JP2001068132A - 集電板およびそれを用いた固体電解質燃料電池 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 平板型単電池どうしを確実に通電させるとと
もに、平板型単電池に熱応力等による過大な荷重が加え
られることのない燃料電池を提供すること。 【解決手段】 固体電解質燃料電池４は、平板型単電池
６と、第１スペーサ８と、第２スペーサ１０と、集電板
を形成する金属薄板１１及び金属平板１２等から構成さ
れている。金属薄板１１は、プレス加工等により表裏両
面にそれぞれ突出する突部が形成してあり、金属平板１
２の表裏面にそれぞれ設けてある。突部は、固体電解質
燃料電池４を積層した際、金属薄板１１に対向する燃料
極や空気極の表面に接触する高さに形成してある。これ
により、燃料ガスの通過部分と酸化剤ガスの通過部分が
金属平板１２により形成され、また金属薄板１１の突部
が、固体電解質燃料電池４の燃料極と、他の固体電解質
燃料電池４の空気極に弾性をもって接触し、両者を導通
させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、平板型単電池とセ
パレータとを積層した固体電解質燃料電池に関し、特に
平板型単電池間相互の通電、各ガスの通路の分離を確実
にし、かつ温度変化等に起因する熱応力による破損を防
止した固体電解質燃料電池に関する。

【０００２】

【従来の技術】最近、例えば空気と水素をそれぞれ、酸
化剤ガスおよび燃料ガスとして、燃料が本来持っている
化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する燃料電
池が、省資源、環境保護の観点から注目されており、特
に固体電解質燃料電池は発電効率が高く、廃熱を有効に
利用できるなど多くの利点を有するため研究、開発が進
んでいる。

【０００３】図１３に、従来の内部マニホールド方式の
平板型固体電解質燃料電池１００を示す。

【０００４】固体電解質燃料電池に燃料ガスと酸化剤ガ
スとを供給するため、固体電解質燃料電池のセパレータ
等にそれぞれのガスの給排気孔を設け、これらの孔から
各平板型単電池の各電極面に各ガスを給排気するように
したものを内部マニホールド形式と称している。

【０００５】図１３に示すように平板型固体電解質燃料
電池１００は、イットリアなどをドープしたジルコニア
焼結体（ＹＳＺ）からなる平板型固体電解質層１０２の
両面に、それぞれ（Ｌａ、Ｓｒ）ＭｎＯ３ の空気極１
０４と、Ｎｉ／ＹＳＺサーメットの燃料極１０６とを配
置してなる平板型単電池１０８と、隣接する平板型単電
池１０８同士を電気的に直列に接続し、かつ平板型単電
池１０８に燃料ガスと酸化剤ガスとを分配するセパレー
タ１１０からなり、メッシュ状の金属１１５をセパレー
タ１１０と燃料極１０６との間に配置し、又、セパレー
タ１１０と空気極１０４との間に接続層１１７を配置
し、セパレータ１１０と燃料極１０６、および空気極１
０４とを導通させ、また、側面にシール材１１９を設け
閉鎖させている。

【０００６】そして、平板型固体電解質燃料電池１００
を交互に積層し、通路１１４からそれぞれ酸化剤ガスと
燃料ガスを導入し、各平板型単電池１０８の空気極１０
４、および燃料極１０６の面にこれら酸化剤ガスと燃料
ガスを接触させることにより起電力を発生させ、直列に
積層した固体電解質燃料電池１００から出力するように
している。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】従来セパレータ１１０
の集電面は、機械加工等により平面に形成しているが、
平板型単電池１０８は、製作時に生じた反りや歪みを有
し、その歪みは平板型単電池１０８の材質等の関係から
機械的な加工を行なって完全な平面に修正することが困
難である。そのため、セパレータ１１０を平板型単電池
１０８に取り付けた場合、平板型単電池１０８がセパレ
ータ１１０の集電面と面全体で接触するのではなく、多
くとも３点の点接触となって良好な電気的な接続状態が
得られないことがある。そこで、平板型単電池１０８を
変形させるか、あるいはセパレータ１１０の集電面と平
板型単電池１０８の間に導電性の接着剤等を用いて互い
に面の接触を行なうようにする方法が考えられるが、導
電性の接着剤を用いて接合させると、それぞれの部材の
熱膨張特性が異なるため、運転時、停止時の温度変化に
よる熱変形が生じ、特にセパレータ１１０の剛性が高い
ため発生した応力が平板型単電池１０８に大きくかか
り、平板型単電池１０８が破損することがある。更にこ
の場合、加工費が高く、しかも重量が重くなるという問
題がある。

