JP2932617B2 - 固体電解質型燃料電池 - Google Patents

固体電解質型燃料電池

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JP2932617B2 JP2154508A JP15450890A JP2932617B2 JP 2932617 B2 JP2932617 B2 JP 2932617B2 JP 2154508 A JP2154508 A JP 2154508A JP 15450890 A JP15450890 A JP 15450890A JP 2932617 B2 JP2932617 B2 JP 2932617B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は固体電解質型燃料電池のセル構成に係り、
特にガラスシール部の信頼性に優れる固体電解質型燃料
電池に関する。
〔従来の技術〕
ジルコニア等の酸化物固体電解質を用いる燃料電池
は、その作動温度が800〜1100℃と高温であるため、発
電効率が高い上に触媒が不要であり、また電解質が固体
であるため取扱い容易であるなどの特徴を有し、第三世
代の燃料電池として期待されている。
しかしながら、固体電解質型燃料電池は、セラミック
スが主要な構成材料であるために、熱的に破壊しやす
く、またガスの適切なシール方法がないため実現が困難
であった。そのため、燃料電池として特殊な形状である
円筒型のものが考え出され、上記二つの問題を解決し、
電池の運転試験に成功しているが、電池単位体積あたり
の発電密度が低く経済的に有利なものが得られる見通し
はまだない。
発電密度を高めるためには平板型にすることが必要で
ある。平板型の燃料電池には例えば第5図の分解斜視図
に示す構造のものが知られている。この型の燃料電池に
おいては単セル17(固体電解質板17Aと電極17B,17Cから
なる)とセパレート板18とが交互に積層され、セパレー
ト板の立体的に直角交差した溝にはそれぞれ異なった反
応ガスが流される。
反応ガスはガスマニホルド(図示せず)を用いて燃料
電池に個別に導入される。この際燃料電池内に反応ガス
を分離して充分に供給するためには単セル17とセパレー
ト板18とはガスシールを行うことが必要でなる。ガスシ
ールを行うために、ガラスをシール材料に用いるガラス
シールが行われている。ガラスシールは電池作動温度で
溶融して液体シールとして働く。
〔発明が解決しようとする課題〕
しかしながらガラスを用いるガスシールの検討を行っ
た結果、ガラスによっては燃料電池の構成部材と反応
し、長期運転においてガスシールに不良を生じさせるも
のがあることがわかった。
この発明は上述の点に鑑みてなされ、その目的は燃料
電池の構成材料と整合するガラス材料を用いることによ
り、ガラスシール部の破損がなく信頼性に優れる固体電
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〕
本発明者は燃料電池構成材料とシール用ガラス材料と
の整合性について鋭意研究を重ねた結果、ホウ素を含む
ガラスが電池構成材料のランタンマンガナイト系酸化物
と反応することを見出し、この知見に基いて本発明をな
すに至った。
上述の目的はこの発明によれば、ガラスシール部のう
ち、マンガンを含む燃料電池構成材料と接触するガラス
シール部として、ホウ素を含まないガラス、例えばソー
ダライムガラス、アルミナケイ酸ガラスまたはケイ酸リ
チウムガラスのいずれかを用いることにより達成され
る。
〔作用〕
ランタンマンガナイト系酸化物と酸化ホウ素とが反応
すると酸化ランタンLa2O3,マンガンボロナイトMnBO3,ラ
ンタンボロナイトLaBO3等を生成してガラスが分解す
る。同時に第4図に示すような発泡現象がみられ、反応
ガスのガスシール性が失われる。これはマンガン酸化物
と酸化ホウ素とが反応しやすいためにおこる。ソーダラ
イムガラスやアルミナケイ酸ガラス,ケイ酸リチウムガ
ラスはホウ素を含まないので、電池構成材料と反応する
ことがない。
〔実施例〕
次にこの発明の実施例を図面に基いて説明する。第1
図と第2図はそれぞれこの発明の実施例に係る固体電解
質型燃料電池を示し第1図は第2図のY−Y縦切断面
図、第2図は第1図のX−X横切断面図である。アノー
ド1と固体電解質体3とカソード2の単セルが形成され
たリブ付多孔質基体7と、インタコネクタ層12を形成し
たリブ付多孔質基体11とが、交互に積層され、積層体の
中央部に燃料ガス供給マニホルド4と酸化剤ガラス供給
