JPH07296827A - 複合セパレータを有する内部マニホールド方式の固体電解質型燃料電池 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 製作が容易で、精度が高く、内部抵抗が少な
く電池性能の良い、複合セパレータを有する内部マニホ
ールド方式の固体電解質型燃料電池を提供すること。 【構成】 周縁部に燃料ガス及び空気の給排気孔を有す
る固体電解質層を挟むように燃料極５と空気極６を配置
した平板状単電池３と、周縁部に燃料ガス及び空気の給
排気孔を有し隣接する単電池を電気的に直列に接続しか
つ各単電池に燃料ガスと空気を分配するセパレータ１と
を交互に積層してなる固体電解質型燃料電池において、
セパレータ１としてガス流通路および集電部を形成され
た表面と扁平な裏面を有する同一・形状大きさの耐熱性
金属板１Ａと導電性酸化物板１Ｂを裏面同士重ね合わせ
た複合セパレータを使用し、耐熱性金属板１Ａを単電池
の燃料極５側に使用し且つ該導電性酸化物板１Ｂを空気
極６側に使用する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は耐熱性金属と導電性酸化
物からなる複合セパレータを有する内部マニホールド方
式の固体電解質型燃料電池に関する。

【０００２】

【従来の技術】最近、酸素と水素をそれぞれ、酸化剤お
よび燃料として、燃料が本来持っている化学エネルギー
を直接電気エネルギーに変換する燃料電池が、省資源、
環境保護などの観点から注目されている。イットリアな
どをドープしたジルコニアを単電池の電解質層として用
い、耐熱性金属や導電性酸化物をセパレータとして用い
た固体電解質型燃料電池は、作動温度が高く、発電効率
が高く、高温の廃熱の利用により総合効率が高いので、
研究開発が進んでいる。

【０００３】固体電解質型燃料電池は固体電解質層を挟
むように燃料極と空気極を配置してなる平板状単電池
と、隣接する単電池同士を電気的に直列に接続しかつ各
単電池に燃料ガスと空気とを分配するセパレータとを交
互に積層して複層のスタックとして構成され、セパレー
タ等の電池材料が酸化剤ガスたとえば空気および燃料の
各ガスの給排気、分配の機能および電気的接続の機能を
兼ね備える一体型の構造である。そのため、セパレータ
の周縁部にガスの給排気の孔が開けられ、この孔から単
電池の電極面に各ガスが給排気され、さらに、電極面の
全面隅々にガスを均等に分配するため、および、隣あう
電池を直列に接続するため電極面に複数本のガス流通溝
が形成されている。周縁部に設けたガス給排気孔は単電
池を積層する過程で固体電解質層の周縁部に設けたガス
給排気孔と互いに連結され、スタック内部に一連のガス
通路を形成している。

【０００４】図３は従来の内部マニホールド方式の固体
電解質型燃料電池に使用されている複合セパレータの斜
視図である。

【０００５】従来、内部マニホールド方式の固体電解質
型燃料電池に使用されているセパレータは耐熱性金属の
本体部１１と導電性酸化物の板１２からなる複合セパレ
ータとして構成されている。この複合セパレータの燃料
極側の面（図３において本体部１１の裏側の面）はすべ
て耐熱性金属面である。しかし、その反対の空気極側の
面（図３において本体部１１の表側の面）は周縁部１１
ａの大部分が耐熱性金属面であり、中央の一部の面が凹
んでポケット部１３となり、このポケット部１３に集電
部としての導電性酸化物板１２が嵌め込まれている。導
電性酸化物板１２はたとえばカルシウムドープランタン
クロマイトを加圧成型し空気中で焼成して得たものであ
る。上述のように嵌め込んだとき、耐熱性金属の本体部
１１のポケット部１３の平らな底面と導電性酸化物板１
２の平らな下面が重ね合わされて接合界面となり、酸素
と燃料の両ガスの流通溝の有る面は上下外方の反対側を
向くことになる。なお、導電性酸化物板１２は上面にガ
ス流通溝１２ａを備え、下面は扁平面である。このガス
流通溝１２ａに対応して本体部１の燃料極側の面に燃料
ガス流通溝（図示せず）が形成されている。

【０００６】この複合セパレータを使用した固体電解質
型燃料電池は空気極側でも燃料極側でも導電性に優れ、
機械的強度が大きく、長期にわたり化学的に安定で、熱
サイクルに強く、耐久性が大で、製造および修理が簡単
容易で、コストも安い等の長所がある。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来の複合セパレータにも次のような欠点が存在す
る。

