JP3492285B2 - 燃料電池セルシール構造 - Google Patents
燃料電池セルシール構造Info
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- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Fuel Cell (AREA)
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池セルのセ
ルシール性の向上を図った燃料電池セルシール構造に関
する。
ルシール性の向上を図った燃料電池セルシール構造に関
する。
【０００２】
【背景技術】図９は従来技術にかかる燃料電池に適用さ
れる燃料電池セルのシール構造の概略図の一例を示す。
図９に示すように、従来においては、固体電解質の両面
に燃料電極材及び酸素電極材を設けてなる複数のディン
プル構造の発電膜０１とインタコネクタ０２とを、該デ
ィンプル頂部をインタコネクタ０２の表面に接触させつ
つ交互に複数段積層してなる燃料電池のセル構造におい
ては、上記発電膜０１とインタコネクタ０２との積層端
部にガスシール材０３をその積層周囲に充填してシール
構造を形成している。なお、図９においては、単セルを
図示しており、これが複数段積層されている。
れる燃料電池セルのシール構造の概略図の一例を示す。
図９に示すように、従来においては、固体電解質の両面
に燃料電極材及び酸素電極材を設けてなる複数のディン
プル構造の発電膜０１とインタコネクタ０２とを、該デ
ィンプル頂部をインタコネクタ０２の表面に接触させつ
つ交互に複数段積層してなる燃料電池のセル構造におい
ては、上記発電膜０１とインタコネクタ０２との積層端
部にガスシール材０３をその積層周囲に充填してシール
構造を形成している。なお、図９においては、単セルを
図示しており、これが複数段積層されている。
【０００３】上記ガスシール材０３はＡｌ2 Ｏ3 ／ＹＳ
Ｚ系等の多孔質体を細密充填してなるものであり、通常
細孔は0.５〜１μｍ程度である。
Ｚ系等の多孔質体を細密充填してなるものであり、通常
細孔は0.５〜１μｍ程度である。
【０００４】上記細密充填によるシール材０３は粒径分
布が１０μｍ，５μｍ，１μｍに極大を有するものを所
定配合により細密充填した後に、焼成（１２５０℃）し
ているので、熱収縮が起こりにくくなっており、通常で
は燃料電池を運転した場合でも細孔（１μｍ程度）が拡
大することはなく、良好なシール性が保たれている。
布が１０μｍ，５μｍ，１μｍに極大を有するものを所
定配合により細密充填した後に、焼成（１２５０℃）し
ているので、熱収縮が起こりにくくなっており、通常で
は燃料電池を運転した場合でも細孔（１μｍ程度）が拡
大することはなく、良好なシール性が保たれている。
【０００５】しかしながら、細密充填が良好な場合でも
微細な孔がシール材の端部に形成された場合には、わず
かではあるが、燃料の洩れが生ずる場合がある。
微細な孔がシール材の端部に形成された場合には、わず
かではあるが、燃料の洩れが生ずる場合がある。
【０００６】また、インタコネクタ０２との界面等のシ
ール部分においては、熱収縮の影響が皆無ではないの
で、上記界面において、使用中にクラック等が生ずるお
それがある。
ール部分においては、熱収縮の影響が皆無ではないの
で、上記界面において、使用中にクラック等が生ずるお
それがある。
【０００７】このクラックが発生した場合には、該クラ
ック部から優先的にガス洩れが生じ、クラックが進行し
た場合には、剥離等が発生するので、燃料利用率が大幅
に低下するおそれがある。
ック部から優先的にガス洩れが生じ、クラックが進行し
た場合には、剥離等が発生するので、燃料利用率が大幅
に低下するおそれがある。
【０００８】以上の問題に鑑み、本発明は、燃料電池セ
ルのセルシール性の向上を図った燃料電池セルシール構
造を提供することを目的とする。
ルのセルシール性の向上を図った燃料電池セルシール構
造を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決する第一
番目の発明は、固体電解質の一方の面に燃料電極材を設
けると共に他方の面に酸素電極材を設けてなる発電膜と
インタコネクタとを積層した周縁端部にガスシール材を
充填してなるセル構造において、前記インタコネクタと
前記ガスシール材との積層界面の周囲を覆うキャップを
設けると共に、前記インタコネクタの両面の周囲に亙っ
て凹凸部を形成することを特徴とする。
番目の発明は、固体電解質の一方の面に燃料電極材を設
けると共に他方の面に酸素電極材を設けてなる発電膜と
インタコネクタとを積層した周縁端部にガスシール材を
充填してなるセル構造において、前記インタコネクタと
前記ガスシール材との積層界面の周囲を覆うキャップを
設けると共に、前記インタコネクタの両面の周囲に亙っ
て凹凸部を形成することを特徴とする。
【００１０】 第二番目の発明は、固体電解質の一方の
面に燃料電極材を設けると共に他方の面に酸素電極材を
設けてなる発電膜とインタコネクタとを積層した周縁端
部にガスシール材を充填してなるセル構造において、前
記インタコネクタと前記ガスシール材との積層界面の周
囲を覆うキャップを設けること、又は、前記インタコネ
クタの両面の周囲の前記ガスシール材と接触する部分に
凹凸部を形成することのうちのいずれか一方がなされて
