JPH07296828A - 内部抵抗を低減した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】 ガスの密封性が良く、内部抵抗が少なく、性
能の良い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】 固体電解質層４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、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とを
分配するセパレータ１を交互に積層し、セパレータが燃
料ガス及び空気を給排気する貫通孔を周縁部に備え且つ
セパレータの一方の端面から反対側の端面に貫通する扁
平な底面を有する溝部を空気極側に備えた耐熱性金属製
本体部１Ａと、複数本の空気流通溝を表面に備え裏面を
本体部の溝部の底面に密着させて本体部の溝部に嵌め込
まれた導電性酸化物板１Ｂとにより複合構成され、セパ
レータの本体部および導電性酸化物板の表面に同時に接
触するよう導電性スペーサ２を単電池３とセパレータ１
の間に介在させた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は内部抵抗を低減した内部
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、隣接する単電池同志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たものであ
る。内部マニホールド方式の固体電解質型燃料電池はセ
パレータ等の電池材料が酸素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の孔は単電池を積層す
る過程で連結され、スタック内部にガス通路を形成して
いる。

【０００４】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
本体部と導電性酸化物の板からなる複合セパレータとし
て構成されている。この複合複合セパレータの燃料極側
の面はすべて耐熱性金属面である。しかし、その反対の
空気極側の面はその両端部が耐熱性金属面、残りの中央
面は凹んで溝部となる。溝部の形状はセパレータの一方
の端面から反対側の端面に貫通する扁平な底面を有する
構造であるので、この溝部を型削り盤により切削し、さ
らに研削盤により研磨することができる。その結果、平
面の仕上がり精度を向上させることができる。この溝部
に上記導電性酸化物板が集電部として嵌め込まれてい
る。導電性酸化物板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。上述のように両者を嵌合したとき、耐熱性金属の
本体部の溝部の平らな底面と導電性酸化物板の平らな下
面は精密に重ね合わされ、接触抵抗が低減するようにな
っている。なお、導電性酸化物板は表面に空気流通溝を
備え、この空気流通溝に対応して本体部の燃料極側の面
に燃料ガス流通溝が形成されている。

【０００５】複合セパレータは機械的強度が大で割れが
少なく、酸化物の膜を金属上にコーティングしていた場
合と異なって熱膨張差による剥離の問題や剥離により界
面抵抗が増加する問題も無く、したがって複合セパレー
タを使用した固体電解質型燃料電池は熱サイクルに強
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。

【０００６】

【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を使用した内部マニホールド
方式の固体電解質型燃料電池には次のような欠点が存在
する。 （１）内部マニホールド方式の固体電解質型燃料電池の
組立てに際し、単電池と複合セパレータとを交互に積層
し加圧して複層のスタックにする。複層のスタックに作
用させる一定の加圧力を全ての単電池と複合セパレータ
の表面上になるべく接触面積を広く均等に作用させてガ
スの密封性能を良くすることが燃料電池の性能向上やガ
スリークの防止上望ましいことである。 （２）複合セパレータでは耐熱性金属本体部と導電性酸
化物板の嵌合面が唯一の電気的接合部となる。この接合
部がうまく接合されていないと、燃料電池の内部抵抗が
急激に増大してその性能が低下する。

【０００７】ガスの密封性能を保持すると共に内部抵抗
を低減した高性能の固体電解質型燃料電池が待望されて
いる。

【０００８】本発明は上述の点に鑑みてなされたもの
で、ガスの密封性が良く、内部抵抗が少なく、性能の良
い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、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とを分配す
るセパレータを交互に積層してなる固体電解質型燃料電
池において、前記セパレータが燃料ガス及び空気を給排
気する貫通孔を周縁部に備え且つセパレータの一方の端
面から反対側の端面に貫通する扁平な底面を有する溝部
を空気極側に備えた耐熱性金属製本体部と、複数本の空
気流通溝を表面に備え裏面を前記本体部の溝部の底面に
密着させて前記本体部の溝部に嵌め込まれた導電性酸化
物板とにより複合構成され、前記セパレータの本体部お
よび導電性酸化物板の表面に同時に接触するよう導電性
スペーサを前記単電池とセパレータの間に介在させたこ
とを特徴とする。

【００１０】

【作用】セパレータの本体部および導電性酸化物板の表
面に同時に接触する導電性スペーサを単電池と該セパレ
ータの間に介在させたことにより、本体部と導電性酸化
物板の導通を確保して燃料電池の内部抵抗の増加を抑え
ることができる。

【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組立前
の斜視図、図２は本発明の内部マニホールド方式の固体
電解質型燃料電池に使用する複合セパレータの組立後の
平面図、図３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スペーサの平面図、図４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、図４に示すように、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。平板状単電池３の固体電解質層４と
セパレータ１の間にスペーサ２が挟まれている。

【００１４】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、Ｓｒ）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セパレ
ータ１の４隅の給排気孔としての貫通孔１ａの大きさお
よび配置と同一である。また、固体電解質層４の表面と
裏面の周縁部はスペーサ２と気密状に重なるための面で
ある。

【００１５】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基合金等の耐熱性金属で造った本体部１
Ａと、本体部の上面（図１参照）に嵌め込まれるように
なった導電性酸化物板１Ｂとの複合体として構成され、
この複合セパレータ１の上面（図１において）が空気極
６側へ空気を分配する構造を構成し、またその下面が燃
料極５側へ燃料を分配する構造を構成している。図１は
導電性酸化物板１Ｂを本体部１Ａに嵌め込む前の状態を
示し、図２および図４は嵌め込んだ状態を示す。

