JPH04237962A - 平板型固体電解質燃料電池 - Google Patents

平板型固体電解質燃料電池

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JPH04237962A
JPH04237962A JP3004273A JP427391A JPH04237962A JP H04237962 A JPH04237962 A JP H04237962A JP 3004273 A JP3004273 A JP 3004273A JP 427391 A JP427391 A JP 427391A JP H04237962 A JPH04237962 A JP H04237962A
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昇 谷口
Junji Niikura
順二 新倉
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一仁 羽藤
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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】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、平板型固体電解質燃料
電池に関し、特に縦型積層のものに関する。
【０００２】
【従来の技術】固体電解質型燃料電池は、他の燃料電池
に比べ、液漏れ、液補充などの問題がなくメンテナンス
フリーであるなどの特徴を有している。また固体電解質
型燃料電池は、電解質の特性に依存して２００℃以下で
作動する低温型タイプと、１０００℃程度で作動する高
温型タイプとがある。高温型の燃料電池は、エネルギー
変換効率が高く、良質の排熱を利用することもできコジ
ェネレーションシステムとして有望なエネルギー変換機
である。更に、無触媒、燃料ガスの多様性があるなど優
れた特徴を持っている。
【０００３】このような燃料電池から大電力を得るため
に、普通単電池を積層あるいは、スタックを構成する。 ところが電池本体の作動温度が１０００℃付近であるの
で、電池の電極から、スタック構造材料に至るまで一般
に酸化物（セラミックス）が用いられ、積層化、スタッ
ク化には使用材料による制約が余儀なくされている。現
在、これら酸化物の製造ならびに加工性の観点から、幾
つか単電池の形状・構造と、その積層法、スタック法が
考えられている。
【０００４】単電池本体の形状・構造は、円筒型と、平
板型に大別される。円筒型は更に、円筒一つが単電池の
ものと、円筒の上で複数の単電池によって構成されてい
るものとに分類される。そしてこのような円筒型のタイ
プでは、バンドル形式（ウエスティングハウス社）など
のスタック法が試みられている。また平板型では、Ｚ−
ｔｅｃ社などがセラミック材料で積層を行なっている。 円筒型でも、平板型でもないモノリシック型というタイ
プも提案されており、実際にスタックテストが検討され
ている。
【０００５】一方電池構成材料は、電解質にＹＳＺ（イ
ットリア安定化ジルコニア）が、電極（空気極）材料と
して、Ｌａ−Ｃｏ系，Ｌａ−Ｃｒ系，Ｌａ−Ｍｎ系の酸
化物、さらに、燃料極には、セラミックス（ジルコニア
）と金属（Ｎｉ）を混合化したサーメットが一般に用い
られている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら前記固体
電解質燃料電池の従来の構造や材料あるいは加工法では
、基本的に酸化物材料の取扱いが必要であり、性能面や
、信頼性の点で課題が残っている。つまり円筒型の形状
のものは、性能的に平板型に劣り、高効率な発電を目指
すには平板型のタイプを開発する必要がある。また、モ
ノリシック型のタイプでは、円筒型と同様発電効率の点
、製造性（工程が多様にわたり、製造が複雑）の点で、
改善の余地が残されている。発電効率が最も期待できる
平板型では、単電池として、大面積化を行なうことによ
り高出力を取り出すことは可能であるが、積層化が非常
