JP3791702B2

JP3791702B2 - 平板状固体電解質燃料電池

Info

Publication number: JP3791702B2
Application number: JP23427395A
Authority: JP
Inventors: 安藤基朗; 若山慎一; 染谷喜幸; 吉田利彦
Original assignee: Petroleum Energy Center PEC; Tonen General Sekiyu KK
Current assignee: Tonen General Sekiyu KK; Japan Petroleum Energy Center JPEC
Priority date: 1995-09-12
Filing date: 1995-09-12
Publication date: 2006-06-28
Anticipated expiration: 2015-09-12
Also published as: JPH0982346A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、平板状固体電解質燃料電池に関し、特に固体電解質板とセパレータの間の封止技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、炭化水素等の燃料ガスと空気等の酸化剤ガスの持つ化学エネルギーを電気化学的な反応によって直接電気エネルギーに変換する装置であり、そのうち、固体電解質燃料電池（ＳＯＦＣ）は、電解質が常態または作動条件下で液状となるリン酸型（ＰＡＦＣ）や溶融炭酸塩型（ＭＣＦＣ）と異なり、電解質による周辺材料の腐食、電解質自体の分解、蒸発等がなく電池構造を簡素化でき、また、動作温度が１０００℃程度と高いため、燃料として水素の他、メタンや天然ガスを改質することなくそのまま使用することができると共に、排熱をガスタービンや蒸気タービンに導くことにより、高いエネルギー利用効率を得ることができる。固体電解質燃料電池は、構造の違いにより円筒型、モノリシック型（またはハニカム型）及び平板型に大別され、このうち平板型は、高出力密度、低コスト、コンパクト化の観点から注目されている。
【０００３】
図６は、従来の平板状固体電解質燃料電池の１例を示す分解斜視図である。固体電解質板１の上面及び下面には、電極としてのカソード２及びアノード３が一体形成されており、この固体電解質板１の複数をセパレータ４を介して接合積層し、上下端に端子板５、６を積層して構成されている。セパレータ４の上下面にそれぞれ燃料ガス通路７及び酸化剤ガス通路８が形成され、また、上部端子板５及び下部端子板６の片面には、それぞれ酸化剤ガス通路８と燃料ガス通路７が形成され、固体電解質板１とこの固体電解質板１を挟む燃料ガス通路７と酸化剤ガス通路８とにより燃料電池の単位セル９が構成されている。
【０００４】
そして、このような単位セル９を多数直列に積層して電池本体を構成し、燃料ガス通路７に燃料ガスを供給し、酸化剤ガス通路８に空気を供給し、上部及び下部端子板５、６を図示しない外部回路に接続すると、酸素は燃料ガスと反応しイオン化して固体電解質板１を通して流れ、このとき、カソード２側では酸素が電子を取り込んで酸素イオンとなり、アノード３側ではこの酸素イオンと燃料ガスが反応して電子を放出するので、外部回路にはカソードを正極、アノードを負極として下部端子板６から上部端子板５へ電流が流れる。
【０００５】
固体電解質板１とセパレータ４の間には、セパレータ４のガス通路の方向に沿う２辺に、作動温度（約１０００℃）で軟化するガラスからなる封止材１０を挟み込んでガスが漏れないようにシールしている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の燃料電池においては、単位セル９を縦方向に積層することは比較的容易であるが、単位セル９自体の面積を増加させることは困難であるという問題を有している。これは、メンテナンス或いは何らかの原因で作動温度が降下するとガラスからなる封止材１０が固化し、その結果、固体電解質板１とセパレータ４との熱膨張係数の差により熱応力が増大し、固体電解質板１が破壊する場合が生じるからである。また、燃料ガスとしてメタンを用いた場合、アノード側では改質反応に伴い面内温度分布の不均一が発生し、さらに発電に伴う発熱によりセル中心部と周辺部に温度差が発生し、同様に固体電解質板が破壊する場合が生じる。
【０００７】
