JPH046753A - 平板積層固体電解質型燃料電池 - 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〕 本発明は、平板積層固体電解質型燃料電池に係り、特に
出力電力を低下させることなく、燃料電池を構成する単
セルの熱応力に対する強度を向上させた平板積層固体電
解質型燃料電池に関するものである。

〔従来の技術〕

クリーンなエネルギー源として知られている燃料電池の
中で、固体電解質型燃料電池は、電解質の漏洩のおそれ
がなく、反応速度が大きいとして注目されている。この
種の燃料電池においては、出力電圧を高めるために基本
単位である単セルの積層数を増加させたり、出力電流を
高めるために、単セルの面積を大きくする工夫がなされ
ている。

しかしながら、平板状の単セルを積層した平板積層固体
電解質型燃料電池において、単セル面積を大きくするこ
とは、単セル相互間に形成される燃料流路および空気流
路を長くすることになり、ガス流路を流れるガス濃度は
下流になるほど低くなるので、場所によって電流密度に
差が生じる。

このために同−単セル内においてさえも大きな温度差が
生じ、単セルが熱応力により破損するという問題が発生
している。また、単セルの面積を大きくするのに伴って
熱処理時に発生する熱応力が大きくなり、電極膜が剥離
し易くなるという問題も生じている。

〔発明が解決しようとする課題〕

本発明の目的は、上記従来の平板積層固体電解質型燃料
電池の問題点を解決し、出力電力を低下させることなく
、単セルに発生する熱応力を極力小さくして単セルの破
損および電極膜の剥離を防止する平板積層固体電解質型
燃料電池を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するため本発明は、固体電解質膜と、該
固体電解質膜の両面にそれぞれ積層された酸素極膜およ
び燃料極膜とからなる単セルを多数積層した平板積層固
体電解質型燃料電池であって、前記酸素極膜および燃料
極膜をそれぞれ所定間隔で配列された、複数の小型酸素
極膜および小型燃料極膜で構成し、単セル内に固体電解
質膜を共有する単セル単位を多数形成し、該単セル単位
を並列および直列に接続したことを特徴とする。

〔作用〕 酸素極膜および燃料極膜（以下、単に電極膜と総称する
ことがある）をそれぞれ複数の小型酸素極膜および小型
燃料極膜で構成して単セル内に同一固体電解質膜を共有
する小型の単セル（以下、単セル単位という）を多数構
成し、これを並列および直列に接続することにより、直
列に接続された並列接続単セル単位群を流れる電流値が
一定となり、供給ガス濃度の低下に起因する単セル内に
おける電流の偏流が修正されるので、熱応力の発生が抑
制され電極膜の剥離および単セルの破損が防止される。

またこの場合、単セルとしての出力電流は従来の単セル
に較べて小さくなるが、出力電圧がその分だけ大きくな
り、全体としての出力電力は同程度に維持される。

本発明において固体電解質膜としては、例えば酸素イオ
ン導伝性のＹＳＺが、酸素極膜としては、例えば電子導
電性のＬａ１−、ＸＳｒｘＭｎ０３が、また燃料極膜と
しては、例えば電子導電性のＮｉＯとＹＳＺとのサーメ
ットが用いられる。

本発明において小型電極膜の形状としては、正方形が好
ましく、固体電解質膜の所定面に、例えばタイル状に配
置、積層される。また小型電極膜相互間には、単セルの
機械的強度を向上させるために、非電子導電性のＹＳＺ
等を充堪することが好ましい。

〔実施例〕

つぎに本発明を実施例によりさらに詳細に説明する。

第１図は、本発明の一実施例である平板積層固体電解質
型燃料電池を構成する単セルの一部切欠斜視図である。

この単セルは、固体電解質膜３と、該固体電解質３の両
面にそれぞれ基盤目状に複数積層された小型酸素極膜２
および小型燃料極膜４とから主として構成されており、
小型酸素極膜２と固体電解質膜３と小型燃料極膜４とで
一つの単セル単位が構成される。すなわち、前記小型酸
素極膜２は、固体電解質膜４の当該面を一様にカバーす
るものでなく、小型の正方形状のもので、これが微小間
隔を隔ててタイル状に規則正しく配列されている。また
、固体電解質膜３の他方面に積層される小型燃料極膜４
は前記小型酸素極膜２と同じ大きさの正方形をしており
、小型酸素極膜２とは固体電解質Ｐｉ１３を介してそれ
ぞれが対称の位置に配置、積層されている。

