JP2000243426A

JP2000243426A - 平板型固体電解質燃料電池、およびその破損防止方法

Info

Publication number: JP2000243426A
Application number: JP11037039A
Authority: JP
Inventors: Yuichi Hishinuma; 祐一菱沼; Yoshio Matsuzaki; 良雄松崎; Takashi Ogiwara; 崇荻原
Original assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Current assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Priority date: 1999-02-16
Filing date: 1999-02-16
Publication date: 2000-09-08

Abstract

(57)【要約】【課題】供給ガスの漏洩による破損を防止した固体電
解質燃料電池、およびその防止方法を提供すること。【解決手段】固体電解質燃料電池２は、単電池２０
と、セパレータ５と、スペーサ３２とを順次組み合わせ
て形成される。スタック４は、固体電解質燃料電池２を
複数積層し、所定の圧力で締結してある。更にスタック
４には、燃料ガスの供給通路５２と排出通路５４の近辺
外周に断熱材１０が所定の厚さに取り付けてある。断熱
材１０は、繊維性のセラミックからなり、断熱性と適度
な通気性とを備えている。すなわち、スタック４に取り
付けられた断熱材１０は、供給通路５２等から漏洩した
燃料ガスを、適度な通気抵抗をもって通過させる性質を
有している。これにより漏洩ガスがスタック４の近傍で
燃焼する危険性は回避され、断熱材１０の内部でスタッ
ク４の周囲を取り囲む空気と燃焼し、熱はスタック４に
伝達されづらくなり、破損を防止する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、平板型固体電解質
燃料電池に関し、特に供給ガスの電池外部への漏洩によ
る破損等を防止した平板型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】平板型固体電解質燃料電池は、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
平板状の固体電解質層の表裏面に、それぞれ（Ｌａ、Ｓ
ｒ）ＭｎＯ_３の空気極と、Ｎｉ／ＹＳＺサーメットの
燃料極とを配置してなる平板状単電池と、各単電池に燃
料ガスと酸化剤ガスとを分配し、かつ隣接する単電池同
士を電気的に直列に接続するセパレータ等からなり、単
電池とセパレータとの間にシール材、もしくはスペーサ
等を介在させて交互に積層してスタックを構成し、各単
電池にそれぞれ燃料ガスと酸化剤ガスを供給して起電力
を発生させるようになっている。

【０００４】また固体電解質燃料電池には、セパレータ
と固体電解質層のそれぞれに、燃料ガスが通過する給排
気孔と酸化剤ガスが通過する給排気孔とを同一の位置に
設け、積層した際これらの孔で通路を形成し、かかる通
路を通して各単電池の各電極面にそれぞれのガスを供給
し、また排出させるようにした内部マニホールド形式と
称するものが知られており、現在広く使用されている。

【０００５】図４に、固体電解質燃料電池による発電時
の状態の概略図を示す。一般に平板型固体電解質燃料電
池は、８００℃〜１０００℃程度の高温の雰囲気下で発
電作用が行なわれるため、平板型固体電解質燃料電池２
を積層したスタック４を図４に示すように耐熱性の容器
８内に収容して、スタック４の温度を所定の温度に保持
して発電を行なうようになっている。

【０００６】更に、セパレータは、単電池同士を電気的
に直列に接続する作用とともに、燃料極と空気極とにそ
れぞれ供給される燃料ガスと酸化剤ガスとが互いに混合
してしまう、いわゆるガスのクロスリークを防止する作
用とを有しており、仮にスタックの内部で燃料ガスと酸
化剤ガスとの混合が発生すると、燃料利用率が低下して
燃料電池の発電効率が低下するのはもちろん、両ガスが
燃焼して局部的な温度上昇を生じさせ、それに伴ってス
タックの熱応力分布が不均一となり、クラックや歪みが
生じ、スタックの寿命を短縮させてしまう。そこで、ス
タックの寿命を長くするように、補強板を用いた複合セ
パレータが考えられている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら平板型固
体電解質燃料電池は、上述したように構成部材間にガス
ケットやシール材を挿入し、燃料ガスや酸化剤ガスが漏
洩しないよう気密を保つ構造にしているが、供給された
空気や燃料ガス等が構成部材間の各隙間を通って外部に
微量であるが漏洩することも考えられる。