【０００８】また、平板型単電池１０８を複数積層した
際、締め付けの荷重がセラミック製のセパレータ１１０
を介して平板型単電池１０８にかかる構造であり、温度
変動により締め付け力が変化し荷重が過大になったとき
セパレータ１１０や平板型単電池１０８が破壊してしま
うことがある。更に、変形に対処するため平板型単電池
１０８を電気的に接続させる導通用の金属１１５を強固
にしなければならず、これによっても平板型単電池１０
８に荷重がかかってしまい、熱応力等により平板型単電
池１０８の破損等を引き起こすことが考えられる。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明では、上記課題を
解決するため次のように燃料電池を構成した。

【００１０】すなわち、金属平板と金属薄板とにより集
電板を形成し、積層した各平板型単電池間に金属平板を
設けて平板型単電池の燃料通路と空気通路を分離し、か
つ前記金属平板に、表面に凹凸を備えた金属薄板を取り
付け、金属薄板に対向する平板型単電池の空気極あるい
は燃料極とに弾性をもって電気的に接続させることとし
た。

【００１１】このように金属平板と金属薄板とにより集
電板を形成し、積層した各平板型単電池間に集電板を設
けたことにより、金属平板の両側に設けられた金属薄板
により空気極と燃料極が良好な接触状態で確実に電気的
に接続され、また、金属薄板が弾性をもって平板型単電
池に接することから平板型単電池にかかる荷重を緩和で
き、温度変動等による応力を原因とした平板型単電池の
破損を防止できる。

【００１２】更に、各平板型単電池が金属平板を介して
積層されることから、燃料通路と空気通路を完全に分離
でき、かつスタック全体の歪みや単電池の反りなどに起
因する局所的な応力集中を防止できる。

【００１３】

【発明の実施の形態】本発明にかかる燃料電池の通電方
法とその燃料電池の一実施形態について説明する。

【００１４】図１に、内部マニホールド方式の燃料電池
２の断面図を示す。図１は、図３における燃料電池２の
Ａ矢視の断面図である。図１に示すように燃料電池２
は、複数の固体電解質燃料電池４を所定数積層して構成
されており、また固体電解質燃料電池４は、平板型単電
池６と、第１スペーサ８と、第２スペーサ１０と、集電
板３を形成する金属薄板１１及び金属平板１２等から構
成されている。

【００１５】第１スペーサ８と第２スペーサ１０は、図
３に示すようにほぼ正方形で、耐熱性金属で形成されて
いる。第１スペーサ８の中央には、平板型単電池６を収
容する収容部１４が形成してあり、収容部１４の周囲に
燃料ガス用供給通路２２と、燃料ガス用排気通路２４
と、酸化剤ガス用供給通路２６と、酸化剤ガス用排気通
路２８が形成されている。収容部１４は、平板型単電池
６にほぼ等しい正方形状で、表裏貫通して形成してあ
る。燃料ガス用供給通路２２と燃料ガス用排気通路２
４、及び酸化剤ガス用供給通路２６と酸化剤ガス用排気
通路２８は、収容部１４を挟んで斜め方向に対向して形
成してあり、かつ燃料ガス用供給通路２２と燃料ガス用
排気通路２４は収容部１４に開口している。