単セル単位の小型酸素極膜２および小型燃料極膜４の表
面上には所定個数（この場合、基盤目状に配列された一
列５個）の電極膜に共通な集電用多孔板５が配置されて
いる。この集電用多孔板５は、短冊型をしており、前記
単セル単位の一部を電気的に並列に接続して電極として
はたらく。この並列接続された小型単セル群はリード線
（図示省略）によって電気的に直列に接続されている。

すなわち一つの単セルが並列および直列に接続された複
数の単セル単位で構成されている。

このような構成の単セルを連結部材、例えばガス通路用
多孔体を介して多数積層して燃料電池スタックが形成さ
れる。

第３図は、単セル１を多数積層した燃料電池スタックの
斜視図である。この燃料電池スタックは、単セルｌをガ
ス通路用多孔体６を介して多数積層して直列に接続した
もので、各単セル１の電極面には複数の短冊型の集電用
多孔板５が配置されている。

単セルを積層する際に、単セル相互間に配置されてガス
（燃料または空気）流路となるガス通路用多孔体は、例
えば矩形のガス透過性の多孔部と、該多孔部の対向する
２辺に形成されたガスを透過させない緻密部とからなる
もので、ガスは緻密部に沿って多孔部を流れる。またガ
ス通路用多孔体６を介して隣接する二つの単セルにおけ
る上側の単セルと下側の単セルとではそれぞれ電極面が
上下逆向きになるように配置されており、ガス通路用多
孔体６を介して隣接する単セルの対向面どうしが必ず同
種の電極面となっている。単セルの燃料極面に挟まれた
ガス通路用多孔体が燃料流路、酸素極面に挟まれたガス
通路用多孔体が空気流路となる。またガス通路用多孔体
６は一つ置きに、平面上で９０度回転させた状態で積層
されており、一つ置きに燃料流路または空気流路となる
。燃料と空気とは互いに異なる流路を流れ、燃料流路と
空気流路とのガス流れ方向は互いに直交する位置関係に
ある。

第４図は、燃料電池スタック８を運転する際に用いられ
る箱体に該燃料電池スタック８を収納する概念図である
。図において、箱体９の内側は断熱材で裏張りされてお
り、四隅には収納される燃料電池スタック８と密着して
ガスをシールするためのガスシール部材１０が配置され
ている。また箱体９の外側面には上記燃料電池スタック
８に燃料を供給するための燃料供給管１１が設けられて
おり、該燃料供給管１１が設けられた面と直角に接する
一方の面には空気を供給する空気供給管１２が設けられ
ている。さらにこれら再供給管ＩＩおよび１２が設けら
れた面に対向する外側面にはそれぞれ燃料ガスまたは空
気の抜き出し管（図示省略）が設けられている。このよ
うな構成の箱体９に前記燃料電池スタフク８が、その燃
料流路が箱体９の燃料供給管１１と連通ずるように、ま
た空気流路が箱体９の空気供給管工２と連通ずるように
収納されて平板積層固体電解質型燃料電池が構成される
。

このような構成の平板積層固体電解質型燃料電池におい
て、燃料供給管１１から燃料ガスとして例えば水素Ｆが
、空気供給管から空気Ａがそれぞれ供給される。水素Ｆ
は燃料電池スタック８の燃料流路であるガス通路用多孔
体６を流通して各単セル内の単セル単位の小型燃料極膜
４に供給され、余剰の水素Ｆは燃料電池スタック８から
流出し、箱体９の燃料抜き出し管を経て外部に取り出さ
れる。一方、空気供給管１２から供給された空気Ａは、
燃料電池スタック８の空気流路であるガス通路用多孔体
６を通り、各単セル単位の小型酸素極膜２に酸素を供給
し、空気抜き出し管を経て燃料電池外に排出される。こ
のようにして燃料と酸素が供給された各車セルの単セル
単位の電極間で電極反応が起こる。すなわち、単セル単
位の小型酸素極膜２に供給された酸素は、該小型酸素極
膜２で外部回路からの電子を受は取って酸素イオンとな
り、その後、固体電解質膜３に入って荷電単位となる。