に困難であった。単電池間のインターコネクターの問題
と、燃料ガス、酸化剤ガス間の隔壁の問題、あるいはシ
ール性の問題などある。しかし最も大きな課題は、酸化
物材料の加工性、信頼性の点、酸化物電極や伝導体の性
能の点であった。
【０００７】また大面積平板型では、一方からのガス供
給では、入口側と出口側ではガス濃度に違いがあり、充
分なガス分配が行なわれていなかった。本発明はこのよ
うな課題を解決するもので、大容量電力を効率よく、か
つ安定に発電させ、また信頼性を大幅に向上することを
目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明の平板型固体電解
質燃料電池は、上記課題に鑑み、固体電解質と燃料極と
空気極を具備した平板型単電池を金属バイポーラ板をガ
ス隔壁として用いて縦型積層し、望ましくは前記金属バ
イポーラ板に、燃料ガス、酸化剤ガスがそれぞれ均等に
ガス拡散電極に供給されるように溝を設定することによ
り、また電池に発泡状金属もしくは合金を集電体として
用いることにより平板型固体電解質燃料電池を作製、組
み立て、更に平板型電池において燃料ガスならびに酸化
剤ガスを向かい合う方向に供給し、排出ガスと供給ガス
を互いに直行する方向に流すものである。
【０００９】
【作用】この構成により本発明の平板型固体電解質燃料
電池は、平板型固体電解質単電池を金属バイポーラ板を
用い縦型積層とし、電解質とシール剤以外は全べて金属
で構成することにより、大容量電力を効率よくかつ安定
に発電させ、また信頼性を大幅に向上することとなる。 更にリブと溝を設けた金属バイポーラ板を用いることに
より、ガス気密性を高く保持し、ガスの流れを良好にす
るとともに、ガスが電極の隅々まで拡散することとなる
。
【００１０】
【実施例】以下本発明の一実施例の平板型固体電解質燃
料電池について図面に基づいて説明する。
【００１１】本実施例による燃料電池の４（ｎ＋１）構
造（ただしｎは自然数）を図１に示す。ニッケルを主体
とした燃料極１、空気極２および固体電解質３からなる
単電池Ａ（１００ｃｍ２の正８角形）と、集電体４、金
属バイポーラ板５、ガスシール剤６、マニホールド７と
から構成され、燃料ガスとして水素ガス９９％、水蒸気
１％の組成の混合ガスを、酸化剤ガスとして空気を用い
、それぞれのガスを１０００ｃｃ／ｍｉｎ．の流量で供
給した。Ｆ１は燃料ガスの入口、Ｆ２は燃料ガスの出口
、Ｅ１は酸化剤ガスの入口、Ｅ２は酸化剤ガスの出口で
あるバイポーラ板５と、単電池Ａ、およびマニホールド
７とのガスパッキンには、ガラスを主成分とするガスシ
ール剤６を用いた。また実施例で用いた周縁部の各辺に
一つおきに上向きと下向きのリブ５ａを設けた金属バイ
ポーラ板５の構造を図２（ａ）に示す。マニホールド７
は、それぞれのガスが向かい合う方向に供給され、供給
ガスと排出ガスは互いに直行する方向になるように構成
している。以下に、本実施例の詳しい事例を説明する。
【００１２】（実施例１）本実施例は、平板型単電池を
金属バイポーラ板５を用いて５セル積層した事例である
。本実施例では、固体電解質に混合伝導体である（化１
）で示される物質の正８角形平板を、また燃料極１とし
てＮｉサーメット、空気極２として（化２）で示される
物質を固体電解質３に蒸着して単電池Ａを構成した。
【００１３】
【化１】
【００１４】
【化２】
【００１５】また集電体４としてＳＵＳメッシュを用い
、金属バイポーラ板５とのシールにはガラスを用いた。 金属バイポーラ板５、マニホールド７は、図１，図２に
示す形状で、ＳＵＳ３０４で作製した。
【００１６】この単電池Ａを５セル積み上げ、温度を８
５０℃に保つように電池本体を断熱し、電力を取り出し
た。なお起動時の昇温にはプレナー型ヒーターを用い、
一旦１０００℃に昇温してガラスシールを溶融させた後
作動温度にもどした。Ｉ−Ｖ特性の結果を、図３に示す
。５０Ａで放電させたとき電圧は１．５Ｖであった。 また最大出力は、８２Ｗを記録し、単位面積当たりの電
力は０．１６４Ｗ／ｃｍ２であった。この結果は、８５
０℃における単電池試験での性能０．１８Ｗ／ｃｍ２と
