JP2995604B2 - 固体電解質燃料電池用ガスシール材 - Google Patents

固体電解質燃料電池用ガスシール材

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JP2995604B2 JP5190637A JP19063793A JP2995604B2 JP 2995604 B2 JP2995604 B2 JP 2995604B2 JP 5190637 A JP5190637 A JP 5190637A JP 19063793 A JP19063793 A JP 19063793A JP 2995604 B2 JP2995604 B2 JP 2995604B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は固体電解質燃料電池を構
成する際に使用されるガスシール材の改良に関する
【0002】
【従来の技術】固体電解質燃料電池の形状には、円筒型
と平板型がある。円筒型はガスシールの面で優れている
が、その構造上単セルの大型化が困難であると共に、体
積当たりの出力密度が小さいなどの欠点がある。一方、
平板型は体積当たりの出力密度を大きくできる反面、高
温でのガスシール性に関し解決すべき問題を残してい
る。
【0003】ところで、従来よりガスシールの方法に
は、シールが必要な部分で部材相互を合わせ同時一体的
に焼結して接合する方法(共焼結法)や、シールが必要
な部分にシール材を介在させて、部材相互を接合シール
する方法(シール材法)が採用されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、共焼結
法は、物性の異なる異種材料を焼結接合しようとするも
のであるので、各材料の焼結収縮率や熱膨張の差に起因
してクラックや破損が生じ易く、この点で技術的困難を
伴うと同時に接合部分が熱的衝撃に脆いという問題があ
った。一方、シール材法は、接合部分にガラスなどの1
000℃付近で溶融する材料を介在させて、溶融シール
材の粘性を利用して部材相互を接合シールする方法であ
るが、シール材として一般的に使用されているガラス
は、溶融時の粘性が低いため型崩れし、サーマルサイク
ルを経るに従ってガスシール性が劣化する。またガラス
は、被接合部材と熱膨張率が異なるため、熱衝撃により
被接合部材である固体電解質板に割れを生じさせるとい
った問題があった。
【0005】本発明は、このような現状に鑑み、サーマ
ルサイクルによってガスシール性が低下しないととも
に、ガスシール材と被接合部材の熱収縮率及び熱膨張率
の差に起因する固体電解質の割れを防止できる、主とし
て平板型固体電解質燃料電池に好適したガスシール材を
提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、固体電解質燃料電池用のガスシール材に
おいて、前記ガスシール材は、外力が加わったとき一つ
の層が他の層に対して滑り得る3層構造をしたものであ
り、3層構造の中央層が電池運転温度において粘性を有
していない雲母構造をした無機物質により構成され、両
サイドが電池運転温度において粘性を有する物質で構成
されたものであることを特徴とする。
【0007】
【0008】
【作用】本発明によれば、ガスシール材は、外力が加わ
った一つの層が他の層に対して滑り得る層状構造をした
ものであるので、サーマルサイクル時の熱衝撃を該層状
構造が吸収するよう作用する。よって、シール材と被接
合部材の熱膨張率の違いに起因する固体電解質の割れを
なくすことができる。
【0009】しかも、本発明によれば、層状構造のシー
ル材が3層構造であって、かつ、その中央層が電池運転
温度において粘性を有しない物質で構成され、両サイド
層が電池運転温度において粘性を有する物質で構成され
ている。よって、粘性を有する両サイド層が被接合部材
を十分に粘着接合するよう作用し、両サイド層と粘性を
有しない中央層との層間が熱的衝撃を緩和するよう作用
する。そして、更に、本発明では、3層構造の中央層を
雲母構造をした無機物質より構成しているので、上記し
た作用が一層増強される。
【0010】即ち、雲母構造をした無機物質の中央層
は、複数の薄層が積層された構造となっているので、被
接合部材(固体電解質板、隔壁板等)の熱的収縮または
熱膨張に起因する力が両サイド層を介して中央層に加わ
ると、この中央層の薄層各面間に層方向のずれ(滑り)
が生じる。よって、本発明では、サイド層と中央層間で
の外的緩和作用に加え、この中央層での外力緩和作用が
付加されるので、全体として効果的に熱衝撃を緩和吸収
