JPH0395870A - 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、固体電解質型燃料電池に係り、特に発電出力
密度が高い固体電解賞型燃料電池に関するものである． 〔従来の技術〕 最近、低公害のエネルギー源として注目を集めている燃
料電池は、起電反応の源となる、活物質としての燃料と
酸化剤とを外部から連続的に供給して電気エネルギーと
して取出すとともに、反応生戒物を連続的に排出するこ
とができる電池である。燃料電池の中で、電解質の漏洩
の恐れがなく、反応速度が大きいとして注目されている
のが固体電解質型燃料電池であり、単セルを多数積層し
て出力を増加させる工夫がなされている．これに関連す
る出願として、例えば本発明者等が提案した特願平１−
１１４７９３号等があげられる。

第４図は、上記先願に係る固体電解賞型燃料電池の単セ
ル単位の斜視図である。この単セル単位は板状のもので
あり、基体板２１と、該基体板２１の表面に積層された
酸素極膜（以下、酸素側電極ともいう）２３、固体電解
質膜（以下、単に固体電解質ともいう）２２および燃料
極ＷＸ（以下、燃料側電極ともいう）２４と、前記基体
板２ｌの両端に配置された集電材２８とから主として構
或されている。なお、２５は単セル単位の電池部を示す
。

第５図は、第４図の単セル単位２６を並列に連結した、
大きさが段階的に異なる四角形の単セル２７（ａ−ｆ）
をさらに並列に積層したセルスタック単位を示す斜視図
である。各単セルの電池部２５は隣接する単セルの電池
部２５と、また基体板２１は隣接する単セルの基体板２
１とそれぞれ対面するように構威されている。このセル
スタック単位を中間連結用導電体３０を介して直列に連
結して燃料電池スタックが形威され、該燃料電池スタッ
クを基板上に多数配列して固体電解質型燃料電池が形威
される． このようにして構威された固体電解質型燃料電池の燃料
側電極２４に面した燃料流路には例えば水素ガスが、基
体板２１に面した空気流路には空気がそれぞれ導入され
て各電極間において電極反応が起こり、発生した電気エ
ネルギーは集電されて外部に取り出される． 〔発明が解決しようとする課題〕 上記先願に係る固体電解賞型燃料電池には、単セル単位
の強度メンバーとして基体板が使用されており、その分
だけ単セル単位が厚くなり、単セルを積層する際の平面
における積層拡大ピッチが大きくなり、燃料電池スタッ
ク全体としての発電出力密度を向上させる上で妨げとな
っている。また、このような固体電解質型燃料電池にお
いては酸素側電極の電気抵抗が大きく、エネルギー効率
を向上させにくいという問題があった。

本発明の目的は、上記先願技術の課題を解決し、エネル
ギー効率がよく、出力密度がより向上する固体電解質型
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〕

上記目的を達戒するため本発明者らは、出力密度を向上
させるためには単セル単位をできるだけ薄くして単位面
積当たりの単セル単位（または単セル）の積層数を増加
させることが、また酸素側電極の電気抵抗を低減させる
ためには酸素側電極をなるべく厚くすることが有効であ
ることに着目し、酸素側電極を所定量だけ厚くして強度
をもたせれば基体板をなくして単セルを薄くすることが
できるうえ、酸素側電極の電気抵抗を減少させることが
できることを見出し本発明に到達した。

すなわち本発明は、平板状の単セル単位を並列に連結し
た多角形の単セルを多数配列した固体電解質型燃料電池
であって、前記単セル単位が電子導電体または混合導電
体からなる酸素極膜と、該酸素極膜上に順次積層された
酸素イオン導電性の固体電解質膜および電子導電体から
なる燃料極膜とからなることを特徴とする。

〔作用〕

酸素側電極と、これに積層した、固体電解質および燃料
側電極とから単セル単位を構成することにより、前記酸
素側電極を所定量だけ厚くすれば酸素側電極の電気抵抗
が低下し、エネルギー損失が減少するとともに、基体板
を用いなくても単セル単位の強度を充分に保持すること
ができる。

また基体板を用いないことにより、単セル単位全体とし
ての厚さが従来のものに較べて薄くなり、単位平面あた
りの単セルの積層数を増大させることができるので、固
体電解賞型燃料電池の発電出力密度が向上する。

本発明において単セル単位とは、固体電解賞型燃料電池
を構或する電池としての最小単位をいい、この単セル単
位は、平板状の酸素側電極と、該酸素側電極に積層され
た固体電解質および燃料側電極とで構威される。

