JP2000306590A

JP2000306590A - 固体電解質燃料電池

Info

Publication number: JP2000306590A
Application number: JP11112284A
Authority: JP
Inventors: Yuichi Hishinuma; 祐一菱沼; Yoshio Matsuzaki; 良雄松崎; Takashi Ogiwara; 崇荻原; Miyuki Uratani; 美由紀浦谷
Original assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Current assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Priority date: 1999-04-20
Filing date: 1999-04-20
Publication date: 2000-11-02

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】燃料ガス及び酸化剤ガスを平板型単電池に均
等に供給し、高い発電効率が得られる固体電解質燃料電
池。【解決手段】セラミックセパレータ４の中央には、平板
型単電池８を収容する収容部１２が形成してあり、収容
部１２の周囲に燃料ガス用供給通路１４と、燃料ガス用
排気通路１６と、酸化剤ガス用供給通路１８と、酸化剤
ガス用排気通路２０が形成され、燃料ガス用供給通路１
４と、燃料ガス用排気通路１６は、収容部１２を挟んで
対向して形成してあり、かつ収容部１２の向き合う辺と
平行にほぼ同じ長さに形成してあり、また、酸化剤ガス
用供給通路１８と酸化剤ガス用排気通路２０は、溝１５
が形成されている箇所の向き合う辺と平行に、かつその
辺とほぼ同じ長さに形成してある、固体電解質燃料電
池。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料ガス及び酸化
剤ガスを平板型単電池に均等に供給し、高い発電効率が
得られる固体電解質燃料電池に関する。

【０００２】

【従来の技術】最近、例えば空気と水素をそれぞれ、酸
化剤ガスおよび燃料ガスとして、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、環境保護の観点から注目されており、特
に固体電解質燃料電池は発電効率が高く、廃熱を有効に
利用できるなど多くの利点を有するため研究、開発が進
んでいる。

【０００３】固体電解質燃料電池は、空気極及び燃料極
とを有する平板型単電池と、給排気孔を有するセパレー
タとから構成され、この平板型単電池とセパレータとを
複数積層してスタックとして形成して用いられる。

【０００４】平板型単電池は、イットリアなどをドープ
したジルコニア焼結体（ＹＳＺ）からなる平板型固体電
解質層の一面に、（Ｌａ、Ｓｒ）ＭｎＯ_３の空気極を、
他方の面にＮｉ／ＹＳＺサーメットの燃料極を配置して
形成されている。

【０００５】また図６に、従来の内部マニホールド方式
の固体電解質燃料電池に使用されているセパレータの斜
視図を示す。セパレータ１００は複合セパレータで、本
体部６０と導電性酸化物製の集電部６１から構成されて
いる。

【０００６】本体部６０は、ストロンチウムをドープし
たランタンクロマイト酸化物ＬａＣｒＯ_３からなり、
表面に凹んだポケット部６２が形成され、ここに集電部
６１が図の矢印に示すように嵌め込まれる。

【０００７】本体部６０は矩形状をなし、４隅にガスの
給排気孔６４〜７０が開けられている。給気孔６４と排
気孔６６は空気用の給排気孔で、一方の対角線方向に設
けられ、もう一方の対角線方向には燃料ガス用のガス給
気孔６８と排気孔７０が設けられている。

【０００８】集電部６１の表面には、酸化剤ガス例えば
空気を均等に流通させるためのガス流通溝６３が複数形
成してある。また、図示されていないが、本体部６０の
裏面には燃料ガス流通溝が同様に刻設されている。更に
ポケット部６２の中心に形成された導電孔６９には導電
性部材が詰められ、表裏が導通される。

【０００９】このようなセパレータ１００と平板型単電
池を交互に積層し、各通路に燃料ガス及び空気を供給す
ることにより、各平板型単電池の各電極面にそれぞれ燃
料ガスと酸化剤ガスとが接触し起電力が発生する。