する作用効果を奏することになる。
【0011】
【実施例】以下、本発明の内容を図1、図2、図3に基
づき基づき説明するとともに、本発明ガスシール材を用
いた平板型固体電解質燃料電池及び比較例ガスシール材
を用いて構成した同型電池との対比において本発明内容
を説明する。 〔実施例〕図1は、本発明の一実施例である固体電解質
燃料電池用ガスシール材の断面構造を示す模式図であ
り、図2は本発明ガスシール材を使用した平板型固体電
解質燃料電池の斜視図である。更に図3は、本発明ガス
シール材を使用した積層構造の電池(図1の電池を更に
積み上げたもの)を電極面に直交する面(X−X線断
面)で切断し、ガスシール部分の構造を示した図であ
る。なお、図2、3は共通符号としてある。
【0012】図1において、イ及びハは表面層(サイド
層)を示しており、この層は市販のガラス粉末にイット
リア(3モル%)安定化ジルコニア粉末を15wt%混
合した材料により構成されている。ロは中央層を示して
おり、この層はAl2 3 及びSiO2 を主成分とした
市販の無機質高温用ガスパッキン板(1000℃で非溶
融)を2枚重ね合わせて構成されている。ここで、前記
表面層は、ガラス粉末とイットリア(3モル%)安定化
ジルコニア粉末15wt%との混合粉末を、エタノール
とポリビニルブチラールの混液によりスラリー化して、
中央層にスクリーン印刷することにより、両サイド層共
約0.05mmの厚さに作製した。また、中央層は、約
0.025mmの前記無機質高温用ガスパッキン板2枚
を重ね合わせ1Kg/cm2 で加圧して作製した。な
お、中央層の重ね合わせは、加圧することなく単に重ね
合わせるだけでもよく、要は電池のサーマルサイクル時
に重ね合わせ部分が熱衝撃力によって層方向にズレる程
度の接着力で重ね合わされていればよい。
【0013】図2、3において、1は前記イ、ロ、ハの
3層からなるシール材である。2は、8%イットリアで
安定化したジルコニアの緻密な焼成体を用いて作製され
た外寸150×150mm、厚さ0.2mmの固体電解
質板である。3は、ペロブスカイト型酸化物(例えば、
LaMnO3 )を用いて作製された厚さ0.05mmの
カソード電極である。
【0014】4は、Ni−ZrO2 サーメットを用いて
作製された、0.05mmのにアノード電極である。5
は、インコネル600を用いて作製されたバイポーラプ
レートである。 6及び7は、それぞれカソードガス及
びアノードガスの流路であり、これらの流路はバイポー
ラプレートの両面に設けられたリブによって確保されて
いる。
【0015】Aは、固体電解質2と、これを挟んで対向
する一対の電極3及び4からなる単セルを示す。上記こ
こで、上記シール材1は、電池の組立に際しバイポーラ
プレート5と固体電解質2の接触面(電極の非塗布面)
に配置される。そして、単セルAがガスシール材1とバ
イポーラプレート5を介在させて10個集積された電池
スタック(外寸;150mm×150mm)を作製し、
更にこの電池スタックの側面に燃料ガス供給・排出マニ
ホールド及び酸化剤ガス供給・排出マニホールド(図示
せず)をそれぞれ取付けた平板型固体燃料電池を作製し
た。
【0016】なお、このようにして本発明ガスシール材
を使用して作製した平板型固体電解質燃料電池を以下、
(T)電池という。 〔比較例〕 市販のガラス粉末にイットリア安定化ジルコニア(Y
SZ)粉末15wt%を混合したものから成る材料(上
記実施例ガスシール材の表面層構成材料)を用いて作製
したガスシール材を使用した以外は、(T)電池と同様
にして平板型固体電解質燃料電池を作製した。
【0017】この平板型固体電解質燃料電池を、
(R1 )電池とする。 前記無機質高温用ガスパッキン材料(上記実施例のシ
ール材中央層の材料)を用いて作製したガスシール材を
使用した以外は、(T)電池と同様にして平板型固体電
解質燃料電池を作製した。この平板型固体電解質燃料電
池を、(R2 )電池とする。
【0018】(実験)上記(T)電池、(R1 )電池及
び(R2 )電池について、水素を燃料ガスとし、空気を
酸化剤ガスとして用い、作動温度1000℃で電池を運
転し、300mA/cm2 の連続放電における電池電圧
の経時的変化を調べた。その結果を図4に示す。
【0019】また、前記マニホールドのガス供給口側と
ガス排出口側との間に差圧が生じるようにガス供給口側
にガス圧を掛ける方法により、前記各電池のシール効率
を調べ、その結果を表1に示す。
【0020】
【表1】
【0021】電池運転時間の経過と平均単電池電圧の関
係を示す図4から明らかなように、(T)電池と
