JPH03252060A - 平板積層型固体電解質燃料電池 - 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〕 本発明は、平板積層型固体電解質燃料電池に係り、特に
体積出力密度の高い平板積層型固体電解質燃料電池に関
するものである。

〔従来の技術〕

最近、低公害のエネルギー源として注目を集めている燃
料電池の中で、特に電解質の漏洩のおそれが無く、反応
速度が大きいとして注目されているのが固体電解質型燃
料電池である。

なかでも平板積層型固体電解質燃料電池は、大電流型発
電向きとして考えられており、単セル面積を大きくして
発電面積を増すことにより比較的容易に大電流が得られ
る。

しかしながら、このような平板積層型固体電解質燃料電
池においては、単セル相互間に、例えばインターコネク
タ等が配置されており、このインターコネクタは各単セ
ルの電極膜に燃料または空気を供給する燃料流路と空気
流路をそれぞれ別個に形成する、いわゆるガスセパレー
タとしての機能を有しており、その厚さは前記単セルの
厚さと同等かまたはそれ以上である。したがってこのよ
うなガスセパレータの存在が平板積層型固体電解質燃料
電池の単位体積当りの出力を向上させる上で障害となっ
ていた。

そこで、円筒または一体型固体電解質燃料電池と競合さ
せるためにも２発電出力密度の高い平板積層型固体電解
質燃料電池の開発が望まれていた。

〔発明が解決しようとする課題〕

本発明の目的は、上記要請に答えるため、従来技術の欠
点をなくし、体積出力密度が高い平板積層型固体電解質
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〕

上記目的を達成するため本発明は、平板状の固体電解質
と該固体電解質の両面にそれぞれ積層された燃料側電極
膜および酸素側電極膜からなる電池部と、該電池部を貫
通して前記両電極面にそれぞれ所定寸法だけ突出した複
数の電池接続用セラミックスチューブとからなる単セル
を、隣接する単セルの対向面が同種の電極膜となるよう
に、スペーサを介して多数積層し、前記単セル相互間を
一つ置きに燃料流路または空気流路としたことを特徴と
する。

〔作用〕

電池接続用のセラミックスチューブを有する単セルを、
隣接する単セルの対向面が同種の電極膜となるように、
スペーサを介して多数積層し、単セル相互間を一つ置き
に燃料または空気の専用流路としたことにより、従来、
平板積層型固体電解質燃料電池に使用されていたガスセ
パレータまたはインターコ名りタ等の中間部材が不要と
なり、単位高さ当りの単セル積層数が増加するので、体
積出力密度が向上する。

本発明において、電池接続用のセラミ・７．クスチュー
ブとは、固体電解質膜と同等の材料で、例えば押出し成
形され、その後焼成された円筒状の部材であり、その中
心部には中心線に沿って耐熱金属線が挿入されている。

このセラミックスチューブは単セルの電池部を貫通して
、該単セルの両電極面にそれぞれ所定寸法だけ突出する
ように設けられ、単セル積層時には当該セラミックスチ
ューブを有する単セルの上下に位置する単セルを電気的
に直列に接続するものである。またこのセラミックスチ
ューブは、各単セルを機械的に支持する支持体としての
機能も有する。

本発明においてスペーサとは、単セルと平面的に同一の
大きさを有し、単セルの電極材が付着された部分がくり
抜かれた矩形の枠体であって、対向する一対の２辺の枠
材の下方が所定の高さで、５６１辺の両端を僅かに残し
て切欠されている。

このスペーサは、単セル積層時に、各単セル相互間に前
記切欠部を有する２辺が１段毎に別方向を、向くように
、すなわち切欠部を有する辺が前記単セルを介して隣接
するスペーサ毎に直交するように配置される。このスペ
ーサの切欠部で構成される空間が燃料電池スタックのガ
ス流路となり、直交する２方向のガス流路がそれぞれ燃
料または空気の専用流路となる。

