えることを特徴
   とする請求項１、２または３記載の固体電解質型燃料電
   池。 ７）反応ガスをジグザグに導く案内羽を備えることを特
   徴とする請求項１、２または３記載の固体電解質型燃料
   電池。 ８）反応ガスをら旋状に導く案内羽を備えることを特徴
   とする請求項１、２または３記載の固体電解質型燃料電
   池。 ９）自立性の薄板状単セルを備えることを特徴とする請
   求項１、２または３記載の固体電解質型燃料電池。 １０）基板に支持された膜状単セルを備えることを特徴
   とする請求項１、２または３記載の固体電解質型燃料電
   池。 １１）自立性で緻密質の薄板状反応ガス分配手段を備え
   ることを特徴とする請求項１、２または３記載の固体電
   解質型燃料電池。 １２）案内羽のある多孔質基板と、緻密質のセパレータ
   膜を一つの主面に支持し他の主面に案内羽のある基板、
   とからなる反応ガス分配手段を備えることを特徴とする
   請求項１、２または３記載の固体電解質型燃料電池。 １３）ガスシール用のガラスＯリングを備えることを特
   徴とする請求項１、２または３記載の固体電解質型燃料
   電池。 １４）ガスシール用のセラミックス封止部を備えること
   を特徴とする請求項１、２または３記載の固体電解質型
   燃料電池。 １５）反応ガス分配手段の周辺部に反応ガス排出スリッ
   トを備え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。 １６）反応ガス分配手段の周辺部に設けられた反応ガス
   ガスシール用の案内羽と、積層された単セルと反応ガス
   分配手段の周辺部でかつ前記ガスシール用の案内羽の内
   側を貫通するマニホルド、とを備え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。 １７）遮炎体と断熱容器との間の予熱室に燃料ガス改質
   器と酸化剤ガス外部供給管とを備えることを特徴とする
   請求項２記載の固体電解質型燃料電池。 １８）遮炎体と断熱容器との間の予熱室に反応ガス外部
   供給管を備えることを特徴とする請求項２記載の固体電
   解質型燃料電池。 １９）マニホルドと接続し、かつ燃焼室の内部を貫通す
   る反応ガス外部供給管と、マニホルドと接続しかつ燃焼
   室の内部に管端を開放する反応ガス外部排出管とを備え
   ることを特徴とする請求項３記載の固体電解質型燃料電
   池。