WO1999026304A1 - Solid electrolyte fuel cell - Google Patents

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WO1999026304A1 PCT/JP1998/005104 JP9805104W WO9926304A1 WO 1999026304 A1 WO1999026304 A1 WO 1999026304A1 JP 9805104 W JP9805104 W JP 9805104W WO 9926304 A1 WO9926304 A1 WO 9926304A1
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fuel gas
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Fusayuki Nanjo
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Mitsubishi Heavy Industries Ltd
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Definitions

  • the present invention relates to an economical solid electrolyte fuel cell which has a small thermal stress, a high soundness of a cell, a simple structure, a large power generation area, and excellent compactness.
  • SOFC Solid Oxide Fuel Cells
  • dimple a structure in which an uneven portion is formed in a power generation film.
  • FIGS. 15 and 16 the structure shown in FIGS. 15 and 16 is known.
  • FIG. 15 is a structural development view of the SOFC
  • FIG. 16 is a sectional view taken along the line X--X in FIG.
  • reference numeral 1 denotes an interconnector (also referred to as a gas separator)
  • reference numeral 2 denotes a power generation film, which is alternately stacked from the top with an interconnector 1, a power generation film 2, an interconnector 1, and so on.
  • An integrated fuel cell 10 hereinafter abbreviated as “stack”) is formed.
  • the power generation membrane 2 is the smallest unit battery (also called a cell) constituting the S0FC, and is mainly composed of a solid electrolyte in which a convex dimple 21 and a concave dimple 22 are formed almost entirely.
  • a membrane 20 and an oxygen electrode 23 are formed on one side of the solid electrolyte membrane 20 and a fuel electrode 24 is formed on the other side.
  • the surface of the convex dimple 21 is the oxygen electrode 23, and the surface of the concave dimple 22 is the fuel electrode 24.
  • the power generation membrane 2 is surrounded by a sealing material 3 except for a gas inlet and a gas outlet through which an oxidizing gas (for example, air, hereinafter, air) or a fuel gas passes.
  • An air flow path 41 and a fuel gas flow path 42 are formed between the membranes.
  • the interconnector 1 is joined to the sealing material 3 to form a space between the power generation film 2 and the gas flow passage, and at the same time, contacts the top of the concave and convex dimples of the power generation film.
  • it has a function of being electrically connected in series by joining.
  • the SOFC stack 10 configured as described above is maintained at a high temperature of 800 ° C. to 100 ° C., and as shown in FIG. 15 and FIG. Air is generated by flowing the fuel gas through the fuel gas flow path 42.
  • an air inlet 43 for introducing air is formed on one of the four sides of the flat battery, and an air outlet 44 is formed on the opposite side.
  • the fuel gas inlet 45 is formed on the other side, and the fuel outlet (not shown) is formed on the opposite side.
  • the power generation film 2 is formed in a flat plate shape without concave and convex, and a groove is formed in the inter-connector 1 to form a gas flow path.
  • Fig. 17 and Fig. 18 show typical examples. Here is an example.
  • Fig. 17 is a structural exploded view of the S0FC
  • Figs. 18 (a) and 18 (b) are cross-sectional views along the X-X and Y-Y lines in Fig. 17, respectively. It is.
  • the power generation membrane 2 has a flat plate shape without unevenness. As shown in FIG. 18, the solid electrolyte membrane 20 and the oxygen electrode 23 on one side of the solid electrolyte membrane 20 and the fuel electrode 2 on the other side are shown in FIG. 4 is formed and configured.
  • reference numeral 1 denotes an intermediate connector of the stack 11, and a plurality of rows of grooves 33 for flowing gas are formed on both surfaces thereof along the gas flow direction.
  • Reference numerals 1c and 1d in the figure indicate an upper connector and a lower connector of the stack 11 respectively, and a plurality of rows are provided on the surface corresponding to the power generation film 2.
  • the groove 33 is formed along the gas flow direction, and the other surface is usually smooth for mounting a current collecting component for extracting a current.
  • the intermediate interconnector 1, the upper interconnector 1c and the lower interconnector 1d alternately isolate the power generation membrane 2 and provide an air flow path 41 and a fuel flow between the power generation membrane 2 and the power supply membrane 2. It has a function of forming a gas flow path 42 and contacting or joining the protruding part 32 of the interconnector with the oxygen electrode 23 and the fuel electrode 24 of the power generation membrane to electrically connect in series.
  • the upper interconnector 1c, the power generation membrane 2, the intermediate interconnector 1, the power generation membrane 2, ... the lower interconnector Id are alternately stacked from the top to form an integrated SOFC stack. It forms the criterion 11.
  • This stack 11 is maintained at a high temperature of 800 ° C. to 100 ° C., and air is supplied to the air flow path 41 and fuel is supplied to the fuel flow path 42 as shown in FIG. Electric power is generated by flowing gas.
  • the solid electrolyte fuel cell has an operating temperature as high as 800 ° C. to 100 ° C. and generates heat due to the cell reaction. Therefore, the battery has a temperature distribution near the gas inlet and a low temperature near the gas outlet. For example, in the case of a SOFC having a cross-flow gas flow shown in FIGS. 15 to 18, a temperature distribution as shown in FIG. 20 (a) occurs. In Fig. 20 (a), the percentages in the figure show the approximate ratios when the temperature difference between the gas inlet and the outlet is 100%. When such a temperature distribution occurs, thermal stress is generated in each part of the battery.
  • the temperature becomes too large for example, a large amount of output is obtained to increase the amount of heat generated by the battery reaction, and the gas inlet of the battery is increased. If the temperature difference between the battery and the outlet becomes too large, the generated thermal stress will increase, causing partial electrical connection failure of the stacked batteries and damage to the surrounding gas seals. There was a risk that the power generation performance would be reduced, and in some cases, the interconnector and the power generation film would be destroyed. In this case, the expected output was not obtained, and even the function as a fuel cell could be lost.
  • FIG. 21 and FIG. 21 there is a parallel flow method in which air and fuel gas flow in the same direction in parallel.
  • reference numeral 5 denotes a header
  • reference numeral 6 denotes a gas rectification run-up section, both of which are provided as rectification sections for uniformly flowing air or fuel gas in one direction. ing.
  • the other reference numerals are the same as those described with reference to FIGS. 15 and 16 and FIGS. 17 and 18.
  • a temperature distribution occurs as shown in FIG. 20 (b).
  • the battery that has a temperature distribution in which the temperature gradually increases from the gas inlet to the outlet of the battery is relatively free from thermal expansion and has less self-constraint, so the heat generated Stress is also reduced. That is, under the same conditions, the thermal stress generated by the temperature distribution by the parallel flow method shown in Fig. 20 (b) is smaller than that by the cross-flow method shown in Fig. 20 (a). In this way, the soundness of the battery can be improved and sufficient performance can be demonstrated.
  • the header 5 or 22 shown in Fig. 21 must be used.
  • the gas rectification approach section 6 shown in the figure has been devised.
  • the width of the header (indicated by reference numeral 5 in Fig. 21) and the range of the gas rectification approach section (indicated by reference numeral 6 in Fig. 22) that do not contribute to power generation should be sufficient.
  • Battery needs to be relatively large (The power generation membrane shown in Fig. 21 or Fig. 22 has an oxygen electrode 23 on one side and a fuel electrode 24 on the other side. Contributing area) decreases. Therefore, in order to obtain a predetermined power generation output, the size of the battery increases, which is uneconomical as compared with the orthogonal flow method.
  • the gas flows of air and fuel gas are substantially uniform in one direction, and the battery reaction can be efficiently advanced using almost the entire surface of the power generation membrane.
  • the generated thermal stress is small, which is advantageous in terms of soundness.
  • the gas flow is made to be the ideal parallel flow evenly in the same direction, and the battery performance is fully demonstrated.
  • a gas rectification approach section that does not contribute to power generation is required, and the battery area must be increased to obtain a predetermined power output, which is uneconomical. Therefore, there is a need for a battery structure that compensates for the weaknesses of both gas flow systems.
  • the thermal stress generated is small, the soundness of the battery is high, and as in the cross-flow method, the structure is simple, the power generation area can be widened, and an economical solid electrolyte fuel with excellent compactness. It is an object to provide a battery. Disclosure of the invention
  • a power generation film having an oxygen electrode formed on one surface of a solid electrolyte and a fuel electrode formed on the other surface, an interconnector sandwiching the power generation film, A sealing material surrounding the periphery of the membrane, and oxidizing gas and fuel gas are electrified through the power generation membrane.
  • a fuel gas inlet is provided over almost the entire length on one side of the fuel electrode on one of the four sides of the battery, and almost on the opposite side.
  • a fuel gas outlet is provided over the entire length, and an air inlet is provided at a portion of the oxygen electrode side having a length of about 1 Z2 close to the fuel gas inlet on one of the other two sides, and this air is provided.
  • An air outlet is provided at a length of approximately 1Z2 near the fuel gas outlet on the opposite side of the inlet.
  • the generated thermal stress is small, the soundness of the battery is high, and the structure is simple and the power generation area can be wide as in the cross-current method. Economical fuel with excellent compactness Battery can be provided.
  • the power generation film is formed by forming an uneven portion substantially entirely, and an oxygen electrode is formed on one surface and a fuel electrode is formed on the other surface. It is an electrolyte.
  • the air inlet is formed in two types: a battery located on the right side of the fuel gas inlet and a battery located on the left side of the fuel gas inlet. It is characterized in that it is alternately laminated via an intermediary connector and electrically connected in series to form an integrated structure.
  • the interconnector and the power generation film are arranged in multiple layers so that the fuel gas discharge port faces upward and the fuel gas inlet port faces the ground. It is characterized by the following.
  • a fifth invention is characterized in that, in the second invention, the fuel gas side and the air side are all replaced.
  • the power generation film is formed by forming a fuel electrode on one surface of a rectangular flat solid electrolyte and an oxygen electrode on the other surface, and sandwiching the power generation film.
  • Each electrode of the power generation membrane Grooves for gas flow paths are formed on the front and back so that fuel gas or oxidizing gas can be supplied to the surface, and the four rounds except the gas inlet and outlet are used to support the power generation membrane and seal the gas.
  • An inter-connector provided with a support frame having a smooth surface so that the fuel gas and the air are electrochemically reacted via the power generation film to extract electric energy. I do.
  • the air inlet provided in the interconnector includes a battery located on the right side of the fuel gas inlet and a battery located on the left side of the fuel gas inlet.
  • These interconnects and power generation films are alternately laminated, and two types of interconnectors are laminated so that they are arranged alternately, and electrically connected in series to form an integrated structure. The feature is that.
  • the interconnector and the power generation film are stacked and arranged such that the fuel gas outlet is directed upward and the fuel gas inlet is directed downward. It is characterized by.
  • a ninth invention is characterized in that, in the sixth invention, the fuel gas side and the air side are all replaced.
  • a tenth invention is characterized in that, in the second or sixth invention, a part or all of the gas supply manifold is an internal manifold system.
  • FIG. 1 is a structural development view of a flat plate type solid electrolyte fuel cell according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line XX of FIG.
  • FIG. 3 is a configuration diagram of the power generation membrane 2a according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a configuration diagram of a power generation membrane 2b according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a bird's-eye view of a vertical solid electrolyte fuel cell in which manifolds for gas supply and discharge are attached to a unitary battery formed by stacking unit cells of the present invention.
  • FIG. 6 is a bird's-eye view of a horizontal solid electrolyte fuel cell in which a manifold for gas supply and discharge is attached to a battery having an integral structure formed by stacking unit cells of the present invention.
  • FIG. 7 is a structural development view of a plate-type solid electrolyte fuel cell according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 (a) is a cross-sectional view along the line XX of FIG. 7, and (b) is a cross-sectional view along the line XY of FIG.
  • FIG. 9 is a configuration diagram of an intermediate connector 1a according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a configuration diagram of an intermediate interconnector 1b according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a structural development view of a flat solid electrolyte fuel cell of the internal manifold type according to the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a sectional view taken along the line X--X in FIG.
  • FIG. 13 is a configuration diagram of the power generation membrane 2a of the unit battery according to the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 14 is a configuration diagram of the power generation membrane 2b of the unit cell according to the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 15 is a structural development view of a solid oxide fuel cell (SOFC) in which a gas flow path is formed by forming a dimple according to the prior art.
  • FIG. 16 is a sectional view taken along the line X--X in FIG.
  • FIG. 17 is a structural development view of a solid oxide fuel cell in which a groove is formed in an interconnector to form a gas flow path.
  • FIG. 18 (a) is a cross-sectional view taken along the line XX of FIG. 17, and (b) is a cross-sectional view taken along the line XY of FIG.
  • FIG. 19 is an isotherm diagram of the unit cell of the power generation membrane.
  • FIG. 20 is an isotherm diagram of the unit battery of the power generation membrane.
  • FIG. 21 is a diagram showing gas flows in a solid oxide fuel cell having a parallel flow type header.
  • FIG. 22 is a diagram showing a gas flow of a solid electrolyte fuel cell having a parallel flow type gas rectification run-up section.
  • FIG. 23 is a schematic diagram of a fuel cell in which sub-stacks according to a fourth embodiment of the present invention are connected.
  • FIG. 24 is a schematic diagram of the configuration of the air chamber according to the fourth embodiment.
  • FIG. 25 is a schematic view of the configuration of another air chamber of the fourth embodiment. ⁇ The best mode for carrying out the invention
  • FIG. 1 and FIG. 2 are structural development views of a flat solid electrolyte fuel cell (hereinafter, SOFC) according to a first embodiment of the present invention.