いることを特徴とする。
面に燃料電極材を設けると共に他方の面に酸素電極材を
設けてなる発電膜とインタコネクタとを積層した周縁端
部にガスシール材を充填してなるセル構造において、前
記インタコネクタと前記ガスシール材との積層界面の周
囲を覆うキャップを設けること、又は、前記インタコネ
クタの両面の周囲の前記ガスシール材と接触する部分に
凹凸部を形成することのうちのいずれか一方がなされて
いることを特徴とする。
【００１１】第三番目の発明は、第一番目又は第二番目
の発明において、前記キャップが多孔質材料からなるこ
とを特徴とする。
の発明において、前記キャップが多孔質材料からなるこ
とを特徴とする。
【００１２】第四番目の発明は、第一番目又は第二番目
の発明において、前記キャップが、ケイ酸ナトリウム、
ケイ酸カリウム、シリカゾルのいずれか一種の水溶液を
塗布してなるものであることを特徴とする。
の発明において、前記キャップが、ケイ酸ナトリウム、
ケイ酸カリウム、シリカゾルのいずれか一種の水溶液を
塗布してなるものであることを特徴とする。
【００１３】
【００１４】第五番目の発明は、第一番目又は第二番目
の発明において、前記凹凸部が、ガラス粉末を塗布して
焼き付け処理してなるものであることを特徴とする。
の発明において、前記凹凸部が、ガラス粉末を塗布して
焼き付け処理してなるものであることを特徴とする。
【００１５】第六番目の発明は、第五番目の発明におい
て、前記ガラス粉末の軟化点が１２５０℃以上であるこ
とを特徴とする。
て、前記ガラス粉末の軟化点が１２５０℃以上であるこ
とを特徴とする。
【００１６】
【００１７】第七番目の発明は、第一番目又は第二番目
の発明において、ケイ酸ナトリウム、ケイ酸カリウム、
シリカゾルのいずれか一種の水溶液を前記ガスシール材
の端面に塗布してなるものであることを特徴とする。
の発明において、ケイ酸ナトリウム、ケイ酸カリウム、
シリカゾルのいずれか一種の水溶液を前記ガスシール材
の端面に塗布してなるものであることを特徴とする。
【００１８】
【００１９】第八番目の発明は、第一番目から第七番目
の発明のいずれかにおいて、前記発電膜が、複数の半球
状の凹凸を有するディンプル形状であることを特徴とす
る。
の発明のいずれかにおいて、前記発電膜が、複数の半球
状の凹凸を有するディンプル形状であることを特徴とす
る。
【００２０】第九番目の発明は、第八番目の発明におい
て、前記発電膜の前記固体電解質が、０．５〜５モル％
のアルミニウムアルコキシドを混合したイットリア安定
化ジルコニウムからなると共に、イットリア安定化ジル
コニウムの膜厚が、５μｍ以上３００μｍ未満であり、
前記発電膜の前記酸素電極材の膜厚が、２００μｍ以上
１０００μｍ以下であることを特徴とする。
て、前記発電膜の前記固体電解質が、０．５〜５モル％
のアルミニウムアルコキシドを混合したイットリア安定
化ジルコニウムからなると共に、イットリア安定化ジル
コニウムの膜厚が、５μｍ以上３００μｍ未満であり、
前記発電膜の前記酸素電極材の膜厚が、２００μｍ以上
１０００μｍ以下であることを特徴とする。
【００２１】第十番目の発明は、第一番目から第九番目
の発明のいずれかの燃料電池セルシール構造により燃料
電池スタックを形成してなることを特徴とする。
の発明のいずれかの燃料電池セルシール構造により燃料
電池スタックを形成してなることを特徴とする。
【００２２】第十一番目の発明は、第十番目の発明にお
いて、前記燃料電池スタックが、前記発電膜を起立させ
た状態で複数積層されたものであることを特徴とする。
いて、前記燃料電池スタックが、前記発電膜を起立させ
た状態で複数積層されたものであることを特徴とする。
【００２３】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を説明す
るが、本発明はこれに限定されるものではない。
るが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００２４】［第１の実施の形態］図１は本実施の形態
にかかる単セルの概略図であ。図１に示すように、本シ
ール構造は、固体電解質の両面に燃料電極材及び酸素電
極材を設けてなる発電膜１０１とインタコネクタ１０２
とを複数段積層してなるセル構造１０３において、上記
発電膜１０１とインタコネクタ１０２との積層端部に形
成してなるガスシール材１０４の端面に、ケイ酸ナトリ
ウム（水ガラス），ケイ酸カリウム，シリカゾルの水溶
液のいずれか一種を塗布して塗布層（水ガラス塗布層）
１０５を形成してなるものである。以下ケイ酸ナトリウ
ムを用いた水ガラスで本発明を説明する。なお、図１に
おいては、単セルの状態を図示した模式化した状態を示
しており、通常はこれが複数段積層されている。
にかかる単セルの概略図であ。図１に示すように、本シ
ール構造は、固体電解質の両面に燃料電極材及び酸素電
極材を設けてなる発電膜１０１とインタコネクタ１０２
とを複数段積層してなるセル構造１０３において、上記
発電膜１０１とインタコネクタ１０２との積層端部に形
成してなるガスシール材１０４の端面に、ケイ酸ナトリ
ウム（水ガラス），ケイ酸カリウム，シリカゾルの水溶
液のいずれか一種を塗布して塗布層（水ガラス塗布層）
１０５を形成してなるものである。以下ケイ酸ナトリウ
ムを用いた水ガラスで本発明を説明する。なお、図１に
おいては、単セルの状態を図示した模式化した状態を示