酸素側電極の成形材料としては、例えば、Ｌａ＋−ｘ　
Ｓ　ｒｘ　ＭｎＯ３、Ｌａｌ−ｘ　Ｓ　ｒｘ　ＣＯＯ３
、Ｃａ．ＸＣｅ．Ｍｎ０３等のべロブスカイトが使用さ
れ、このベロブス力イトは、適当な粒度、例えば、０．
１μｍ−０．５μｍ以下に粉砕された後、溶媒、例えば
ポリヴイニルアルコール（ＰＶＡ）やディブチルフタレ
ート（ＤＢＰ）、その他発泡剤と混合されてスラリーと
なり、整形、乾燥された後、例えば，１４００゜Ｃで焼
或されて平板状の酸素側電極となる。このようにして成
形される酸素側電極の厚さは任意に調整できるが、典型
的には１ｍｍ厚前後に戊形される。

本発明において酸素側電極に積層される固体電解質とし
ては、例えばＺｒＯｔ系の固体電解質が、また燃料側電
極材としては、例えばニッケル系のＮｉ○−ＹＳＺが用
いられる。

酸素側電極の表面に固体電解質および燃料側電極を積層
させる方法としては、公知のＣＶＤ（ｃｈｅｍｉｃａｌ
　ｖａｐｏｒ　ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ　）法、ｐ　Ｖ　
Ｄ　（ｐｈｙｓｉｃａｌ　ｖａｐｏｒ　ｄｅｐｏｓｔｔ
ｉｏｎ　）法、熱分解焼結法、スラリー焼結法等が用い
られる。

本発明において単セルとは、前記単セル単位を並列に組
み合わせて多角形とした単セル単位群をいう。

本発明においては、大きさを段階的に変化させた単セル
が多数形威され、これらの単セルはその対角線が同一直
線上に重なるように同心状に積層されてセルスタック単
位となる。この場合、最も外側の単セルの酸素側電極は
多角形の外側を、次いで各単セルの酸素側電極が順次交
互に多角形の内側または外側を向くように配置される。

次に、このセルスタック単位はさらに中間連結用導電体
を介して直列に連結されて燃料電池スタックとなり、さ
らにこの燃料電池スタンクが基板上に多数配列されて固
体電解質型燃料電池となる。

本発明において、複数の単セル単位で構或される単セル
の多角形としては、正三角形、三角形、正方形、四角形
、五角形等があげられるが、特に限定されない。また、
通常単セル単位１個が多角形の一辺として用いられるが
、２個以上の単セル単位を並列に連結して多角形の一辺
としてもよい．セルスタック単位相互または燃料電池ス
タック相互の連結は、中間連結用導電体を介して行われ
るが、この中間連結用導電体は、各燃料電池スタック毎
に独立のものであってもよく、また隣接する燃料電池ス
タックの２個または３個以上に共通のものであってもよ
い。

〔実施例〕

次に、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固体電解質型燃料電
池の燃料電池スタックを構或する単セル単位の斜視図で
ある。この単セル単位は、酸素側電極３と、該酸素側電
極３の片面に順次積層された固体電解質２および燃料側
電極４と、これら酸素側電極３、固体電解質２および燃
料側電極４で構戒される電池部５の上下端にそれぞれ配
置された耐熱金属からなる集電材１とから主として構或
されている。

第２図は、第１図の単セル単位６を並列に連結して構威
した四角形の単セル７をさらに中間連結用導電体１０上
に並列に積層したセルスタック単位の斜視図である。図
において、同一長さの単セル単位４個から構或される、
大きさが段階的に異なる四角形の単セル８個（７ａ、７
ｂ，７ｃ，７ｄ、７ｅ、７ｆ、７ｇおよび７ｈ）がそれ
ぞれ対角線が同一直線上になるように、中間連結用導電
体１０上に同心状に配置されている。単セル７ａ、７ｃ
，７ｅおよび７ｇは、四角形の内側がそれぞれ燃料側電
極４となり外側が酸素側電極３となる。

また単セル７ｂ，７ｄ、７ｒおよび７ｈは、四角形の外
側がそれぞれ燃料側電極４となり、内側がそれぞれ酸素
側電極３となっている。各単セル単位の連結部は、ガス
シール性の接合剤によりシールされている。単セル７ａ
と７ｂとの間隙、７Ｃと７ｄとの間隙、７ｅと７ｆとの
間隙および７ｇと７ｈとの間隙は、それぞれ燃料側電極
４に面しており燃料流路となる。一方、単セルフｂと７
０との間隙、７ｄと７ｅとの間隙、７ｒと７ｇとの間隙
および７ｈの内側は、それぞれ酸素側電極３に面してお
り空気流路となる。

