JPH11233127A - 円盤積層固体電解質型燃料電池 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】単位面積当りの出力密度を向上させることがで
きる円盤積層固体電解質型燃料電池の提供 【解決手段】円盤状固体電解質の片面に正電極物質を配
置し、他面に負電極物質を配置した単電池を、中心に設
けたガス供給部と、これと連通し外周部において開口す
る拡散通路を備えた燃料ガス及び酸化剤ガス拡散通路を
有するインターコネク夕により挟んで円盤状セパレータ
を介して上蓋と下蓋間に積層する円盤積層固体電解質型
燃料電池において、インターコネクタを８０％以上の気
孔率の発泡体ないしフエルト体とし、積層体の中心部に
は前記正電極側のインターコネクタのガス供給部に連通
する燃料ガス供給路と、負電極側のインターコネクタの
ガス供給部にそれぞれ連通する酸化剤ガス供給路とを設
け、燃料ガス供給路及び酸化剤ガス供給路は、それぞれ
円周方向にジグザグ状に進行する複数の拡散通路を有す
るものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は円盤積層固体電解質
型燃料電池に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池は発電効率が高いばかりでなく
熱電併給が可能であり、しかも負荷変動に対する応答が
柔軟であることから、重要な発電技術として期待されて
いる。これに加えて有害排ガスの発生が極めて少ないこ
と、将来システムの小型化が予想されるため、従来の電
力供給方式即ち電力消費地から遠く離れた場所に設置さ
れて大きな送電ロスの生ずるのを避け得ない、現今の発
電方式に代りうる新しい分散型電源としても期待されて
いる。ところで、燃料電池として例えば第1図に示す分
解斜視図と、第2図に示す組立断面図の如き構成をも
つ、円盤積層固体電解質型燃料電池が提案されている。
この電池は第1図のように固体電解質（1a）と、その両
円盤面に設けた多孔性電極構成材による正電極（1b）と
負電極（1c）よりなる所要複数個の単電池、例えば第
1、第2単電池（1A），（1B）と、セパレータ（2）、第
1，第2，第3，第4のインターコネクタ（3A）（3B）（3
C）（3D）、上蓋（4）と下蓋（5）、供給口（6a）を有
する燃料供給パイプ（6）と燃料排出口（7a）を有する
燃料排法パイプ（7）、供給口（8a）を有する酸化剤
（酸素または空気）供給パイプ（8）と、排出口（9a）
を有する酸化剤排出パイプ（9）とからなる。そして、
第2図（ａ）に示す第1図のA−A’部断面組立図のよう
に、下蓋（5）、第4インターコネクタ（3D）、第２単電
池（1B）、第3インターコネクタ（3C）、セパレータ
（2）、第2インターコネクタ（3B）、第1単電池（1
A）、第1インターコネクタ（3A）、上蓋（4）の順序で
積層する。このようにして、燃料供給口（6a）と燃料排
出口（7a）が、第2インターコネクタ（3B）によって単
電池（1A）とセパレータ（2）間に形成される内部空間A
と、第4インターコネクタ（3Ｄ）によって第2単電池（1
B）と下蓋（5）間に形成される内部空間Bにそれぞれ開
口するように、各構成材との間をガスシール（１0）し
ながら燃料供給パイプ（6）と燃料排出パイプ（7）と
を、第1図のように各構成材の周辺に近い対向する2箇所
にそれぞれ設けた貫通孔（4a）（3a）（1d）（2a）（3
c）（1d）に差し込む。また第2図（b）に示す第1図のB
−B’部断面組立図のように酸化剤供給口（8a）と排出
口（9a）とが第3インターコネクク（3c）によって、セ
パレータ（2）と単電池（1B）間に形成される内部空間
A’と第1インターコネクタ（3A）及び第1単電池（1A）
によって形成される内部空間B’にそれぞれ開口するよ
うに、各構成材との間をガスシール（１0）しながら、
酸化剤供給及び排出パイプ（8）（9）を、第1図に示す
ように燃料供給及び排出パイプ（6）（7）の各貫通孔と
直角な位置に設けた貫通孔（5a’）（3d’）（1d’）
（2a’）（3d’）（1d’）に差し込み、最後に積層され