しており、通常はこれが複数段積層されている。
【００２５】本実施の形態にかかる発電膜１０１は図８
に示すように、所定のディンプル直径Ｄと高さＨを有
し、固体電解質１０１ａの両表面に燃料電極材１０１ｂ
と、酸素電極材１０１ｃを設けてなるものである。
に示すように、所定のディンプル直径Ｄと高さＨを有
し、固体電解質１０１ａの両表面に燃料電極材１０１ｂ
と、酸素電極材１０１ｃを設けてなるものである。
【００２６】上記ガスシール材１０４の端面に塗布する
ケイ酸ナトリウム等の水ガラスはは、いずれも固体成分
が４０〜５０重量％配合された水飴状の水溶液であり、
シール材１０４の端面に塗布した後に、水が蒸発した際
に、細密充填されたシール材の隙間や細孔にケイ酸ナト
リウムが残存し、該微細な孔等に栓をしたようにして当
該部分を埋めることになり、これにより、シール性を向
上させるものである。
ケイ酸ナトリウム等の水ガラスはは、いずれも固体成分
が４０〜５０重量％配合された水飴状の水溶液であり、
シール材１０４の端面に塗布した後に、水が蒸発した際
に、細密充填されたシール材の隙間や細孔にケイ酸ナト
リウムが残存し、該微細な孔等に栓をしたようにして当
該部分を埋めることになり、これにより、シール性を向
上させるものである。
【００２７】また、インタコネクタとシール材との界面
にクラックが生じた場合でも、該水飴状のケイ酸ナトリ
ウムを塗布することで、該クラックを埋めることができ
る。
にクラックが生じた場合でも、該水飴状のケイ酸ナトリ
ウムを塗布することで、該クラックを埋めることができ
る。
【００２８】この結果、インタコネクタとの界面等にお
いても、熱収縮の影響でクラック等が生じた場合でもシ
ール性が向上する。
いても、熱収縮の影響でクラック等が生じた場合でもシ
ール性が向上する。
【００２９】上記シリカゾルは、水ガラスとは異なるも
のであるが、シリカの微粒子（例えば１００Å程度）が
水に分散されてなるものであり、該微粒子が上記水ガラ
ス等と同様に、細孔を埋めることになる。
のであるが、シリカの微粒子（例えば１００Å程度）が
水に分散されてなるものであり、該微粒子が上記水ガラ
ス等と同様に、細孔を埋めることになる。
【００３０】本実施の形態によれば水ガラス等の液を塗
布することにより、毛管現象等により、細孔やクラック
等の微細なその成分であるケイ酸ナトリウムが入り込
み、燃料電池使用中に、水のみが蒸発すると、当該充填
部分にケイ酸ナトリウム微粒子が充填されたままとなる
ので、いわゆる蓋又は栓をしたような状態となり、燃料
電池運転中におけるガス圧によっても微細な細孔からケ
イ酸ナトリウムが飛び出るようなことはない。
布することにより、毛管現象等により、細孔やクラック
等の微細なその成分であるケイ酸ナトリウムが入り込
み、燃料電池使用中に、水のみが蒸発すると、当該充填
部分にケイ酸ナトリウム微粒子が充填されたままとなる
ので、いわゆる蓋又は栓をしたような状態となり、燃料
電池運転中におけるガス圧によっても微細な細孔からケ
イ酸ナトリウムが飛び出るようなことはない。
【００３１】このように、ケイ酸ナトリウム等の水ガラ
ス塗布層１０４を形成することにより、１％程度のガス
もれがある場合に、0.１％以下にその洩れを低下させる
ことができた。
ス塗布層１０４を形成することにより、１％程度のガス
もれがある場合に、0.１％以下にその洩れを低下させる
ことができた。
【００３２】なお、上記ケイ酸ナトリウム等の水ガラス
塗布層１０４は端部を全て覆うように塗布する必要はな
く、少なくともインタコネクタ１０２とシール材１０４
との接触界面部分の周囲を覆うようにすればよい。
塗布層１０４は端部を全て覆うように塗布する必要はな
く、少なくともインタコネクタ１０２とシール材１０４
との接触界面部分の周囲を覆うようにすればよい。
【００３３】［第２の実施の形態］図２は本実施の形態
にかかるセル構造の概略図であ。図２に示すように、本
セルシール構造は、固体電解質の両面に燃料電極材及び
酸素電極材を設けてなる発電膜１０１とインタコネクタ
１０２とを複数段積層してなるセル構造において、上記
インタコネクタ１０２の周囲に沿って該積層界面にキャ
ップ部１１０を設けてなるものである。
にかかるセル構造の概略図であ。図２に示すように、本
セルシール構造は、固体電解質の両面に燃料電極材及び
酸素電極材を設けてなる発電膜１０１とインタコネクタ
１０２とを複数段積層してなるセル構造において、上記
インタコネクタ１０２の周囲に沿って該積層界面にキャ
ップ部１１０を設けてなるものである。
【００３４】上記キャップ部１１０は、上記シール材１
０４と同様なＡｌ2 Ｏ3 ／ＹＳＺ系等の多孔質材料を塗
布して焼成してなるものや、水ガラスを塗布したもの
や、ガラス質材料を微細に粉砕したものを薄く塗布して
なるものである。
０４と同様なＡｌ2 Ｏ3 ／ＹＳＺ系等の多孔質材料を塗
布して焼成してなるものや、水ガラスを塗布したもの
や、ガラス質材料を微細に粉砕したものを薄く塗布して
なるものである。
【００３５】上記ガラス質材料を微細に粉砕したものを
塗布する場合には、数１０μｍ以下の厚みとするのが好
ましい。これは厚みが数１０μｍ以上となると、熱処理
（１２５０℃程度）において、熱収縮が厚み方向のみな
らずに、厚みと直交する方向への熱収縮が生じて、キャ
ップ部を形成してなる良好な被覆処理ができないからで
ある。
塗布する場合には、数１０μｍ以下の厚みとするのが好
