JPH04149966A - 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］ 本発明は燃料の有する化学エネルギーを直接電気エネル
ギーに変換させるエネルギ一部門で用いる燃料電池のう
ち、特に、固体電解質型燃料電池に関するものである。

［従来の技術］ 現在、固体電解質型燃料電池は、第一世代の燃料電池と
してのリン酸型燃料電池、第二世代の燃料電池としての
溶融炭酸塩型燃料電池に代る第三世代の燃料電池として
、その開発に向は検討が進められている。

現在検討が進められている固体電解質型燃料電池には、
平板型のものとか、円筒型のもの等があり、そのうち、
平板型の固体電解質型燃料電池は、第４図に一例を示す
如く、たとえば、イツトリア安定化ジルコニア系イオン
導電体を適用した電解質板１の両面側に、多孔質の空気
極２と燃料極３とを重ね合わせるように配置して接着し
、且つ空気極２側と燃料極３側にガス通路４ａと５ａを
形成するためのガス通路構造体４５を配置し、空気極２
側のガス通路４ａには空気（０２ガス）を、又、燃料極
３側のガス通路５ａには燃料ガス（Ｈ２ガス）を流すよ
うにして、空気極２側での反応により生じた酸素イオン
０−を電解質板ｌを通して燃料極３側へ到達させるよう
にし、一方、燃料極３側では、上記燃料ガスＨ２と上記
酸素イオンＯ〜か反応し、水Ｈ２０として出されるよう
にしたものを１セルＣとし、かかるセルＣをセパレータ
６を介して多層に積層した構成のものがある。

上記の如き平板型の固体電解質型燃料電池は、狭い容積
で大電力が取り出せ、且つセルＣの厚さを薄くすればす
るほど積層したときにコンパクトにでき、その上、大電
力が得られるという特徴があり、特に、電解質板１は薄
いほど酸素イオン０−の通りがよくなり、性能をアップ
させることができる。

［発明が解決しようとする課題］ ところが、第４図に示した如き構成のものでは、ガス通
路４ａ、　５ａにガスを通すための外部ガスマニホール
ドが必要となり、装置が大型化すると共に、外部のガス
マニホールドの製作が大変であり、特に、高温のためガ
スマニホールドもセラミックス又は耐熱合金にする必要
があり、接着性、ガスシール性が難しく、殊に、耐熱合
金の場合は熱膨張を内部のスタックと合わせるのが難し
い、という問題かあり、又、外部ガスマニホールドの場
合、基本的にガスの流れは直交流となり、温度分布が悪
いこと、セルＣの空気極２、燃料極３はポーラスである
ため、空気と燃料ガスが周辺より若干漏れて外部ガスマ
ニホールド内で混合するおそれがある。

そこで、本発明は、ガスマニホールド部の構造の単純化
とガスシール性の向上を図り、マニホールド部での空気
と燃料ガスの接触のおそれがないようにした平板型の固
体電解質型燃料電池を提供しようとするものである。

［課題を解決するための手段］ 本発明は、上記課題を解決するために、電解質板の両面
に、多孔質体とした薄膜の空気極と燃料極を接着し、該
空気極と燃料極の表面に、同じ電極材を重ねて構成して
なるガス通路構造体にてガス通路を形成し、且つ上記電
解質板の両面の周辺部に、上記空気極及び燃料極の各周
辺を覆うようにする固体電解質よりなるスペーサを配置
して１セルとし、該セルをセパレータを介し積層してス
ペーサとセパレータを接合するようにし、更に、上記セ
ル及びセパレータの周辺部−側と他側の両方に空気と燃
料ガスの各給排用マニホールドを形成し、各セルの空気
極側では、ガス通路を空気の供給用マニホールドと排出
用マニホールドとに連通させると共に、各セルの燃料極
側では、ガス通路を燃料ガスの供給用マニホールドと排
出用マニホールドとに連通させた構成とする。