【０００８】例えば容器８内に空気を充満させて発電を
行なっている場合、供給された燃料ガスがスタック４か
ら漏洩すると、漏洩した燃料ガスが周囲の空気中の酸素
と反応し燃焼する。燃焼は、スタック４から燃料ガスが
漏洩した時点で直ちに生じるため、スタック４の外表面
に局所的な高温場が発生し、スタック４の温度分布が一
様でなくなる。セパレータ５等はセラミックを素材とし
て形成されていることから、局所的な発熱で一部分の温
度のみが上昇してしまうと、熱応力の不均衡が発生しセ
パレータ５等の破損を生じさせ、ガスの噴出等を発生さ
せて発電不能になることがあった。

【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、平板型固体電解質燃料電池、およびその
破損防止方法を次のように構成した。

【００１０】すなわち、燃料ガス、あるいは酸化剤ガス
等、平板型固体電解質燃料電池に供給される気体が外部
に漏洩するような箇所に予め適度な通気性を有する断熱
材を配置させ、燃料電池のスタックから漏洩した燃料ガ
ス、あるいは酸化剤ガスを断熱材の内部に拡散させるこ
ととした。

【００１１】これにより、平板型固体電解質燃料電池の
外部に供給ガスが漏洩すると、漏洩したガスは断熱材の
内部において周囲のガスと接触し、そこで燃焼すること
となる。したがって、漏洩ガスが周囲のガスと反応して
発熱した場合であっても、熱は断熱材の内部で発生する
ため、熱は断熱材によって遮蔽され、平板型固体電解質
燃料電池に伝達されづらくなり、しかも広い範囲に拡散
されることから漏洩ガスが燃焼した場合でもスタックの
表面が部分的に大きく温度上昇することが少なくなる。
そのため、平板型固体電解質燃料電池の外壁温度が局所
的に上昇するようなことがなくなり、温度分布のピーク
の発生を防止し、表面の大きな温度差によるスタックの
破壊等を防止することができる。

【００１２】また、本発明は断熱材が繊維状に形成した
セラミック、あるいは多孔質性のセラミック等通気性を
有する素材である事を特徴とする。また断熱材のセラミ
ック成分が、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、ＺｒＯ_２、Ｙ_２Ｏ
_３、ＭｇＯ、ＣａＯの１または２以上の組み合わせであ
る事を特徴とする。また断熱材の素材はセラミックに限
るものではなく、不燃性でかつ適度な通気性が確保でき
るのであれば他の材質で形成してもよい。

【００１３】

【発明の実施の形態】次に、本発明にかかる平板型固体
電解質燃料電池の破損防止方法、およびその平板型固体
電解質燃料電池の実施形態について、図を用いて説明す
る。

【００１４】平板型固体電解質燃料電池２の断面図を図
５に示す。図５に示すように、平板型固体電解質燃料電
池２は、平板状単電池２０と、セパレータ５等とからな
り、単電池２０の固体電解質層２２とセパレータ５の間
にシール材またはスペーサ３２を介在させて交互に積層
し、図２に示すスタック４を構成する。スタック４は、
セパレータ５が空気および燃料の各ガスの給排気の機能
を備える、いわゆる内部マニホールド方式の構造の平板
型固体電解質燃料電池である。

【００１５】平板状単電池２０は、ＹＳＺからなる平板
型固体電解質層２２を挟んで一方の面に（Ｌａ、Ｓｒ）
ＭｎＯ_３の空気極２６を、その裏面にＮｉ／ＹＳＺサ
ーメットの燃料極２４とを配置してある。