ましい。これは厚みが数１０μｍ以上となると、熱処理
（１２５０℃程度）において、熱収縮が厚み方向のみな
らずに、厚みと直交する方向への熱収縮が生じて、キャ
ップ部を形成してなる良好な被覆処理ができないからで
ある。
【００３６】［第３の実施の形態］本セルシール構造
は、上述したセル構造を構成するインタコネクタ１０２
の両面の周囲に亙って凹凸を形成してなるものである。
は、上述したセル構造を構成するインタコネクタ１０２
の両面の周囲に亙って凹凸を形成してなるものである。
【００３７】本実施の形態のように発電膜としてディン
プル形状のものを多数積層する場合には、上記インタコ
ネクタ１０２の厚みが極薄いもの（１ｍｍ以下、好まし
くは0.５ｍｍ程度以下）となるので、該インタコネクタ
１０２自身に加工を施すことは困難である。このため、
本発明では、図２に示すように、インタコネクタ１０２
の両面の周囲のシール部材１０４と接触する部分を凹凸
形成部１２０とし、該凹凸形成部１２０にガラスの微粉
末からなる凹凸部（図示せず）を形成したものである。
プル形状のものを多数積層する場合には、上記インタコ
ネクタ１０２の厚みが極薄いもの（１ｍｍ以下、好まし
くは0.５ｍｍ程度以下）となるので、該インタコネクタ
１０２自身に加工を施すことは困難である。このため、
本発明では、図２に示すように、インタコネクタ１０２
の両面の周囲のシール部材１０４と接触する部分を凹凸
形成部１２０とし、該凹凸形成部１２０にガラスの微粉
末からなる凹凸部（図示せず）を形成したものである。
【００３８】なお、本実施の形態においては、説明のた
めに、図２を用いて上述した第２の実施の形態にかかる
キャップ１１０を設けたものに凹凸形成部１２０を図示
しているものであるが、本発明はこのキャップ１１０を
設けることは必須条件ではない。すなわち、インタコネ
クタ１０２の両面の周囲のシール材と接する所定箇所に
ガラス粉から形成される凹凸部を形成することにより、
燃料電池運転時に於いて半溶融状態となってインタコネ
クタ１０２とシール材１０４との接合が強固となり、凹
凸部のみでも効果を奏する。なお、図２に示すよう
に、、上記キャップ１１０を設けるとさらに、界面の結
合が強固となると共に、そのシール性が向上する。
めに、図２を用いて上述した第２の実施の形態にかかる
キャップ１１０を設けたものに凹凸形成部１２０を図示
しているものであるが、本発明はこのキャップ１１０を
設けることは必須条件ではない。すなわち、インタコネ
クタ１０２の両面の周囲のシール材と接する所定箇所に
ガラス粉から形成される凹凸部を形成することにより、
燃料電池運転時に於いて半溶融状態となってインタコネ
クタ１０２とシール材１０４との接合が強固となり、凹
凸部のみでも効果を奏する。なお、図２に示すよう
に、、上記キャップ１１０を設けるとさらに、界面の結
合が強固となると共に、そのシール性が向上する。
【００３９】同様に、第１の実施の形態のシール構造と
の併用も効果が向上する。
の併用も効果が向上する。
【００４０】ここで、上記凹凸部の形成は、ガラスの微
細な粉を塗布した後、熱処理して形成してなるものであ
る。
細な粉を塗布した後、熱処理して形成してなるものであ
る。
【００４１】特に、粉ガラスとしては、１２５０℃以上
の軟化点が高いガラス粉末を使用するとよい。これは、
燃料電池の使用中に高温（１０００〜１１００℃）でも
軟化しないようにするためである。
の軟化点が高いガラス粉末を使用するとよい。これは、
燃料電池の使用中に高温（１０００〜１１００℃）でも
軟化しないようにするためである。
【００４２】上記ガラスの微粉砕物は粒径が２μｍ以上
のものを用いるようにすればよい。これは２μｍ未満の
場合には、良好な凹凸部を形成することができず、シー
ル材との接合が強固にならないからである。
のものを用いるようにすればよい。これは２μｍ未満の
場合には、良好な凹凸部を形成することができず、シー
ル材との接合が強固にならないからである。
【００４３】なお、半球状の凹凸状の複数のディンプル
形状の発電膜１０１は、上記インタコネクタが固体電解
質が0.５〜５モル％のアルミニウムアルコキシドを混合
してなるイットリア安定化ジルコニウムであると共にイ
ットリア安定化ジルコニウムの膜厚は特に限定されるも
のではないが、好適には５μｍ以上３００μｍ未満とす
る一方、イットリア安定化ジルコニウム膜の片面に配設
する酸素電極の膜厚を、好適には２００μｍ以上１００
０μｍ以下とすることが好ましい。上記固体電解質を５
μｍ以上３００μｍ未満とすると共に、該固体電解質と
共に酸素電極を一体に積層した後に焼成して、固体電解
質側を薄くしても強度を酸素電極側の厚みで補うように
している。また、半球状の凹凸のディンプル形状とする
と共に、固体電解質の組成に0.５〜５モル％のアルミニ
ウムアルコキシドを混合してなるので、薄くした場合で
あっても固体電解質の強度を保持している。
形状の発電膜１０１は、上記インタコネクタが固体電解
質が0.５〜５モル％のアルミニウムアルコキシドを混合
してなるイットリア安定化ジルコニウムであると共にイ
ットリア安定化ジルコニウムの膜厚は特に限定されるも
のではないが、好適には５μｍ以上３００μｍ未満とす
る一方、イットリア安定化ジルコニウム膜の片面に配設
する酸素電極の膜厚を、好適には２００μｍ以上１００
０μｍ以下とすることが好ましい。上記固体電解質を５