上記電解質板の両面への空気極と燃料極の接着はスクリ
ーン印刷法で多重に実施して厚み方向の組成を変えても
よい。又、上記空気極上又は燃料極上へのガス通路構造
体の設置は、多重印刷法により電極材を多重に接着して
成形させるようにしてもよく、またドクターブレード法
で成膜したものを積層後に削り取ってガス通路となる溝
を形成するようにすることもできる。

［作　　　用］ 空気は空気供給用マニホールドから空気極側のガス通路
を拡散されて流れた後、反対側の排出用マニホールドに
集められて排出される。

方、燃料ガスは燃料ガス供給用マニホールドから燃料極
側のガス通路を拡散されて流れた後、反対側の排出用マ
ニホールドに集められて排出される。この場合、空気極
側は燃料ガス給排用マニホールドを区画形成しているマ
スクプレートとしてのスペーサが空気極周辺に配置して
あり、燃料極側でも同様に空気の給排用マニホールドを
区画形成しているマスクプレートとしてのスペーサが燃
料極周辺に配置しであるので、多孔質体とした空気極、
燃料極てあっても周辺にガスが逃げることがなくなり、
又、空気と燃料ガスか混ざるおそれもなくなる。又、マ
ニホールドは、空気と燃料ガスの給排用として電解質板
、スペーサ、セパレータの周辺部に孔を設けただけの構
成でガスがマニホールドに集中するようになるので、マ
ニホールドの構造を単純化することができる。

［実　施　例］ 以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。

第１図乃至第３図は本発明の一実施例を示すもので、薄
膜構造とした電解質板１を空気極２と燃料極３の画電極
で両面から挟み、空気極２側に空気を供給するようにす
ると共に、燃料極３側に燃料ガスを供給するようにしで
あるものを１セルＣとし、各セルをセパレータ６を介し
て多層に積層するようにしである構成において、上記電
解質板１の周辺部の一側に空気への供給用マニホールド
７と燃料ガスＦの供給用マニホールド８を設けると共に
、周辺部の他側に、空気の排出用マニホールド９と燃料
ガスの排出用マニホールド１０を設け、且つ電解質板１
の片面には、たとえば、スクリーン印刷法によりスラリ
ー状の電極材を塗り付けて多孔質の空気極２を接着成形
させ、該空気極２面に上記空気の給排用マニホールド７
と９を開放させるようにし、又、電解質板１の反対面に
は、同様にスクリーン印刷法によりスラリー状の電極材
を塗布し多孔質の燃料極３を接着成形させて、燃料極３
面に上記燃料ガスの給排用マニホールド８と１０を開放
させ、空気Ａは供給用マニホールド７から空気極２に沿
い流れて排出用マニホールド９より排出されると共に、
燃料ガスＦは供給用マニホールド８から燃料極３に沿い
流れて排出用マニホールド１０より排出されるようにし
て、空気と燃料ガスが平行流となるようにする。

上記空気極２上と燃料極３上には、それぞれスラリー状
にした電極材を多重印刷法により多層に塗布させて所要
厚さのガス通路構造体１１を複数列にわたり配置させて
、空気極２側にはガス通路１２を形成すると共に、燃料
極３側にはガス通路１３を形成するようにし、更に、上
記電解質板１の両面には、該電解質板１の周辺に設けた
燃料ガスの給排用マニホールド８．１０に対応する燃料
ガスの給排用マニホールド８．１０を残して中央部分を
切り抜き周辺部のみとしである固体電解質よりなる空気
極側スペーサ１４と、電解質板１の周辺に設けた空気の
給排用マニホールド７．９に対応する空気の給排用マニ
ホールド７．９を残して中央部分を切り抜き周辺部のみ
としである固体電解質よりなる燃料極側スペーサ１５と
を配置し、電解質板１と、その両面の空気極２、燃料極
３と、スペーサ１４、Ｉ５とからなるセルＣをセパレー
タ６を介し積層させるようにし、セパレータ６の周辺の
一側と他側にも、空気の給排用マニホールド７．９と燃
料ガスの給排用マニホールド８．１０を設け、積層した
ときに各マニホールド７、８．９．１０が積層方向に連
通されて流路が形成されるようにし、又、積層時にセパ
レータ６の周辺部とスペーサ１４の接合部及びセパレー
タ６の周辺部とスペ〜す１５の接合部は、セラミックス
系接着剤で接着し、周辺をガラス等の溶融密封剤で覆い
ガスのリークがないようにする。