マニホルド5とが配設されて燃料電池が構成される。
このような電池は次のようにして調製される。厚さ2m
mのリブ付多孔質基体7がニッケル−ジルコニア(Ni−Z
rO2)サーメットを用いて形成される。リブ付多孔質基
体7の平坦な主面にNi−ZrO2サーメットをプラズマ溶射
し、厚さ100μmの多孔質なアノード1が形成される。
アノード1の上にイットリア安定化ジルコニアをプラズ
マ溶射し、厚さ30μmの緻密質な固体電解質体3が形成
される。続いてランタンストロンチウムマンガナイトLa
(Sr)−MnO3をプラズマ溶射し、厚さ80μmの多孔質な
カソード2が形成される。一方、厚さ2mmのリブ付多孔
質基体11がLa(Sr)MnO3を用いて形成される。このリブ
付多孔質基体11の平坦な主面にランタンクロマイトLaCr
O3をプラズマ溶射し、厚さ40μmの緻密質なインタコネ
クタ層12が形成される。ランタンクロマイトは、電子伝
導性があり酸化雰囲気においても酸化されることがな
い。さらに、ランタンクロマイトはイットリアで安定化
されたジルコニアに近似した熱膨張率を示す。
次に、アノード1と固体電解質体3とカソード2の形
成されたリブ付多孔質基体7とインタコネクタ層12を形
成したリブ付多孔質基体11とを個別に焼結する。焼結
後、両リブ付多孔質基体7,11の燃料ガス供給マニホルド
4と酸化剤ガス供給マニホルド5の壁面は、ガラスを用
いてガス不透過層20を形成する。また、リブ付多孔質基
体7の外周面にも、ガラスを用いガス不透過層21を形成
する。
ガス不透過層20,21は電池動作温度1000℃では軟化し
ないソーダライムガラスが使用される。ガス不透過層2
0,21は後記するガラスシール部6A,6B,6Cの溶融したガラ
スが電池構成材料に浸透するのを防ぐ。軟化しないソー
ダライムガラスは予め電池構成材料の所要部に含浸して
おく。
リブ付多孔質基体7の外周部にガラスシール部6Cがガ
ス排出口を開けた形で配設される。ガラスシール部6Cは
ソーダライムガラスが使われる。固体電解質型燃料電池
の作動温度1000℃においては、液体状となり液体シール
が可能となり、外部の空気の進入と燃料ガスのガスもれ
を防止することができる。
なおLa(Sr)MnO3を用いたリブ付多孔質基体11は必ず
しも多孔質である必要はないがLa(Sr)MnO3は還元性雰
囲気では還元されるので緻密質にしておいた場合におい
てもLaCrO3を用いたインタコネクタ層12は必要である。
リブ付多孔質基体7とリブ付多孔質基体11との間の反
応ガスシール用に、燃料ガス供給マニホルド4と酸化剤
ガス供給マニホルド5にガラスシール部6B,6Aが配設さ
れる。ガラスシール部6B,6Aにはソーダライムガラスが
使われる。ガラスシール部6B,6Aは固体電解質型燃料電
池の作動温度1000℃においては、液体状となり液体シー
ルが可能となる。
酸化剤ガスである酸素ガスが酸化剤ガス供給マニホル
ド5によってガス供給孔10Aを経由してリブ付多孔質基
体11上の酸化剤ガス室9に導かれる。燃料ガスである水
素ガスが燃料ガス供給マニホルド4によってガス供給孔
10Bを経由してリブ付多孔質基体7上の燃料ガス室8に
導入され、この多孔質基体7の細孔中を水素ガスが拡散
しアノード1へと達する。酸化剤ガス室9は、第2図に
示すように同心円状に90度づつずらしてスリットを設け
た案内羽19Aによりガス流路が形成される。酸化剤ガス
は、中心部より周辺部へと流れ、ガス排出口16より排出
される。燃料ガス室8も同様の形状をしているが、反応
ガス流量が少ないため、案内羽19B(図示せず)を180度
づつずらしてスリットが設けられている。周辺部に達し
た燃料ガスと酸化剤ガスとは燃焼し、燃料電池の温度を
所定の高温度に維持する。また反応ガスの余熱用熱源と
しても利用できる。カソード2に到達した酸素ガスは還
元され酸素イオンとなって固体電解質体3の中を拡散し
ていく。アノード1の表面で酸素イオンは酸化されると
共に水素ガスと反応して水蒸気となる。このとき水素ガ
スと酸素ガスから水蒸気を生成する反応の自由エネルギ
変化が電気エネルギに変換され、アノード1に負電圧、
カソード2に正電圧が発生する。単セルの1つあたりの
電圧は0.5〜0.9Vで、積み重ねることにより、所定の電
圧を得ることができる。
このような構成の燃料電池においては、アノード1と
固体電解質体3とカソード2の形成されたリブ付多孔質
基体7とインタコネクタ層12を形成したリブ付多孔質基
体11とは、単に交互に積み重ねるだけでよい。そのため