【００１６】図６に、平板型固体電解質燃料電池に使用
されているセパレータの斜視図を示す。

【００１７】セパレータ５は、例えばアルミナ製の補強
板６と、例えばランタンクロマイト系の導電性酸化物板
７とからなる複合型であり、補強板６の空気極側面の酸
化剤ガス通路内に中央ポケット部９を設け、中央ポケッ
ト部９内に図６の矢印方向から導電性酸化物板７を嵌め
込み重ね合わせてある。これにより強度の弱い導電性酸
化物板７を補強板６が補強するようになっている。

【００１８】補強板６には、４隅に各ガスの給気孔と排
気孔１２、１４、１６、１８が開けられている。これら
は、積層すると、給気孔１２は固体電解質燃料電池に燃
料ガスを供給する供給通路５２を、排気孔１４は燃料ガ
スを流出させる排出通路５４、を、また給気孔１６は酸
化剤ガスを供給する供給通路５６を、排気孔１８は酸化
剤ガスを流出させる排出通路５８をそれぞれ形成する。
補強板６の表面および裏面の周縁部は、単電池の固体電
解質層やスペーサと重なるシール面となる。また、補強
板６と導電性酸化物板７の上面（図６において）は空気
極２６に対面し、補強板６の下面は燃料極２４に対面す
る。

【００１９】更に導電性酸化物板７の上面には、複数列
のガス流通溝１１と突起１３が形成され、燃料電池が組
み立てられたとき、空気極２６の表面に酸化剤ガスを均
等に分配し、かつ突起１３が空気極に接触して電気的に
導通し隣り合う単電池２０を直列に接続する。また補強
板６の裏面にも、同様にガス流通溝１５と突起１７が燃
料ガスの流通用に形成されている。

【００２０】平板型固体電解質燃料電池２は、上記単電
池２０と、セパレータ５と、シール材３２とを順次組み
合わせ、このようにして形成した平板型固体電解質燃料
電池２を複数積層し、図２に示すようにスタックに形成
する。これによりスタック４には、図５に示すように中
央に燃料極２４と空気極２６が配置され、かつその周辺
には図１に示すように燃料ガスの供給通路５２と、排出
通路５４、空気の供給通路５６と、空気の排出通路５８
が積層方向に沿って形成される。更にスタック４には、
燃料ガスの供給通路５２と排出通路５４の近辺外周に断
熱材１０が所定の厚さにＬ字状に取り付けてある。

【００２１】断熱材１０は、繊維性のセラミックからな
り、断熱性と適度な通気性とを備えている。すなわち、
スタック４に取り付けられた断熱材１０は、供給通路５
２や排出通路５４等から漏洩した燃料ガスを押さえてス
タック４の外部に漏洩しないように遮断するのではな
く、漏洩したガスが内部を適度な通気抵抗をもって通過
させる性質を有している。尚、断熱材１０は供給通路５
２と排出通路５４の近辺双方に設けず、いずれか一方で
もよい。また、セラミックは、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、
ＺｒＯ_２、Ｙ_２Ｏ_３、ＭｇＯ、ＣａＯの１または２以上
の組み合わせで作製してもよい。

【００２２】スタック４を上述したように構成したな
ら、図４に示すように耐熱性の容器８内に収容し、容器
８内を約１０００℃の所定温度に昇温し、燃料ガスの供
給通路１２に水素、あるいは都市ガスを流入させ、一方
空気の供給通路１６には酸化剤ガス、あるいは空気を流
入させて発電を開始させる。

【００２３】次に、断熱材１０の作用について説明す
る。

【００２４】燃料ガスを給気孔１２から供給すると、図
５に示す補強板６の下面に形成された燃料ガスの流通路
を通り、燃料ガスがガス流通溝１５を流れ単電池２０の
燃料極２４に燃料ガスが給気され、ガス流通路からガス
排気孔１２に排出される。また酸化剤ガス（空気）を給
気孔１６から供給すると、空気はガス給気孔１６からガ
ス流通路に入り、ガス流通溝１１を流れ、空気極８の表
面に酸化剤ガスが給気され、ガス流通路からガス排気孔
１８に排出される。これにより電極面の隅々に各ガスが
均等に分配され、発電が開始される。