空気極２側へ供給される空気（０２ガス）Ａは、空気供
給用マニホールド７からガス通路１２を流される間に反
応により酸素を減少して空気排出用マニホールド９に集
中させられ、該排出用マニホールド９より排出される。

この間に多孔質体としである空気極２内を通って電解質
板１に達した空気（０□ガス）から反応により生成され
た酸素イオンＯ−は、電解質板ｌを通して燃料極３へと
到達させられる。一方、燃料極３側では、燃料ガス（Ｈ
２ガス）Ｆが燃料ガス供給用マニホールド８からガス通
路１３へ導入され、該ガス通路１３を流れる間に酸素イ
オンＯと反応させられた後、排出用マニホールド１０よ
り排出させられる。

上記において、ガス通路１２と１３は、空気極２と燃料
極３の表面に、電極材によるガス通路構遺体１１を多重
印刷法により接着成形させることによって形成している
ので、複雑なガス通路１２゜１３でも簡単に形成できる
と共に、空気極２側を流れる空気Ａや燃料極３側を流れ
る燃料ガスＦの流通性が良好となり、且つ空気極２及び
燃料極３は、スクリーン印刷法により電解質板１に接着
成形されているので、電解質板１への接着性がよくて電
解質板の支持を強固に行うことができ、酸素イオンの通
しがより良くできて性能の向上を図ることが可能であり
、又、ガス通路構造体１１を電流が流れる。又、空気極
２及び燃料極３は多孔質体であるが、空気極２側及び燃
料極３にはそれぞれマスクプレートとしてのスペーサ１
４及び１５を配して、セパレータ６とは接着させると共
に周縁をガラス等の溶融密封剤で覆った構成とした上で
、空気極２側では燃料ガスの給排用マニホールド８．１
０を区画形成し、燃料極３側では空気の給排用マニホー
ルド７．９を区画形成しであるので、周辺からガスが漏
れるようなことがなくなると共に、電極の部分で空気と
燃料ガスか接触するようなおそれもない。

なお、上記実施例では、ガス通路１２．１３を形成する
場合に、多重印刷法、すなわち、スラリー状とした電極
材をスクリーン印刷によりカス通路構造体１１を何層に
も重ねて印刷して行く方法で電流の導体部分を構成する
ガス通路構造体１１を成る高さに成形し、ガス通路構造
体１１間にガス通路１２．１３を形成するようにした例
を示したか、他のガス通路成形方法として、電極材をド
クターブレード法やカレンダロール法て成膜多層化した
後、表面を削り取ってガス通路となる溝を形成すること
もできること、更に、射出成形法、泥漿鋳込法等によっ
て成形したものを電極膜上に付着させるようにするもの
もあること、電解質板１の両面に配置する空気極２と燃
料極３をスクリーン印刷法で接着成形させる場合を示し
たが、スクリーン印刷基以外の方法で成形させるように
してもよいこと、等は勿論であるが、多孔質体の電極２
．３の配置において、印刷法を採用すれば、電極厚み方
向にポアサイズを徐々に変えて行くことが可能となると
共に、ガス通路１２．１３の形成における多重印刷法を
採用すれば、多重印刷の過程で電極材の成分を徐々に変
えることができて電極やセパレータ膜との接着性を良く
し、緻密化による導電性向上を図ることが可能となる。