【００１０】例えば図６の表面において、空気は左側給
気孔６４から本体部６０の左側のへこみ６５、集電部６
１のガス流通溝６３を通り、反対側（右側）のへこみ６
７を流れて右側の排気孔６６に流入する。同じように図
６の裏面において、燃料ガスは別の対角線方向に設けら
れた給気孔６８、７０の間を流れ、その途中で本体部６
０の裏面に設けられた燃料ガス流通溝（図示せず）を通
過し、起電力が発生する。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、セパレ
ータ１００の各給気孔６４、６８から平板型単電池に供
給されている酸化剤ガスや燃料ガスは、セパレータ１０
０の角部から供給されるため、各ガスが給気孔から放射
状に広がり平板型単電池に到達している。そのため、給
気孔に近い部分ではガスの濃度が濃くなり、一方給気孔
から遠い部分ではガスの濃度が薄くなるなど、平板型単
電池へ供給される燃料ガスや酸化剤ガスの供給濃度が平
板型単電池の場所によって不均一になっていた。

【００１２】このように、燃料ガスや酸化剤ガスが平板
型単電池の各面にそれぞれ均一の濃度に供給されない
と、ガスの濃度が濃い部分では、発電に用いられないガ
スが発生し、また濃度が薄い部分では平板型単電池の発
電能力を使い切れない状態になるなど、平板型単電池に
おける発電が設計どおり行なわれず、発電効率の低下が
生じていた。

【００１３】本発明は、各ガスの不均一な供給を防止
し、効率の高い固体電解質燃料電池を提供することを目
的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明では、従来の固体
電解質燃料電池は、燃料ガスや酸化剤ガスをセパレータ
の対角線方向に流通させているために、各ガスの供給に
不均一が発生する点に着目し、上記課題を解決するた
め、固体電解質燃料電池を次のように構成した。

【００１５】すなわち、固体電解質層の両面にそれぞれ
燃料極および空気極を備えた平板型単電池と、セラミッ
クセパレータと、合金セパレータとからなる固体電解質
燃料電池において、セラミックセパレータは、平板型単
電池を中央部分に収容する収容部と、収容部の底に燃料
ガスを流通させる複数の溝と、前記溝に通じ、収容部の
辺と平行で、かつ該辺とほぼ同じ長さにわたる燃料ガス
用の通路とを備え、また合金セパレータは、空気極に対
向する面に設けられた溝と、この溝に連通し、空気極が
対向する面の一辺と平行で、かつこの辺とほぼ同じ長さ
にわたる酸化剤ガス用通路とを備えて構成した。

【００１６】これにより、各ガスが送り出される通路、
及び排気する通路が平板型単電池と平行に、しかもほぼ
平板型単電池の辺と同じ長さにわたって形成されること
から、燃料ガスや酸化剤ガスが平板型単電池の全体に均
等に供給され、一定の濃度を保持でき、発電効率を向上
させることができる。

【００１７】また、平板型単電池の周囲にシール剤を取
り付け、平板型単電池をセラミックセパレータの収容部
に収容したとき平板型単電池の周囲が密閉されるように
した。これにより、燃料ガスと酸化剤ガスの混合を防止
し、スタック内での燃料ガスと酸化剤ガスの燃焼を防止
し、局所的な温度上昇によるスタック等の破損や燃料電
池の効率低下を防止できる。

【００１８】

【発明の実施の形態】本発明にかかる燃料電池の一実施
例について説明する。

【００１９】図１、図２に、内部マニホールド方式の固
体電解質燃料電池の断面図を示す。

【００２０】燃料電池２は、セラミックセパレータ４
と、合金セパレータ６と、平板型単電池８を組み合わせ
て構成された単電池１０を複数積層して形成してあり、
セラミックセパレータ４や合金セパレータ６が、空気お
よび燃料の各ガスの給排気、分配および電気的接続の機
能を兼ね備える一体型の内部マニホールド方式の固体電
解質燃料電池である。

【００２１】セラミックセパレータ４は、ほぼ正方形
で、ストロンチウム、カルシウム、マグネシウム等をド
ープしたランタンクロマイト系酸化物ＬａＣｒＯ_３等の
セラミック材から形成されている。セラミックセパレー
タ４の中央には、図５に示すように平板型単電池８を収
容する収容部１２が形成してあり、収容部１２の周囲に
燃料ガス用供給通路１４と、燃料ガス用排気通路１６
と、酸化剤ガス用供給通路１８と、酸化剤ガス用排気通
路２０が形成されている。