【００１６】第２スペーサ１０は、第１スペーサ８とほ
ぼ同形で、中央には切り欠き２０が形成してあり、周囲
には燃料ガス用供給通路２２と、燃料ガス用排気通路２
４と、酸化剤ガス用供給通路２６と、酸化剤ガス用排気
通路２８が第１スペーサ８と同様に形成されている。切
り欠き２０は、平板型単電池６の空気極面より若干大き
く形成してあり、表裏貫通して形成してある。燃料ガス
用供給通路２２と燃料ガス用排気通路２４、及び酸化剤
ガス用供給通路２６と酸化剤ガス用排気通路２８は、切
り欠き２０を挟んで対向して形成してあり、かつ酸化剤
ガス用供給通路２６と酸化剤ガス用排気通路２８が切り
欠き２０に開口している。

【００１７】平板型単電池６は、ほぼ正方形で、ＹＳＺ
からなる平板型固体電解質層の両面にそれぞれ（Ｌａ、
Ｓｒ）ＭｎＯ_３ の空気極とＮｉ／ＹＳＺサーメットの
燃料極（いずれも図示せず）とを配置して形成してあ
る。更に平板型単電池６の表面外周部には保持薄板枠１
６が接合材１７により接合してある。保持薄板枠１６に
は、燃料ガス用供給通路２２と、燃料ガス用排気通路２
４と、酸化剤ガス用供給通路２６と、酸化剤ガス用排気
通路２８が第１スペーサ８と同様に形成され、保持薄板
枠１６を第１スペーサ８と第２スペーサ１０で挟み込
み、平板型単電池６を第１スペーサ８と第２スペーサ１
０の間で支持する構造となっている。

【００１８】金属平板１２は、インコネル６００からな
る金属製の平板状部材であり、第１スペーサ８とほぼ同
一の外形をしており、更に周囲には燃料ガス用供給通路
２２と、燃料ガス用排気通路２４と、酸化剤ガス用供給
通路２６と、酸化剤ガス用排気通路２８が第１スペーサ
８と同様に形成されている。尚、金属平板１２は、完全
な平板状でなくともよく、適宜湾曲等していてもよい。
また、金属薄板１１を固定する金具等を有していてもよ
い。固定用の金具としては、例えば、抜き差し可能な凹
凸、金属薄板１１の周囲を保持する突起、スライド状に
抜き差しする差し込み金具等がある。

【００１９】金属薄板１１は、インコネル６００からな
る金属板で、プレス加工等により図２に示すように表面
に突部１８が形成してあり、金属平板１２の表裏面にそ
れぞれ設けられ、金属平板１２に金属薄板１１を組み合
わせて集電板３を形成している。突部１８は、図１に示
すように金属平板１２とともに固体電解質燃料電池４を
積層した際、金属薄板１１に対向する固体電解質燃料電
池４の燃料極もしくは空気極の表面に接触する高さを有
している。更にこの突部１８は、適度な弾性を有してお
り、過大な荷重が加えられた場合は、接している燃料極
や空気極等に損傷を与えることなく、適宜変形して、荷
重を緩和するようになっている。また適度な変形復元性
も備えている。尚、金属薄板１１と金属平板１２は、共
に耐熱性合金であり、高温の酸素雰囲気下で表面に酸化
皮膜を形成しにくい材質であれば、上記インコネル６０
０以外のものでもよい。

【００２０】これにより、上記各部材と集電板３とを積
層すると第１スペーサ８と金属平板１２により燃料極へ
燃料ガスが供給される通過部分が形成され、また第２ス
ペーサ１０と金属平板１２により空気極へ酸化剤ガスが
供給される通過部分が形成される。また金属薄板１１に
は突部１８が形成してあることから上記各通路を遮断す
ることはなく、一方の金属薄板１１が固体電解質燃料電
池４の燃料極と接触し、他方の金属薄板１１が固体電解
質燃料電池４に積層された他の固体電解質燃料電池４の
空気極に接触するので、積層した固体電解質燃料電池４
が１組の金属薄板１１と金属平板１２、すなわち集電板
３により電気的に導通される。