本発明において、上記スペーサはアルミナ等の非導電性
セラミックスで構成することが好ましい。

〔実施例〕

次に本発明を実施例によりさらに詳細に説明する。

第１図は、本発明の一実施例である平板積層型固体電解
質燃料電池を構成する単セルの斜視図である。

この単セルは平板状の固体電解質３と、該固体電解質３
の両面にそれぞれ積層された燃料極膜４および酸素極膜
２とからなる電池部と、該電池部を貫通して両電極面に
所定の長さだけ突出したセラミックスチューブ６とから
主として構成されている。セラミックスチューブ６は、
その中心部に、中心線に沿って埋め込まれた耐熱金属線
を存している。またこのセラミックスチューブ６は、単
セル１を多数積層する際に、中心部の金属線により、当
該セラミックスチューブ６を有する単セルの上下に配置
される単セルを電気的に直列に接続する役割を有し、か
つ、各車セルを支える支持体としてもはたらく。

次に前記単セル１の製造方法の一例を説明する。

第２ａ図は、前記単セル１を製造する際の平板状の固体
電解質（電解質グリーン）３の斜視図である。この固体
電解質３は、例えば安定化ジルコニア等のイオン導電体
であり、例えばドクターフレード法を用いて成形される
。

第２ｂ図は、第２ａ図の平板状の固体電解質３にセラミ
ンクスチューブを貫通させる貫通孔５を設けたものを示
す図である。貫通孔５は、通常その径を数ｌとし、数±
ｎ間隔に設けられる。

第２ｃ図は、第２ｂ図の貫通孔５を貫通して固体電解質
３に付設されるセラミックスチューブ６の斜視図である
。このセラミックスチューブ６は固体電解質３と同様の
材料、例えば安定化ジルコニア等のイオン導電体で円筒
状に押出し成形され、その中心部に中心線に沿って耐熱
性金属線７を挿入し、その後焼成したものである。耐熱
性金属線７をセラミックスチューブ６に挿入する際に、
該耐熱性金属線７とセラミックスチューブ６との隙間を
シールするシール材として導電性セラミックススラリが
用いられ、前記耐熱性金属線７に塗布して使用される。

セラミックスチューブ６に挿入された耐熱性金属線７の
両端は、該セラミックスチューブ６の上下面に僅かに露
出している。

耐熱性金属線としては、例えば高クロム鋼等が用いられ
る。

第２ｄ図は、第２Ｃ図のセラミックスチューブ６を第２
ｂ図の貫通孔５に挿入し、貫通させた図である。図にお
いてセラミックスチューブ６は、固体電解質３の上下面
に所定長さだけ突出するように規則正しく配列されてい
る。

第２ｅ図および第２ｆ図は、第２ｄ図の固体電解質３の
表裏両面にそれぞれ燃料極材または酸素極材が塗布され
たものを示す図であり、第２ｅ図は、燃料極材スラリか
塗布された燃料極面を、また第２ｆ図は、酸素極材スラ
リか塗布された酸素極面を示している。両図において、
固体電解質３の周辺部の電極材が塗布されていない部分
は、その幅が数日であり、スペーサの枠材と接触するガ
スシール面となる。

電極材が塗布されたのち、昇温および降温速度が数百ｔ
　／　ｈ　ｒの条件で焼結されて単セル１となる。

第３ａ図は、上記単セル１を積層する際に使用される金
属製波板９であり、該金属製波板９には単セル１の突出
したセラミックスチューブ６に対応した貫通孔１０が設
けられている。この金属性波板９は燃料電池スタックの
下部−層に集電体兼スペーサとして配置される。

第３ｂ図は、スペーサ１１の斜視図である。このスペー
サ１１は、単セル１と同様の大きさで、該単セル１の電
極材付着部分がくり抜かれた矩形の枠体であり、一対の
対向する２辺の枠材の下方が所定の高さで切欠されてい
る。このスペーサ１１は単セル相互間に配置されて該単
セルを支持するとともに、単セルの電極膜に燃料または
空気を供給するガス流路を構成するものである。