【００２５】発電中に、図３に示すように供給通路１２
から燃料ガスがスタック構成部材の隙間を通って漏洩し
た場合、燃料ガスはスタック４の外壁から断熱材１０の
内部に侵入する。燃料ガスは断熱材１０を通過しながら
より外に進み、断熱材１０中で周囲の空気と接触し、空
気と反応を起こして燃焼する。しかしながらこの燃焼は
断熱材１０の内部１１で発生することから、燃焼により
発生した熱は断熱材１０により遮断され、スタック４に
伝達されづらく、しかも断熱材１０の内部で広く行われ
ることから、漏洩した燃料ガスの燃焼によってスタック
４が局所的に加熱されることがなく、非定常の大きな温
度分布によって平板型固体電解質燃料電池２が破損する
ことがない。

【００２６】尚、上記例では燃料ガスの供給通路５２、
および排出通路５４の近辺に断熱材１０を取り付けた
が、これはスタック４の周囲が空気であることから空気
に反応する燃料ガス側に設けたのであり、逆に還元性雰
囲気にスタック４を配置した場合には、図８に示すよう
に空気の供給通路５６、および排出通路５８側に取り付
ける。このようにすれば、空気、あるいは酸化剤ガスの
漏洩によって発熱反応が生じても、スタック４の局所的
な加熱、温度上昇を防止することができる。

【００２７】更に、図９に示すように燃料側、および空
気側の通路の双方に断熱材１０を設けてもよい。このよ
うにすれば、スタック４を酸化剤雰囲気に配置しても、
還元性雰囲気に配置しても漏洩に対応することができ
る。

【００２８】尚、上記例では、単電池２０と、セパレー
タ５等からなる平板型固体電解質燃料電池２について説
明したが、本発明では、これに限らず、他の形式の平板
型固体電解質燃料電池、あるいは配管の接続部等漏洩が
考慮される箇所に用いることができる。

【００２９】また、スタック４は容器８内に１台でな
く、複数、例えば図１０に示すように４台、あるいはそ
れ以上配置させてもよい。また断熱材１０は、供給通路
と排出通路のいずれか一方であってもよい。

【００３０】（実施例）アルミナおよびランタンクロマ
イトで形成されたセパレータを用い、１０層を図２のよ
うに積層し、空気中で１０００℃において燃料として水
素を、酸化剤として空気をそれぞれ導入し、発電試験を
行なった。セパレータと単電池の間に金属ガスケットを
挿入し、スタック上部より荷重をかけることによってガ
スの密封をおこなった。

【００３１】発電試験はＡ、Ｂ２種類のスタックを用い
て行なった。Ａ、Ｂは次のようである。

【００３２】Ａ燃料ガスの通路付近の外部壁面をアル
ミナ、マグネシア及びシリカ成分で構成されるセラミッ
クファイバーの断熱材で覆った。断熱材の厚さは１ｃｍ
であった。

【００３３】Ｂスタックの外表面には、何も取り付け
ない。

【００３４】スタックＢの断熱材無しの場合、燃料ガス
の通路からセパレータと単電池間の微小な間隔を燃料ガ
スが通り、外部へと燃料ガスが漏れ出す。漏れ出た燃料
ガスはスタック近傍で雰囲気の空気と燃料し、高温場を
発生させ、スタックを破壊した。一旦破壊されたスタッ
クは、破壊箇所から大量の燃料が外部へ漏れだし、電池
（電極）へ燃料が供給されなくなってしまう。これは燃
料ガスを供給した直後に起こる現象のために、発電特性
のデータは収集不可能であった。

【００３５】一方、スタックＡのように燃料ガスの通路
付近の外部壁面をセラミックファイバーの断熱材で覆
い、燃料ガスを供給し発電試験を行なっても、スタック
は破壊されることなく、また図７に示すように希薄な燃
料となる高い燃料利用率７０％での運転も可能であっ
た。（スタックに割れが発生した場合は、燃料はスタッ
ク外部へ漏洩してしまうために、高い燃料利用率での運
転は不可能である。）スタックＡの電池電圧の燃料利用
率依存性を図７に示す。この結果により、セラミックフ
ァイバーの断熱材を燃料ガスの通路付近の外部壁面に覆
うことによって、スタックの信頼性が著しく向上される
ことが明らかになった。