  • Figure 2 shows the first Sectional view along the X-X line in the figure.
  • Fig. 3 and Fig. 4 are side views of two types of unit cells (power generation membranes 2a and 2b) with different air flow paths, and a configuration diagram consisting of cross-sectional views.
  • Figs. 5 and 6 are bird's-eye views of SOFCs in which manifolds for gas supply and discharge are attached to an integrated battery consisting of unit cells of the present invention stacked.
  • the first embodiment is an embodiment in which the present invention is applied to a SOFC having a dimple structure in the power generation film shown in FIGS. 1 and 5 described in the related art.
  • the structure of the flat plate type S0FC according to the first embodiment of the present invention is shown in FIG. 1 of a structural development view and FIG. 2 of a partial sectional view taken along line X--X in FIG. It will be described using FIG.
  • Reference numerals 2a and 2b in FIG. 1 indicate power generation films.
  • the power generation membranes 2a and 2b are mainly formed on one side of the solid electrolyte membrane 20 on which the convex dimple part 21 and the concave dimple part 22 are formed almost entirely, and the oxygen electrodes 23 and Fuel electrodes 24 are formed on the other surface, respectively.
  • the surface of the convex dimple 21 is the oxygen electrode 23, and the surface of the concave dimple 22 is the fuel electrode 24.
  • the periphery of the power generation membranes 2a and 2b is surrounded by the sealing material 3 except for the inlet and exhaust ports through which gas passes, and as shown in Fig. 2, an interconnector 1 is used.
  • an air flow path 41 and a fuel gas flow path 42 are sandwiched between each film.
  • the air flow path differs between the power generation membrane 2a and the power generation membrane 2b, and their side views and their X-X, Y-Y cross-sectional views are shown in Figs.
  • the center electrode front side of the power generation membranes 2a and 2b is the oxygen electrode 23, and the back side of the solid electrolyte membrane 20 is the fuel electrode 24.
  • the portion where the electrodes 23 and 24 are formed is a portion where a battery reaction occurs, which is generally called an effective power generation section, and its area is called an effective power generation area.
  • Reference numeral 45 in FIG. 3 denotes a fuel gas inlet opening over substantially the entire length of one of the four sides on the fuel electrode side of the power generation membranes 2a and 2b
  • reference numeral 46 denotes a fuel gas inlet. It is a fuel gas outlet that opens almost the entire length of one side opposite to the inlet 45, and the other four circumferences are surrounded by the seal material 3.
  • Reference numerals 43a and 43b in FIGS. 3 and 4 denote air inlets, respectively, and reference numerals 44a and 44b denote air outlets, respectively.
  • the air inlets 4 3a, 4 3b are provided in a portion approximately 1/2 in length close to the fuel gas inlet 45, and the air outlets 4 4a,
  • 44 b is provided in a portion of approximately 1 Z 2 length close to the fuel gas discharge portion 46.
  • the four peripheral portions other than the opening are surrounded by the sealing material 3. That is, in the power generation membrane 2a shown by the X-X cross section in FIG. 3, air enters from the air inlet 43a located at the lower right in FIG. 3 (a), and the air outlet located at the upper left It is surrounded by the sealing material 3 so as to be guided to 4 4 a.
  • the power generation membranes 2 a and 2 b have two types of structures in which the fuel gas flow path 42 has the same structure and the air flow path 41 is symmetrical with respect to the axis of the fuel gas flow direction. is there.
  • the power generation membranes 2a and 2b having such two types of structures are interconnected from the top as follows: interconnector 1, power generator membrane 2a, interconnector 1, power generator membrane 2 b.
  • interconnector 1 the battery with the integral structure is formed by alternately stacking the interconnector and the power generating film alternately with 2a, 2b, 2a, 2b, etc. 1 (hereinafter referred to as Stack 1 2).
  • Fig. 5 shows an example in which the stack 12 constructed as described above is placed vertically and manifolds for gas supply and discharge are attached to the stack 12.
  • 1 is a bird's-eye view of the overall structure of a SOFC according to the method of the present invention.
  • symbols 53a and 53b are air inlet manifolds
  • symbols 54a and 54b are air outlet manifolds
  • symbol 55 is fuel gas inlet manifold
  • symbol 56 is fuel gas outlet manifold.
  • the air inlet manifold 53a is mounted so that approximately 1/2 of the total injected air is supplied to the oxygen electrode side of the power generation membrane 2a, and one air outlet manifold is provided.
  • 54 a is mounted so that all the air passing through the power generation membrane 2 a is exhausted.
  • an air inlet manifold 53b and an air outlet manifold are provided so that the remaining amount of input air and approximately 1Z2 of air is supplied and discharged.
  • Two holders 54b are installed.
  • a fuel inlet gas manifold 55 is attached to the fuel electrode side of all the power generating membranes 2a and 2b so that all the injected fuel gas is supplied, and a fuel outlet gas manifold is provided.
  • reference numeral 71 denotes a current collector
  • 72 denotes a current collector rod
  • 73 denotes a current collector.
  • FIG. 6 is a bird's-eye view of the overall structure when the stack 12 shown in FIG. 1 is placed horizontally.
  • the reference numerals in the figure are the same as those in FIG.
  • the fuel gas inlet manifold 55 is attached to the lower part (ground side) of the horizontal type stack 12 and the fuel gas outlet manifold 56 is provided.
  • Attached to the upper part (top side) of the horizontal stack 12 the air inlet manifolds 5 3 a and 53 b are connected to the fuel gas inlet manifold 5 on the side of the horizontal stack 12.
  • Air outlet manifolds 5 4a and 5 4b are close to the fuel gas outlet manifold 56 on the side of the horizontal stack 12 near the lower half, approximately one-half. It is attached to the upper part of approximately 1 Z 2.
  • the temperature is maintained at 800 ° C. to 100 ° C., and the oxidizing gas (for example, air, hereinafter air) and fuel It suffices to flow gas into each flow path.
  • the air is Supplied from the air inlet manifold 53a and passed through the air inlet 43a to form both electrodes of the power generation membrane 2a
  • exhaust air passes through the air outlets 44 a after the battery reaction with heat generation in the active power generation section, and the air outlet manifold 5
  • the exhaust air passes through the air outlet 44 b. After passing through, it is discharged to the air outlet manifold 54b.
  • the fuel gas is supplied from the fuel gas inlet manifold 55. Through the fuel gas inlet 45, the battery reaction with heat generation occurred in the effective power generation sections of the power generation membrane 2a and the power generation membrane 2b. Later, the fuel exhaust gas is discharged to the fuel gas outlet port 56 through the fuel gas outlet 46.
  • the temperature near the gas supply unit is low, and the temperature near the gas discharge unit is high. This temperature distribution varies depending on the characteristics of the electrodes, the input temperature of each gas, and the input amount.
  • the isotherm diagram of the unit battery in the case of the power generation membrane 2a is shown in FIG.
  • the isotherm shown in (b) can be drawn.
  • the isotherm diagrams shown in Fig. 19 (a) and Fig. 19 (b) Compared with the cross-flow method shown in Fig. 20 (a) using the conventional technology, the temperature is closer to the parallel flow isotherm shown in Fig. 20 (b), and the generated thermal stress can be reduced. It is possible to suppress the deterioration of the battery performance due to the electrical connection between the membrane and the interconnector, the displacement of the seal portion, and the separation. In addition, the integrity of the battery can be ensured because cracking of the power generation membrane interconnector due to local thermal stress can be suppressed.
  • the S 0FC configured using either the power generation membrane 2 a or the power generation membrane 2 b according to the present invention can be used in the cross-flow method and the cross-flow method proposed earlier. It can solve problems at the same time and combine benefits.
  • the power generation membranes 2a and 2b according to the method of the present invention are shown in FIGS. 19 (a) and 19 (b) if the gas conditions supplied to each power generation membrane are the same.
  • the isotherm diagram is equal to that obtained by reversing left and right with the flow direction of the fuel gas as the axis of symmetry. Therefore, as shown in FIGS. 1, 5, and 6, the power generation membrane 2a and the When the stack 1 2 in which 2 b are alternately stacked via the interconnector 1 reacts with a battery, the heat exchange in the stacking direction (height direction) is captured, and the temperature of the entire stack 12 is reduced. Averaged.
  • the isotherm shown in Fig. 19 (c) can be drawn, and Figs. 19 (a) and 19 Compared to the isotherm diagram shown in (b), it further approximates the isotherm diagram shown in Fig. 20 (b). Therefore, compared to the case where only one of the power generation membrane 2a and the power generation membrane 2b is used, the generated thermal stress is smaller, and the generated thermal stress is almost the same as that of the parallel flow method. However, the soundness of the battery can be ensured. In addition, in the method of the present invention, it is effective to further promote the heat exchange in the stacking direction to further reduce the generated thermal stress and enhance the soundness of the battery. As shown in Fig.
  • the plate be thin and flat.
  • the header 5 for gas rectification which does not contribute to power generation as compared with the conventional parallel flow SOFC shown in FIG. Since it is not necessary, oxygen electrodes and fuel electrodes can be installed over a wide area of the solid electrolyte, and the effective area for power generation can be increased.
  • the range of the header 5 can be diverted to the effective power generation area, and the method of the present invention shown in FIG. 2 is 10% to 10% of the conventional parallel flow method having the header shown in FIG. An effective power generation area of 25% can be secured. Therefore, in the method of the present invention, the same power generation output as that of the conventional method can be obtained with a unit battery of about 80% to 90%.
  • the gas inlets (43a, 43b, 45 in Fig. 1), which are low-temperature parts, are set horizontally.
  • the gas outlets (44a, 44b, and 46 in Fig. 1), which become hot due to the battery reaction that generates heat, are placed beneath the stationary stack 12 (toward the top and bottom). It is placed on the upper side of the stationary stack 1 (2).
  • the sky Air is supplied to the oxygen electrode side of the power generation membrane 2a from the air inlet manifold 53a from the air inlet manifold 53a, and is gradually heated by the heat generation of the power generation membrane 2a by the battery reaction.
  • the air outlet manifold 54a After that, it is discharged to the air outlet manifold 54a. Similarly, the remaining amount of approximately 1 Z 2 of the total input air amount is supplied from the air inlet manifold 53 b to the oxygen electrode side of the power generation membrane 2 b. It is gradually heated by the battery reaction. After that, it is discharged to the air outlet manifold 54b. On the other hand, fuel gas is also supplied from the fuel gas inlet manifold 55 to the fuel electrode side of the power generation membranes 2a and 2b in the same manner as air, and is gradually heated by the battery reaction. It is discharged to Hold 56.
  • a gas flow path is formed so that air and fuel gas are guided from the lower part to the upper part. Air and fuel gas, which are heated by the generated heat and whose temperature rises, generate buoyancy by reducing the specific gravity, so that the gas flow flowing from the lower part to the upper part is smaller than that of the vertical type as shown in Fig. 1. It has the effect of making it smoother.
  • the horizontal type S0FC shown in Fig. 6 reduces the temperature difference between the gas inlet and exhaust ports generated in the battery and reduces the generated thermal stress compared to the vertical type S0FC shown in Fig. 5. Not only can provide a more reliable SOFC, but also lower the energy required for gas supply, thereby providing a more economical SOFC. .
  • the temperature distribution of the stack generated by the heat generated by the battery reaction is approximated as in the parallel flow method, and the generated thermal stress can be suppressed as compared with the cross-flow method.
  • the interconnect It is possible to reduce damage to the electrical joints and seals in the evening, cracks in the power generation film and the interconnectors, and to provide a highly reliable S0FC.
  • the method of the present invention does not require a section (non-power generation part) for rectifying the gas flow, which is a problem of the parallel flow method, and can secure a power generation effective area equivalent to that of the cross-current method, thus making it compact. It can provide S0FC with excellent performance and economy.
  • the upper surface (front side) of the power generation membrane is the oxygen electrode
  • the lower surface (back side) is the fuel electrode.
  • the front and back may be reversed.
  • the same effect can be obtained even when the oxygen electrode side and the fuel electrode side are completely exchanged, and the SOFC has two types of fuel gas flow paths and one type of air flow path. To establish.
  • a power generation film in which a groove is formed on the interconnector shown in FIG. 1 and a power generation film is laminated, and a power generation film in which unevenness is formed on the entire surface shown in FIG. 2 are exemplified.
  • the present invention is not limited to this, and it goes without saying that the present invention can be applied to any type of fuel cell.
  • FIG. 7 is a structural development view of a flat solid electrolyte fuel cell (hereinafter, SOFC) according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 (a) is a cross-sectional view taken along the line X_X of FIG. 7, and FIG. 8 (b) is a cross-sectional view taken along the line YY of FIG.
  • FIGS. 9 and 10 show the battery according to the second embodiment.
  • FIG. 3 is a structural view of the intermediate interconnector of FIG. 1, showing two types of structures having different air channel grooves.
  • the second embodiment is based on the case where the present invention is applied to the typical cross-flow type plate-type SOFC shown in FIGS. 17 and 18 (a) and FIG. 18 (b). It is an embodiment.
  • FIG. 7 is a structural development view showing a configuration of a flat plate type S0FC according to a second embodiment of the present invention
  • FIGS. 8 (a) and 7 (b) are sectional views taken along line X--X in FIG. Fig. 8 (b) is a cross-sectional view taken along the line Y-Y of the figure
  • Fig. 9 and Fig. 10 show the structure of the intermediate connector.
  • reference numeral 2 denotes a power generation film.
  • the power generation film 2 is a flat solid electrolyte membrane 20 and one surface of the solid electrolyte membrane 20.