ほぼ同程度の性能を示しており、金属バイポーラ板５を
用いた縦型積層電池が、性能よくかつ安定に作動してい
ることがわかった。また、電解質３とシール剤６以外は
全て金属で構成されているので、従来の酸化物で構成さ
れているスタックに比べ著しく信頼性が向上しているこ
とが分かる。また、図２（ａ）に示すリブ５ａを設けた
バイポーラ板５によってガス流れも良好であったことが
、解体試験の結果分かった。リブ５ａを設けたバイポー
ラ板５を用いることにより、ガス気密性が高く保持され
、その結果、ガス流れが良好になったと考えられる。 この結果からも明らかなように、バイポーラ板５にリブ
５ａを設けることにより、燃料電池の性能を向上するこ
とが分かった。
【００１７】（実施例２）　まず上記実施例１の電池を
解体し、低出力であった最下部の電池ユニットを詳しく
調べた。その結果、最下部の電極では、ＳＵＳメッシュ
が電極にめり込んでおり、ガスの窒息や、充分なガス拡
散が行なわれていなかった様子であった。また固体電解
質板にもメッシュの凸部でひびが入っていた。そこで本
実施例では、積層電池の材料、作製法、および形状は、
集電体４と金属バイポーラ板５を除いて全て前記実施例
１と同様である。本実施例では、集電体４に厚さ１ｍｍ
の発泡状Ｎｉ（孔径０．２〜０．３ｍｍ）を用い、更に
金属バイポーラ板５の表面に溝５ｂを設けてガスが電極
の隅々まで拡散するようにした。用いたリブ５ａと溝５
ｂを設けた金属バイポーラ板５の構造を図２（ｂ）に示
す。
【００１８】前記の実施例１と同様にガスを供給し、電
力を取り出した。その結果を図４に示す。明らかに性能
が向上しており、５０Ａで放電させたとき電圧は、１．
８Ｖであり、最大出力は、８８Ｗを記録した。この時の
単位面積当たりの電力は０．１７６Ｗ／ｃｍ２であった
。この結果は、８５０℃における単電池試験での性能０
．１８Ｗ／ｃｍ２とほぼ同程度の性能を示しており、リ
ブ５ａと溝５ｂを設けた金属バイポーラ板５を用いた縦
型積層電池は、性能よくかつ安定に作動していることが
わかった。もちろん、固体電解質３とシール剤６以外は
全て金属で構成されているので、従来の酸化物材料で構
成されているスタックに比べ著しく信頼性が向上してい
ることが分かる。本実施例でもわかるように、作製工程
も簡便かつ時間短縮されており、更に、大面積化、量産
化にも適していることがわかる。
【００１９】以上、本実施例では、５セル縦型積層につ
いて述べているが、積層数あるいは電極面積は規定する
限りではないし、固体電解質、電極の材料もどんなもの
でもよい。また、本実施例では、図２に示すリブ５ａと
溝５ｂを設けた金属バイポーラ板５を用いているが、板
の形状、ガス拡散溝のデザイン、材質は、本実施例で規
定するところではない。実施例２では、集電体４に、厚
さ１ｍｍの発泡状Ｎｉ（孔径０．２〜０．３ｍｍ）を用
いているが、厚さ、孔径はいくらであってもよいし、材
質も望ましくはＮｉを含む金属あるいは合金であってど
のようなものを用いてもよい。また本実施例では、ガス
を外部マニホールド型のマニホールド７を用いて互いに
直行方向に供給している事例を示しているが、ガス流れ
が直行する方向から供給する方式であれば、内部マニホ
ールド型でもよい。もちろんシール剤６、スタック構成
剤などどのようなものを用いてもよい。
【００２０】なお、本実施例では固体電解質の作製に、
蒸着法を用いているが、固体電解質の作製法はどのよう
な手法を用いてもよいし、電池の起動、あるいは作動法
において、実施例では１０００℃まで昇温の後８５０℃
で電池作動の方式をとっているが、起動法、作動温度は
、金属バイポーラ板５が耐える温度であればどのような
方式を採ってもよい。
【００２１】なお、上記実施例では、金属バイポーラ板
５の形状を８角形の例を示したが、１２角形、１６角形
でももちろん良い。燃料、酸化剤両方の供給ガスが向か
い合う例を示したが、どちらか片方のガスだけでも向か
い合っていても良いし、また排出ガスが互いに直角方向
に流れているだけでも良い。
【００２２】
【発明の効果】以上の実施例の説明で明らかなように本
発明の平板型固体電解質燃料電池は、固体電解質と燃料