【０００８】内部マニホールド方式の固体電解質型燃料
電池が、単電池とセパレータとを交互に積層し加圧して
複層のスタックとして組み立てられる際に、本体部１の
表面および裏面の周縁部は単電池の固体電解質層（また
はスペーサ）と加圧密着され、ガスの漏洩を防止するシ
ール面となる。ガスの漏洩が発生すればエネルギーの損
失および燃料電池の火災や爆発を生ずる。また、加圧力
は導電性酸化物板１２の上面にも同時に作用するように
なっている。しかしながら、加圧力は主として本体部１
１の周縁部１１ａのシール面に吸収され、導電性酸化物
板１２に作用する加圧力は小さくなる。そのため、耐熱
性金属本体部１１と導電性酸化物の板１２の接合界面の
押圧力は小さくて両面が密着せず、電気的接触抵抗が増
大し、電流を取り出す時の内部損失の大きな原因となり
電池性能が低下する欠点がある。本発明は上述の点に鑑
みてなされたもので、製作が容易で、精度が高く、内部
抵抗が少なく性能の良い、複合セパレータを有する内部
マニホールド方式の固体電解質型燃料電池を提供するこ
とを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明は周縁部に燃料ガス及び空気の給排気孔を有
する固体電解質層を挟むように燃料極と空気極を配置し
た平板状単電池と、周縁部に燃料ガス及び空気の給排気
孔を有し隣接する単電池を電気的に直列に接続しかつ各
単電池に燃料ガスと空気を分配するセパレータとを交互
に積層してなる固体電解質型燃料電池において、該セパ
レータがガス流通路および集電部を形成された表面と扁
平な裏面を有する同一形状・大きさの耐熱性金属板と導
電性酸化物板を裏面同士重ね合わせた複合セパレータで
あり、該耐熱性金属板が単電池の燃料極側に使用され且
つ該導電性酸化物板が単電池の空気極側に使用されるこ
とを特徴とする。

【００１０】

【作用】セパレータを全く同一形状・大きさの耐熱性金
属板と導電性酸化物板からなる複合体にし、これらの扁
平な裏面同士を背中合わせに重ね、耐熱性金属板を単電
池の燃料極側に使用し且つ該導電性酸化物板を単電池の
空気極側に使用したので、この裏面の扁平面は端から端
まで形削り盤により切削し、さらに研削盤により平面研
磨して、平面精度を向上させることができ、この高精度
の裏面同士を密着接合させ、単電池やスペーサと積層し
て燃料電池に組み立てる時の圧縮荷重をすべてこの裏面
接合部に集中させることにより電気接触抵抗を低下させ
燃料電池の性能を向上させる。また、空気極側に酸素と
の親和性が非常につよいＣｒ、Ｍｎ等を含む耐熱性金
属、耐熱性合金製セパレータ板を使用せず、導電性酸化
物製セパレータ板を使用するので、空気極側での金属の
酸化、クロム酸化物の蒸発の心配が生じない。

【００１１】

【実施例】以下、本発明を図面に基づいて説明する。

【００１２】図１は本発明の内部マニホールド方式の固
体電解質型燃料電池に使用する複合セパレータの斜視
図、図２は本発明の内部マニホールド方式の固体電解質
型燃料電池の断面図である。

【００１３】本発明の内部マニホールド方式の固体電解
質型燃料電池は、平板状単電池３とセパレータ１を交互
に積層してスタックとして組み立てられたものである。
単電池３は固体電解質層４を挟むように燃料極５として
Ｎｉ／ＹＳＺサーメットを、空気極６として（Ｌａ、Ｓ
ｒ）ＭｎＯ₃ をスクリーン印刷などによりコーティング
したものを配置したものである。固体電解質層４はイッ
トリアなどをドープしたジルコニア焼結体（ＹＳＺ）で
造られる。固体電解質層４の４隅にガスの給排気孔が開
けられている。このガス給排気孔は後述するセパレータ
１の４隅の給排気孔１ａすなわち貫通孔１ａの大きさお
よび配置と同一である。

【００１４】セパレータ１は単電池３の燃料極５と空気
極６にそれぞれ使用される燃料ガスと酸化剤ガスを分離
してクロスリークを防止する作用と、単電池３同士を電
気的に直列に接続する作用をするものである。セパレー
タ１はＮｉやＮｉ基合金等で造った耐熱性金属板１Ａ
と、導電性酸化物板１Ｂとを裏面同士重ね合わせた背中
合わせの複合体として構成され、耐熱性金属板１Ａを燃
料極５の側に使用し、導電性酸化物板１Ｂを空気極６の
側に使用する（図２参照）。

