JPH03266365A - 固体電解質型燃料電池のセパレータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は固体電解質型燃料電池のセパレータに関し、
特に新発電技術の一環として開発中の平板形固体電解質
燃料電池の集電板として用いられる固体電解質型燃料電
池のセパレータに関するものである。

［従来の技術］ 平板形固体電解質型燃料電池は、よく知られているよう
に、平板状の固体電解質の一面に燃料電極を、他の面に
酸化剤電極（空気極ともいう）を形成した電池三層膜と
呼ばれる電池部材を積層し、各電池部材間に平板状のセ
パレータ（インターコネクタとも呼ばれる）を配備して
電気回路を構成した燃料電池発電設備である。

したかって、上述の平板形の固体電解質型燃料電池のセ
パレータは、燃料ガス（還元剤）と空気（酸化剤）の仕
切り壁であるとともに、燃料ガス及び空気をそれぞれ燃
料電極（負極となるもの）及び酸化剤電極（正極となる
もの）の表面に供給する通路を形成したガス流通手段を
有し、さらに各電極表面と通電用接触を行わせ、発生し
た電流の集電を行う集電板として機能するものである。

なお、上記のような構成のものでは、集電板という観点
からはセパレータをガス流通手段を有するバイポーラ板
ということもできる。

ガス流通手段を設けたセパレータの従来例としては、５
ＯＦＣ名古屋シンポジウム予稿集、１１月１３〜１４日
、　　１９８９　；　（Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ　ｏｆ
　５ＯＦＣ−ＮＡＧＯＹ＾；Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａ
ｌ　Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ　ｏｎ　５ｏｌｉｓ　０ｘｉｄ
ｅ　ＦｕｅｌＣｅｌｌ：Ｊａｐａｎ　Ｆｉｎｅ　Ｃｅｒ
ａｍｉｃｓ　Ｃｅｎｔｅｒ）に開示されたものがある。

第２図はこの文献の８５頁に記載された従来のガス流通
手段を有するセパレータを使用した固体電解質型燃料電
池のセル部分を原理的に示す模式斜視図である。図にお
いて、１はＹ２Ｏ３で安定化したＺ　ｒ　０２　　（ジ
ルコニア）からなる平板状の固体電解質、２はＮ　ｉ　
　Ｚ　ｒ　Ｏ２サーメツトからなる燃料電極（正極）、
３はＬ　ａ　Ｍ　ｎ　Ｏａ又はＩ　ｎ　　ＯＳ　ｒ　Ｏ
２からなる酸化剤電極（負極）３ であり、固体電解質１とこれをサンドイッチする燃料電
極２及び酸化剤電極３によって電池三層膜を一体的に形
成している。４，５は導電性酸化物又はＮｉ−Ｃｒ合金
からなるセパレータ（集電板）であり、セパレータ４の
ように電池の端板として用いられるとともに、電池三層
膜１０を積層するに当ってはセパレータ４，５を背中合
せにしたバイポーラセパレータ９として使用される。セ
パレータ４，５には燃料ガス７、空気８をガスの進行方
向に流通させる多数のそれぞれ溝６，６ａが設けられて
溝６，６ａの開放部がそれぞれ燃料電極２、酸化剤電極
３の電極表面にそれぞれのガスを供給する通路を確保す
るようになっている。なお溝によってガスの通路を形成
する代りに、点状の凸起を規則正しく配列してガス通路
を形成する方式も用いられている。

以上のように構成された固体電解質型燃料電池の動作・
原理はよく知られているのでその説明は省略する。

実際には、例えばセパレータ４は、第３図の平面図にみ
られるように全体を積層するためのフレーム１１内に組
込まれており、フレーム１１の燃料ガスの進行方向側に
はガス流入口１２とガス流出口１３が設けられて溝６と
ともにガス流通手段を構成している。これはセパレータ
５についても同様になっている。なお、溝６，６ａの外
側平坦部は積層時相対する電極面に当接するように形成
されている。

また、本発明と同一出願人による実願昭６３−１１４４
８２号では、第４図のセパレータ平面図にみられるよう
に、多数の点状の凸起１４を配列した例えばセパレータ
４を提案して、クツション性をもち導電効率のよいガス
流通手段を有するセパレータを提供している。