た各構成材の隙間から燃料及び空気が各構成材聞から漏
れないように外周面をガスシール（１0）して横成され
る。そして第3図に示す発電原理図のようにパイプ（6）
（7）により燃料となる例えば水素H２を供給し、またパ
イプ（8）（9）により酸化剤である例えば空気を供給し
て、第1，第3インターコネクタ（3A）（3C）を介して単
電池（1A）の正電極（1b）と単電池（1B）の負電極（1
C）間に接続された負荷Rに電力を供給する。この円盤積
層固体電解質型燃料電池は固体のみで形成されており、
他の形式であるリン酸型燃料電池、更には溶融塩型燃料
電池のように液体電解質を扱う不利がなく、しかも使用
温度が８００〜１０００℃と高温であることから高発電
効率が期待できる。これに加えてスチームタービン等に
よるポトミングサイクルの付設や熱電併給にも有利であ
る。また更にこの円盤積層固体電解質型燃料電池では前
記第2図（ａ）（ｂ）によって明らかなように、電流が
正負電極（1b）（1c）と固体電解質（1a）の盤面と直角
な方向に流れるため、内部抵抗は、ほぼ構成材料の厚み
によってのみ左右される。しかもこの形式のものは原理
上構成材料の厚みを薄くできるのみでなく、単位面積当
りの電極面積の増大が容易であるので、単位面積当りの
出力密度を向上でき、しかも円盤構造をとっていること
から大量生産に適するドクタープレード法や、その他の
湿式法を単電池などを生産に採用でき、製造コストの低
下を図りうるなどの各種の利点がある。また更にこの円
盤積層固体電解質型燃料電池によれば、固体電解質型燃
料電池の基本型として知られている円筒型燃料電池のも
つ諸問題を解決しうるすぐれた効果をもつ。即ち円筒型
燃料電池（ll）は第4図に示す斜視図のように、多孔質
チューブ（11a）の上に負電極（11b）、電解質（11
c）、正電極（11d）、インターコネクタ（11e）の順序
で構成材を積層して単電池またはその集合体を構成し
て、燃料と酸化剤をチューブ（11a）の内と外に流して
発電するものであるが、この型式の燃料電池は次のよう
な諸問題をもつ。即ち第4図中の矢印のように電流が電
極面に沿って横方向（周方向）に流れるため電流通路が
長くなって内部抵抗が大きい、円筒型では出力密度を大
きくしようとする場合、できうる限り長い円チューブを
必要とするが、製造上その長さと細さには限界があるた
め出力密度の増大には限度がある、円筒型では円筒状の
チューブに電解質や電極その他を積層する必要がある
か、低コストのドクタープレード法などによる積層法で
は電解質などのひび割れを生じ易いため、製造コストの
高い気相法を採用せざるを得ないなどの諸問題がある。
しかし、これらの問題点は前記したように電流との方向
が単電池などの盤面と直角である、厚みを薄くすること
が容易であって電極面積の増大が容易であるなどの各種
の利点をもつ円盤積層構造によって一挙に解消される。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしその一方円盤積
層固体電解質型燃料電池にも弱点がある。即ち燃料及び
酸化剤の供給がそれぞれ円盤の外周の2点間において行
われてガスが供給口から排出口に短絡的に流れ易いた
め、燃料及び酸化剤の流れが電池面において均一になり
にくく電極面積の有効利用を図りにくい。このため単電
池の面積を大きくしても単位面積当りの出力密度の向上
が充分ではない。また層状のインターコネクタを用いて
いるため集電距離の短縮が充分ではなく内部抵抗の低下
が充分ではない。また更に構成材が円盤状であるため原
理的には面積の増大が容易であるが、増大と共に機械的
強度が低下するため、この点で大容量の電池の実現が難
しい。また動作温度が1000℃前後の高温であるため、熱
バランスがとりにくく、熱バランスを得るためには供給
ガスを加熱装置を用いて1000℃前後に加温して供給する
必要があるが、このような高温加熱は現在の技術では大
きな困難を伴い実用が難しいなどの諸問題がある。 従
って円盤積層固体電解質型燃料電池は前記のような数多
い利点をもちながら、従来殆ど積極的な研究開発が行わ
れることなく現在に到っている。