【００１５】耐熱性金属板１Ａと導電性酸化物板１Ｂは
図１に示すようなまったく同一の形状・大きさを有して
いる。耐熱性金属板１Ａは表面に空気極６側へ空気を分
配する構造が形成され、裏面は扁平面となっている。ま
た、導電性酸化物板１Ｂの表面に燃料極５側へ燃料を分
配する構造が形成され、裏面は扁平面となっている。耐
熱性金属板１Ａと導電性酸化物板１Ｂはほぼ矩形状をな
し、４隅にガスの給排気孔１ａが開けられ、さらに、単
電池３の電極５、６面全体に燃料ガスまたは空気を均等
に分配するため、および、隣合う単電池３を直列に接続
するため電極５、６面に複数列のガス流通溝１ｃと突起
１ｂが施されている。突起１ｂは燃料電池を組立てたと
き、単電池３の空気極６または燃料極５に接触して電気
的に導通し集電部を形成するようになっている。溝１ｃ
はセパレータ１の表面に形成されているへこみ１ｆを通
じて左右２個の対角線方向の空気または燃料ガスの給排
気孔１ａに連通している（図１参照）。上述の空気極側
へ空気を分配する構造および燃料極５側へ燃料を分配す
る構造とは、ガス流通溝１ｃ、突起１ｂおよびへこみ１
ｆを総称したものである。また、セパレータ１の表面の
周縁部１ｄは単電池３の固体電解質層４やスペーサ２と
重なるシール面となる。

【００１６】耐熱性金属板１Ａと導電性酸化物板１Ｂの
裏面全体を扁平面にしたことにより、この扁平面の端か
ら端まで形削り盤により切削し、さらに研削盤により平
面研磨仕上げして、平面の精度を高めることができる。
セパレータ１は単電池３と単電池３を電気的に直列に接
続する作用を有するものであるから、精密仕上げされた
両面を密着させることにより、燃料電池の接触抵抗すな
わち内部抵抗を減少させることができる。

【００１７】必要に応じ、セパレータ１と固体電解質層
４との間にスペーサ２が挿入されている。スペーサ２は
厚さ数百ミクロンのジルコニア等のセラミックまたは金
属板で作られ、その４隅にガスの給排気孔が開けられて
いる。この給排気孔はセパレータ１の給排気孔１ａと同
一の大きさと配置を有する。

【００１８】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、セ
パレータの表面にガス流通路および集電部を形成し、か
つ裏面を扁平面にした全く同一形状・大きさの耐熱性金
属板と導電性酸化物板の裏面同士を重ね合わせて複合体
構造とし、耐熱性金属板を単電池の燃料極側に使用し且
つ該導電性酸化物板を単電池の空気極側に使用して内部
マニホールド方式の固体電解質型燃料電池を組立てたの
で、次のような優れた効果が得られる。 （１）複合セパレータの２枚の板部材（耐熱性金属板と
導電性酸化物板）の構造が簡単でかつ同一となり、切削
加工および研磨加工が容易となったので、燃料電池の多
量生産が可能となり、コストが低減される。 （２）２枚のセパレータ板部材の接合面となる裏面の平
面精度を向上させることができる。 （３）燃料電池をスタックに組み立てる時に２枚のセパ
レータ板部材の接合面に圧縮加重を集中させて増大する
ことができる。 （４）２枚のセパレータ板部材が良好な面接触をなし且
つスタック積層時に加わる圧縮加重が増大するので、燃
料電池の接触抵抗すなわち内部抵抗が減少し、燃料電池
の性能が向上する。 （５）セパレータの導電性酸化物板を空気極側に使用
し、耐熱性金属板を燃料電極側に使用する。したがっ
て、酸素との親和性が非常につよいＣｒ、Ｍｎ等を含む
耐熱性金属、耐熱性合金を空気極側に使用しないので、
空気極側での金属の酸化、クロム酸化物の蒸発による被
毒の心配が生じない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の内部マニホールド方式の固体電解質型
燃料電池に使用する複合セパレータの斜視図である。

【図２】本発明の内部マニホールド方式の固体電解質型
燃料電池の断面図である。

【図３】従来の内部マニホールド方式の固体電解質型燃
料電池に使用されている複合セパレータの斜視図であ
る。

【符号の説明】

１ セパレータ １Ａ 耐熱性金属板 １Ｂ 導電性酸化物板 １ａ 貫通孔 １ｂ 突起 １ｃ ガス流通溝 １ｄ 周縁部 １ｆ へこみ ２ スペーサ ３ 単電池 ４ 固体電解質層 ５ 燃料極 ６ 空気極 １１ 本体部 １１ａ 周縁部 １２ａ ガス流通溝 １２ 導電性酸化物板 １３ ポケット部

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 周縁部に燃料ガス及び空気の給排気孔を
   有する固体電解質層を挟むように燃料極と空気極を配置
   した平板状単電池と、周縁部に燃料ガス及び空気の給排
   気孔を有し隣接する単電池を電気的に直列に接続しかつ
   各単電池に燃料ガスと空気を分配するセパレータとを交
   互に積層してなる固体電解質型燃料電池において、前記
   セパレータがガス流通路および集電部を形成された表面
   と扁平な裏面を有する同一形状・大きさの耐熱性金属板
   と導電性酸化物板を裏面同士重ね合わせた複合セパレー
   タであり、該耐熱性金属板が単電池の燃料極側に使用さ
   れ且つ該導電性酸化物板が単電池の空気極側に使用され
   ることを特徴とする複合セパレータを有する内部マニホ
   ールド方式の固体電解質型燃料電池。