μｍ以上３００μｍ未満とすると共に、該固体電解質と
共に酸素電極を一体に積層した後に焼成して、固体電解
質側を薄くしても強度を酸素電極側の厚みで補うように
している。また、半球状の凹凸のディンプル形状とする
と共に、固体電解質の組成に0.５〜５モル％のアルミニ
ウムアルコキシドを混合してなるので、薄くした場合で
あっても固体電解質の強度を保持している。
【００４４】［第４の実施の形態］以下、本発明のセル
シールによるセル構造を用いた燃料電池の一例について
説明する。図４は燃料電池モジュールの概略図であり、
図５はキャニスタに収容されるスタック本体の斜視図、
図６は図４の縦方向の一部断面図であり、図７は図６の
Ｘ部分拡大概略図である。図４に示すように、本実施の
形態にかかる燃料電池モジュールは、架台１０に設けら
れた基部１１上に設けられてなり、水平方向に配した隔
壁１２ａによって内部を上下２室に区分けしてなる断熱
性のモジュール本体１２と、上記モジュール本体１２の
下部室内に設けられ、空気極と燃料極とをその両面に配
した発電膜を、起立した状態で複数列設してなる燃料電
池スタック１３と、上記燃料電池スタック１３の周囲に
配されてなり、該燃料電池スタック１３に下方（地側）
から燃料１４及び左右方向から空気１５を供給する燃料
室１６及び空気室１７と、上記モジュール本体１２の上
部室内に設けられ、上記空気室１７へ供給する空気１５
を燃料電池の発電温度（８００℃〜１０００℃近傍）ま
で加温する予熱器１８と、上記モジュール本体１２の下
部側に設けられ、上記燃料室１６へ供給する燃料１４を
上記発電温度まで加温する予熱器１９とからなるもので
ある。ここで、本実施の形態では、上記モジュール本体
１２により区分けした上部室は外部から供給される空気
１５を予熱する空気予熱室２０とし、下部室は燃料電池
スタック１３を収納するスタック室２１としている。
シールによるセル構造を用いた燃料電池の一例について
説明する。図４は燃料電池モジュールの概略図であり、
図５はキャニスタに収容されるスタック本体の斜視図、
図６は図４の縦方向の一部断面図であり、図７は図６の
Ｘ部分拡大概略図である。図４に示すように、本実施の
形態にかかる燃料電池モジュールは、架台１０に設けら
れた基部１１上に設けられてなり、水平方向に配した隔
壁１２ａによって内部を上下２室に区分けしてなる断熱
性のモジュール本体１２と、上記モジュール本体１２の
下部室内に設けられ、空気極と燃料極とをその両面に配
した発電膜を、起立した状態で複数列設してなる燃料電
池スタック１３と、上記燃料電池スタック１３の周囲に
配されてなり、該燃料電池スタック１３に下方（地側）
から燃料１４及び左右方向から空気１５を供給する燃料
室１６及び空気室１７と、上記モジュール本体１２の上
部室内に設けられ、上記空気室１７へ供給する空気１５
を燃料電池の発電温度（８００℃〜１０００℃近傍）ま
で加温する予熱器１８と、上記モジュール本体１２の下
部側に設けられ、上記燃料室１６へ供給する燃料１４を
上記発電温度まで加温する予熱器１９とからなるもので
ある。ここで、本実施の形態では、上記モジュール本体
１２により区分けした上部室は外部から供給される空気
１５を予熱する空気予熱室２０とし、下部室は燃料電池
スタック１３を収納するスタック室２１としている。
【００４５】上記スタック室２１の内部には、燃料電池
スタック１３を収容する耐熱性の高いセラミックス製の
箱型のキャニスタ２４が配されている。また、図５に示
すように、上記燃料電池スタック１３を構成する発電膜
の燃料極側に下方（地側）から燃料１４を供給する燃料
室１６が形成されている。該燃料室１６には、上記予熱
器１９により予熱された燃料１４が供給されており、該
予熱燃料１４が発電膜に供給され、電池反応を行った後
の燃料排ガス２６はスタック１３の上方から排出され
る。
スタック１３を収容する耐熱性の高いセラミックス製の
箱型のキャニスタ２４が配されている。また、図５に示
すように、上記燃料電池スタック１３を構成する発電膜
の燃料極側に下方（地側）から燃料１４を供給する燃料
室１６が形成されている。該燃料室１６には、上記予熱
器１９により予熱された燃料１４が供給されており、該
予熱燃料１４が発電膜に供給され、電池反応を行った後
の燃料排ガス２６はスタック１３の上方から排出され
る。
【００４６】また、本発明ではより好ましくは、本実施
の形態の図５に示すように、上記燃料電池スタック１３
が、発電膜を起立した状態でインタコネクタを交互に介
して少量（例えば５段）列設してなるサブスタック３２
を構成し、該サブスタック３２同士を接続する集電部材
（図示せず）を用いて、複数列（例えば１０列：32-1`3
2-10）交互に連結してなる貨車状横置スタック３４とし
たものを用いることができる。この貨車状横置スタック
３４とした場合には、各々のサブスタック３２に空気を
供給する空気供給マニホールド３５ａ及び空気排出マニ
ホールド３５ｂをサブスタック単位で各々形成すること
ができるので、複数列を多段に設ける場合と比べて、例
えば空気室等のようなマニホールド等の部材を大型化す
る必要がなくなる。また、貨車状横置スタック３４の両
端部に位置するサブスタック３２−１，３２−１０に
は、集電棒３６を具えた集電板３７が各々設けられてお
り、これらにより集電している。
の形態の図５に示すように、上記燃料電池スタック１３
が、発電膜を起立した状態でインタコネクタを交互に介