【００２１】次に燃料電池２の作用について説明する。

【００２２】図１に示すように燃料電池２は、固体電解
質燃料電池４を順次積層し、図示しない締結手段により
上下方向に所定圧力で締結してある。固体電解質燃料電
池４を積層することにより、燃料ガス用供給通路２２、
燃料ガス用排気通路２４、酸化剤ガス用供給通路２６及
び酸化剤ガス用排気通路２８が連続し、それぞれの流通
路として形成される。

【００２３】したがって、燃料ガス用供給通路２２から
燃料ガスを流入させると、燃料ガスが各固体電解質燃料
電池４の燃料極に供給され、燃料ガス用排気通路２４か
ら排気され、また酸化剤ガス用供給通路２６から酸化剤
ガスを流入させると、酸化剤ガスが同様に各固体電解質
燃料電池４の空気極に供給され、酸化剤ガス用排気通路
２８から排気される。

【００２４】燃料電池２を所定の温度に上昇させた上
で、このように平板型単電池６の燃料極と空気極にそれ
ぞれ燃料ガスと空気とを供給すると、平板型単電池６で
起電力が発生し、発生した起電力は各平板型単電池６を
直列に接続する集電板３（金属薄板１１、金属平板１
２、金属薄板１１）を介して順次流れ、燃料電池２の出
力端子（図示せず）から電流として取り出すことができ
る。

【００２５】このように燃料電池２によれば、各固体電
解質燃料電池４が金属平板１２により分離されて、燃料
ガスの通路と酸化剤ガスの通路が区画され、しかも金属
薄板１１が良好な接触状態で燃料極と空気極にそれぞれ
接触しているため、効率よく電流を取り出すことができ
る。また、金属薄板１１は、プレス加工により凹凸が形
成してあり、その突部１８の先端が平板型単電池６の表
面に接触していることから、温度変化により各部が膨張
し、また収縮が生じても突部１８の弾性変形により熱応
力を吸収して接触を保ち、各固体電解質燃料電池４間の
通電が遮断されることなく、しかも熱応力によって平板
型単電池６に破損を生じさせない。

【００２６】また、平板型単電池６に供給される燃料ガ
スと酸化剤ガスは金属平板１２により確実に分離される
ため、内部で燃料ガスや酸化剤ガスが混合されることな
く燃料極や空気極の表面に効率良く流すことができる。

【００２７】次に、金属薄板１１の他の例を図を用いて
示す。

【００２８】金属薄板１１は、凹凸状でなく図４に示す
ように、矩形状であってもよい。このようにすると所定
幅の面で燃料極等と金属平板１２とを接触させることが
できる。図７に金属薄板１１を金属平板１２に重ねた状
態を示す。金属薄板１１を重ねる方向は図１１に示すよ
うに、燃料ガス等が通過する方向に合わせて積層する。

【００２９】また矩形状でなく、図５に示すように波型
でもよい。この場合も上記例と同様、燃料ガス等が通過
する方向に合わせて配置する。

【００３０】更に、平面状の金属薄板１１に複数の短冊
状の金属片１９を図９、図１０に示すように、プレス加
工等により突出させ、突出した金属片１９の先端部分を
燃料極や空気極に接触させるようにしてもよい。このよ
うにプレス加工等により金属薄板１１に表裏を貫通する
開口部を形成しても、金属薄板１２により平板型単電池
６の間のガス通路が遮断されているため燃料ガスと酸化
剤ガスが混ざることがないので、金属薄板１１を任意の
形状に加工することができる。尚、金属片１９を溶接等
により取り付けてもよい。更に、金属平板１２の表裏面
において、異なる形状の金属薄板１１を用いてもよい。

【００３１】また、図６に示すように金属平板１２の周
囲に絞り部１３を形成し、この絞り部１３をスペーサに
より挟持させるようにしてもよい。このようにすれば、
スペーサの密着度を向上させ、かつ熱応力の緩和を図る
ことができる。