【００２２】収容部１２は、平板型単電池８にほぼ等し
い正方形状に形成してあり、収容部１２の底部には、燃
料ガス用供給通路１４から燃料ガス用排気通路１６に向
かう方向に沿って底部全面に溝１３と、中心に導電材を
詰める導電孔１１が形成してある。

【００２３】燃料ガス用供給通路１４と、燃料ガス用排
気通路１６は、収容部１２を挟んで対向して形成してあ
り、かつ収容部１２の向き合う辺と平行にほぼ同じ長さ
に形成してある。また燃料ガス用供給通路１４と燃料ガ
ス用排気通路１６の内側には、通路３４、３６が形成し
てある。通路３４、３６は、溝１３に開口し、かつ図１
に示すように段部３０、３１が形成してあり、段部３
０、３１により通路３４、３６が燃料ガス用供給通路１
４と燃料ガス用排気通路１６にそれぞれ連通している。

【００２４】また、合金セパレータ６は、耐熱性合金か
らなり、図４に示すように裏面側に酸化剤ガス用供給通
路１８から酸化剤ガス用排気通路２０に向かう方向に沿
った溝１５が複数形成してある。溝１５は、平板型単電
池８を積層したとき、その空気極に対面するように平板
型単電池８とほぼ同一形状の部分に形成してある。酸化
剤ガス用供給通路１８と酸化剤ガス用排気通路２０は、
溝１５が形成されている箇所の向き合う辺と平行に、か
つその辺とほぼ同じ長さに形成してある。

【００２５】また、酸化剤ガス用供給通路１８と酸化剤
ガス用排気通路２０の内側には、溝１５に開口する通路
３８、４０が形成してある。更に酸化剤ガス用供給通路
１８と通路３８の間、及び酸化剤ガス用排気通路２０と
通路４０の間に、図２に示すように段部３２、３３が形
成してあり、段部３２、３３により通路３８、４０が酸
化剤ガス用供給通路１８と酸化剤ガス用排気通路２０と
それぞれ連通している。

【００２６】平板型単電池８は、支持膜式単電池であ
り、図５に示すように、Ｎｉ／ＹＳＺサーメットからな
る燃料極を支持体とし、この燃料極上にＹＳＺ電解質、
（Ｌａ、Ｓｒ）ＭｎＯ_３空気極（いずれも図示せず）
の順にそれぞれ配置して形成してある。平板型単電池８
の周囲にはガラス材からなるシール材９が設けられ、収
容部１２内に収容すると収容部１２の内面、及び合金セ
ラミック６に密着する。尚、シール材９は発電中の昇温
等により軟化、あるいは溶融し、隙間を密閉するように
してもよい。また、シール材９はガラス製でなく、金属
ろう等隙間を密閉する材質であれば他のものでもよい。

【００２７】次に、燃料電池２の作用について説明す
る。

【００２８】燃料電池２は、図１または図２に示すよう
に、セラミックセパレータ４と単電池８と合金セパレー
タ６を交互に積層し、上下方向に所定の荷重等をかけ、
互いの隙間を密閉する。すると、各セラミックセパレー
タ４と合金セパレータ６の燃料ガス用供給通路１４、燃
料ガス用排気通路１６、酸化剤ガス用供給通路１８、酸
化剤ガス用排気通路２０が縦方向にそれぞれ連通し、燃
料電池２の内部に各ガスの通路が上下方向に４本形成さ
れる。

【００２９】そして、燃料ガス用供給通路１４に燃料ガ
スを供給すると、図１の矢印に示すように燃料ガスは、
段部３０を通って通路３４を通り、溝１３を流れ、平板
型単電池８の燃料極に接触する。平板型単電池８の燃料
極に接触した燃料ガスは、溝１３を通過して通路３６を
通り、段部３１から燃料ガス用排気通路１６に流入し、
排気される。

【００３０】また、図２に示すように空気を酸化剤ガス
用供給通路１８に供給すると、空気は段部３２を通り、
通路３８から溝１５に流入して平板型単電池８の空気極
に接触する。平板型単電池８の空気極に接触した空気
は、溝１５を通過して通路４０を通り、段部３３から酸
化剤ガス用排気通路２０に流入し、排気される。