して少量（例えば５段）列設してなるサブスタック３２
を構成し、該サブスタック３２同士を接続する集電部材
（図示せず）を用いて、複数列（例えば１０列：32-1`3
2-10）交互に連結してなる貨車状横置スタック３４とし
たものを用いることができる。この貨車状横置スタック
３４とした場合には、各々のサブスタック３２に空気を
供給する空気供給マニホールド３５ａ及び空気排出マニ
ホールド３５ｂをサブスタック単位で各々形成すること
ができるので、複数列を多段に設ける場合と比べて、例
えば空気室等のようなマニホールド等の部材を大型化す
る必要がなくなる。また、貨車状横置スタック３４の両
端部に位置するサブスタック３２−１，３２−１０に
は、集電棒３６を具えた集電板３７が各々設けられてお
り、これらにより集電している。
【００４７】次に、貨車状横置スタック３４をキャニス
タ２４の内部に収容する場合について説明する。図５に
示すように、上記キャニスタ２４の内部に収容される貨
車状横置スタック３４の各サブスタック３２は、起立し
た状態でインタコネクタ１０２を介して５列列設してな
る発電膜１０１がセラミックス製の枠体であるマニホー
ルド４２ａ，４２ｂにより上下方向で一体に挾持されて
おり、下部マニホールド４２ｂはキャニスタ底部２４ａ
側にジルコニアペースト４３等のシール材によりシール
されて固定されている。
タ２４の内部に収容する場合について説明する。図５に
示すように、上記キャニスタ２４の内部に収容される貨
車状横置スタック３４の各サブスタック３２は、起立し
た状態でインタコネクタ１０２を介して５列列設してな
る発電膜１０１がセラミックス製の枠体であるマニホー
ルド４２ａ，４２ｂにより上下方向で一体に挾持されて
おり、下部マニホールド４２ｂはキャニスタ底部２４ａ
側にジルコニアペースト４３等のシール材によりシール
されて固定されている。
【００４８】上記セルスタックは図７に示すように、発
電膜１０１とインタコネクタ１０２とを積層してなるも
のであり、上述したように積層端部に水ガラス塗布層１
０５を設けると共に、インタコネクタ１０２と発電膜１
０２との界面を覆うように、キャップ１１０を設けるこ
とにより、両者の相乗効果により高いシール構造として
いる。これにより、燃料の洩れが殆どないので、長期間
に亙っての燃料電池の運転を高い燃料利用率で行うこと
ができた。
電膜１０１とインタコネクタ１０２とを積層してなるも
のであり、上述したように積層端部に水ガラス塗布層１
０５を設けると共に、インタコネクタ１０２と発電膜１
０２との界面を覆うように、キャップ１１０を設けるこ
とにより、両者の相乗効果により高いシール構造として
いる。これにより、燃料の洩れが殆どないので、長期間
に亙っての燃料電池の運転を高い燃料利用率で行うこと
ができた。
【００４９】なお、本発明は燃料電池のセル構造には何
等限定されるものではないが、上述したディンプル形状
の発電膜を用いてインタコネクタを介して積層するセル
構造において、特に好適なものとなる。
等限定されるものではないが、上述したディンプル形状
の発電膜を用いてインタコネクタを介して積層するセル
構造において、特に好適なものとなる。
【００５０】
【発明の効果】第一番目の発明は、固体電解質の一方の
面に燃料電極材を設けると共に他方の面に酸素電極材を
設けてなる発電膜とインタコネクタとを積層した周縁端
部にガスシール材を充填してなるセル構造において、前
記インタコネクタと前記ガスシール材との積層界面の周
囲を覆うキャップを設けると共に、前記インタコネクタ
の両面の周囲に亙って凹凸部を形成するので、シール性
を向上させることができ、ガスの洩れを解消することが
できる。
面に燃料電極材を設けると共に他方の面に酸素電極材を
設けてなる発電膜とインタコネクタとを積層した周縁端
部にガスシール材を充填してなるセル構造において、前
記インタコネクタと前記ガスシール材との積層界面の周
囲を覆うキャップを設けると共に、前記インタコネクタ
の両面の周囲に亙って凹凸部を形成するので、シール性
を向上させることができ、ガスの洩れを解消することが
できる。
【００５１】 第二番目の発明は、固体電解質の一方の
面に燃料電極材を設けると共に他方の面に酸素電極材を
設けてなる発電膜とインタコネクタとを積層した周縁端
部にガスシール材を充填してなるセル構造において、前
記インタコネクタと前記ガスシール材との積層界面の周
囲を覆うキャップを設けること、又は、前記インタコネ
クタの両面の周囲の前記ガスシール材と接触する部分に
凹凸部を形成することのうちのいずれか一方がなされて
いるので、シール性を向上させることができ、ガスの洩
れを解消することができる。
面に燃料電極材を設けると共に他方の面に酸素電極材を
設けてなる発電膜とインタコネクタとを積層した周縁端
部にガスシール材を充填してなるセル構造において、前
記インタコネクタと前記ガスシール材との積層界面の周
囲を覆うキャップを設けること、又は、前記インタコネ
クタの両面の周囲の前記ガスシール材と接触する部分に
凹凸部を形成することのうちのいずれか一方がなされて
いるので、シール性を向上させることができ、ガスの洩
れを解消することができる。
【００５２】第三番目の発明は、第一番目又は第二番目
の発明において、前記キャップが多孔質材料からなるの
で、シール性が高いものとなる。
の発明において、前記キャップが多孔質材料からなるの
で、シール性が高いものとなる。