【００３２】また、平板型単電池は正方形に限らず、長
方形、円形、楕円形等形状は限定せず、また、複数の平
板型単電池を横方向に並列に設けてもよい。また、図１
２に示すように、燃料ガス用供給通路２２と燃料ガス用
排気通路２４を対向させ、かつ、それと直角方向に酸化
剤ガス用供給通路２６と酸化剤ガス用排気通路２８とを
対向させて配置し、それぞれの流通路から燃料ガスおよ
び酸化剤ガスとを直交させて燃料電池２に導入させるよ
うにしてもよい。

【００３３】

【発明の効果】本発明の燃料電池によれば、金属平板の
表裏面に、凹凸を有する金属薄板を設けてなる集電板を
固体電解質燃料電池間に設けたことにより、固体電解質
燃料電池を積層した場合、各平板型単電池が金属平板を
介して金属薄板により良好な接触を保った状態で電気的
に接続され、しかも平板型単電池が金属薄板により接触
されていることから燃料電池を運転させたときの温度変
動によってスタックの構成部材に膨張、収縮が生じて
も、その変動を吸収し平板型単電池の破損を防止でき
る。

【００３４】また、金属平板を介してスペーサが積層さ
れることから、スペーサどうしを密着でき、ガスの通路
を完全に分離でき、漏洩等を確実に防止でき、また熱膨
張の差によるスタック等の破損を防止できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかる固体電解質燃料電池の一実施形
態を示す断面図である。

【図２】金属薄板を示す斜視断面図である。

【図３】本発明にかかる固体電解質燃料電池の一実施形
態を示す分解斜視図である。

【図４】金属薄板の他の例を示す図である。

【図５】金属薄板の他の例を示す図である。

【図６】金属薄板の他の例を示す図である。

【図７】金属薄板の他の例を示す斜視図である。

【図８】金属薄板の他の例を示す斜視図である。

【図９】金属薄板の他の例を示す斜視図である。

【図１０】金属薄板の他の例を示す断面図である。

【図１１】本発明にかかる固体電解質燃料電池の他の実
施形態を示す分解斜視図である。

【図１２】本発明にかかる固体電解質燃料電池の他の実
施形態を示す分解斜視図である。

【図１３】従来の固体電解質燃料電池を示す図である。

【符号の説明】

２ 燃料電池 ３ 集電板 ４ 固体電解質燃料電池 ６ 平板型単電池 ８ 第１スペーサ １０ 第２スペーサ １１ 金属薄板 １２ 金属平板 １３ 絞り部 １４ 収容部 １６ 保持薄板枠 １７ 接合材 １８ 突部 １９ 金属片 ２２ 燃料ガス用供給通路 ２４ 燃料ガス用排気通路 ２６ 酸化剤ガス用供給通路 ２８ 酸化剤ガス用排気通路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 伊東 健太郎 神奈川県横浜市磯子区汐見台３−３−3308 −310 Ｆターム(参考） 5H026 AA06 CC03 CC04 CC05 CC08 EE02