  • An oxygen electrode 23 is formed on the other side, and a fuel electrode 24 is formed on the other surface.
  • the upper surface (front side) of the power generation membrane 2 is a fuel electrode 24, and the lower surface (back side) is an air electrode 23.
  • reference numerals la, lb, 1c, and 1d denote interconnectors, which are alternately stacked with the power generation film 2 to form a battery 13 (hereinafter referred to as a stack 13) having an integral structure.
  • FIG. 9 and FIG. 10 are structural diagrams of the intermediate interconnector 1a and the interconnector 1b, respectively.
  • the interconnectors 1a and 1b are interconnectors arranged on the intermediate layer of the stack 13 and gas is passed around both sides thereof. Except for the gas inlet and the gas outlet, the support frame 31 of the power generation membrane is formed.
  • the support frame 3 1 and the periphery of the power generation membrane 2 are in close contact with the sealing material 3 interposed therebetween, thereby maintaining the gas tightness of the gas passing through the inside of the battery.
  • a plurality of island-shaped projections 32 are arranged in order on both surfaces of the interconnector 1a and the interconnector 1b, and a plurality of gas passage grooves 33 are provided. A sequence is formed. The tops of the island-shaped projections 32 are in contact with or joined to the fuel electrode 24 or the oxygen electrode 23, and serve to support the power generation membrane 2 and electrically connect the power generation membranes in series. .
  • the interconnectors 1 a and 1 b differ in the shape of the air flow path 41 in contact with the air electrode side of the power generation membrane and the fuel in contact with the fuel electrode side of the power generation membrane.
  • the shapes of the gas flow paths 42 are the same.
  • reference numerals 43a and 43b denote air inlets
  • reference numerals 44a and 44b denote air outlets
  • Reference numeral 45 denotes a fuel gas inlet
  • reference numeral 46 denotes a fuel gas outlet.
  • the fuel gas inlet 45 opens over almost the entire length of one side of the rectangular connector, and the fuel gas outlet 46 is located on one side opposite to the side where the fuel gas inlet 45 is provided. It is open over almost the entire length.
  • the air inlets 43a, 43b and the air outlets 44a, 44b are rectangular interconnectors without a fuel gas inlet 45 and a fuel gas outlet 46. Are located on the back side of the other two sides (the side in contact with the air electrode 23 of the power generation membrane 2), and the air introduction portions 43a and 43b are approximately 1Z2 close to the fuel gas inlet 45.
  • the air outlets 44 a and 44 b are provided in a portion approximately half the length near the fuel gas outlet 46.
  • An air flow path 41 is formed on the surface of the interconnector so as to be guided.
  • the fuel flow path 42 has the same shape for both the interconnectors la and lb, and as shown in FIGS. 9 (d) and 10 (d), the fuel gas A power generation membrane support frame 31 is provided around the fuel gas inlet 45 to guide the fuel gas to the fuel gas outlet, and a fuel gas channel 42 is formed on the surface of the center interconnector.
  • both the interconnectors 1a and 1b have the same shape of the fuel gas flow path 42, and the air flow path 41 has a left-right symmetry with respect to the fuel gas flow direction.
  • the interconnector 1c shown in FIG. 7 is an upper interconnector arranged at the upper end of the stack 13, the upper surface of which is usually flat for mounting a current collecting component, and the lower surface thereof.
  • the interconnector Id is a lower interconnector arranged at the lower end of the stack 13, and the upper surface thereof corresponds to the interconnector la or lb corresponding to the oxygen electrode side of the power generation membrane 2. It has the same shape as the top surface (Fig. 9 (a) or Fig. 10 (a)), and the bottom surface is usually flat for mounting current collecting components.
  • the interconnectors 1a, lb, lc, and 1d having the above characteristics and the power generation film 2 are connected to the interconnector 1c, the power generation film 2, and the interconnectors from above as shown in FIG. 1a, power generation membrane 2, interconnector 1b ... as in power generation membrane 2, interconnector Id, alternately interconnectors and power generation membranes, and the topmost interconnector 1c and topmost beneath Except for the interconnector 1d, the middle interconnector is stacked so as to alternate with 1a, 1b, la, lb, 1a, etc. to form a monolithic stack 13.
  • the stack 13 thus configured is different from the stack 12 in the first embodiment in that the means for forming the gas inlet, the outlet and the flow path are different.
  • the basic structure and function according to the method of the present invention are equivalent. Therefore, the overall structure of the S0FC according to the second embodiment, in which manifolds for gas supply and discharge are installed in the stack 13, has the same appearance and functions as those in FIG. S 0 FC. Also, in the first embodiment, as described with reference to FIG. 6, the stack 13 also has the fuel outlet 46 on the upper side (upward direction) and the fuel inlet 45 on the lower side (ground direction). ).
  • the stack 13 configured as shown in FIG. 7 is different from the stack 13 according to the first embodiment in that the stack 13 has a gas flow path sandwiched between the interconnector and the power generation membrane. Except for the forming means, the basic structure and function related to gas supply and discharge are the same, and the same effect of reducing the generated thermal stress as described in the first embodiment is obtained. SOFC can be provided.
  • the second embodiment the same as in the first embodiment.
  • heat exchange is promoted, and the effect according to the method of the present invention is further exhibited. It can be done. Therefore, it is desirable to increase the number of gas flow grooves on the surface of the interconnector as much as possible to increase the gas contact area.
  • the configuration shown in FIGS. 5 and 6 is adopted. Since it can be used for W and has the same functions and effects, it is possible to provide S0FC with excellent reliability and economy.
  • FIG. 7, FIG. 8 (a), FIG. 8 (b), and FIG. 9 (a), (b), (c), (d), FIG. In (), (b), (c), and (d), the upper surface (front side) of the power generation membrane is the fuel electrode, and the lower surface (back side) is the oxygen electrode.
  • the SOFC has two types of fuel gas flow paths and one type of air flow path.
  • the embodiment in which the groove is formed in the interconnector is shown as a means for forming the gas flow path.
  • a gas flow path for supplying necessary gas to both electrode surfaces of the power generation film is formed between the interconnector and the power generation film, and electrical continuity is established between the interconnector and the power generation film. (Contact or bonding) can be obtained, the S0FC according to the method of the present invention can be configured in any configuration, and the same effect can be obtained.
  • FIG. 11 is a structural development view of a flat solid electrolyte fuel cell (hereinafter referred to as SOFC) of an internal manifold system according to a third embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a cross section taken along line X--X in FIG.
  • FIGS. 13 and 14 are a side view and cross-sectional views of two types of internal manifold type unit batteries having different air flow paths.
  • FIGS. 5 and 6 show a case where a manifold for supplying and discharging gas is attached to the outside of the stack 12 according to the first embodiment of the present invention.
  • the supply and discharge method of this gas is general Is called the external manifold system.
  • the stack is equipped with this manifold function and is called the internal manifold method.
  • OFC there is OFC.
  • a through-hole is provided in the interconnector and the power generation film as a means for flowing gas in the stacking direction of the stack, and the interconnector and the power generation film are alternately stacked and integrated.
  • FIGS. 13 and 14 are block diagrams of a unit battery according to the third embodiment, and the external manifold described in FIGS. 3 and 4 in the first embodiment. It corresponds to the structural drawing of the unit battery of the method.
  • the reference numerals in FIGS. 13 and 14 correspond to those in FIGS. 3 and 4, and their basic structures and functions are the same.
  • 3a and 4 3b are provided on the air electrode side of one of the other two sides, approximately 1/2 of the length near the fuel gas inlet, and the air outlets 4 4a and
  • 44b is provided in a portion of approximately 1/2 length close to the fuel gas outlet on the opposite side where the air inlets 43a and 44b are provided.
  • reference numerals 61 a and 61 b denote air supply holes and reference numerals 62 a and Reference numerals 62 and 62 denote air exhaust holes, reference numeral 63 denotes a fuel gas supply hole, and reference numeral 64 denotes a fuel gas discharge hole.
  • the air supply hole 61a and the air introduction port 43a communicate with the oxygen electrode side, and the air discharge hole 62a and the air discharge port 44a. Are in communication.
  • the other through-holes 6 1b, 6 2b, 6 3 and 6 4 are surrounded by a sealing material 3 and sealed so that gas does not enter the oxygen electrode 23 of the power generation membrane 2a. .
  • the air supplied from the air supply hole 61a to the air inlet 43a passes through the oxygen electrode surface 23, passes through the air outlet 44a, and is discharged to the air discharge hole 62a. It is surrounded by seal material 3 as shown.
  • the air supplied from the air supply hole 6 1b to the air inlet 4 3b passes through the oxygen electrode surface 23 and the air outlet 4 It is surrounded by the seal material 3 so that it passes through 4b and is discharged to the air discharge hole 62b.
  • a battery 14 (hereinafter referred to as a “stacker”) is formed by alternately stacking the interconnector and the power generation film having the above-described features, and also laminating the power generation films alternately at 2 a, 2 b, 2 a, 2 b.
  • the form is as follows.
  • the stack 14 configured in this way, through holes provided in each interconnect and each power generation film overlap in the stacking direction, and a manifold is formed inside the stack.
  • an SOFC having the same structure and function as the external manifold type SOFC shown in FIG. 5 of the first embodiment can be obtained.
  • the stack 14 according to the third embodiment is of a horizontal type such that the fuel gas outlet 46 is on the upper side (top direction) and the fuel gas inlet 45 is on the lower side (ground direction).
  • the structure and function are the same as those of the external manifold type horizontal S0FC shown in Fig. 6.
  • An SOFC having the following is obtained:
  • the stack 14 of the internal manifold type SOFC obtained by alternately stacking and assembling the interconnectors and power generation membranes with the shape shown in Fig. 11 is the first implementation of the SOFC. It has the same structure and function as the S0FC shown in FIG. 3 and FIG. 6 when the external manifold type manifold according to the embodiment is provided. Therefore, the same effect as that described in the first embodiment can be obtained for the S0FC of the third embodiment, and the S0FC excellent in reliability and economy can be provided.
  • the back side is the fuel electrode, but the upper and lower sides may be reversed. Even if the oxygen electrode side and the fuel electrode side are completely replaced, an internal manifold type SOFC with two types of fuel gas flow paths and one type of air flow path, The same effect as described in detail in the third embodiment is obtained, and the third embodiment is established.
  • the interconnector and the power generation membrane having the shape shown in Fig. 10 are also provided with through holes through which gas passes at six locations in the same manner as described in Fig. 11 in the same manner as in Fig. 11, so that the method of the present invention can be used.
  • An internal manifold stack having the same structure and function as the S0FC can be configured.
  • the upward flow due to the buoyancy of the heated gas can be used, which further enhances reliability and economy.
  • the interconnector and the power generation membrane are provided with four through holes for air supply and discharge, and are sequentially stacked to form a stack. It does not impair the functions and effects of
  • FIG. 23 is a schematic view of a flat solid electrolyte fuel cell (SOFC) according to a fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 24 (a) is a cross-sectional view of a main part showing the structure of the air chamber according to the fourth embodiment.
  • FIG. 24 (b) is a sectional view showing the structure of another air chamber.
  • This embodiment is a modification of the horizontal fuel cell of the first embodiment shown in FIG. 6, in which the power generation membrane is erected through an interconnector as shown in FIG.
  • a stack consisting of a plurality of rows in this state is defined as a unit to form a sub-stack 101, and this sub-stack 101 is electrically sub-stacked using an intermediate current collector (not shown).
  • 10 rows of cars are connected like a wagon to form a wagon-shaped horizontal stack 102 to form a horizontal S 0 FC.
  • the first sub-stack and the tenth sub-stack located at both ends of the wagon-shaped horizontal stack 102 have a current collector plate 10 with a current collector rod 108. 9 are provided, and power is collected by these.
  • the current collecting rod 108 is housed in a fuel cell housing (not shown) in a state where the current collecting rod 108 is pressurized from both ends.
  • an intermediate current collector (not shown) is provided with a lead wire 110 for current bypass.
  • the lead wire 110 may be, for example, a braided nickel wire or a rod shape. Even when the lead wire 110 is used, the interior of the container for housing the sub stack is in a reducing atmosphere due to the discharged fuel exhaust gas, so that the lead wire 110 is oxidized. There is no danger.
  • gas supply chambers are provided for each sub-stack.
  • air chambers are provided on the left and right, and the fuel chamber is provided on the lower side (ground side) of the stack. Supplying fuel gas to In this embodiment, the illustration of the fuel chamber is omitted.
  • the sub-stack 101 is formed by joining a plurality of, for example, 10 sheets of power generation membranes via an interconnector, and connecting the 10 sub-stacks to form a fuel cell. ing.
  • Figure 24 shows the air flow on the air electrode side of this sub-stack.
  • FIG. 24 (a) shows the air flow in the first, third, fifth, seventh and ninth sub-stacks in FIG. 23, and FIG. 24 (b) shows the air flows in the second and fourth sub-stacks in FIG. , 6, 8, and 10 indicate the airflow in the substack.
  • the air inlet 1 1a with approximately 1/2 opening provided in the lower part of the air chamber 111 on the right side 2 is introduced inside, and the introduced air is gradually heated by the battery reaction on the air electrode surface of the power generation membrane 113 and flows obliquely upward, and the air chamber on the right side in the figure Exhausted air is discharged from an air outlet 1114a having an opening of approximately 1/2 provided on the upper side of 114 through an air discharge pipe 115.
  • the fuel gas is supplied from a fuel chamber 116 provided below the stack.