【００５３】第四番目の発明は、第一番目又は第二番目
の発明において、前記キャップが、ケイ酸ナトリウム、
ケイ酸カリウム、シリカゾルのいずれか一種の水溶液を
塗布してなるものであるので、シール性が高いものとな
る。
の発明において、前記キャップが、ケイ酸ナトリウム、
ケイ酸カリウム、シリカゾルのいずれか一種の水溶液を
塗布してなるものであるので、シール性が高いものとな
る。
【００５４】
【００５５】第五番目の発明は、第一番目又は第二番目
の発明において、前記凹凸部が、ガラス粉末を塗布して
焼き付け処理してなるものであるので、強固な凹凸が形
成できる。
の発明において、前記凹凸部が、ガラス粉末を塗布して
焼き付け処理してなるものであるので、強固な凹凸が形
成できる。
【００５６】第六番目の発明は、第五番目の発明におい
て、前記ガラス粉末の軟化点が１２５０℃以上であるの
で、燃料電池運転時に於いても強固な結合が保持され
る。
て、前記ガラス粉末の軟化点が１２５０℃以上であるの
で、燃料電池運転時に於いても強固な結合が保持され
る。
【００５７】
【００５８】第七番目の発明は、第一番目又は第二番目
の発明において、ケイ酸ナトリウム、ケイ酸カリウム、
シリカゾルのいずれか一種の水溶液を前記ガスシール材
の端面に塗布してなるものであるので、シール性が高い
ものとなる。
の発明において、ケイ酸ナトリウム、ケイ酸カリウム、
シリカゾルのいずれか一種の水溶液を前記ガスシール材
の端面に塗布してなるものであるので、シール性が高い
ものとなる。
【００５９】
【００６０】第八番目の発明は、第一番目から第七番目
の発明のいずれかにおいて、前記発電膜が、複数の半球
状の凹凸を有するディンプル形状であるので、発電効率
が向上する。
の発明のいずれかにおいて、前記発電膜が、複数の半球
状の凹凸を有するディンプル形状であるので、発電効率
が向上する。
【００６１】第九番目の発明は、第八番目の発明におい
て、前記発電膜の前記固体電解質が、０．５〜５モル％
のアルミニウムアルコキシドを混合したイットリア安定
化ジルコニウムからなると共に、イットリア安定化ジル
コニウムの膜厚が、５μｍ以上３００μｍ未満であり、
前記発電膜の前記酸素電極材の膜厚が、２００μｍ以上
１０００μｍ以下であるので、薄膜状であっても強度が
高く、しかもシール性が高いセル構造とすることができ
る。
て、前記発電膜の前記固体電解質が、０．５〜５モル％
のアルミニウムアルコキシドを混合したイットリア安定
化ジルコニウムからなると共に、イットリア安定化ジル
コニウムの膜厚が、５μｍ以上３００μｍ未満であり、
前記発電膜の前記酸素電極材の膜厚が、２００μｍ以上
１０００μｍ以下であるので、薄膜状であっても強度が
高く、しかもシール性が高いセル構造とすることができ
る。
【００６２】第十番目の発明は、第一番目から第九番目
の発明のいずれかの燃料電池セルシール構造により燃料
電池スタックを形成してなるので、燃料電池の燃料洩れ
がなく、長期間に亙って良好に運転することができる。
の発明のいずれかの燃料電池セルシール構造により燃料
電池スタックを形成してなるので、燃料電池の燃料洩れ
がなく、長期間に亙って良好に運転することができる。
【００６３】第十一番目の発明は、第十番目の発明にお
いて、前記燃料電池スタックが、前記発電膜を起立させ
た状態で複数積層されたものであることから、コンパク
ト化を図ると共に、積層状態のように発電膜の下端側に
その自重がかかることなく、しかもシール性が向上する
ので、長期間に亙って燃料電池を故障なく良好に発電を
維持することができ、発電の信頼性が向上する。
いて、前記燃料電池スタックが、前記発電膜を起立させ
た状態で複数積層されたものであることから、コンパク
ト化を図ると共に、積層状態のように発電膜の下端側に
その自重がかかることなく、しかもシール性が向上する
ので、長期間に亙って燃料電池を故障なく良好に発電を
維持することができ、発電の信頼性が向上する。
【図１】本発明の第１の実施の形態にかかるガスシール
構造の概略図である。
構造の概略図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態にかかるガスシール
構造の概略図である。
構造の概略図である。
【図３】本発明の実施の形態にかかるガスシール構造の
概略図である。
概略図である。
【図４】本実施の形態にかかる燃料電池モジュールの概
略図である。
略図である。
【図５】キャニスタに収容されるスタック本体の斜視図
である。
である。
【図６】図５の一部断面図である。
【図７】本発明の実施の形態にかかるガスシール構造の
概略図である。
概略図である。
【図８】本発明の実施の形態にかかる発電膜の構造図で
ある。
ある。
【図９】従来技術にかかるガスシール構造の概略図であ
る。
る。
１０１ 発電膜
１０２ インタコネクタ
１０３ セル構造
１０４ ガスシール材
１０５ 水ガラス塗布層
１１０ キャップ
１２０ 凹凸形成部
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ
Ｈ０１Ｍ 8/24 Ｈ０１Ｍ 8/24 Ｅ
(56)参考文献 特開 平７−130383（ＪＰ，Ａ)
特開 平７−245120（ＪＰ，Ａ)
Claims (11)
- 【請求項１】 固体電解質の一方の面に燃料電極材を設
けると共に他方の面に酸素電極材を設けてなる発電膜と
インタコネクタとを積層した周縁端部にガスシール材を