第４図は、単セル１を積層して燃料電池スタックを構成
する際の組立図である。

底板としてＬａＣｒＯ３等の耐酸化導電性被膜をコーテ
ィングした金属プレート８を用い、該金属プレート８上
に集電体兼スペーサとして金属製波板９が配置される。

次いで、該金属製波板９上に該金属製波板９の貫通孔１
０にセラミックスチューブ６が嵌合するように単セル１
が積層され、該単セル１の上にはスペーサ１１が積層さ
れる。

以下同様にして前記スペーサ１１を介して単セル１が多
数積層される。第６図は、このようにして単セル１が多
数積層され、最上部の単セルｌの上にスペーサ１１が積
層された状態を示す図である。

第５図は、単セル積層時の単セル相互の接合部を示す拡
大図であり、中央の単セル１に設けられたセラミンクス
チューブ６の上下面には単セル１の電極膜とセラミック
スチューブ６との接触を良好なものとするために電極材
スラリ１２が塗布される。前記セラミックスチューブ６
によって、当該単セルの上下に配置される単セルが電気
的に直列に接続される。また、第７図は燃料電池スタッ
ク１３（第８図）の部分切欠図である。図において単セ
ル１に設けられたセラミックスチューブ６が当該単セル
の一設置いて上に（または−設置いて下に）配置された
単セルのセラミックスチューブ６と同じ位置になること
がわかる。したがってこのセラミックスチューブ６によ
り各単セルは機械的に支持されることになる。

第８図は、前記第６図に示された単セル積層体の最上部
のスペーサ１１の上に、最下部と同様の金属プレート８
を積層して構成した燃料電池スタックエ３を箱体Ｉ４に
収納する概念図である。

図の燃料電池スタック１３において、単セルｌは、隣接
する単セルの対向する面が互いに同種の電極膜となるよ
うに、それぞれ一つ置きに上下逆向きに積層されている
。また、前記単セル相互間に配置されるスペーサ１１は
、一対の対向する切欠された２辺が単セル１を介して隣
接するスペーサ１１の切欠された２辺と互いに直交する
位置に、すなわち一つ置きに平面上で９０℃回転させた
状態で積層される。このスベー９１１の切欠部が燃料電
池スタック内のガス流路となり、−段置きに燃料専用流
路または空気専用流路となる。したがって本実施例にお
いて燃料と空気との流れは直行流となる。

燃料電池スタック１３を収納する箱体（蓋は図示省略）
１４の内側は断熱材で裏張りされており、四隅には収納
される燃料電池スタックと密着してガスシールするため
のガスシール用部材１５が配置されている。また箱体工
４の外側面には燃料電池スタック１３に燃料を供給する
ための燃料供給管工６が、また該燃料供給管１６が設け
られた面と直角に接する一方の面に、空気を供給する空
気供給管１７が設けられており、再供給管１６およびエ
フが設けられた面に対向する面にはそれぞれ燃料ガスま
たは空気の抜き出し管（図示省略）が設けられている。

この箱体１４に、前記燃料電池スタック１３が、その燃
料流路が箱体１４に設けられた燃料供給管１６側を向く
ように、また空気流路が箱体１４に設けられた空気供給
管１７側を向くように収納されて平板積層型固体電解質
燃料電池が構成される。

また燃料電池スタック１３の最上部の金属プレート８と
、最上部率セルエの上側電極面には発生エネルギーを取
り出すための集電端子が設けられている（図示省略）。

この平板積層型固体電解質燃料電池において、各車セル
はセラミックスチューブ６によって一つ置きに、電気的
に直列に接続され、該直列に接続された二つの電池群は
最下部に配置された金属製波板９によってさらに直列に
接続さている。したがってこの平板積層型固体電解質燃
料電池の理論開回路電圧は（単セル数）×ＩＶ程度とな
る。