極と空気極からなる平板型単電池をリブと溝を設けた金
属バイポーラ板をガス隔壁として用い縦型積層し、また
電池に発泡状金属もしくは合金を集電体として用いるこ
とにより平板型固体電解質燃料電池を作製、組み立て、
更に積層電池において燃料ガスと酸化剤ガスとを互いに
直行する方向に供給することにより、大容量電力を効率
よくかつ安定に発電させ、また信頼性を大幅に上げるこ
とができた。更に製造工程を簡便にでき、作製コストを
大幅に下げることができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明の一実施例の平板型固体電解質
燃料電池の構成の概念を示す斜視図 （ｂ）は平板型固体電解質燃料電池の構成の概念を示す
断面図
【図２】（ａ）はリブを設け金属バイポーラ板の構成の
概念を示す斜視図 （ｂ）はリブと溝を設けた金属バイポーラ板の構成の概
念を示す斜視図
【図３】実施例１での平板型固体電解質燃料電池のＩ−
Ｖ特性を示すグラフ
【図４】実施例２での平板型固体電解質燃料電池のＩ−
Ｖ特性を示すグラフ
【符号の説明】
１　　燃料極 ２　　空気極 ３　　固体電解質 ５　　金属バイポーラ板 Ａ　　単電池

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】一対のガス拡散電極間に、固体電解質を配
    置し、それぞれの電極に燃料ガス、酸化剤ガスを供給し
    て、電力を取り出す燃料電池において、前記固体電解質
    と燃料極と空気極からなる平板型単電池を金属バイポー
    ラ板をガス隔壁として用い縦型積層する平板型固体電解
    質燃料電池。
  2. 【請求項２】金属バイポーラ板は、４（ｎ＋１）（ただ
    しｎは自然数）をみたす正多角形である請求項１記載の
    平板型固体電解質燃料電池。
  3. 【請求項３】金属バイポーラ板は、燃料ガス、酸化剤ガ
    スがそれぞれ均等にガス拡散電極に供給されるように、
    溝を設けた請求項１記載の平板型固体電解質燃料電池。
  4. 【請求項４】金属バイポーラ板は、燃料ガス、酸化剤ガ
    スがそれぞれ均等にガス拡散電極に供給されるように、
    リブを設けた請求項１記載の平板型固体電解質燃料電池
    。
  5. 【請求項５】一対のガス拡散電極間に、固体電解質を配
    設し、それぞれの電極に燃料ガス、酸化剤ガスを供給し
    て、電力を取り出す燃料電池において、前記固体電解質
    と燃料極と空気極からなる平板型単電池に、発泡状金属
    もしくは合金を集電体として用いて縦型積層する平板型
    固体電解質燃料電池。
  6. 【請求項６】発泡状金属もしくは合金は、少なくともニ
    ッケルを含む請求項５記載の平板型固体電解質燃料電池
    。
  7. 【請求項７】一対のガス拡散電極間に、固体電解質を配
    設し、それぞれ電極に燃料ガス、酸化剤ガスを供給して
    、電力を取り出す燃料電池において、前記固体電解質と
    燃料極と空気極からなる平板型単電池に前記燃料ガスな
    らびに前記酸化剤ガスを向かい合う方向に供給すること
    と、排出ガスと供給ガスが互いに直行する方向である平
    板型固体電解質燃料電池。
JP3004273A 1991-01-18 1991-01-18 平板型固体電解質燃料電池 Pending JPH04237962A (ja)

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US07/820,509 US5288562A (en) 1991-01-18 1992-01-14 Solid electrolyte fuel cell
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EP92100743A EP0495512B1 (en) 1991-01-18 1992-01-17 A solid electrolyte fuel cell

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