【００１６】本体部１Ａはセパレータ１の大部分を占め
る矩形状をなし、４隅にガスの給排気孔１ａが開けら
れ、さらに、単電池３の燃料電極面の隅々に燃料ガスを
均等に分配するため、および、隣あう単電池３と直列に
接続するため電極面に複数列の燃料ガス流通溝１ｃと突
起１ｂが施されている。しかし、これらの溝１ｃと突起
１ｂは、図４に示すように、本体部１Ａの下面のみに形
成されており、一方本体部１Ａの上面は両側端部１ｄを
残し、中央部の全幅にわたり溝部１ｅが形成されてい
る。この溝部１ｅの中に導電性酸化物板１Ｂが嵌め込ま
れている。なお、上記突起１ｂの頂面は燃料電池を組立
てたとき、単電池３の燃料極５面に接触するようになっ
ている。

【００１７】導電性酸化物板１Ｂの上面に形成されてい
る溝部１ｅは、図１に示すように、セパレータ１の一方
の端面１ｇから反対側の端面１ｇに貫通する扁平な底面
を有している。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。精密仕
上げされた溝部１ｅの底面に導電性酸化物板１Ｂの下面
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。

【００１８】本体部１Ａの下面の溝１ｃは左右２個の対
角線方向の給排気孔１ａに連通している。なお、左右２
個の対角線方向の別の給排気孔１ａは後述するように導
電性酸化物の板１Ｂの空気流通溝５ｃに連通している。
セパレータ１の表面の両端部１ｄはスペーサ２と重ねる
ためのシール面である。

【００１９】導電性酸化物の板１Ｂは例えばストロンチ
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
成して得た平板状焼結体であリ、その上面に単電池の空
気極面に空気を流すための複数本の空気流通溝５ｃと突
起５ｂを備えている。なお、突起５ｂの頂面は燃料電池
を組立てたとき、単電池３の空気極６面に接触するよう
になっている。板１Ｂの溝５ｃはセパレータ１の本体部
１Ａのへこみ１ｆを通じて左右２個の対角線方向の貫通
孔の給排気孔１ａに連通している（図１参照）。このよ
うにして、セパレータ１の上面が空気極６側へ空気を分
配することができる。

【００２０】スペーサ２は図３に示すように矩形で厚み
が約１５０ミクロンで、耐熱性および導電性を有する金
属、例えばニッケル、ニッケルクロム系合金や鉄クロム
系合金等で作られた板である。スペーサ２はその外周が
セパレータ１の外形に一致し、４隅にガス給排気孔１ａ
が開けられ、中央部に四角な孔２ｂが開けられている。
ガス給排気孔１ａはその形状および配置がセパレータ１
の給排気孔１ａに対応し、四角な孔２ｂの形状および配
置はセパレータ１の導電性酸化物板１Ｂに略対応する。
スペーサ２はセパレータ１の上面（図２参照）に重ねら
れたとき、セパレータ１の耐熱性金属本体部１Ａと導電
性酸化物板１Ｂの周縁部を覆ってこれらを電気的に接続
する。

【００２１】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、セ
パレータを耐熱性金属製本体部と、この本体部の片面の
一部に設けた溝部に嵌合する導電性酸化物板とからなる
複合セパレータとし、該溝部にセパレータの一方の端面
から反対側の端面に貫通する扁平な底面を形成し、この
本体部の扁平底面に導電性酸化物板の片側の扁平面を重
ねて密着させる構造とし、さらにセパレータの本体部お
よび導電性酸化物板の表面に同時に接触する導電性スペ
ーサを単電池と該セパレータの間に介在させ、これらの
複合セパレータとスペーサを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、本体部と
導電性酸化物板との間に高精度の面接触を行わせるとと
もに、本体部と導電性酸化物板との電気的接合を上記面
接触のみに依存することなく、同時にスペーサによって
も並列に電気的接合が行われ、その結果燃料電池の接触
抵抗すなわち内部抵抗を減少させ燃料電池の性能を向上
させることができる。

【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組立前の斜視図で
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
燃料電池に使用する複合セパレータの組立後の平面図で
ある。

【図３】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スペーサの平面図である。

【図４】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。

【符号の説明】

１ セパレータ １Ａ 耐熱性金属本体部 １Ｂ 導電性酸化物板 １ａ 貫通孔 １ｂ 突起 １ｃ 燃料ガス流通溝 １ｄ 端部 １ｅ 溝部 １ｆ へこみ １ｇ 端面 ２ スペーサ ２ａ 孔 ２ｂ 孔 ３ 単電池 ４ 固体電解質層 ５ 燃料極 ５ｂ 突起 ５ｃ 空気流通溝 ６ 空気極

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 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、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とを分配
   するセパレータを交互に積層してなる固体電解質型燃料
   電池において、前記セパレータが燃料ガス及び空気を給
   排気する貫通孔を周縁部に備え且つセパレータの一方の
   端面から反対側の端面に貫通する扁平な底面を有する溝
   部を空気極側に備えた耐熱性金属製本体部と、複数本の
   空気流通溝を表面に備え裏面を前記本体部の溝部の底面
   に密着させて前記本体部の溝部に嵌め込まれた導電性酸
   化物板とにより複合構成され、前記セパレータの本体部
   および導電性酸化物板の表面に同時に接触するよう導電
   性スペーサを前記単電池とセパレータの間に介在させた
   ことを特徴とする内部抵抗を低減した内部マニホールド
   方式の固体電解質型燃料電池。