【００３１】燃料電池２を所定の温度に上昇させた上
で、このように平板型単電池８の燃料極と空気極にそれ
ぞれ燃料ガスと空気とを接触させると、平板型単電池８
で発電がおこなわれ、各単電池１０を直列に接続して、
電流を取り出すことができる。

【００３２】このように燃料電池２によれば、各ガスの
通路が平板型単電池８の各辺に対して平行で、しかも各
辺とほぼ同じ長さに形成してあることから、燃料ガス及
び空気等の酸化剤ガスが均等に平板型単電池８に接触す
ることから、効率のよい発電作用を実現することができ
る。

【００３３】

【発明の効果】本発明の燃料電池によれば、燃料ガスや
酸化剤ガスを平板型単電池に供給、排気する通路を、平
板型単電池に対して平行で、かつ平板型単電池の長さに
ほぼ等しく形成したことから、これらガスを平板型単電
池の全面に均等に供給し、平板型単電池全面で十分な発
電を行なわせ、高い発電効率を有する固体電解質燃料電
池を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかる燃料電池を示す断面図である。

【図２】本発明にかかる燃料電池を示す断面図である。

【図３】セラミックセパレータを示す平面図である。

【図４】合金セパレータを示す平面図である。

【図５】単電池を示す分解斜視図である。

【図６】従来の単電池を示す分解斜視図である。

【符号の説明】

２燃料電池４セラミックセパレータ６合金セパレータ８平板型単電池１０単電池１２収容部１４燃料ガス用供給通路１６燃料ガス用排気通路１８酸化剤ガス用供給通路２０酸化剤ガス用排気通路３０、３１、３２、３３段部３４、３６、３８、４０通路

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】平板型固体電解質層の表裏面に燃料極と
空気極とを配置してなる平板型単電池と、前記平板型単
電池に各ガスを供給するガス給排気孔を有するセパレー
タとを交互に積層し、前記給排気孔を通して前記平板型
単電池に燃料ガス及び酸化剤ガスを分配して発電を行な
う固体電解質燃料電池において、前記セパレータは、第１セパレータと第２セパレータか
らなり、前記第１セパレータは、中央部に前記平板型単電池を収
容する収容部を有し、かつ該収容部を挟み燃料ガス供給
孔と燃料ガス排気孔、及び酸化剤ガス供給孔と酸化剤ガ
ス排気孔を前記収容部の周縁にそれぞれ対向させた状態
で該収容部の周縁に対して平行、かつほぼ同じ長さに形
成し、かつ前記燃料ガス供給孔および燃料ガス排気孔を
前記収容部の両端にそれぞれ開口させる通路を有し、前記第２セパレータは、前記燃料ガス供給孔、燃料ガス
排気孔、酸化剤ガス供給孔、酸化剤ガス排気孔をそれぞ
れ前記第１セパレータと同一に形成し、かつ該第２セパ
レータと前記第１セパレータとを積層したとき前記収容
部に対応する位置にガス導通溝を形成するとともに酸化
剤ガス供給孔と酸化剤ガス排気孔を前記ガス導通溝の両
端に開口させる通路を有して構成したことを特徴とする
固体電解質燃料電池。
【請求項２】前記第１セパレータの通路を前記収容部
の裏面に形成し、前記第２セパレータの通路を前記ガス
導通溝の裏面に形成したことを特徴とする請求項１に記
載の固体電解質燃料電池。
【請求項３】前記第１セパレータはセラミックで形成
し、前記第２セパレータを導電性合金で形成したことを
特徴とする請求項１また２に記載の固体電解質燃料電
池。
【請求項４】前記収容部と前記平板型単電池の間にガ
ラス製のシール材を設け、前記収容部と前記平板型単電
池の間における前記燃料ガスと前記酸化剤ガスとの混合
を防止したことを特徴とした請求項１〜３のいずれか１
項に記載の固体電解質燃料電池。
【請求項５】前記平板型単電池は、燃料極を支持体と
した支持膜式単電池であることを特徴とした請求項１〜
４のいずれか１項に記載の固体電解質燃料電池。