［発明が解決しようとする課題］ 上記のような従来の固体電解質型燃料電池のセパレータ
では、形成した溝状又は点状の凸起のある領域を燃料ガ
ス又は空気を流通させる場合には、第３図、第４図の図
中に記入したように、ガス流量の大きい場所と小さい場
所ができるように流れるという難点がある。すなわち、
ガスの流入口と流出口を結ぶ領域付近にガス密度が大き
くなり外側にゆくにつれて小さくなる。この現象は小さ
な面積の電池の場合には従来の方式でも電極表面に燃料
ガス又は空気が均一に配分されるので特に問題はないが
、実用規模の大面積の電池の場合には燃料ガス及び空気
が面内で上記のように不均一な分布となって流れるため
に電池反応が全面にわたって一様でなくなり、このため
電池性能及び熱応力分布の点から好ましくな（なる。以
下、現在までに上記の不均一を防止するために考えられ
ているいくつかのガス流通手段について、第５図〜第７
図を用いて、その構成と問題点について説明する。

第５図はフレーム１１の外側にマニホールドを設けた外
部マニホールドの場合を示す平面図であるが、ガス流入
口１２及びガス流出口１３を多数設けるか、図示のよう
に幅広としてやる必要がある。この場合は、燃料管、空
気管の各マニホールドを構成するに当って、その配置が
互に干渉したりして非常に複雑な構造となり、実用性に
乏しいものとなる。

第６図はフレーム１１の中にマニホールド１５．１５ａ
を設けて、ガス流入口１２を介してガス導入を行う内部
マニホールドの場合を示す平面図である。この場合に図
のように平行流（燃料Ｆと空気Ａを同一方向に流す方式
）の構造では空気、燃料通路を複数段けなければならず
、そうしたとしても、両通路はセパレータ４の表裏にガ
スを供給するために一つおきにしか配設できないので、
ガスの不均一性は残る。つまり、内部マニホールド構造
の場合はガス流入口を大きくできない構造となりやはり
実用上問題がある。

第７図は内部マニホールドで直交流（ｃｒｏｓｓｆｌｏ
ｗ）の場合を示す平面図であり、このようにガス流入口
１５．１５ａをフレーム１１の四辺に設けてやれば幅広
のガス流入孔１２等を採用できる。しかし直交流方式で
は反応の一様性が失われ面内で不均一な熱応力分布とな
るので作用しにくいという問題がある。

この発明は上記のような課題を解決するためになされた
もので、セパレータに設けた凸起の形状及び配置を改良
することにより供給管の数が少なく、簡単な構造で事足
り、かつガス流の均一性のよい固体電解質型燃料電池の
セパレータを提供することを目的とするものである。

［課題を解決するための手段］ この発明に係る固体電解質型燃料電池のセパレータは、
集電板として用いられ、かつ燃料及び空気のガス流通手
段を有するセパレータの表面にガス流入口とガス流出口
に連通ずる領域面内でガスの進行方向の寸法がガスの進
行方向に直角な方向の寸法より小さい土手状のガス分散
用凸起を設けたものである。

また、この発明の別の発明に係る固体電解質型燃料電池
のセパレータは、集電板として用いられ、かつ燃料及び
空気のガス流通手段を有するセパレータの表面にガス流
入口に近い領域に遠い領域より密に点状のガス分散用凸
起を設けたものであり、この場合、点状の分散用凸起の
代りにじゃま板状の分散用凸起としたものであってもよ
い。

［作用］ この発明のはじめの発明においては、セパレータの表面
に設けた凸起の形状をガスの進行方向より直角方向に長
い寸法の線状体としたから、このじゃま仮性を有する凸
起によってガスが横方向にそれる機会が大きくなるため
ガスの進行方向に対してガスが横方向へ分散されながら
進行するので、ガスがセパレータ面内で均一に配分され
電極面に均一な密度のガスが供給される。

また、もう一つの発明においては、同一形状の凸起をガ
ス流入口に近い領域では遠い領域より密に配置するよう
にして分散用凸起を設けたからセパレータのガス流通面
で入口側で強く分散されたのち、通常の比較的均一に配
置された凸起の間を進行するから、ガスはセパレータ面
で均一に配分され、均一な密度のガスか電極面に供給さ
れる。