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 積層された平板型単電池間に設けられ該
   平板型単電池間の気体の流通を遮断する金属平板と、該
   金属平板の表裏面に、該金属平板に接触した状態で設け
   られ、かつ前記平板型単電池内に設けられた平板型単電
   池の燃料極もしくは空気極に弾性をもって接触する金属
   薄板とからなり、平板型単電池にかかる応力を緩和する
   機能を備えたことを特徴とした固体電解質燃料電池の集
   電板。
2. 【請求項２】 前記金属薄板は、表裏面の一方もしくは
   双方に突部を有することを特徴とする請求項１に記載の
   集電板。
3. 【請求項３】 前記金属薄板の突部は、波状、矩形状、
   ディンプル状、紡錘状、短冊状のいずれか、あるいはそ
   れらの２以上の組み合わせであることを特徴とした請求
   項２に記載の集電板。
4. 【請求項４】 平板型固体電解質の表裏面それぞれに燃
   料極および空気極を対向して設けた平板型単電池を積層
   して構成した燃料電池において、前記平板型単電池の間
   に該平板型単電池間の気体の流通を遮断する金属平板を
   配置し、凹凸を有する金属薄板を前記金属平板の表裏面
   に、それぞれ該金属平板に接触した状態で取り付け、該
   金属薄板に形成された凹凸によって該金属平板を挟む前
   記平板型単電池を相互に電気的に接続させ、かつ該平板
   型単電池にかかる応力を前記凹凸によって緩和させるこ
   とを特徴とした固体電解質燃料電池の積層方法。
5. 【請求項５】 前記金属薄板の凹凸は、波状、矩形状、
   ディンプル状、紡錘状、短冊状のいずれか、あるいはそ
   れらの２以上の組み合わせであることを特徴とした請求
   項４に記載の固体電解質燃料電池の積層方法。
6. 【請求項６】 平板型固体電解質の表裏面それぞれに燃
   料極と空気極とを対向して設けた平板型単電池と、 積層した前記平板型単電池間に設けられ、該平板型単電
   池間の気体の流通を遮断する金属平板と、 前記金属平板の表裏面にそれぞれ、該金属平板の表裏面
   のそれぞれに接触した状態で設けられ、かつ前記平板型
   単電池の燃料極もしくは空気極に弾性をもって接触する
   突部を有し、積層された平板型単電池の空気極と燃料極
   とを前記金属平板を介して導通させる金属薄板と、を備
   えて構成したことを特徴とする固体電解質燃料電池。
7. 【請求項７】 平板型固体電解質の表裏面それぞれに燃
   料極と空気極とを対向して設けた平板型単電池と、 中央部に前記平板型単電池を収容する収容部を有し、か
   つ周縁に前記収容部を挟み燃料ガス供給孔と燃料ガス排
   気孔、及び酸化剤ガス供給孔と酸化剤ガス排気孔をそれ
   ぞれ対向させて形成し、かつ前記燃料ガス供給孔および
   燃料ガス排気孔を前記収容部に開口させた第１スペーサ
   と、 少なくとも前記平板型単電池の空気極より大きい切り欠
   きを中央に有し、周縁に前記燃料ガス供給孔、燃料ガス
   排気孔、酸化剤ガス供給孔、酸化剤ガス排気孔をそれぞ
   れ前記第１スペーサと同一に形成し、かつ酸化剤ガス供
   給孔と酸化剤ガス排気孔を前記切り欠きに開口させた第
   ２スペーサと、 前記第２スペーサ上に積層され、該第２スペーサの前記
   切り欠きを閉鎖する金属平板と、 前記金属平板の表裏面にそれぞれ設けられ、該金属平板
   と前記平板型単電池の空気極、また該金属平板と該第２
   スペーサ上に積層された次の平板型単電池の燃料極に接
   する１組の金属薄板と、を備えたことを特徴とする固体
   電解質燃料電池。
8. 【請求項８】 前記スペーサをアルミナフォーミングの
   耐熱鋼としたことを特徴とする請求項７に記載の固体電
   解質燃料電池。
9. 【請求項９】 前記平板型単電池の周囲に取り付けら
   れ、該平板型単電池を前記第１スペーサ内に収容した際
   該平板型単電池の周囲を閉塞する保持薄板枠を備えたこ
   とを特徴とする請求項７または８に記載の固体電解質燃
   料電池。
10. 【請求項１０】 前記金属平板の周囲に絞りを形成し、
    前記スペーサの内側に位置する絞りにより前記平板型単
    電池の積層方向に対して直角な方向の応力も緩和するこ
    とを特徴とする請求項７〜９のいずれか１項に記載の固
    体電解質燃料電池。
11. 【請求項１１】 前記金属薄板は、表裏面の一方もしく
    は双方に弾性を有する突部を備えたことを特徴とする請
    求項６〜１０のいずれか１項に記載の固体電解質燃料電
    池。
12. 【請求項１２】 前記金属薄板の突部は、波状、矩形
    状、ディンプル状、紡錘状、短冊状のいずれか、あるい
    はそれらの２以上の組み合わせであることを特徴とした
    請求項１１に記載の固体電解質燃料電池。