に熱膨張の過程でリブ付多孔質体7とリブ付多孔質基体
11とは相互に自由に動き得るので熱応力の発生が無くな
る。燃料ガス供給マニホルド4と酸化剤ガス供給マニホ
ルド5の周壁の、ガスシール部6A,6Bは、運転終了後は
固化するがガラスの線膨張係数はジルコニアやその他の
電極材料より大きいため、ガラスシールは小さい体積を
占め他の電池構成材料に割れの損傷を与えない。このガ
ラスシールによる熱応力は小さいので全体としての熱応
力は小さい。
単セルは第2図では円盤形状としているがこれに限定
されるものではなく角形,楕円形,多角形のものでもよ
い。また案内羽19A,19Bも電池特性が最大になるように
ガス等配を考慮した設計を自由になし得る。
第3図に、ガラスシール部としてB2O3を含まないソー
ダライムガラス、アルミナケイ酸ガラスとを使用したセ
ルと、B2O3を含むパイレックスガラスを使用したセルと
の、長期運転試験結果を示す。ソーダライムガラス,ア
ルミナケイ酸ガラスとを使用したセルは、パイレックス
ガラスを使用したセルに比較して、劣化が殆どなく良好
であった。運転後のパイレックスガラスと燃料電池構成
部材との接触界面には、B2O3の反応生成物ができてい
た。ガラスシール部6A,6B,6Cのうちガラスシール部6Bに
使用するガラスはホウ素の存在は許されないが、ガラス
シール部6A,6Cのガラスについてはホウ素の存在は許さ
れる。接触する電池構成材料にマンガンを含まないから
である。また不透過層覆20,21についてもホウ素の存在
は許される。ガス不透過層20,21は電池動作温度で軟化
しないので、反応性は少ないからである。ソーダライム
ガラス,アルミナケイ酸ガラス,ケイ酸リチウムガラス
は、酸化アルミニウムAl2O3,酸化ナトリウムNa2O3,酸化
リチウムLi2O,酸化ケイ素SiO2,酸化マグネシウムMgO,酸
化カルシウムCaOの主成分のうちのいずれかから構成さ
れる。上述の電池においてはニッケル−ジルコニアサー
メット多孔質基体7に単セル31がランタンマンガナイト
多孔質基体11にインタコネクタ12が積層されているが、
各多孔質基体に積層される単セル31とインタコネクタ12
を交換して燃料電池を構成することもできる。
〔発明の効果〕
この発明によれば、ガラスシール部のうち、マンガン
を含む燃料電池構成材料と接触するガラスシール部とし
て、ホウ素を含まないガラス、例えばソーダライムガラ
ス、アルミナケイ酸ガラスまたはケイ酸リチウムガラス
のいずれかを用いることとしたので、ガラスシール部が
電池構成材料と反応せず長期にわたりガスシール機能が
維持され、反応ガスの混触がなくなって信頼性に優れる
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,第2図はこの発明の実施例に係る固体電解質型
燃料電池を示し第1図は第2図のY−Y縦切断面図、第
2図は第1図のX−X横切断面図、第3図はこの発明の
実施例に係る燃料電池のセル電圧時間依存性を示す線
図、第4図は従来のガラスシール部と電池構成部材の反
応状態を示す組織の写真、第5図は従来の固体電解質型
燃料電池を示す分解斜視図である。 1:アノード、2:カソード、3:固体電解質体、4:燃料ガス
供給マニホルド、5:酸化剤ガス供給マニホルド、6A,6B,
6C:ガラスシール部、7:リブ付多孔質基体、8:燃料ガス
室、9:酸化剤ガス室、10A:酸化剤ガス供給孔、10B:燃料
ガス供給孔、11:リブ付多孔質基体、12:インタコネク
タ、31:単セル、16:ガス排出口、17:単セル、17A:固体
電解質板、17B,17C:電極、18:セパレート板、19A:案内
羽、20,21:ガス不透過層。

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】シール部材としてガラスを用いている固体
    電解質型燃料電池において、 前記燃料電池構成材料のうちマンガンを含む構成材料と
    接触するシール部が、ホウ素を含まないガラスからなる
    ことを特徴とする固体電解質型燃料電池。
  2. 【請求項2】請求項1記載の固体電解質型燃料電池にお
    いて、 前記燃料電池構成材料のうちマンガンを含む構成材料と
    接触するシール部が、ソーダライムガラス、アルミナケ
    イ酸ガラスまたはケイ酸リチウムガラスの何れかである
    ことを特徴とする固体電解質型燃料電池。
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