  • the gas flow path is such that air and fuel gas are guided from the lower part to the upper part. Are formed, and heated by the heat generated by the battery reaction, and the air and fuel gas whose temperature has risen become buoyant due to their low specific gravity. This has the effect of making the gas flow to the upper part smoother than the vertical type as shown in Fig. 1.
  • the horizontal SOFC in Fig. 23 also reduces the temperature difference between the gas inlet and the exhaust outlet generated in the battery and reduces the thermal stress generated in the battery, compared to the stacked SOFC shown in Fig. 5. Not only can provide a more reliable SOFC, but also the energy required for gas supply can be kept low, so that a more economical SOFC can be provided.
  • Fig. 25 shows an example in which air is alternately supplied to the air electrode even in one unit of the sub stack.
  • a sub-sock 201 was constructed by alternately providing four power generation membranes via the inter-connector 1 and providing integrated air supply chambers on the left and right. Showing things.
  • the inside of the left and right air chambers 202 is divided into upper and lower parts by a partition wall 203, the air supply pipe 204 communicates with the lower chamber 205, and the air discharge pipe 206 as the upper chamber 206.
  • the air inlets 205a which are in communication with each other and have approximately one-half the opening on the fuel supply side, are arranged alternately so that air can be supplied alternately from both the left and right sides.
  • the heat of the exhaust air can be used to raise the temperature of the supply air without requiring any special device, and the function of the heat exchanger can be easily given to the relevant section.
  • the heat exchange function can be easily provided similarly.
  • a catalyst layer is provided in the supply pipe portion, so that the reforming function of a small space can be easily provided at low cost.
  • the air chamber which is a manifold for supplying air
  • the air chamber which is a manifold for supplying air
  • the heat distribution becomes uniform throughout the fuel cell, and the generated thermal stress is almost equal to or higher than that of the parallel flow method, and the soundness of the cell can be maintained.
  • the generated thermal stress is small, the health of the battery is high, and the structure is simple and the power generation area is wide as in the cross-current system, and the economy is excellent in compactness.
  • a solid electrolyte fuel cell can be required.

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Description

明 細 書 固体電解質燃料電池 技術分野
この発明は、 発生熱応力が小さ くて電池の健全性が高く、 かつ構 造が単純で発電面積が広く とれ、 コンパク ト性に優れた経済的な固 体電解質燃料電池に関する。 背景技術
従来、 平板型の固体電解質燃料電池 （ S 0 F C ： Sol id Oxide Fu el Cells, 以下 「 S O F C」 と略す。 ） において、 発電膜に凹凸部 を形成した構造 （以下ディ ンプル） を持つ S O F Cと しては、 第 1 5図， 第 1 6図に示す構造のものが知られている。
第 1 5図は、 同 S O F Cの構造展開図、 第 1 6図は第 1 5図の X — X線に沿う断面図である。 図中の符号 1 はイ ンターコネクタ （ガ スセパレ一タとも呼ぶ） 、 符号 2 は発電膜であり、 上からイ ンタ一 コネクタ 1、 発電膜 2、 イ ンタ一コネクタ 1 …と交互に積層されて 一体構造の燃料電池 1 0 (以下、 「スタ ック」 と略す。 ） を形成し ている。
発電膜 2 は、 S 0 F Cを構成する最小単位電池 （セルとも呼ぶ） であり、 主と して、 略全面的に凸ディ ンプル部 2 1 と凹ディ ンプル 部 2 2が形成された固体電解質膜 2 0 と、 この固体電解質膜 2 0の 片面に酸素電極 2 3、 他方の面に燃料電極 2 4が形成されて構成さ れる。 第 1 5図， 第 1 6図の場合、 凸ディ ンプル 2 1 の面を酸素電極 2 3、 凹ディ ンプル 2 2 の面を燃料電極 2 4 と している。 前記発電膜 2 は、 酸化剤ガス （例えば空気、 以下空気） 又は燃料ガスの通過す るガス導入口およびガス排出口を除いて、 周囲がシール材 3で囲ま れており、 イ ンターコネクタ 1 によって各膜毎に挟まれて、 空気流 路 4 1 と燃料ガス流路 4 2を形成する。
こ こで、 上記ィ ンターコネクタ 1 は、 シ一ル材 3 と接合されて発 電膜 2 との間に空間を作り、 ガス流路を形成すると共に、 発電膜の 凹凸ディ ンプルの頂部と接触又は接合して、 電気的に直列に接続す る機能を有する。
以上の如く構成された S O F Cのスタック 1 0を 8 0 0 °C〜 1 0 0 0 °Cの高温に保持し、 第 1 5図及び第 1 6図に示すように、 空気 流路 4 1 に空気を、 燃料ガス流路 4 2 に燃料ガスを各々流すこ とに よつて発電される。
第 1 5図の例では、 空気と燃料ガスとの流れ方向が発電膜 2の表 側と裏側で互いに直交していることから、 一般的にはこのガス流れ 方式は直交流方式と称されている。
第 1 5図に示す直交流方式の場合には、 平板型電池の四辺のうち の一辺に空気を導入する空気導入口 4 3を形成すると共に、 その対 向する一辺に空気排出口 4 4を形成し、 他の一辺に燃料ガス導入口 4 5を形成すると共にその対向する一辺に燃料排出口 （図示せず） を形成している。
又、 同じ直交流方式の平板型 S 0 F Cであっても、 発電膜 2 を凹 凸の無い平板状と し、 イ ンターコネクタ 1 に溝を設けてガス流路を 形成するタイプの S 0 F Cがあり、 第 1 7図， 第 1 8 図にその代表 例を示す。
第 1 7 図は同 S 0 F Cの構造展開図、 第 1 8 図 （ a ) および第 1 8 図 （ b ) はそれぞれ第 1 7図の X— X線および Y— Y線に沿う断 面図である。
発電膜 2 は凹凸の無い平板状をしており、 第 1 8 図に示すよう に、 固体電解質膜 2 0 と この固体電解質膜 2 0 の片面に酸素電極 2 3、 他方の面に燃料電極 2 4が形成されて、 構成される。
第 1 7 図中符号 1 はスタ ッ ク 1 1 の中間用のイ ンタ一コネク タで あり、 その両面にはガスを流すための複数列の溝 3 3がガスの流れ 方向に沿って形成されている。 又、 図中符号 1 cおよび 1 dは、 そ れぞれスタ ッ ク 1 1 の上部用イ ンタコネク タおよび下部用のイ ンタ 一コネク タであり、 発電膜 2 と対応する面には複数列の溝 3 3 がガ ス流れ方向に沿って形成されており、 他方の面は電流を取り出すた めの集電部品を取り付けるために通常は平滑状である。 これら中間 用のイ ンターコネクタ 1 ， 上部用イ ンタコネク タ 1 cおよび下部用 のイ ンターコネク タ 1 dは、 発電膜 2 を交互に隔離し、 発電膜 2 と の間に空気流路 4 1 および燃料ガス流路 4 2 を形成すると共に、 ィ ンターコネクタの突起部 3 2 と発電膜の酸素電極 2 3 および燃料電 極 2 4 と接触又は接合されて、 電気的に直列に接続する機能を有す る ο
第 1 7 図において、 上から上部イ ンターコネク タ 1 c , 発電膜 2， 中間イ ンターコネクタ 1 ， 発電膜 2 , …下部ィ ンタ一コネク タ I d と交互に積層されて一体構造の S O F Cスタ ッ ク 1 1 を形成してい る。 このスタ ッ ク 1 1 を 8 0 0 °C ~ 1 0 0 0 °Cの高温に保持し、 第 1 8 図に示すように、 空気流路 4 1 に空気を、 燃料流路 4 2 に燃料 ガスを流すことによって発電される。
固体電解質燃料電池は、 作動温度が 8 0 0 °C ~ 1 0 0 0 °Cと高い 上に、 電池反応によって、 発熱を伴う。 従って、 電池のガス導入口 付近では低温域、 ガス排出口付近では高温域となるような温度分布 が電池に発生する。 例えば、 第 1 5 図〜第 1 8 図に示す直交流方式 のガス流れの S O F Cの場合には、 第 2 0 図 （ a ) に示す如き温度 分布が発生する。 なお、 第 2 0 図 （ a ) において、 図中の％表示は ガス導入口と排出口の温度差を 1 0 0 %と した場合の概略の割合を 示す。 この様な温度分布が発生すると、 電池の各部には熱応力が生 じ、 これが大き く成りすぎると、 例えば出力を多く 取り 出す等によ り電池反応発熱量が増大し、 電池のガス導入口と排出口の温度差が 大き く成りすぎた場合には、 発生する熱応力は大き く なり、 積層し た電池の電気的接合不良が部分的に生じたり、 周辺のガスシール部 が損傷して発電性能の低下を招き、 場合によってはイ ンターコネク タゃ発電膜が破壊に至る危険性があった。 この場合には、 期待され る出力も得られず、 燃料電池と しての機能さえ失う こ とがあった。
これを回避するための一手段と しては、 空気を多量に投入して電 池反応熱を奪い去り、 電池のガス導入口と排出口の温度差を小さ く するこ とで発生熱応力を低く抑えて健全性を確保する方法がある。
しかしながら、 このよ うな手段では多量の空気を投入するための 通風機動力および多量の空気を S O F Cの作動温度近く まで予熱す るための大型の熱交換器又は加熱装置が必要になるため発電設備と しては不経済となる。
一方、 構造的な解決手段と して、 空気と燃料ガスを並行して同一 方向に流す並行流方式がある。 この代表例を第 2 1 図および第 2 2図に示す。 第 2 1 図および第 2 2図中の符号 5 はヘッダ、 符号 6 はガス整流助走区間であり、 い ずれも空気または燃料ガスを一方向に一様に流すための整流区間と して設けられている。 その他の符号については、 第 1 5図， 第 1 6 図および第 1 7図， 第 1 8図で説明した符号ど同一である。