充填してなるセル構造において、 前記インタコネクタと前記ガスシール材との積層界面の
周囲を覆うキャップを設けると共に、 前記インタコネクタの両面の周囲に亙って凹凸部を形成
することを特徴とする燃料電池セルシール構造。 - 【請求項２】 固体電解質の一方の面に燃料電極材を設
けると共に他方の面に酸素電極材を設けてなる発電膜と
インタコネクタとを積層した周縁端部にガスシール材を
充填してなるセル構造において、 前記インタコネクタと前記ガスシール材との積層界面の
周囲を覆うキャップを設けること、 又は、 前記インタコネクタの両面の周囲の前記ガスシール材と
接触する部分に凹凸部を形成することのうちのいずれか
一方がなされていることを特徴とする燃料電池セルシー
ル構造。 - 【請求項３】 請求項１又は請求項２において、 前記キャップが多孔質材料からなることを特徴とする燃
料電池セルシール構造。 - 【請求項４】 請求項１又は請求項２において、 前記キャップが、ケイ酸ナトリウム、ケイ酸カリウム、
シリカゾルのいずれか一種の水溶液を塗布してなるもの
であることを特徴とする燃料電池セルシール構造。 - 【請求項５】 請求項１又は請求項２において、 前記凹凸部が、ガラス粉末を塗布して焼き付け処理して
なるものであることを特徴とする燃料電池セルシール構
造。 - 【請求項６】 請求項５において、 前記ガラス粉末の軟化点が１２５０℃以上であることを
特徴とする燃料電池セルシール構造。 - 【請求項７】 請求項１又は請求項２において、 ケイ酸ナトリウム、ケイ酸カリウム、シリカゾルのいず
れか一種の水溶液を前記ガスシール材の端面に塗布して
なるものであることを特徴とする燃料電池セルシール構
造。 - 【請求項８】 請求項１から請求項７のいずれかにおい
て、 前記発電膜が、複数の半球状の凹凸を有するディンプル
形状であることを特徴とする燃料電池セルシール構造。 - 【請求項９】 請求項８において、 前記発電膜の前記固体電解質が、０．５〜５モル％のア
ルミニウムアルコキシドを混合したイットリア安定化ジ
ルコニウムからなると共に、イットリア安定化ジルコニ
ウムの膜厚が、５μｍ以上３００μｍ未満であり、 前記発電膜の前記酸素電極材の膜厚が、２００μｍ以上
１０００μｍ以下であることを特徴とする燃料電池セル
シール構造。 - 【請求項１０】 請求項１から請求項９のいずれかの燃
料電池セルシール構造により燃料電池スタックを形成し
てなることを特徴とする燃料電池モジュール。 - 【請求項１１】 請求項１０において、 前記燃料電池スタックが、前記発電膜を起立させた状態
で複数積層されたものであることを特徴とする燃料遠地
モジュール。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000138323A JP3492285B2 (ja) | 2000-05-11 | 2000-05-11 | 燃料電池セルシール構造 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000138323A JP3492285B2 (ja) | 2000-05-11 | 2000-05-11 | 燃料電池セルシール構造 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001319670A JP2001319670A (ja) | 2001-11-16 |
| JP3492285B2 true JP3492285B2 (ja) | 2004-02-03 |
Family
ID=18645954
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000138323A Expired - Fee Related JP3492285B2 (ja) | 2000-05-11 | 2000-05-11 | 燃料電池セルシール構造 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3492285B2 (ja) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7189470B2 (en) * | 2005-01-18 | 2007-03-13 | Corning Incorporated | Sealing materials and devices utilizing such materials |
| FR2891950B1 (fr) * | 2005-10-11 | 2014-05-30 | Commissariat Energie Atomique | Empilement etanche de pile a combustible |
| CN109841868B (zh) * | 2017-11-27 | 2021-06-18 | 中国科学院大连化学物理研究所 | 一种固体氧化物燃料电池复合密封剂及其应用 |
-
2000
- 2000-05-11 JP JP2000138323A patent/JP3492285B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2001319670A (ja) | 2001-11-16 |
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