［実施例］ 以下、この発−明の実施例を図面を用いて説明する。

第１図はこの発明によるセパレータを用いて組立てた固
体電解質型燃料電池の実施例の一般例を示す模式断面図
である。図においては、ガスの流通モードは平行流の場
合であり、電池は２単位セル分を１個のセパレータと２
個の端板用セパレータによって積層した場合について一
例として示したものである。また、第２図の従来例と同
−又は相当部分には、以下の図面による実施例の場合と
同様に、同じ符号を付し、説明を省略する。

第１図において、フレーム１１の内側に組込まれたセパ
レータ４、バイポーラセパレータ９の表面（バイポーラ
の場合裏面も含む）には実施例１゜２，３で説明する溝
に代る多数の点状又は線状の凸起又はガス分散用凸起２
１が設けられている。この凸起２１の先端（基部）は積
層されて電池のユニットが形成された場合、電池三層膜
１０の外側の電極に当接される高さに形成されて集電す
るようになっている。燃料ガス７及び空気８はフレーム
１１に設けたガス流入口１２より入り、凸起２１のすき
間を通って流通し反対側に設けたガス流出口１３より流
出して、電極表面にそれぞれの反応ガスを供給するよう
になっている。凸起２１は例えばよく知られた技術のエ
ツチングなどの加工などによりセパレータ４から所望の
形状と配置で形成される。したがって、一般にフレーム
１１もセパレータ４と同一材料で形成されたものとなる
。つまり、凸起２１、セパレータ４、フレーム１１は同
一材料の一体成形物である。　　　　　　　　　　ご。

実施例１； えばセパレータ４には、溝６（第２図）の代りにガスの
進行方向の寸法がガスの進行方向に直角な方向の寸法よ
り長い線状の凸起２２を設けたものである。凸起２２は
長さ方向の大きさはとくに規定しないで、ガス流入口１
２側からみて、所定の隙間があり又は互いちがいになる
ように比較的規則正しく配列したものとし、全体の凸起
２２が大小の差はあってもすべてじゃま板として機能す
るガス分散用凸起によって形成されたものである。すな
わち、ガス流入口１２より入ったガス（燃料又は空気）
はセパレータ４の中に記入した矢印のように凸起２２の
隙間を曲りながら進行するからこのガス分散により均一
なガスが配分されるようになる。このような電極２，３
の表面への均一な反応ガスの供給は、電極全面に渉って
均一な電池反応を進行させるから、反応面が局部的に陥
ることを防止し、電池性能を高めるとともに、熱応力分
布も均一となり電池の運転に支障を来さないようになる
。

実施例２； 第９図は実施例１とは別の発明による実施例セパレータ
を示す平面図である。図において凸起２３はすべて従来
方式の点状パターンのものを使用し、セパレータ４にお
いて大部分の領域はＡに示したような通常の距離・間隔
をもつ通常の配置とするが、ガス流入口１２側に近い上
流側の領域にはＢに示すようにＡの部分より密なガス分
散用の凸起２３を配設してガス通路を形成したものであ
る。ガスの進行する矢印の記入は省略したが、このよう
な凸起２３の配置によって、Ｂの部分で著るしいガスの
分散が行われたのちにＡの部分を進行するから、実施例
１の場合と同様に電極表面には均一なガス配分が達成さ
れる。なお、Ｂの部分の凸起２３の分布密度は、Ｂの部
分の大きさにもよるが、Ａの部分の２〜３倍位が好まし
いが、Ｂの部分のＡの部分に対する面積比は限定されな
いものとする。

実施例３； 実施例２に示した上流側の密に配置した点状の分散用凸
起の代りに、じゃま板状のガス分散用凸起を配置した二
つのセパレータの実施例を第１Ｏ図、第１１図に示す。

まず、第１０図の実施例に示したセパレータ構造は、大
部分の面領域において第９図で示したＡの部分と同様な
点状の凸起２３を配し、ガス上流側にじゃま板状のくの
字曲線状のガス分散用凸起２４を複数個、例えば互い違
いに配設したものである。