【０００４】本発明は前記した円盤積層固体電解質型燃
料電池の数多くの利点を最大限に生かしながら、上記の
諸問題点の解決を図って、製作面においても性能面にお
いても従来のものにまさる燃料電池を提供し、電力供給
源としての実用化を促進しうるようにしたものである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明の特徴とするとこ
ろは第1図によって前記した環状のインターコネクタに
代えて、第6図に示すように中心のガス供給部（12a）
と、これに連通し外周部において開口する供給されたガ
スが十分に電極表面に供給されるように、ジグザグ状拡
散通路（12b）を備え、気孔率の高い材質で作られたイ
ンターコネクタを用いると同時に、中心のガス拡散空間
部（12a）に燃料または酸化剤が供給されるようにした
点にある。

【０００６】

【発明の実施の形態】そして、これにより単電池
（1）の電極（1b）（1c）の広い面積において集電しう
るようにして、電流経路の短縮を図って内部技抗の充分
な低下を図る。単電池の強度補強体となりうるように
して単電池の機械的強度の増大を図るようにして電極面
積の増大の容易化を実現すると同時に製作保守を容易と
する。ジグザグ状拡散通路（12b）にジグザグ状にガ
スが流れて燃料などの良い拡散体として作用するように
して、ガスの流れの均一化を大きく促進し電極面積の有
効な利用を図りうるようにして、発電効率を向上させる
ようにしたものである。

【０００７】また、更に燃料及び酸化剤の供給と排出
を、第２図により前記したように単電池（1）の周辺部
に近い対向した離れた2点において行うことなく、例え
ば第7図の断面組立図のように単電池（1）その他の構成
材の中心に設けたパイプ（03）により、第5図で前記し
たようにインターコネクタ（１2）のガス供給部（１
２）において行うようにし、かつ供給ガスの濃度が単電
池（1）の外周方向に向かうに伴い希薄となったのち外
界に排出されるように拡散通路（12b）の長さや幅，形
状などを考慮した点にある。そして、これにより単電
池（1）の中心部の燃料濃度が高くなるようにして発電
性能の向上を図ると同時に、燃料及び空気がインターコ
ネク（１２）の拡散通路（12b）を通過する間に殆ど消
費されるようにして、燃料の利用率への影響が殆どな
く、しかも外周からの放出ガスの燃焼による温度上昇が
殆ど問題にならないようにして、所謂外側ガスシールレ
ス構造としたものである。即ちガスシールを、中心に設
けた燃料及び酸化剤供給パイプ（１３）と、単電池
（1）とその他の構成材間のみに限定できるようにし
て、従来のような外周を含むほぼ完全なシールの必要を
なくして製造を著しく容易としたものである。またガス
シール材（１０）よる各構成機の連結固定に当たって、
各構成材の熱膨張係数の差にもとづくトラブルを少なく
して、構成材の使用の自由度を大きくしたものである。

【０００８】また更に中心部からの燃料及び空気の供
給システムにより、その供給ガス温度の低下を図って、
従来のように加熱装置により約１０００℃の動作温度ま
で加熱供給する困難の解決を図り、実用化を大きく前進
した点にある。即ち本発明のように発電部の中心から外
周に向けて燃料及び酸化剤を流してガス濃度が中心にお
いて高く、外周方向に行くに伴い希薄となるようにすれ
ば、温度は中心か最も高く外周方向に行くに伴い低い分
布となり、中心部の温度は1000℃以上の高温となる。従
って熱バランスを保つためには何等かの対策が必要とな
る。本発明では欠点とも云える上記の点を逆用して、濃
度差にもとづくジュール熱により燃料及び酸化剤を加熱
するようにして、実用化の困難な高温供給を回避できる
ようにしたものである。このようにして、円盤積層固体
電解質型燃料電池のもつ諸問題点の解決を因って、その
実用化を促進しうるようにしたものである。次に本発明
の実施例について説明する。

【０００９】

【実施例】第5図、第6図、第７図は、本発明の一実施例
図を示し、このうち第5図は分解斜視図、第6図はインタ
ーコネクタの平面図、第7図（a），（ｂ）は燃料及び酸
化剤供給パイプの断面図、第8図は断面組立図であっ
て、第1図、第2図と同一符号部分は同等部分を示す。第
5図において（1A）（1B）は単電池、（1a）はその固体
電解質であって、別えばイットリア安定化ジルコニアや
イットリア部分安定化ジルコニアなどにより作られる。
（1b）は正電極であって、例えばストロンチウムまたは
マグネシウムをドープしたランタンマンガネートにより
作られる．（1c）は負電極であって、例えばニッケルジ
ルコニアサーメットにより作られる。そして、この単電
池（1A）（1B）の中心には、同一径をもつ長円状のパイ
プ貫通孔（1d）を備える。（2）はセパレータであっ
て、ストロンチウムまたはマグネシウムをドープしたラ
ンタアンクロマイト、もしくはインコネル等のニッケル
クロム合金によって作られ、その中心には前記単電池
（1A）（1B）のパイプ貫通孔と同一大きさ形状の長円状
のパイプ貫通孔（2a）を有する。（12A）（12B）（12
C）（12Ｄ）は本究明の要部である第1，第2，第3，第4
のインターコネクタであって、例えばセパレータ（2）
と同一材料で作られ、そのそれぞれの中心には第6図を
用いて前記したように単電池のパイプ貫通孔の径より大
きい円形のガス供給部（12a）とそれぞれ同じ通路長を
もったジグザグ状拡散通路（12b）をもち、ガス供給部
（12a）と外周とを接続する。（4）は上蓋、（5）は下
蓋であって、その中心には前記単電池に設けたパイプ貫
通孔と同一寸法の長円状のパイプ貫通孔（4a）と（5a）
を有する。