第 2 1 図および第 2 2図に示す並行流方式のガス流れの S 0 F C の場合には、 第 2 0図 （ b ) に示す如き温度分布が発生する。 この 場合の電池のガス導入口から排出口へ向かって、 温度が漸次増加す る温度分布が発生する電池は、 比較的自由に熱膨張が可能であり、 自己拘束も少ないことから、 発生する熱応力も小さ く なる。 すなわ ち、 同一条件下では、 第 2 0図 （ a ) に示す直交流方式に比べ、 第 2 0図 （ b ) に示す並行流方式による温度分布の方が発生する熱応 力は小さ く なり、 電池の健全性を高め、 充分な性能を発揮させるこ とができる。
しかしながら、 並行流方式の場合には、 平板型電池の四辺のうち の一辺に空気と燃料の 2種類のガスの導入口 4 3 , 4 5、 または排 出口 4 4 4 6を設ける必要があり、 直交流方式に比べ、 ガスの供 給， 排出のためのマ二ホール ド構造が複雑となり、 信頼性， 経済性 力 る 。
また、 第 2 0図 （ b ) に示す温度分布を得るためには、 ガス流れ を同一方向に均等に流す必要があり、 その手段と して、 第 2 1 図に 示すヘッダ 5や第 2 2図に示すガス整流助走区間 6が考案されてい る。 ガスを均等に流すためには発電に寄与しないへッダ （第 2 1 図 中、 符号 5で示す） の巾やガス整流助走区間 （第 2 2図中、 符号 6 で示す） の範囲を充分に広く とる必要が生じるため、 相対的に電池 の発電有効面積 （第 2 1 図または第 2 2図に示す発電膜 2 において 片面に酸素電極 2 3、 他方の面に燃料電極 2 4が形成された図中の ハッチング部分で示す部分の発電に寄与する面積） が減少する。 し たがって、 所定の発電出力を得るためには、 電池が大型化し、 直交 流方式と比べて不経済となる。
以上の如く、 直交流方式の場合には、 空気および燃料ガスそれぞ れのガス流れは一方向に略均等となり、 発電膜のほぼ全面を利用 し て電池反応を効率良く進めることができ、 構造が単純で経済性に優 れるが、 大きな熱応力が発生し、 健全性の観点からの弱点がある。 一方、 並行流方式の場合には、 発生する熱応力が小さ く、 健全性の 面で有利であるが、 ガス流れを同一方向に均等に理想的な並行流と し、 電池性能を充分に発揮させるためには、 発電に寄与しないへッ ダゃガス整流助走区間が必要となり、 所定の発電出力を得るには電 池面積を大きくせざるを得ず、 不経済となる。 よって、 両ガス流れ 方式の弱点を補う電池構造が求められている。
すなわち、 並行流方式の如く発生熱応力が小さ くて電池の健全性 が高く、 かつ直交流方式の如く構造が単純で発電面積が広く とれ、 コ ンパク ト性に優れた経済的な固体電解質燃料電池を提供すること を課題とする。 発明の開示
前記課題を解決する本発明の第 1 の発明は、 固体電解質の片面に 酸素電極を、 かつ他方の面に燃料電極を形成した発電膜と、 この発 電膜を挟むィ ンターコネクタと、 前記発電膜の四周を囲むシール材 とを具備し、 酸化剤ガスと燃料ガスを前記発電膜を介して、 電気化 学的に反応させ、 電気エネルギーを取り出す平板型の固体電解質燃 料電池において、 電池の四辺のうちの一辺の燃料電極側に、 ほぼ全 長にわたり燃料ガス導入口を設け、 さ らに対辺のほぼ全長にわたり 燃料ガス排出口を設け、 且つ他の二辺のうちのいずれか一辺の燃料 ガス導入口に近い略 1 Z 2の長さの酸素電極側の部分に空気導入口 を設けると共に、 この空気導入口の対辺の燃料ガス排出口に近い略 1 Z 2の長さの部分に空気排出口を設けたことを特徴とする。
このような構成とすることで、 発生熱応力が小さ くて電池の健全 性が高く、 かつ直交流方式の如く構造が単純で発電面積が広く とれ. コ ンパク ト性に優れた経済的な燃料電池を提供できる。
第 2の発明は、 上記第 1 の発明において、 上記発電膜が略全面的 に凹凸部を形成してなり、 その片面に酸素電極と、 かつ他方の面に 燃料電極とを形成してなる固体電解質であることを特徴とする。 第 3の発明は、 上記第 2の発明において、 空気導入口が、 燃料ガ ス導入口の右側の辺に位置する電池と、 左側の辺に位置する電池と を 2種類形成し、 これらをイ ンターコネクタを介して交互に積層し て、 電気的に直列に継ぎ、 一体構造と したことを特徴とする。
第 4の発明は、 上記第 2の発明において、 燃料ガス排出口を天方 向、 燃料ガス導入口が地方向となるように、 前記イ ンタ一コネクタ と前記発電膜とを複層、 列設したことを特徴とする。
第 5の発明は、 上記第 2の発明において、 前記燃料ガス側と前記 空気側を全て入れ替えてなることを特徵とする。
第 6の発明は、 上記第 1 の発明において、 上記発電膜が矩形平板 状の固体電解質の片面に燃料電極と、 かつ他方の面に酸素電極とを 形成したものであり、 この発電膜を挟み、 発電膜のそれぞれの電極 面に燃料ガスまたは酸化剤ガスを供給できる様に裏表にガス流路用 の溝を形成し、 かつ四周はガスの導入口および排出口を除き、 発電 膜を支持し、 かつガスを封止し得るよう に、 表面を平滑と した支持 枠部を設けたイ ンターコネクタを具備し、 燃料ガスと空気を前記発 電膜を介して電気化学的に反応させ、 電気エネルギーを取り出すこ とを特徴とする。
第 7 の発明は、 上記第 6 の発明において、 イ ンタ一コネク タに設 けた空気導入口が、 燃料ガス導入口の右側の辺に位置する電池と、 左側の辺に位置する電池とを 2種類形成し、 これらのイ ンタ一コネ ク タ と発電膜を交互に積層し、 かつ 2種類のイ ンターコネク タが交 互に配置されるように積層して、 電気的に直列に継ぎ、 一体構造と したこ とを特徴とする。
第 8 の発明は、 上記第 6 の発明において、 燃料ガス排出口を天方 向、 燃料ガス導入口が地方向となるよう に、 前記イ ンタ一コネク タ と前記発電膜とを積層、 配置したことを特徴とする。
第 9 の発明は、 上記第 6 の発明において、 前記燃料ガス側と前記 空気側を全て入れ替えてなるこ とを特徴とする。
第 1 0 の発明は、 上記第 2又は第 6 の発明において、 ガス供給用 のマ二ホール ドの一部又は全部を内部マ二ホール ド方式と したこ と を特徴とする。 図面の簡単な説明
第 1 図は、 本発明の第 1 の実施の形態の平板型の固体電解質燃料 電池の構造展開図である。
第 2 図は、 第 Γ図の X— X線に沿う断面図である。 第 3図は、 本発明の第 1 の実施の形態の発電膜 2 aの構成図であ o
第 4図は、 本発明の第 1 の実施の形態の発電膜 2 bの構成図であ o
第 5図は、 本発明の単位電池を積層して成る一体構造の電池にガ ス供給， 排出のためのマ二ホール ドを取り付けた縦置き型固体電解 質燃料電池の鳥瞰図である。
第 6図は、 本発明の単位電池を積層して成る一体構造の電池にガ ス供給， 排出のためのマ二ホールドを取り付けた横置き型固体電解 質燃料電池の鳥瞰図である。
第 7図は、 本発明の第 2の実施の形態の平板型の固体電解質燃料 電池の構造展開図である。
第 8図 （ a ) は第 7図の X— X線に沿う断面図であり、 （ b ) は Y— Y線に沿う断面図である。
第 9図は、 本発明の第 2の実施の形態の中間用ィ ンタ一コネクタ 1 aの構成図である。
第 1 0図は、 本発明の第 2の実施の形態の中間用イ ンターコネク タ 1 bの構成図である。
第 1 1 図は、 本発明の第 3の実施の形態に係る内部マ二ホール ド 方式の平板型の固体電解質燃料電池の構造展開図である。
第 1 2図は、 第 1 1 図の X— X線に沿う断面図である。
第 1 3図は、 本発明の第 3の実施の形態に係る単位電池の発電膜 2 aの構成図である。
第 1 4図は、 本発明の第 3の実施の形態に係る単位電池の発電膜 2 bの構成図である。 第 1 5図は、 従来技術にかかるディ ンプルを形成してガス流路を 形成する固体電解質燃料電池 （ S O F C ) の構造展開図である。 第 1 6図は、 第 1 5図の X— X線に沿う断面図である。
第 1 7図は、 イ ンターコネクタに溝を設けてガス流路を形成する 固体電解質燃料電池の構造展開図である。
第 1 8図 （ a ) は第 1 7図の X— X線に沿う断面図であり、 （ b ) は Y— Y線に沿う断面図である。
第 1 9図は、 発電膜の単位電池の等温線図である。
第 2 0図は、 発電膜の単位電池の等温線図である。
第 2 1 図は、 並行流方式のヘッダを有する固体電解質燃料電池の ガス流れを示す図である。
第 2 2図は、 並行流方式のガス整流助走区間を有する固体電解質 燃料電池のガス流れを示す図である。
第 2 3図は、 本発明の第 4の実施の形態のサブスタ ッ クを連結し た燃料電池の概略図である。
第 2 4図は、 第 4の実施の形態の空気室の構成の概略図である。 第 2 5図は、 第 4の実施の形態の他の空気室の構成の概略図であ る ο 発明を実施するための最良の形態
本発明をより詳細に説述するために、 添付の図面に従ってこれを 説明するが、 本発明はこれに限定されるものではない。
[第 1 の実施の形態]
第 1 図， 第 2図は、 本発明の第 1 の実施の形態に係る平板型の固 体電解質燃料電池 （以下 S O F C ) の構造展開図。 第 2図は、 第 1 図の X— X線に沿う断面図。 第 3図， 第 4図は、 空気流路の異なる 2種類の単位電池 （発電膜 2 a， 2 b ) の側面図、 各断面図からな る構成図。 第 5図および第 6図は、 本発明方式の単位電池を積層し て成る一体構造の電池にガス供給， 排出のためのマ二ホール ドを取 り付けた S O F Cの鳥瞰図である。
第 1 の実施の形態は、 従来技術において説明した第 1 第 5図， 第 1第 6図に示す発電膜がディ ンプル構造を持つ S O F Cに本発明方 式を適用 した場合の実施の形態である。 本発明の第 1 の実施の形態 に係る平板型の S 0 F Cの構成を、 構造展開図の第 1 図と、 第 1 図 の X— X線に沿う一部断面図の第 2図とを用いて説明する。
第 1 図中の符号 2 aおよび 2 bは発電膜である。 この発電膜 2 a , 発電膜 2 bは主と して略全面的に凸ディ ンプル部 2 1 と凹ディ ンプ ル部 2 2が形成された固体電解質膜 2 0の片面に酸素電極 2 3、 他 方の面に燃料電極 2 4が各々形成されている。
第 1 図， 第 2図の場合、 凸ディ ンプル部 2 1 の表面側を酸素電極 2 3、 凹ディ ンプル 2 2部の裏面側を燃料電極 2 4 と している。 発電膜 2 a， 発電膜 2 bはガスの通過する導入口および排出口の 部分を除いて周囲がシール材 3で囲まれており、 第 2図に示すよう に、 イ ンタ一コネクタ 1 を用いて各膜毎に挟まれて空気流路 4 1 と 燃料ガス流路 4 2 を形成する。
発電膜 2 a と発電膜 2 bでは空気流路が異なり、 それぞれの側面 図およびその X— X， Y— Y断面図を第 3図および第 4図に示す。 これらの図面において、 発電膜 2 aおよび 2 bの中央部表側が酸素 電極 2 3であり、 固体電解質膜 2 0を挟んで裏側が燃料電極 2 4 と なる。 これら電極 2 3， 2 4の形成された部分が電池反応を起こす部分 であり、 一般的には有効発電部と呼ばれ、 その広さを有効発電面積 と呼ぶ。
また、 第 3図中の符号 4 5 は、 発電膜 2 a , 2 bの燃料電極側の 四辺のうちの一辺のほぼ全長にわたり開口 した燃料ガス導入口であ り、 符号 4 6 は、 燃料ガス導入口 4 5の反対側の一辺のほぼ全長に わたり開口した燃料ガス排出口であり、 その他の四周の部分はシー ル材 3で囲まれている。
第 3図および第 4図の符号 4 3 a , 4 3 bは各々空気導入口、 符 号 4 4 a， 4 4 bは各々空気排出口である。 空気導入口 4 3 a， 4
3 bおよび空気排出口 4 4 a， 4 4 bは、 燃料ガスの導入口 4 5お よび排出口 4 6が設けられていない矩形状発電膜の他の二辺のいず れかに配置されており、 空気導入口 4 3 a , 4 3 bは、 燃料ガス導 入口 4 5 に近い略 1 / 2長さの部分に設けられ、 空気排出口 4 4 a ,
4 4 bは、 燃料ガス排出部 4 6 に近い略 1 Z 2長さの部分に設けら れている。
また、 開口部以外の四周の部分はシール材 3で囲まれている。 すなわち、 第 3図の X _ X断面で示す発電膜 2 aにおいて、 空気 は第 3図 （ a ) 中、 右下に位置する空気導入口 4 3 aから入り、 左 上に位置する空気排出口 4 4 aへ導かれるようにシール材 3で囲ま れている。
同様に第 4図の X— X断面で示す発電膜 2 bにおいては、 空気は 第 4図 （ a ) 中左下に位置する空気導入口 4 3 bから入り、 右上に 位置する空気排出口 4 4 bへ導かれるようにシール材 3で囲まれて いる。 —方、 第 3図の Y— Y断面および第 4 図の Y— Y断面で示す発電 膜 2 aおよび 2 bの燃料電極 2 4側の面においては、 第 3 図 （ d ) および第 4 図 （ d ) に示すように、 いずれも燃料ガスは図中上方に 位置する燃料ガス導入口 4 5 から入り、 下方に位置する燃料ガス排 出口 4 6 へ導かれるようにシール材 3で囲まれている。
すなわち、 発電膜 2 aおよび 2 bは、 燃料ガス流路 4 2 は同じ構 造であり、 空気流路 4 1 が燃料ガスの流れ方向の軸に対して、 左右 対称となる 2種類の構造である。