(R1 )電池は運転当初において同様な発電性能を有し
ていた(約773mV)。しかし、運転時間の経過とと
もに次第に差が認められるようになり、本発明ガスシー
ル材を使用した(T)電池の方が、(R1 )電池より僅
かであるが発電性能の劣化が少なかった。このことは、
表1から明らかな如く、(T)電池と(R1 )電池は共
に、優れたガスシール性(ガスシール効率;95%)を
有していたので、運転当初においては電池性能に差がな
かったものの、(R1)電池では運転時間が長くなるに
従い、本発明適用の(T)電池より熱衝撃によるシール
性の劣化が大きくなったため、より発電性能が低下した
ものと考えられる。
【0022】一方、(R2 )電池は他の電池に比べガス
シール効率(60%)が劣っていた。このため、
(R2 )電池は、(T)電池及び(R1 )電池に比べ運
転当初から発電性能が劣っていた。但し、連続運転によ
る発電性能の低下率は本発明適用の(T)電池と大きく
異ならなかった(表1、図4参照)。これは、非粘性の
ガスシール材は被接合部材同士を粘着力で接着するので
なく、単に被接合部材間に介在してガスシールするもの
であるから、被接合部材間の熱膨張率の違いによって熱
衝撃を受けることが少ないためである。しかし、非粘性
材料のみからなるガスシール材では、十分なガスシール
性が得られない。したがって、ガスシール材には一定程
度の粘着性が必要であることが分かる。
【0023】本発明では、固体電解質燃料電池用として
使用されるガスシール材の構造を、外力が加わったとき
一つの層が他の層に対して滑り得る層状の構造としたの
で、当該ガスシール材が固体電解質燃料電池に使用され
た場合、被接合部材の熱膨張率の違いによって電池運転
中及び放冷中に発生する熱ひずみを層方向の滑りによっ
て吸収緩和できる。
【0024】更に、本発明では、前記ガスシール材の構
造を3層構造とし、両サイド層を電池運転作動温度にお
いて粘性を有する雲母構造をした無機物質から構成し、
中央層を電池運転作動温度において粘性を有さない物質
から構成したので、このようなガスシール材を固体電解
質燃料電池の構成部材として使用した場合、両サイド層
の粘着性層が被接合部材相互を確実に接合するととも
に、中央層がサーマルサイクル時に被接合部材相互間で
発生する熱ひずみを吸収緩和する。よって、ガスシール
性が長期にわたり維持できるとともに、一層確実に熱衝
撃による固体電解質板の割れを防止できる。
【0025】以上から、本発明によれば、耐サーマルサ
イクル特性に優れた固体電解質燃料電池と成すことので
きるガスシール材を提供できるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例である固体電解質燃料電池用
ガスシール材の断面構造を示す模式図である。
【図2】本発明ガスシール材を使用した平板型固体電解
質燃料電池の構造を示す斜視図である。
【図3】本発明ガスシール材を使用した平板型固体電解
質燃料電池の主要部のX−X線断面図である。
【図4】本発明ガスシール材を使用した電池(T)、比
較例電池(R1 )比較例電池(R2 )における、連続運
転時間と平均電池電圧の関係をを示すグラフである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 門脇 正天 守口市京阪本通2丁目18番地 三洋電機 株式会社内 (72)発明者 齋藤 俊彦 守口市京阪本通2丁目18番地 三洋電機 株式会社内 (56)参考文献 特開 昭64−7476(JP,A) 特開 平6−84530(JP,A) 特開 平6−231784(JP,A) 特開 昭64−3966(JP,A) 特開 平4−137466(JP,A) 特開 平6−256068(JP,A) 特開 平6−349506(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01M 8/00

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 固体電解質燃料電池用のガスシール材に
    おいて、 前記ガスシール材は、外力が加わったとき一つの層が他
    の層に対して滑り得る3層構造をしたものであり、 3層構造の中央層が電池運転温度において粘性を有して
    いない雲母構造をした無機物質により構成され、両サイ
    ドが電池運転温度において粘性を有する物質で構成され
    たものである ことを特徴とする固体電解質燃料電池用ガ
    スシール材。
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