第３図は、本発明の一実施例である固体電解譬型燃料電
池を構或する燃料電池スタックの配置例を示す説明図で
ある。図において、第２図のセルスタック単位８が中間
連結用導電体１０を介して直列に連結された燃料電池ス
タック９が示されており、この燃料電池スタック９は、
２個の燃料電池スタックに共通の中間連結用導電体１０
で相互に支持され、かつ基板１７上に規則正し《配置さ
れている。基板ｌ７には各燃料電池スタック９の最外殻
の酸素側電極３に酸素を供給する空気通過孔１１が設け
られている。また基板１７の下方には各燃料側電極４へ
燃料を供給する燃料供給管１２および余剰の燃料を排出
する燃料排出管ｌ３が配置されている。

このような構成において、燃料供給管工２から供給され
た燃料としての、例えば水素Ｆは、下部端子１４から燃
料電池スタック９へ入り、燃料側電極４に面した燃料流
路を上昇し、上部端子１５の上部に設けられたフランジ
（図示省略）から放出され、同様に空気流路を経由して
放出された空気と燃焼反応をするか、または同フランジ
に設けられた燃料連絡流路を通り、空気流路を隔てて隣
接する他の燃料流路を下降した後さらに別の燃料流路を
上昇し、以下同様にして全ての燃料側電極４と接触した
後、燃料排出管１３を経て系外に排出される。一方、酸
素源である空気Ａは、図示省略された空気導入管から基
体１７の下方空間に充填され、該基体１７に設けられた
、燃料電池スタック９の空気流路と連通ずる空気通過孔
を経て下部端子１４から燃料電池スタック９に入り、酸
素側電極３に面した空気流路を上昇した後、上部端子１
５の上部に設けられた、フランジから（図示省略）放出
され、同様に燃料流路を経由して放出された燃料として
の水素Ｆと燃焼反応をするか、または同フランジに設け
られた空気連結流路を経て、燃料流路を隔てて隣接する
別の空気流路を下降した後、さらに別の空気流路を上昇
し、以下同様にして全ての酸素側電極３と接触した後、
空気通過孔ｌ１を通って基板１７から流出され、各燃料
電池スタックの最も外側に配置された酸素側電極３と接
触する。

このようにして燃料Ｆと空気Ａとが供給された、燃料電
池スタック９の各単セルの電極間では電極反応が生じる
。すなわち、空気流路を流れる空気中の酸素は酸素側電
極に入り、ここで外部回路からの電子を受け取って酸素
イオンとなり、次に固体電解質２に入って荷電単位とな
る。一方、燃料流路を流れる、例えば水素Ｆは燃料側電
極４へ流入し、ここで前記固体電解質２中の酸素イオン
と反応して水を生威し、電子を外部へ放出する。他の燃
料電池スタック９においても同様の電極反応が起こり、
電気エネルギーが発生する。発生した電気エネルギーは
上部端子および下部端子を介して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、燃料電池スタックを構或する最小電
池単位である単セル単位を、基板を用いることなく、酸
素側電極、固体電解譬および燃料側電極とで構威したこ
とにより、単セル単位が薄くなり各単セルが占有する基
板面積および単セルの積層拡大ピッチが狭くなるので、
単位基板面積当たりの単セルの配列数を増大させること
ができ、出力密度の高い固体電解賞型燃料電池が得られ
る。

また、酸素側電極を所定量だけ厚くして電気抵抗を低下
させることができるので、エネルギー効率が向上する。

さらに積層膜数の減少による製造工程の減少、所要材料
種数の減少等により製造効率および経済性が向上する。

また電池特性の面においても、基体板をガスが通過する
ことによる分極分が減少し、発電特性が向上する。

〔発明の効果］ 本発明によれば、基板を用いないで単セル単位を構戒し
たことにより、単セル単位が薄くなり各単セルが占有す
る基板面積および単セルの積層拡大ピッチが狭くなるの
で、単位基板面積当たりの単セルの配列数を増大させる
ことができ、出力密度のより高い固体電解質型燃料電池
が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例である固体電解譬型燃料電
池における単セル単位の斜視図、第２図は、第１図の単
セル単位を連結した単セルをさらに積層したセルスタッ
ク単位の斜視図、第３図は、本発明の一実施例である固
体電解質型燃料電池における燃料電池スタックの配置例
を示す図、第４図は、先願に係る単セル単位の斜視図、
第５図は、先順に係るセルスタック単位の斜視図である
。 ２・・・固体電解質、３・・・酸素側電極、４・・・燃
料側電極、５・・・電池部、６・・・単セル単位、７（
ａ〜ｈ）・・・単セル、８・・・セルスタック単位、９
・・・燃料電池スタック。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）平板状の単セル単位を並列に連結した多角形の単
   セルを多数配列した固体電解質型燃料電池であって、前
   記単セル単位が電子導電体または混合導電体からなる酸
   素極膜と、該酸素極膜上に順次積層された酸素イオン導
   電性の固体電解質膜および電子導電体からなる燃料極膜
   とからなることを特徴とする固体電解質型燃料電池。