【００１０】次に、（１３）は燃料と酸化剤の供給パイ
プであって、ここには上端が閉塞の燃料供給流路（13
a）と、下端が閉塞された空気供給流路（13b）とを有す
る。また燃料供給流路（13a）には第7図（a）（b）に示
すパイプの断面図のように燃料の供給空間の間隔に応じ
た間隔をおいてパイプ（１３）を貫通するように設け
た、1乃至放射状に設けた複数個の燃料供給口（13al）
を有し、空気供給流路（13b）には空気の供給空間め間
隔に応じた間隔をおいて、パイプ（１3）を貫通して設
けた1乃至放射状に設けた空気供給路（13bl）を有す
る。

【００１１】そして、以上の各部は次のように組立られ
る。先ず下蓋（5）の長円状貫通孔（5a）内に供給パイ
プ（１３）を挿通して、第8図のように下蓋（5）とパイ
プ（１３）間をニッケル合金などのシール材にガスシー
ル（１０）したのち、パイプ（１３）に第4インターコ
ネクタ（12D）をその中心のガス供給部（12a）を差込ん
で重ね合わせて、併給パイプ（１３）の燃料供給路（13
a）が、第8図のように第4インターコネクタ（12D）のガ
ス供給部（12a）部分に開口するようにする。次にパイ
プ貫通孔（1d）をパイプ（１3）に差込むことにより、
第4インターコネクタ（12 Ｄ）上に第2単電池（1B）を
重ね合わせたのち、ガス供給部（12a）をパイプ（１
３）に差込んで、第3インターコネクタ（12C）を第2単
電池（1B）上に重ね合わせる。そしてパイプ（１３）と
第2単電池（1B）間をガスシール（１３）し、かつ、こ
の第3インターコネクタ（12C）のガス洪給部（12a）に
空気供給路（13bl）が開口するようにする。そして、更
に第3インターコネクタ（12C）上にセパレータ（2）を
重ね合わせたのち、以下同一要領により第2インターコ
ネクタ（12B）のガス供給部（12a）に燃料供給路（13a
l）が開口し、第1インターコネクタ（12A）のガス供給
部（12a）に空気供給路（13bl）が開口するように、第2
インターコネクタ（12B）、第1単電池（1A）第1インタ
ーコネクタ（12A）、上蓋（4）の順序でガスシール（１
０）しながら重ね合わせて第8図のように構成する。そ
して、下蓋（5）外に露呈したパイプ（１３）の燃料供
給流路（13a）に燃料例えば所要温度に加熱された水素H
2を供給して、その燃料供給路（13al）により、第4イン
ターコネクタ（12D）によって下蓋（5）と第2単電池（1
B）間に形成されるジグザグ状拡散通路（12b）と、第2
インターコネクタ（12B）によってセパレータ（2）と第
1単電池（1A）間に形成されるジグザグ状拡散通路（12
b）に送りこむ。また一方上蓋（4）外に突出したパイプ
（１3）の酸化剤洪給通路（13b）に酸化剤例えば所要温
度に加熱された空気を供給し、その供給路（13al）によ
り第3インターコネク夕（12C）によって第２単電池とセ
パレータ（2）間に形成されるジグザグ状拡散通路（12
b）と、第1インターコネクタによって第1単電池（1A）
と上蓋間に形成されるジグザグ状拡散通路（12b）に送
りこんで発電する。

【００１２】なお以上においてはインクコネクタのガス
拡散通路（12b）をジグザグ状とした例について説明し
たが渦巻き状でもよく、また単電池の機械的強度の補強
力を有し、しかも電池全面へのガスの拡散と電池の広い
面積に亘る集電がよく行われるものであれば、他の通路
形状或いは材質を用いて形成できる。インターコネクタ
に気孔率の高い（60％好ましくは80％以上）発泡体ない
しはフェルト体を用いることにより、セパレータと電極
の間の通電経路を増加させて内部抵抗を減少させ、しか
も多孔質体がガスを分散させる作用をなすのでガス分散
効率を向上させうる。しかし、このままではガス供給部
より短絡的にガス排出口に向かってガスが流れるので、
電極全面にガスが均等に行きわたらないおそれがある。
そのためには例えば、多孔質円盤体と、ガス流の邪魔板
となる前記したジグザグ状のガス拡散通路と併用する。