この様な 2種類の構造をもつ発電膜 2 a， 2 bを第 1 図に示すよ う に、 上からイ ンタ一コネク タ 1 , 発電膜 2 a， イ ンタ一コネク タ 1 ， 発電膜 2 b， イ ンターコネク タ 1 の如く 、 イ ンタ一コネク タ と 発電膜を交互にかつ発電膜は 2 a， 2 b , 2 a , 2 b…と交互にな るように積層して一体構造の電池 1 2 (以下スタ ッ ク 1 2 ) を構成 するよう にしている。
第 5 図はこの様にして構成されたスタ ッ ク 1 2 を縦置き と し、 該 スタ ッ ク 1 2 にガス供給， 排出のためのマ二ホール ドを取り付けた 一例を示すものであり、 本発明方式による S O F Cの全体構造の鳥 瞰図である。
図中、 符号 5 3 a , 5 3 bは空気入口マ二ホール ド、 符号 5 4 a , 5 4 bは空気出口マ二ホール ド、 符号 5 5 は燃料ガス入口マニホ一 ル ド、 符号 5 6 は燃料ガス出口マ二ホール ドである。
空気入口マ二ホール ド 5 3 a は、 発電膜 2 aの酸素電極側へ全投 入空気量の略 1 / 2 の空気が供給されるよう取り付けられており、 一方の空気出口マ二ホール ド 5 4 aは、 発電膜 2 aを通過した空気 がすべて排出されるように取り付けられている。 同様に、 発電膜 2 bの酸素電極側には全投入空気量の残り、 略 1 Z 2 の量の空気が、 供給， 排出されるよう に空気入口マ二ホール ド 5 3 bおよび空気出口マ二ホール ド 5 4 bが取り付けられている。 一方、 発電膜 2 aおよび 2 bのすベての発電膜の燃料電極側へは 全投入燃料ガスが供給されるよう に燃料入口ガスマ二ホール ド 5 5 が取り付けられ、 燃料出口ガスマ二ホール ド 5 6 は、 電池反応を行 なった後の燃料排ガスがすべて排出されるよう取り付けられている, なお、 第 5図中、 符号 7 1 は集電板、 7 2 は集電棒および 7 3 は 集電部材を各々図示する。
第 6 図は、 第 1 図に示すスタ ッ ク 1 2 を横置きと した場合の全体 構造の鳥瞰図である。 図中の符号は第 5 図と同一である。
第 6 図に示す横置型の場合には、 燃料ガス入口マ二ホール ド 5 5 が、 横置型スタ ッ ク 1 2 の下部 （地側） に取り付けられ、 燃料ガス 出口マ二ホール ド 5 6が横置型スタ ッ ク 1 2 の上部 （天側） に取り 付けられ、 空気入口マ二ホール ド 5 3 a , 5 3 bは横置型スタ ッ ク 1 2 の側面の燃料ガス入口マ二ホール ド 5 5 に近い、 下部側の略 1 / 2 の部分に、 空気出口マ二ホール ド 5 4 a , 5 4 bは横置型スタ ッ ク 1 2 の側面の燃料ガス出口マ二ホール ド 5 6 に近い上部側の略 1 Z 2 の部分に取り付けられている。
本発明に係る S O F Cを発電させるには、 従来の S O F C と同様 に 8 0 0 °C〜 1 0 0 0 °Cの温度条件下に保持し、 酸化剤ガス （例え ば空気、 以下空気） および燃料ガスをそれぞれの流路へ流せば良い, 第 1 図， 第 2 図， 第 3 図， 第 5 図， 第 6 図で示した本発明方式に係 る発電膜 2 aの場合には、 空気は空気入口マ二ホール ド 5 3 aから 供給され、 空気導入口 4 3 aを通って、 発電膜 2 aの両電極を形成 した有効発電部で発熱を伴う電池反応をした後、 残りの空気 （以下 排空気） は空気排出口 4 4 aを通過して、 空気出口マ二ホール ド 5
4 aへ排出される。
次に、 第 1 図， 第 2 図， 第 4 図， 第 5 図， 第 6 図で示した本発明 方法に係る発電膜 2 bの場合には、 空気は、 空気入口マ二ホール ド
5 3 bから供給され、 空気導入口 4 3 bを通って、 発電膜 2 bの両 電極を形成した有効発電部で発熱を伴う電池反応をした後、 排空気 は空気排出口 4 4 bを通過して、 空気出口マ二ホール ド 5 4 bへ排 出される。
一方、 燃料ガスは、 燃料ガス入口マ二ホール ド 5 5 から供給され. 燃料ガス導入口 4 5 を通って、 発電膜 2 aおよび発電膜 2 bの有効 発電部で発熱を伴う電池反応をした後、 燃料排ガスは燃料ガス排出 口 4 6 を経て、 燃料ガス出ロマ二ホール ド 5 6 へと排出される。
このとき、 電池反応による発熱に伴い、 電池には温度分布が生じ. ガス供給部近傍が低温、 ガス排出部近傍が高温となる。 この温度分 布は、 電極の特性、 各々のガスの投入温度、 投入量によって異なる が、 一例と して発電膜 2 aの場合の単位電池の等温線図を第 1 9
( a ) に示す。 図中の％表示はガス導入口と排出口の温度差が 1 0 0 %と した場合の割合を示し、 ガス条件等が変化して、 温度差が異 なっても、 等温線図の形状は略相似となる。
次に発電膜 2 bの場合には、 燃料ガスの流れは発電膜 2 a と同一 方向であり、 空気流路が、 発電膜 2 a に対し、 燃料ガスの流れ方向 を対称軸と して左右対称であるこ とから、 この場合には第 1 9 図
( b ) に示す等温線図が描ける。
これら第 1 9 図 （ a ) ， 第 1 9 図 （ b ) に示した等温線図は、 従 来技術による第 2 0 図 （ a ) に示した直交流方式に比べて、 第 2 0 図 （ b ) に示した並行流方式の等温線図に近づき、 発生する熱応力 が低減できることから、 発電膜とイ ンタ一コネク タの電気的接合や シール部のずれ、 剝離等による電池性能の低下を抑制できる。 また 局部的な熱応力による発電膜ゃィ ンターコネクタの割れ等も抑制で きるため、 電池の健全性が確保できる。
すなわち、 本発明方式による発電膜 2 aまたは発電膜 2 bのいず れか一方のみでも、 これを使用 して構成された S 0 F Cは、 先に提 起した直交流方式と並行流方式の問題点を同時に解決し、 利点を兼 ね備えたものとなり得る。
さ らに、 本発明方式による発電膜 2 aおよび 2 bは、 それぞれの 発電膜へ供給するガス条件を同一とすれば、 第 1 9 図 （ a ) と第 1 9 図 （ b ) に示した等温線図は、 燃料ガスの流れ方向を対称軸と し て左右を逆転させたものと等し く なる こ とから、 第 1 図， 第 5 図， 第 6 図の如く 、 発電膜 2 aおよび 2 bをイ ンターコネ ク タ 1 を介し て交互に積層したスタ ッ ク 1 2 を電池反応させた場合、 積層方向 (高さ方向） の熱交換を捉し、 スタ ッ ク 1 2 全体の温度が平均化さ れ 。
すなわち、 第 1 図， 第 5 図， 第 6 図の如く 積層された電池におい ては、 第 1 9 図 （ c ) に示す等温線図が描け、 第 1 9 図 （ a ) と第 1 9 図 （ b ) に示した等温線図に比べ、 さ らに第 2 0 図 （ b ) に示 した等温線図に近似する。 よって、 発電膜 2 a または発電膜 2 bの いずれか一方のみを使用する場合に比べて、 さ らに発生する熱応力 も小さ く 、 並行流方式とほぼ同等の発生熱応力となるこ とから、 電 池の健全性を確保できる。 また、 本発明方式においては、 発生する熱応力をさ らに低減し、 電池の健全性を高めるには、 積層方向の熱交換をより促進させる こ とが有効であることから、 イ ンターコネク タ 1 は第 1 図に示す如く 平板状で薄い方が望ま しいが、 例えばィ ンターコネク タを溝加工す るなどガスと直接接する表面積を増加させて熱交換を促進する手段 をとるこ とで、 本発明における熱応力の低減効果が顕著に得られる また、 本発明方式によれば、 第 2 1 図で示した従来の並行流方式 の S O F Cに比べ、 発電に寄与しない、 ガス整流のためのヘッダ 5 を必要と しないため、 固体電解質の広範囲に酸素電極， 燃料電極を 施工でき、 発電可能な有効面積を増加させるこ とができる。
すなわち、 ヘッダ 5 の範囲が発電有効面積に転用可能となり、 第 2図で示した本発明方式は、 第 2 1 図で示した従来のヘッダを有す る並行流方式に対し、 1 0 %〜 2 5 %増の発電有効面積が確保でき る。 よって、 本発明方式にて、 従来方式と同 じ発電出力を得るには 略 8 0 %〜 9 0 %の量の単位電池で可能となる。
したがって、 第 5 図および第 6 図で示した S O F C全体構造図の 如く、 本発明方式に係るコ ンパク ト性に優れたスタ ッ クに、 マニホ ール ド， 集電部品を設けた場合にも充分なコ ンパク ト性を確保可能 であり、 経済性に優れた S 0 F Cを提供できる。
さ らに、 本発明方式に係る S O F Cを横置型と した場合を示した 第 6 図においては、 低温部となるガス導入口 （第 1 図の 4 3 a， 4 3 b， 4 5 ) を横置型スタ ッ ク 1 2 の下部側 （天地のうちの地方 向） に、 発熱を伴う電池反応により高温部となるガス排出口 （第 1 図の 4 4 a , 4 4 b , 4 6 ) を横置型スタ ッ ク 1 2 の上部側 （天地 のうちの天方向） に配置している。 このよ うな配置と した場合、 空 気は全投入量の略 1 ノ 2 の量が空気入口マ二ホール ド 5 3 aから、 発電膜 2 aの酸素電極側に供給され、 電池反応による発電膜 2 aの 発熱によって徐々 に加熱された後、 空気出口マ二ホール ド 5 4 aへ と排出される。 同様に、 全投入空気量の残りの略 1 Z 2 の量は、 空 気入口マ二ホール ド 5 3 bから発電膜 2 bの酸素電極側へ供給され. 電池反応によつて徐々に加熱された後、 空気出口マ二ホール ド 5 4 bへと排出される。 一方、 燃料ガスも空気と同様に、 燃料ガス入口 マ二ホール ド 5 5 から、 発電膜 2 a， 2 bの燃料電極側に供給され. 電池反応によって徐々 に加熱された後、 燃料出口マ二ホール ド 5 6 へと排出される。
すなわち、 第 6 図で示した本発明方式に係る横置型 S 0 F Cにお いては、 空気および燃料ガスが下部から上部へと導かれるよう にガ ス流路が形成されており、 電池反応によって生ずる発熱により加熱 され、 温度上昇した空気および燃料ガスは比重が小さ く なるこ とで 浮力が生じるので、 下部から上部へと流れるガス流れを、 第 1 図に 示すような縦置式に比べて、 より スムーズにする効果がある。
したがって、 第 6 図の横置型 S 0 F Cは、 第 5 図で示した縦置型 S 0 F Cに比べて、 電池に発生するガス導入口〜排出口間の温度差 を低減し、 発生する熱応力を抑制でき、 さ らに信頼性の高い S O F Cを提供できるばかりでなく 、 ガス供給に必要なエネルギ一を低く 抑えるこ とができるため、 さ らに経済性に優れた S 0 F Cを提供で きる。
以上の如く 、 本発明方式によれば、 電池反応による発熱によって 発生するスタ ッ クの温度分布を並行流方式の如く 近似し、 直交流方 式に比べて発生熱応力を抑制できるため、 発電膜とイ ンタ一コネク 夕の電気的接合部やシール部の損傷、 発電膜やイ ンターコネクタの 割れ等を低減することが可能であり、 信頼性の高い S 0 F Cを提供 できる。
また、 本発明方式は、 並行流方式の問題点であるガス流れを整流 させるための区間 （非発電部分） を必要とせず、 直交流方式と同等 の発電有効面積が確保できることから、 コ ンパク ト性， 経済性に優 れた S 0 F Cを提供できる。
すなわち、 本発明方式によれば、 直交流方式と並行流方式の欠点 を補い、 両者の長所を兼ね備えた S 0 F Cを提供できる。
なお、 以上の説明において、 第 1 図， 第 2図， 第 3図， 第 4図お よび第 5図では、 発電膜の上面 （表側） を酸素電極、 下面 （裏側） を燃料電極と したが、 裏表が逆であっても良い。
また、 酸素電極側と燃料電極側を全く入れ替えて、 燃料ガスの流 路が 2種類、 空気の流路が 1種類の構造となる S O F Cと しても同 等の効果が得られ、 本発明は成立する。
さ らに、 前記実施の形態では第 1 図に示すイ ンタコネクタに溝を 形成したものを介して発電膜を積層したものや、 第 2図に示す全面 に凹凸を形成した発電膜を例示して説明したが、 本発明はこれに限 定されるものではなく、 いかなる形式の燃料電池においても適用す るこができることはいうまでもない。
[第 2の実施の形態]
第 7図は本発明の第 2の実施の形態に係る平板型の固体電解質燃 料電池 （以下 S O F C ) の構造展開図。 第 8図 （ a ) は第 7図の X _ X線に沿う断面図、 第 8図 （ b ) は第 7図の Y— Y線に沿う断面 図である。 第 9図および第 1 0図は、 第 2の実施の形態に係る電池 の中間用イ ンターコネク タの構造図であり、 空気流路用溝形状が異 なる 2種類の構造を示す。
第 2 の実施の形態は、 第 1 7 図， 第 1 8 図 （ a ) および第 1 8 図 ( b ) で示した代表的な直交流方式の平板型 S O F Cに本発明方式 を適用 した場合の実施の形態である。
本発明の第 2 の実施の形態に係る平板型 S 0 F Cの構成を第 7 図 に示す構造展開図と第 7図の X— X線に沿う断面図の第 8 図 （ a ) および第 7 図の Y— Y線に沿う断面図の第 8 図 （ b ) ならびに第 9 図， 第 1 0 図に示す中間用イ ンタ一コネク タの構造図で説明する。 第 7 図， 第 8 図 （ a ) および第 8 図 （ b ) の符号 2 は発電膜である, この発電膜 2 は、 平板状の固体電解質膜 2 0 と、 この固体電解質膜 2 0 の片面に酸素電極 2 3 、 他方の面に燃料電極 2 4が形成されて いる。 本図の場合、 発電膜 2 の上面 （表側） を燃料電極 2 4、 下面 (裏側） を空気電極 2 3 と している。 図中の符号 l a， l b， 1 c および 1 dはイ ンターコネクタであり、 発電膜 2 と交互に積層され て一体構造の電池 1 3 (以下スタ ッ ク 1 3 ) を形成している。