この場合、図示のようにじゃま板状の凸起２４はガスの
進行方向にほぼ直角に配置するのが好ましく、この構成
によって、実施例１．２と同様なガス分散を行わせ、電
極面に均一なガス配分を達成したものである。なお、第
１０図ではじゃま板をくの字状としているが実施例１の
ように直線状のものであっても差支えない。また、じゃ
ま板の間に点状凸起２３が存在していても機能上問題は
ない。

第１１図は上記Ａの部分には第３図の従来例に示したと
同様な溝状の凸起２５を配し、ガス上流側にじゃま板状
のガス分散用凸起２４を配設した実施例である。この構
成の場合も第１０図の実施例と同様に、電極面への均一
なガス配分が達成される。

以上本発明を実施例にもとづいて具体的に説明したが、
この発明は上記実施例に限定されず、その要旨を逸脱し
ない範囲で種々変更可能である。

［発明の効果コ 以上のようにこの発明によれば、固体電解質型燃料電池
のセパレータ表面に燃料及び空気を電極表面に均一に分
配するための凸起を設け、その凸起をガスの進行方向に
対して横長のものを前面に配したり、ガスの上流側の凸
起を密に分布させたり、密に分布させる代りにじゃま板
状のものとするなどして、その形状及び配置を改良した
ものとしたので、燃料及び空気が電極表面に均一に分散
されるようになった。このため、電池全体の性能が向上
し、電池面内の熱応力分布が均一化して電池の寿命・強
度を向上せしめるとともに、ガスの供給口の数を減らす
ことができ、さらに供給口を小口径とすることができる
など、電池の性能・構成上の改良を達成することができ
た。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明によるセパレータを用いて組立てた固
体電解質型燃料電池の一般実施例を示す模式断面図、第
２図は従来の固体電解質型燃料電池のセル構造を原理的
に示す模式斜視図、第３図。 第４図は従来のセパレータの凸起構成を示す平面図、第
５図、第６図、第７図は従来のセパレータの凸起構成に
おける問題点を説明する平面図、第８図は請求項１の発
明によるセパレータの模式平面図、第９図は請求項２の
発明によるセパレータの模式平面図、第１０図、第１１
図は請求項３の発明によるじゃま板を有するセパレータ
の模式平面図である。 図において、１は固体電解質、２は燃料電極、３は酸化
剤電極、４，５はセパレータ、６，６ａは溝、７は燃料
ガス、８は空気、９はバイポーラセパレータ、１０は電
池三層膜、１１はセパレータのフレーム、１２はガス流
入口、１３はガス流出口、１４は点状凸起、１５．１５
ａはマニホールド、２１は凸起、２２は線状の凸起、２
３は点状の凸起、２４はじゃま板状の凸起である。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）固体電解質とこれをサンドイッチする２つの電極
   とからなる電池三層膜の両面に集電板として配設され、
   上記電極の表面に燃料ガス及び空気を供給するガス流通
   手段を有する固体電解質型燃料電池のセパレータにおい
   て、 このセパレータの表面に上記電極表面に当接するように
   設けられ、上記ガス流通手段のガス流入口とガス流出口
   に連通する領域面にガスの進行方向の寸法がこのガスの
   進行方向に直角な方向の寸法より小さい線状のガス分散
   用凸起を設けたことを特徴とする固体電解質型燃料電池
   のセパレータ。
2. （２）固体電解質とこれをサンドイッチする２つの電極
   とからなる電池三層膜の両面に集電板として配設され、
   上記電極の表面に燃料ガス及び空気を供給するガス流通
   手段を有する固体電解質型燃料電池のセパレータにおい
   て、 このセパレータの表面に上記電極表面に当接するように
   設けられ、上記ガス流通手段のガス流入口に近い領域に
   遠い領域より密に点状のガス分散用凸起を設けたことを
   特徴とする固体電解質型燃料電池のセパレータ。
3. （３）点状のガス分散用凸起を密に設ける代りに、じゃ
   ま板状のガス分散用凸起をガス流入口に近い領域に設け
   たことを特徴とする請求項２記載の固体電解質型燃料電
   池のセパレータ。