【００３６】

【発明の効果】本発明の平板型固体電解質燃料電池、お
よびその破損防止方法によれば、漏洩した供給ガスが断
熱材の内部で発熱反応を生じさせることから、発生した
熱を伝達させず平板型固体電解質燃料電池を局所的に加
熱させることがなく、非定常の大きな温度分布による破
損等を発生させることがない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかる平板型固体電解質燃料電池の一
実施形態を示す平面図である。

【図２】本発明にかかる平板型固体電解質燃料電池の一
実施形態を示す斜視図である。

【図３】断熱材を示す部分拡大図である。

【図４】平板型固体電解質燃料電池を示す斜視図であ
る。

【図５】平板型固体電解質燃料電池を示す断面図であ
る。

【図６】セパレータを示す分解斜視図である。

【図７】１０層スタックの燃料利用率特性を示す図であ
る。

【図８】本発明にかかる平板型固体電解質燃料電池の他
の実施形態を示す平面図である。

【図９】本発明にかかる平板型固体電解質燃料電池の他
の実施形態を示す平面図である。

【図１０】本発明にかかる平板型固体電解質燃料電池の
他の実施形態を示す平面図である。

【符号の説明】

２平板型固体電解質燃料電池４スタック５セパレータ８容器１０断熱材１２、１６給気孔１４、１８排気孔２０単電池２２電解質２４燃料極２６空気極５２、５６供給通路５４、５８排出通路

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】燃料ガスと、酸化剤ガスを供給し発電を
行なう平板型固体電解質燃料電池において、前記燃料ガ
スと前記酸化剤ガスの一方もしくは両方の通路付近に通
気性を有する断熱材を配置し、前記通路からのいずれか
の漏洩ガスを前記断熱材の内部において該平板型固体電
解質燃料電池周囲の雰囲気ガスと反応させ、該平板型固
体電解質燃料電池からの漏洩ガスと周囲の雰囲気ガスと
の燃焼による局所的な温度上昇を抑制し、前記平板型固
体電解質燃料電池の破損を防止することを特徴とした平
板型固体電解質燃料電池の破損防止方法。
【請求項２】複数の平板型固体電解質燃料電池を積層
し、積層方向に燃料ガス、および酸化剤ガスの通路を有
し、所定の温度雰囲気下において、前記燃料ガスおよび
前記酸化剤ガスを供給し発電を行なう平板型固体電解質
燃料電池において、前記燃料ガスと前記酸化剤ガスのいずれか一方もしくは
両方の通路付近の外部壁面に通気性を有する断熱材を前
記通路に沿って設置したことを特徴とする平板型固体電
解質燃料電池。
【請求項３】前記平板型固体電解質燃料電池が酸化雰
囲気下に配置されている場合には、前記断熱材を燃料ガ
スの通路付近に設置し、一方還元雰囲気下に配置されて
いる場合には、前記断熱材を酸化剤ガスの通路付近に設
置したことを特徴とした請求項２に記載の平板型固体電
解質燃料電池。
【請求項４】前記燃料ガス及び酸化剤ガスの通路は、
供給通路と排出通路があり、前記断熱材を前記供給通路
及び排出通路のいずれか一方あるいは両方に設置したこ
とを特徴とする請求項３に記載の平板型固体電解質燃料
電池。
【請求項５】前記断熱材は、繊維性のセラミックから
形成されていることを特徴とした請求項２〜４のいずれ
か１項に記載の平板型固体電解質燃料電池。
【請求項６】前記断熱材は、多孔質性のセラミックか
ら形成されていることを特徴とした請求項２〜４のいず
れか１項に記載の平板型固体電解質燃料電池。
【請求項７】前記セラミックは、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ
_２、ＺｒＯ_２、Ｙ_２Ｏ_３、ＭｇＯ、ＣａＯの１または２
以上の組み合わせで作製されていることを特徴とした請
求項５または６に記載の平板型固体電解質燃料電池。