一方、小型燃料極膜４に供給された水素Ｆは、該小型燃
料極膜４で固体電解質１ｉｉ３中の酸素イオンと反応し
て水を形成し、電子を外部回路に放出する。全ての単セ
ル単位で同様の電極反応が生じて電気エネルギーが発生
し、発生した電気エネルギーは集電されてより強力な電
気エネルギーとして外部に取り出される。

本実施例によれば、電極面積を小さくした、複数の単セ
ル単位で単セルを構成し、各車セル単位を所定数づつ並
列に接続し、この並列接続した単セル単位群をさらに直
列に連結したことにより、同一セル内における並列接続
された各車セル単位群ごとの電流値は同一になり、従来
の単セルに較べて電流の偏流が修正されたことになり発
生する熱応力を極めて小さくすることができるので、単
セルの破損および電極膜の剥離を防止できる。また本実
施例によれば、単セルごとの出力電流は従来のものに較
べて小さくなるが、出力電圧が数倍と大きくなるので、
出力電力全体としては従来のものと較べて決して小さく
なることはない。さらに本実施例によれば単セル単位の
電極膜面積を非常に小さくしたので、同一電極面におけ
る熱応力が大きくなりにり＜、熱応力による電極面の剥
離が防止できる。

本実施例において短冊型の集電用多孔板５の幅は特に限
定されないが、各車セル単位の電極膜の一辺の整数倍、
典型的には１または２倍とする。

また長さは、典型的には単セル単位の集合体である単セ
ルの一辺の長さと同一とするが必ずしも一致させる必要
はなく、単セル単位の配列数によっては分割が可能であ
る。この場合でも結線の都合を考慮すると二分割程度が
限度となる。

本実施例において、単セルを連結する連結部材としてガ
ス通路用多孔体の代りにガスセパレータ兼インタコネク
タ等を用いてもよい。

第２図は、本発明の他の実施例である平板積層固体電解
質型燃料電池を構成する単セルの一部切欠斜視図である
。図において、固体電解質膜３に積層された小型電極膜
相互間に非電子導電性の充填材７、例えばＹＳＺまたは
Ｃ８Ｚが充填されている。この単セルも前記実施例と同
様に積層、接続されて燃料電池スタックとなり、同様に
運転される。

本実施例によれば、単セルを複数の単セル単位で構成す
るとともに、該単セル単位の小型電極膜相互間に充填材
を充填したことにより、熱応力による単セルの破損およ
び剥離を防止できるうえに、単セル全体としての機械的
強度を向上させることができる。

〔発明の効果〕 単セルを並列および直列に接続した複数の単セル単位で
構成したことにより、出力電力を低減することなく、単
セルの熱応力による破損および剥離を防止することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例である平板積層固体電解質
型燃料電池を構成する単セルの一部切欠斜視図、第２図
は、本発明の他の実施例に用いる単セルの一部切欠斜視
図、第３図は、燃料電池スタックの斜視図、第４図は、
燃料電池スタックを箱体に収納する概念図である。 １・・・単セル、２・・・小型酸素極膜、３・・・固体
電解質膜、４・・・小型燃料極膜、５・・・集電用多孔
体、６・・・ガス通路用多孔体、７・・・充填材、８・
・・燃料電池スタック、９・・・箱体、１０・・・ガス
シール用部材、１１・・・燃料供給管、１２・・・空気
供給管。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）固体電解質膜と、その両面にそれぞれ積層された
   酸素極膜および燃料極膜とからなる単セルを多数積層し
   た平板積層固体電解質型燃料電池であって、前記酸素極
   膜および燃料極膜をそれぞれ所定間隔で配列された、複
   数の小型酸素極膜および小型燃料極膜で構成し、前記固
   体電解質膜を共有する単セル単位を多数形成し、該単セ
   ル単位を並列および直列に接続したことを特徴とする平
   板積層固体電解質型燃料電池。