［発明の効果］ 以上述べた如く、本発明の固体電解質型燃料電池によれ
ば、周辺部の一側と他側に空気と燃料ガスの各給排用マ
ニホールドを形成した電解質板の両面の周辺部を除く中
央部分に、薄膜状の多孔質の空気極と燃料極を配置して
、空気極側では空気の給排用マニホールドが連通ずるよ
うにすると共に、燃料極側では燃料ガスの給排用マニホ
ールドが連通ずるようにし、且つ空気極側と燃料極側に
は電極材よりなるガス通路構造体を配置してそれぞれガ
ス通路を形成し、更に上記電解質板の両面側に、電極部
をくり抜いて周辺部のみとした固体電解質よりなるスペ
ーサを配して、空気極側のスペーサは周辺の一側と他側
に燃料ガスの給排用マニホールドを区画して形成し、燃
料極側のスペーサは周辺の一側と他側に空気の給排用マ
ニホールドを区画して形成し、これらを１セルとして、
周辺部の一側と他側に空気と燃料ガスの各給排用マニホ
ールドを形成したセパレータを介し積層するようにし、
セパレータの周辺とスペーサとの接合部を接着剤にて接
着させた構成としであるので、次の如き優れた効果を奏
し得る。

（ｉ）　　多孔質体の空気極側と同じく多孔質体の燃料
極側に流されるガスはスペーサの存在によりリークする
ことが少なく、又、異なるガスのマニホールドが区画形
成されているので、空気と燃料ガスとがマニホールド部
分て接触するようなことがな（なる。

（ｉｉ）　　内部マニホールド型で且つ電極の周辺を覆
うようにするスペーサの使用により、ガス通路の簡易化
とシール性の向上が図れると共にマニホールド部の構造
を単純化できる。

（ｉの　多孔質の空気極と燃料極を電解質板の両面に−
様に密着させているので、電解質板への良好な接触性が
確保できて空気極側からの酸素イオンが電解質板を通過
して燃料極へ到達する際の導通性を良くすることができ
ると共に、ガス通路を確保できてガスの流通性を良くす
ることができて、反応を促進させて性能を向上させるこ
とができる。

■　電解質板の両面の空気極と燃料極の各表面に印刷法
でガス通路構造体を接着成形すると、複雑なガス通路で
も簡単に形成することができ、又、空気と燃料ガスの流
れを平行流とすることにより、熱応力を減少させること
ができることになる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の固体電解質型燃料電池の一実施例を示
す斜視図、第２図は第１図の■方向よりの断面図、第３
図は第１図を分解して示す図、第４図は従来の固体電解
質型燃料電池の概略斜視図である。 １・・・電解質板、２・・・空気極、３・・・燃料極、
６・・・セパレータ、７・・・空気の供給用マニホール
ド、８・・・燃料ガスの供給用マニホールド、９・・・
空気の排出用マニホールド、１０・・・燃料ガスの排出
用マニホールド、１１・・・ガス通路構造体、１２．１
３・・・ガス通路、１４・・・空気極側スペーサ、１５
・・・燃料極側スペーサ。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）電解質板の両面に、多孔質体とした薄膜状の空気
   極と燃料極を配置し、該空気極と燃料極の表面に、電極
   材よりなるガス通路構造体を配置してそれぞれガス通路
   を形成し、且つ上記電解質板の空気極側に、該空気極の
   周辺を覆うようにする固体電解質よりなる空気極側スペ
   ーサを、又、電解質板の燃料極側に、該燃料極の周辺を
   覆うようにする固体電解質よりなる燃料極側スペーサを
   それぞれ配置したものを１セルとして、該セルをセパレ
   ータを介し積層してセパレータと上記両スペーサとを接
   着させ、上記セルの電解質板及び両スペーサとセパレー
   タの各周辺部の一側と他側に空気と燃料ガスの各給排用
   マニホールドを形成してなる構成を有することを特徴と
   する固体電解質型燃料電池。
2. （２）空気極及び燃料極の表面に印刷法により電極材を
   接着させてガス通路構造体を成形してなる請求項（１）
   記載の固体電解質型燃料電池。