第 9 図および第 1 0図は、 それぞれ中間用イ ンタ一コネク タ 1 a およびイ ンタ一コネクタ 1 bの構造図である。 このイ ンタ一コネク タ 1 aおよび 1 bは第 7 図に示す如く 、 スタ ッ ク 1 3 の中間層に配 置されるイ ンタ一コネクタであり、 その両面の周囲には、 ガスの通 過するガス導入口およびガス排出口を除いて発電膜の支持枠 3 1 が 形成されている。 この支持枠 3 1 と発電膜 2 の周囲がシール材 3 を 挟んで密着し、 電池内部を通過するガスの気密性を保持する。
また、 イ ンタ一コネク タ 1 aおよびイ ンターコネク タ 1 bの両表 面には複数個の島状の突起 3 2が整然と並び、 ガス流路溝 3 3 が複 数列形成されている。 この島状の突起 3 2 の頂部は、 燃料電極 2 4 又は酸素電極 2 3 と接触又は接合されて、 発電膜 2 を支持すると共 に各発電膜を電気的に直列に継ぐ役割をしている。 イ ンターコネク タ 1 a と 1 bは、 第 9図および第 1 0 図に示す如く 、 発電膜の空気 極側と接する空気流路 4 1 の形状が異なり、 発電膜の燃料極側と接 する燃料ガス流路 4 2 の形状は同一である。
第 9 図および第 1 0 図の符号 4 3 a , 4 3 b は空気導入口、 符号 4 4 a， 4 4 bは空気排出口である。 また、 符号 4 5 は燃料ガス導 入口、 符号 4 6 は燃料ガス排出口である。 燃料ガス導入口 4 5 は、 矩形状のィ ンタ一コネク タの一辺のほぼ全長にわたり開口 し、 燃料 ガス排出口 4 6 は、 燃料ガス導入口 4 5が設けられた辺の反対側の 一辺にほぼ全長にわたり開口 している。
また、 空気導入口 4 3 a， 4 3 bおよび空気排出口 4 4 a， 4 4 bは、 燃料ガスの導入口 4 5 および排出口 4 6 が設けられていない 矩形状のイ ンタ一コネク タの他の二辺の裏側 （発電膜 2 の空気電極 2 3 と接する側） にそれぞれ配置されており、 空気導入部 4 3 a , 4 3 bは燃料ガス導入口 4 5 に近い略 1 Z 2 の長さの部分に設けら れ、 空気排出口 4 4 a , 4 4 bは燃料ガス排出口 4 6 に近い略 1 / 2 の長さの部分に設けられている。
すなわち、 第 9 図で示すイ ンターコネク タ 1 a において、 空気は 第 9 図 （ a ) 中右下に位置する空気導入口 4 3 a力、ら入り、 左上に 位置する空気排出口 4 4 aへ導かれるよう に、 イ ンタ一コネク タ表 面に空気流路 4 1 が形成されている。
また第 1 0 図で示すイ ンターコネク タ 1 bにおいては、 空気は第 1 0 図 （ b ) 中左下に位置する空気導入口 4 3 b力、ら入り、 右上に 位置する空気排出口 4 4 bへ導かれるように空気流路 4 1 が形成さ れている。
一方、 燃料力"ス流路 4 2 は、 イ ンターコネク タ l aおよび l b共 に同一の形状をしており、 第 9図 （ d ) および第 1 0図 （ d ) に示 す如く 、 燃料ガスは燃料ガス導入口 4 5から入り、 燃料ガス排出口 へ導かれるように周囲には発電膜支持枠 3 1 が設けられ、 中央部の イ ンターコネクタ表面には、 燃料ガス流路 4 2が形成されている。 以上説明したように、 イ ンターコネク タ 1 a， 1 bは共に燃料ガ ス流路 4 2 は同一形状であり、 空気流路 4 1 が燃料ガスの流れ方向 に対して、 左右対称となる 2種類の構造である。
次に、 第 7図に示すイ ンターコネクタ 1 c は、 スタ ッ ク 1 3の上 端部に配置される上部ィ ンターコネク タであり、 その上面は通常集 電部品を取りつけるため平坦であり、 下面は発電膜 2の燃料電極側 に対応して、 先に説明した中間用イ ンターコネク タ 1 aまたは 1 b の下面 （第 9図 （ d ) または第 1 0図 （ d ) ) と同一形状である。 また、 イ ンターコネク タ I dはスタ ッ ク 1 3の下端部に配置される 下部イ ンターコネクタであり、 その上面は発電膜 2の酸素電極側に 対応して、 イ ンタ一コネクタ l aまたは l bの上面 （第 9図 （ a ) または第 1 0図 （ a ) ) と同一形状であり、 下面は通常集電部品を 取り付けるため平坦である。
以上の特徴を有するイ ンターコネク タ 1 a， l b， l cおよび 1 d と発電膜 2を、 第 7図に示すように、 上からイ ンタ一コネク タ 1 c、 発電膜 2、 イ ンタ一コネク タ 1 a、 発電膜 2、 イ ンタ一コネク タ 1 b…発電膜 2、 イ ンタ一コネク タ I dの如く 、 イ ンターコネク タと発電膜を交互に、 かつ最上部のイ ンターコネク タ 1 c と最下部 のイ ンターコネク タ 1 dを除く 中間のイ ンタ一コネク タは、 1 a， 1 b， l a , l b , 1 a…と交互になるよう に積層 して一体構造の スタ ッ ク 1 3 をなす。
このよう に構成されたスタ ッ ク 1 3 は、 第 1 の実施の形態におけ るスタ ッ ク 1 2 と比較するとガスの導入口、 排出口および流路の形 成手段が異なるこ とを除き、 本発明方式に係る基本的構造および機 能は同等である。 したがって、 スタ ッ ク 1 3 にガス供給、 排出のた めのマ二ホール ドを取りつけた第 2 の実施の形態に係る S 0 F Cの 全体構造図は、 第 5 図と同一の外観、 機能を有する S 0 F C とする こ とができる。 また、 第 1 の実施の形態において、 第 6 図で説明 し たと同様に、 スタ ッ ク 1 3 も燃料排出口 4 6 を上側 （天方向） 、 燃 料導入口 4 5 を下側 （地方向） とする横置型とする ものである。
第 7 図の如く構成されたスタ ッ ク 1 3 は、 第 1 の実施の形態に係 るスタ ッ ク 1 2 と比較すると、 イ ンタ一コネク タ と発電膜で挟まれ て成るガス流路の形成手段を除いて、 ガスの供給、 排出に係る基本 的構造および機能は同等であり、 第 1 の実施の形態で説明したと同 様の発生熱応力の低減効果が得られ、 信頼性の高い S O F Cを提供 できる。
なお、 第 2 の実施の形態においても、 第 1 の実施の形態と同様に. ガスと接触するイ ンターコネクタの表面積を増大させて、 熱交換を 促進し、 本発明方式に係る効果をより発揮させるこ とができる。 従 つて、 ィ ンターコネク タ表面のガス流路用の溝の数をできる限り增 加させ、 ガスとの接触面積を拡大することが望ま しい。 また、 本第 2 の実施の形態に係るスタ ッ ク 1 3 においても、 第 1 の実施の形態 に係るスタ ッ ク 1 2 と同様に第 5 図および第 6 図で示した構成が採 W 用可能であり、 同等の機能および効果が得られる こ とから、 信頼性 経済性に優れた S 0 F Cを提供できる。
なお、 以上の説明において、 第 7図、 第 8図 （ a ) 、 第 8図 （ b ) および第 9図 （ a ) ， （ b ) ， （ c ) ， （ d ) 、 第 1 0図 （ a ) , ( b ) ， ( c ) ， （ d ) では、 発電膜の上面 （表側） を燃料 電極、 下面 （裏側） を酸素電極と したが裏表が逆であっても良い。 また、 酸素電極側と燃料電極側を全く 入れ替えて、 燃料ガスの流路 が 2種類、 空気の流路が 1種類の構造となる S O F Cと しても同等 の効果が得られ、 第 2の実施の形態に係る本発明方式も成立する。
また、 本第 2の実施の形態では、 ガス流路を形成する手段と して. イ ンターコネクタに溝を形成する実施の形態を示したが、 第 1 の実 施の形態でも説明したよう に、 イ ンターコネク タと発電膜との間に. 発電膜の両電極面へ必要なガスを供給するためのガス流路が形成さ れ、 かつ電気的な導通 （イ ンタ一コネク タと発電膜の接触または接 合） が得られれば、 どのような構成であっても本発明方式に係る S 0 F Cが構成可能であり、 同様な効果を得る こ とができる。
[第 3の実施の形態]
第 1 1 図は本発明の第 3の実施の形態に係る内部マ二ホール ド方 式の平板型の固体電解質燃料電池 （以下 S O F C ) の構造展開図で ある。 第 1 2図は第 1 1 図の X— X線に沿う断面である。 第 1 3図 および第 1 4図は空気流路の異なる 2種類の内部マ二ホール ド方式 の単位電池の側面図および各断面図である。
第 5図および第 6図では、 本発明方式の第 1 の実施の形態に係る スタ ッ ク 1 2 に対して、 ガスを供給、 排出するためのマ二ホール ド を外側に取付けた場合を示した。 このガスの供給、 排出方式は一般 には外部マ二ホール ド方式と呼ばれている。 一方、 このマ二ホール ド機能をスタ ッ クに具備させて内部マ二ホール ド方式と呼ばれる s
O F Cがある。 この場合にはイ ンタ一コネク タおよび発電膜に、 ガ スをスタ ッ クの積層方向に流す手段と して貫通孔が設けられ、 ィ ン ターコネク タと発電膜を交互に積層し、 一体化した電池 （スタ ツ ク） と して組み立てることによって、 スタ ッ ク内部にマ二ホール ド と同じ機能を有する空間が形成される。
本第 3 の実施の形態では、 、 前記で説明 した内部マ二ホール ド方 式の S O F Cに本発明方式を適用 した場合について説明する。
第 1 3 図および第 1 4図が本第 3 の実施の形態に係る単位電池の 構成図であり、 第 1 の実施の形態において第 3 図および第 4 図で説 明した外部マ二ホール ド方式の単位電池の構造図に対応する。 第 1 3 図， 第 1 4 図の符号は第 3 図， 第 4 図と対応しており、 その基本 構造および機能は同一である。
すなわち、 矩形状発電膜 2 aおよび 2 bの四辺のう ちの一辺の燃 料電極側に、 ほぼ全長にわたり燃料導入口 4 5 を設け、 その対辺の ほぼ全長にわたり燃料ガス排出口 4 6 を設ける場合、 空気導入口 4
3 a , 4 3 bを他の二辺のいずれかの一辺の空気電極側に、 燃料ガ ス導入口に近い略 1 / 2 の長さの部分に設け、 空気排出口 4 4 a ,
4 4 bを空気導入口 4 3 a， 4 4 bを設けた対辺の燃料ガス排出口 に近い略 1 / 2の長さの部分に設けている。
第 3 図および第 4図で示した第 1 の実施の形態との相異点は、 ィ ンタ一コネク タ 1 および発電膜 2 a， 2 bにはガスが通過する 6箇 所の貫通孔が設けられているこ とであり、 第 1 3 図および第 1 4 図 において、 符号 6 1 aおよび 6 1 bは空気供給孔、 符号 6 2 aおよ び 6 2 bは空気排出孔、 符号 6 3 は燃料ガス供給孔、 符号 6 4 は燃 料ガス排出孔である。
第 1 3 図に示す発電膜 2 aにおいては、 酸素電極側は、 空気供給 孔 6 1 a と空気導入口 4 3 aが連通されており、 空気排出孔 6 2 a と空気排出口 4 4 aが連通している。 その他の貫通孔 6 1 b， 6 2 b， 6 3 および 6 4 は周囲がシール材 3 で囲まれており、 発電膜 2 aの酸素電極 2 3 にガスが侵入しないように封止されている。
すなわち、 空気供給孔 6 1 aから空気導入口 4 3 a に供給された 空気は、 酸素電極面 2 3 を通過して空気排出口 4 4 aを通り、 空気 排出孔 6 2 aへ排出されるようにシ一ル材 3 で囲まれている。 第 1 4 図に示す発電膜 2 bについても同様に、 空気供給孔 6 1 bから空 気導入口 4 3 bに供給された空気は、 酸素電極面 2 3 を通過して空 気排出口 4 4 bを通り、 空気排出孔 6 2 bへ排出されるよう にシ一 ル材 3 で囲まれている。
以上の特徴を有するイ ンターコネク タ と発電膜を交互に、 かつ発 電膜も 2 a， 2 b , 2 a , 2 b…と交互になるよう に積層して一体 構造の電池 1 4 (以下スタ ッ ク 1 4 ) を形成している。
この様に構成されたスタ ッ ク 1 4 には、 各イ ンタ一コネク タおよ び各発電膜に設けられた貫通孔が積層方向に重なり、 スタ ッ ク内部 にマ二ホール ドが形成される。 すなわち、 第 1 の実施の形態の第 5 図で示した外部マ二ホール ド方式の S O F C と同等の構造と機能を 有する S O F Cが得られる。 また、 本第 3 の実施の形態に係るスタ ッ ク 1 4の燃料ガス排出口 4 6 を上側 （天方向） 、 燃料ガス導入口 4 5 を下側 （地方向） となる様に横置型とする ことで、 第 6 図で示 した外部マ二ホール ド方式の横置型の S 0 F C と同等の構造と機能 8/05104 を有する S O F Cが得られる。
第 1 1 図に示す形状のイ ンタ一コネク タおよび発電膜を交互に積 層し、 組み立てるこ とで得られる内部マ二ホール ド方式の S O F C のスタ ッ ク 1 4 は、 第 1 の実施の形態に係る外部マ二ホール ド方式 のマ二ホール ドを設けた場合の第 3図および第 6図で示した S 0 F Cと同等の構造と機能を有する。 従って、 第 1 の実施の形態で説明 したと同様の効果が本第 3の実施の形態の S 0 F Cについても得ら れ、 信頼性 · 経済性に優れた S 0 F Cを提供できる。