【００１３】

【発明の効果】以上のように本発明ではインターコネク
タを中心から外周に向かう渦巻き状としているので、
燃料と酸化剤を単電池の広い面積においてよく接触させ
ることができ、しかも従来より遥かに広い面積に亘って
集電できる。また支持体としての役割りを果たして面積
の増大が容易であるので、体積当たりの実効電極面積を
容易に拡散して出力密度を増大しうる。これに加えて
本発明のインターコネククは板の打抜きにより形成でき
るので製作が容易であり、しかも盤状であるのでコスト
の安いドクターブレード法などの湿式法により製造でき
る。また本発明では電池の中心部から燃料ならびに酸化
剤を供給し、外周部から排出するようにして燃料と酸化
剤の濃度差による発電性能の差にもとづくジュール熱を
利用して供給ガスを加熱するようにしている．従って、
現状では技術的に困難なガスの高温供給を考える必要
がなく、しかも、積層後、電解質とインターコネク
タ，インターコネクタとセパレータ間など外周部のガス
シールの必要がない。従って製作条件が大きく緩和され
低いコスト化を期待できる。 またシール材を用いて
異種材による各構成部材を固定する部分が中央のみです
むので、熱膨張の異なる材料を使い易いなど、従来の問
題点を解決した円盤積層固体電解質型燃料電池が提供が
可能となり電力供給源としての性能向上に大きく寄与で
きる．

【図面の簡単な説明】

【図１】従来装置の説明図である。

【図２】従来装置の説明図である。

【図３】燃料電池の発電原理図である。

【図４】円筒型燃料電池の説明図である。

【図５】本発明の一実施例の説明図である。

【図６】本発明の一実施例の説明図である。

【図７】本発明の一実施例の説明図である。

【図８】本発明の一実施例の説明図である。

【符号の説明】

（1A）（1B） 単電池 （1a） 固体電解質 （1b） 正電極 （1c） 負電極 （1d） パイプ貫通孔 （2） セパレータ （3A）（3B）（3C）（3D） 第1，第2，第3、第4イン
ターコネクタ （4） 上蓋 （4a） パイプ貫通孔 （5） 下蓋 （5a） パイプ貫通孔 （6） 燃料供給パイプ、 （6a） 供給口 （7） 燃料排出パイプ （7a） 排出口 （8） 酸化剤供給パイプ （8a） 供給口 （9） 酸化剤排出パイプ （9a） 排出口 （１０） ガスシール材 （11a） 支持チューブ （11b） 負電極 （11c） 電解質 （11d） 正電極 （11e） インターコネクタ （12A）（12B）（12C）（12D）（１２） 第1，第2，第
3，第4インターコネクタ （12a） ガス供給部 （12b） ジグザグ状拡散通路 （１３） 燃料及び酸化剤供給パイプ （13a） 燃料供給流路 （13al） 供給路、 （13b） 酸化剤供給流路 （13bl） 供給路、

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】円盤状固体電解質の片面に正電極物質を配
   置し、他面に負電極物質を配置した単電池を、中心に設
   けたガス供給部と、これと連通し外周部において開口す
   る拡散通路を備えた燃料ガス及び酸化剤ガス拡散通路を
   有するインターコネク夕により挟んで円盤状セパレータ
   を介して上蓋と下蓋間に積層する円盤積層固体電解質型
   燃料電池において、インターコネクタが８０％以上の気
   孔率の発泡体ないしフエルト体であり、積層体の中心部
   には前記正電極側のインターコネクタのガス供給部に連
   通する燃料ガス供給路と、負電極側のインターコネクタ
   のガス供給部にそれぞれ連通する酸化剤ガス供給路とを
   設け、燃料ガス供給路及び酸化剤ガス供給路は、それぞ
   れ円周方向にジグザグ状に進行する複数の拡散通路を
   有するものであって、燃料ガス及び酸化剤ガスの拡散通
   路の円の中心部にある拡散通路の濃度が高く、外周に至
   るに従い濃度が低くなるように、燃料ガス及び酸化性ガ
   スを正電極側及び負電極側インターコネクタのガス拡散
   通路に流すようにし、外周部より排出することを特徽と
   する円盤積層固体電解質型燃料電池。