このような構成の平板積層固体電解質型燃料電池におい
て、燃料供給口１６から燃料ガスとして例えば水素Ｆが
、空気供給管１７から空気Ａがそれぞれ供給される。水
素Ｆは燃料電池スタックの燃料流路を流通して各単セル
１の燃料極膜４に供給される。余剰の水ｆｆ１Ｆは燃料
電池スタック１３から流出し、箱体１４の燃料ガス抜き
出し管から電池外に取り出される。一方、空気供給管１
７から供給された空気Ａは、燃料電池スタック１３の空
気流路を通り、各単セル１の酸素極膜２に酸素を供給し
、空気抜き出し管から燃料電池外に排出される。このよ
うにして燃料と酸素が供給された各車セル１の電極間で
電極反応が生じる。すなわち、単セルｌの酸素極１ｍ１
２に供給された酸素は、該酸素極１ｍ！２で外部回路か
らの電子を受は取って酸素イオンとなり、その後、固体
電解質３に入って荷電単位となる。燃料極膜４↓におい
て、この固体電解質３中の酸素イオンは、燃料として供
給された水素と反応して水を形成し、電子を外部へ放出
する。他の単セルにおいても同様の電極反応が生じ、電
気エネルギーが発生する。発生した電気エネルギーは集
電されてより強力な電気エネルギーとして集電端子を経
て外部に取り出される。

本実施例によれば、単セル１にセラミックスチューブ６
を設け、この単セル１を隣接する単セルの対向面が同種
電極となるように多数積層したので、ガス流路が一つ置
きに燃料または空気の専用流路となり、発電に関与しな
いガスセパレータ等を使用する必要がなくなる。したが
って、積層部材の数が少なくなるので、単位高さ当りの
単セル積層数が多（なり、単位体積出力密度が従来のも
のに較べて２倍近く増大する。

本実施例において、単セルに焼結、積層される燃料極材
としては、例えばＮｉＯ＋８ＹＳＺ　（Ｂｍｏ１％−Ｙ
２０３安定化ジルコニア）のサーメットが用いられる。

前記ＮｉＯ＋ＹＳＺ　（８ｍ。

１％−Ｙ２０３安定化ジルコニア）の号−メソトにおけ
るＮｉＯとＹＳＺの体積比は、導電率、熱膨張率等から
総合的に判断して、通常４対６とされる。また酸素極材
としては、例えば、Ｌ　ａ　Ｍ　ｎ０３の一部をＳｒで
置換した複合酸化物であるＬｃＬｒｍｓ　ｒ　ｘ　Ｍ　
ｎ　Ｏ３−ｂが用いられる。

本実施例において、単セル１、スペーサ１１などの積層
部材の接合部にはガスシール材として、例えば、無機接
着剤が用いられる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、発電に直接関与しないガスセパレータ
等の部材をなくすことができるので、単位高さ当りの単
セル積層数が増大し、単位体積当りの出力密度が高くな
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例である平板積層型固体電解
質燃料電池を構成する単セルの斜視図、第２ａ図〜第２
ｆ図は、それぞれ単セルの製造過程を示す説明図、第３
ａ図は、金属製波板の斜視図、第３ｂ図は、スペーサの
斜視図、第４図は、単セルの積層状況の説明図、第５図
は、単セル相互の接合部分を示す拡大図、第６図は、単
セル積層体を示す図、第７図は燃料電池スタックの−・
部切欠側面図、第８図は、燃料電池スタックを箱体に収
納する概念図である。 Ｉ・・・単セル、２・・・酸素極膜、３・・・固体電解
質、４・・・燃料極膜、６・・・セラミックスチューブ
、７・・・耐熱性金属線、８・・・金属プレート、９・
・・金属製波板、１１・・・スペーサ、１３・・・燃料
電池スタック、１４・・・箱体、１６・・・燃料供給管
、】７・・・空気供給管。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）平板状の固体電解質と該固体電解質の両面にそれ
   ぞれ積層された燃料側電極膜および酸素側電極膜からな
   る電池部と、該電池部を貫通して前記両電極面にそれぞ
   れ所定寸法だけ突出した複数の電池接続用セラミックス
   チューブとからなる単セルを、隣接する単セルの対向面
   が同種の電極膜となるように、スペーサを介して多数積
   層し、単セル相互間を一つ置きに燃料流路または空気流
   路としたことを特徴とする平板積層型固体電解質燃料電
   池。