なお、 本第 3の実施の形態では、 第 1 1 図， 第 1 2図および第 1 3図， 第 1 4図において、 発電膜 2 a , 2 bの上面 （表側） を酸素 電極、 下面 （裏側） を燃料電極と したが、 上下面は逆であっても良 い。 又、 酸素電極側と燃料電極側を全く入れ替えて、 燃料ガスの流 路を 2種類、 空気の流路が 1種類の構造を持つ内部マ二ホール ド方 式の S O F Cと しても、 第 1 の実施の形態で詳細に説明したと同等 の効果が得られ、 本第 3の実施の形態は成立する。
さ らに、 第 2の実施の形態に係る第 7図、 第 8図 （ a ) 、 第 8図 ( b ) および第 9図 （ a ) ， （ b ) ， （ c ) ， （ d ) 、 第 1 0図で 示した形状のイ ンターコネクタおよび発電膜についても、 第 1 1 図 でその構成を説明したと同様に、 周囲 6箇所にガスの通過する貫通 孔を設けることで、 本発明方式に係る S 0 F Cと同等の構造と機能 を有する内部マ二ホール ド方式のスタ ッ クを構成できる。 また、 燃 料ガス排出口を上側 （天方向） となるように横置型とするこ とによ つて加熱ガスの浮力による上昇流が利用可能となり、 さ らに信頼性 • 経済性に優れた特徴を有するこ と も同様である。 なお、 本第 3の 実施の形態においては、 スタ ッ ク 1 4の 6箇所のガス導入口、 排出 口すべてに対して内部マ二ホール ドと した場合を示したが、 この う ちの一部を外部マ二ホール ド方式、 例えば燃料ガス側を外部マニホ 一ル ド方式、 空気側を内部マ二ホール ド方式とする場合には、 イ ン ターコネク タおよび発電膜に 4箇所の空気供給、 排出用の貫通孔を 設けて、 順次積層してスタ ッ クを形成する等、 と しても本発明方式 による機能および効果を損なう ものではない。
[第 4 の実施の形態]
第 2 3 図は本発明の第 4 の実施の形態に係る平板型の固体電解質 燃料電池 （ S O F C ) の概略図である。 第 2 4 図 （ a ) は第 4 の実 施の形態の空気室の構造を示す要部断面である。 第 2 4 図 （ b ) は 他の空気室の構造を示す断面図である。
本実施の形態は、 第 6 図に示す第 1 の実施の形態の横置き型燃料 電池の変形例であり、 第 6 図に示すよう に発電膜をィ ンタコネク タ を介して発電膜を起立した状態で複数列設してなるスタ ッ クを一単 位と してサブスタ ッ ク 1 0 1 を構成し、 このサブスタ ッ ク 1 0 1 を 図示しない中間集電部材を用いて電気的にサブスタ ッ ク同士を貨車 のように 1 0列連結して貨車状横置スタ ッ ク 1 0 2 と し、 横置型 S 0 F Cを構成したものである。
また、 貨車状横置スタ ッ ク 1 0 2 の両端部に位置する第 1 番目の サブスタ ッ ク と第 1 0番目のサブスタ ッ クには、 集電棒 1 0 8 を具 えた集電板 1 0 9が各々設けられ、 これらにより集電されている。 また、 集電棒 1 0 8 を両端から加圧した状態で図示しない燃料電池 収納室に収納されている。
また、 本実施の形態では、 第 2 3 図に示すよう に、 図示しない中 間集電部材にには電流バイパス用のリ ー ド線 1 1 0 が設けられてい 51 る。 このリー ド線 1 1 0 は例えばニッケル素線を編み込んだものや 棒状のものを用いることができる。 なお、 リ一 ド線 1 1 0を用いる 場合でもサブスタツクを収容する容器の内部は排出された燃料排ガ スにより還元雰囲気下となっているるので、 該リー ド線 1 1 0が酸 化されるおそれはない。
このリー ド線 1 1 0を用いて、 サブスタ ッ クの電位を常時測定す ることにより、 仮にサブスタ ッ クの一単位が故障した場合でも、 直 ちにバイパス回路を形成することにより、 故障したサブスタ ッ クを 除く サブスタ ッ クの劣化を防止することができ、 運転の信頼性の向 上を図ることができる。
この横置型燃料電池はサブスタ ッ ク毎にガス供給室を設けてなり、 第 2 3図では空気室を左右に設け、 燃料室はスタ ッ クの下部側 （地 側） に設け、 下方から上方へ燃料ガスを供給している。 なお、 本実 施の形態では燃料室の図示は省略している。
ここで、 前記サブスタック 1 0 1 はイ ンタコネクタを介して発電 膜が複数枚、 例えば 1 0枚づっ接合して構成しており、 このサブス タックを 1 0列連結して燃料電池を構成している。 また、 本実施の 形態では、 第 2 3図中右側から第 1， 3， 5， 7， 9番目の空気流 れと、 第 2， 4， 6， 8， 1 0番目のサブスタ ッ クの空気流れを、 サブスタ ッ ク単位で交互にしている。
このサブスタ ッ クの空気極側の空気の流れを第 2 4図に示す。
第 2 4図 （ a ) は第 2 3図の第 1， 3， 5， 7， 9番目のサブス タックの空気流れを示し、 第 2 4図 （ b ) は第 2 3図の第 2， 4， 6 , 8， 1 0番目のサブスタ ッ クの空気流れを示している。
第 2 4図 （ a ) に示す場合では、 図中右側の空気室 1 1 1 の下部 側に設けた略 1 2 の開口を有する空気導入口 1 1 1 aから空気導 入管 1 1 2 により導入された空気が内部に導入されると共に、 導入 された空気は発電膜 1 1 3の空気極面を電池反応によって徐々に加 熱されて斜め上方に向かって流れ、 図中左側の空気室 1 1 4の上部 側に設けた略 1 / 2の開口を有する空気排出口 1 1 4 aから空気排 出管 1 1 5 を介して排空気が排出されている。 なお、 燃料ガスはス タック下部に設けた燃料室 1 1 6から供給されている。
一方第 2 4図 （ b ) に示す場合では、 図中右側の空気室 1 1 1 の 下部側に設けた略 1 / 2 の開口を有する空気導入口 1 1 1 aから空 気導入管 1 1 2 により導入された空気が内部に導入されると共に、 導入された空気は発電膜 1 1 3の空気極面を電池反応によって徐々 に加熱されて斜め上方に向かって流れ、 図中右側の空気室 1 1 4の 上部側に設けた略 1 / 2の開口を有する空気排出口 1 1 4 aから空 気排出管 1 1 5を介して排空気が排出されている。 なお、 燃料ガス はスタ ック下部に設けた燃料室 1 1 6から供給されている。
これにより、 サブスタック単位では第 1 9図のような温度分布の 偏りがあるものの、 空気の供給方向が異なるサブスタ ッ ク同士を近 接して連結することで、 燃料電池全体と しては均等となり、 並行流 方式とほぼ同等の発生熱応力となり、 電池の健全性を保持すること ができる。
すなわち、 第 2 3図の横置型燃料電池においても、 第 6図で示し た本発明方式に係る横置型燃料電池と同様に、 空気および燃料ガス が下部から上部へと導かれるようにガス流路が形成されており、 電 池反応によって生ずる発熱により加熱され、 温度上昇した空気およ び燃料ガスは比重が小さ く なることで浮力が生じるので、 下部から 上部へと流れるガス流れを、 第 1 図に示すような縦置式に比べて、 よりスムーズにする効果がある。
したがって、 第 2 3図の横置型 S O F Cも、 第 5図で示した積層 方式の縦置型 S O F Cに比べて、 電池に発生するガス導入口から排 出口間の温度差を低減し、 発生する熱応力を抑制でき、 さ らに信頼 性の高い S 0 F Cを提供できるばかりでなく、 ガス供給に必要なェ ネルギーを低く抑えることができるため、 さ らに経済性に優れた S O F Cを提供できる。
上述した第 2 3図のサブスタッ クではスタ ッ ク単位毎に空気を交 互に供給しているが、 サブスタ ッ クー単位においても発電膜毎に交 互に空気を導入するようにして、 さ らに、 温度分布の均一化を図る ようにしてもよい。
第 2 5図はサブスタ ック一単位においても、 空気極へ交互に空気 を供給する例を示す。
第 2 5図 （ a ) に示す例では、 4枚の発電膜をイ ンタコネクタ 1 を介して交互に設け、 一体型の空気供給室を左右に設けてサブス夕 ック 2 0 1 を構成したものを示している。
左右の空気室 2 0 2 は内部を隔壁 2 0 3 により上下 2分割し、 空 気供給管 2 0 4が下部室 2 0 5 と連通され、 空気排出管 2 0 6が上 部室 2 0 7 と連通されており、 燃料供給側の略 1 / 2の開口を有す る空気導入口 2 0 5 aを交互となるように列設させることで左右両 側から交互に空気を供給させ、 斜め上方に対向する燃料排出側の略 1 2の開口を有する排出口 2 0 7 aを介して交互に排出すること でスタ ック一単位においても温度分布を均一化させて、 電池反応を 活発化している。 なお、 この場合においては、 空気の供給、 排出を 2重管を介して成すため、 特別な装置を必要とせずに排空気の熱を 供給空気の昇温に利用でき、 当該部に容易に熱交換器の機能を賦与 することができる。 また、 酸素電極側と燃料電極側を全て入れ替え て燃料の供給、 排出を 2重管構造にした場合においても同様に容易 に熱交換機能を賦与することができる。 さ らに、 この場合において は、 燃料と して都市ガス等を用いた場合、 供給管部に触媒層を設け ることで、 容易に安価で小スペースの改質機能を賦与することがで このようにサブスタ ツ クを構成する発電膜の枚数を少量とするこ とで空気を供給するためのマ二ホール ドである空気室を小さ く する ことができ、 さ らに、 このようなサブスタ ッ クを複数連結すること により、 燃料電池全体と しては均等な熱分布となり、 並行流方式と ほぼ同等またはそれ以上の発生熱応力となり、 電池の健全性を保持 することができる。
さ らに、 数十枚を並べてスタ ッ クを構成する場合や積層する場合 と異なり、 マ二ホール ド等を大型化する必要がないので、 シール性 能が向上すると共に燃料電池の製造費用が廉価となる。 産業上の利用可能性
以上のよう に、 本発明によれば、 発生熱応力が小さ く て電池の健 全性が高く、 かつ直交流方式の如く構造が単純で発電面積が広く と れ、 コンパク ト性に優れた経済的な固体電解質燃料電池を提要する ことができる。

Claims

請 求 の 範 囲
1 . 固体電解質の片面に酸素電極を、 かつ他方の面に燃料電極 を形成した発電膜と、 この発電膜を挟むイ ンタ一コネクタと、 前記 発電膜の四周を囲むシール材とを具備し、 酸化剤ガスと燃料ガスを 前記発電膜を介して、 電気化学的に反応させ、 電気エネルギーを取 り出す平板型の固体電解質燃料電池において、
電池の四辺のうちの一辺の燃料電極側に、 ほぼ全長にわたり燃料 ガス導入口を設け、 さ らに対辺のほぼ全長にわたり燃料ガス排出口 を設け、 且つ
他の二辺のうちのいずれか一辺の燃料ガス導入口に近い略 1 / 2 の長さの酸素電極側の部分に空気導入口を設けると共に、 この空気 導入口の対辺の燃料ガス排出口に近い略 1 / 2の長さの部分に空気 排出口を設けたことを特徴とする平板型の固体電解質燃料電池。
2 . 請求項 1 において、
前記発電膜が略全面的に凹凸部を形成してなり、 その片面に酸素 電極と、 かつ他方の面に燃料電極とを形成してなる固体電解質であ ることを特徴とする平板型の固体電解質燃料電池。
3 . 請求項 2 において、
空気導入口が、 燃料ガス導入口の右側の辺に位置する電池と、 左 側の辺に位置する電池とを 2種類形成し、 これらをイ ンターコネク タを介して交互に積層して、 電気的に直列に継ぎ、 一体構造と した ことを特徴とする平板型の固体電解質燃料電池。
4 . 請求項 2 において、
燃料ガス排出口を天方向、 燃料ガス導入口が地方向となるように、 前記イ ンタ一コネクタと前記発電膜とを複層、 列設したことを特徴 とする平板型の固体電解質燃料電池。
5 . 請求項 において、
前記燃料ガス側と前記空気側を全て入れ替えてなることを特徴と する平板型の固体電解質燃料電池。
6 . 請求項 1 において、
前記発電膜が矩形平板状の固体電解質の片面に燃料電極と、 かつ 他方の面に酸素電極とを形成したものであり、 この発電膜を挟み、 発電膜のそれぞれの電極面に燃料ガスまたは酸化剤ガスを供給でき る様に裏表にガス流路用の溝を形成し、 かつ四周はガスの導入口お よび排出口を除き、 発電膜を支持し、 かつガスを封止し得るように、 表面を平滑と した支持枠部を設けたィ ンタ一コネクタを具備し、 燃 料ガスと空気を前記発電膜を介して電気化学的に反応させ、 電気工 ネルギ一を取り出すことを特徴とする平板型の固体電解質燃料電池。
7 . 請求項 6 において、
イ ンターコネクタに設けた空気導入口が、 燃料ガス導入口の右側 の辺に位置する電池と、 左側の辺に位置する電池とを 2種類形成し、 これらのイ ンターコネクタと発電膜を交互に積層し、 かつ 2種類の インタ一コネクタが交互に配置されるように積層して、 電気的に直 列に継ぎ、 一体構造と したことを特徴とする平板型の固体電解質燃 料電池。
8 . 請求項 6 において、
燃料ガス排出口を天方向、 燃料ガス導入口が地方向となるように、 前記イ ンタ一コネクタと前記発電膜とを積層、 配置したことを特徴 とする平板型の固体電解質燃料電池。
9 . 請求項 6 において、
前記燃料ガス側と前記空気側を全て入れ替えてなることを特徴と する平板型の固体電解質燃料電池。
1 0. 請求項 2又は請求項 6 において、
ガス供給用のマ二ホールドの一部又は全部を内部マ二ホールド方 式と したことを特徴とする平板型の固体電解質燃料電池。
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