本発明は、上記問題を解決するものであって、作動温度の昇降温時における固体電解質板とセパレータの熱膨張係数の差により生じる熱応力の発生を極力減少させることができ、さらには、単位セル自体の面積を増加させることができる平板状固体電解質燃料電池を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
そのために本発明の平板状固体電解質燃料電池は、両面に電極が形成された固体電解質板がセパレータを介して複数積層された平板状固体電解質燃料電池において、前記固体電界質板とセパレータの間に、且つ前記電極の周縁部と電極の内部に、電池の作動温度で軟化する封止材を設け、電極構成面積に対して前記封止材の占める面積の割合を１〜５０％としたことを特徴とする。
以上
【０００９】
なお、電極構成面積に対して封止材の占める面積の割合は１〜５０％とすることが好ましく、最も好ましくは１〜２０％とすることが望まれる。これは、１％以下であると熱サイクル時に固体電解質板の破壊がおきやすく、５０％以上であると十分な出力を取り出すことができないためである。
【００１０】
また、封止材としては、（１）軟化点が５００〜８００℃のガラスが好ましく用いられ、さらに好ましくは、（２）ガラスペースト、ホウケイ酸ガラス、シリカアルミナ、ムライト、ソーダライムガラス、ホウ酸塩ガラスが用いられる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。図１は、本発明における平板状固体電解質燃料電池の１例を示し、図（Ａ）は平面図、図（Ｂ）は図（Ａ）のＡ−Ａ線に沿う断面図である。本発明は、図６で説明した平板状固体電解質燃料電池の電極２、３及び封止材１０の構造を改良するものである。
【００１２】
図６に示すように、平板状の固体電解質板１の両面には、カソード２及びアノード３が形成され、図１ではこれが電極１１（片面を省略）として示されている。両面に電極２、３を形成した固体電解質板１は、ガス通路と集電体を兼ねたセパレータ４を介して積層される。
【００１３】
固体電解質板１は、酸素イオン伝導性を有する電解質、例えば、部分安定化ジルコニア、安定化ジルコニアなど公知の固体電解質材料で作った板状物からなり、厚さは０．０５〜０．３ｍｍ程度、より好ましくは０．０８〜０．２５ｍｍ程度が適当である。０．０５ｍｍより薄いと強度上問題があり、０．３ｍｍを越えると電流路が長くなり好ましくない。
【００１４】
カソード２は、酸素通路側なので高温下で酸素に対して耐食性のある導電性材料、例えば、Ｌａ_XＳｒ_1-XＭｎＯ₃などの導電性複合酸化物粉末を固体電解質板１片面に塗布し、ガス透過性となるように多孔性に形成する。塗布の手法としては、はけ塗り法、スクリーン印刷法があり、その他、多孔状膜の作成方法としてはＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法、スパッタ法、溶射法等が可能である。
【００１５】
アノード３は、水素通路側なので高温下で水素に対して耐食性のある導電性材料（例えば、Ｎｉ／ＺｒＯ₂サーメットなど）を用い、ガス透過性となるように多孔性に形成する。また、アノード、カソードは多孔性の板状化が可能であれば、それを電解質と付着させて使用することも可能である。セパレータ４は、金属または例えばＬａ_XＳｒ_1-XＣｒＯ₃などの導電性セラミックスで形成する。
【００１６】
本例においては、固体電解質板１の面に電極１１が４分割され、電極１１の周囲に格子状の封止材１２が設けられたパターンとし、固体電解質板１とセパレータ４を積層して組み立てるとき、固体電解質板１とセパレータ４間でガスリークしないようにする。封止材１２としては、例えば軟化点が約５００〜８００℃のガラスペースト、ホウケイ酸ガラス、シリカアルミナ、ムライト、ソーダライムガラス、ホウ酸塩ガラス等を採用し、これらの封止材は、電池の作動温度（９００〜１０００℃）では十分に軟化してガスを封止する。作動温度の昇降温時においては、封止材１２による固体電解質板１とセパレータ４間の接続拘束面を多くし且つ熱応力を縦横方向に均一に分散させる構成をとっているため、両者の熱膨張係数の差により生じる熱応力の発生を極力減少させることができ、さらには、単位セル自体の面積を増加させることができる。
【００１７】
図２は、実験結果を示し、２０ｃｍ角３段スタックセルにおいて、周辺部のみのシールを行った場合（比較例）と、図１に示す周辺部と電極内部にもシールを行った場合（実施例）について、動作温度までの昇降温を繰り返した際の開放電圧の変化を示している。すなわち、比較例では開放電圧が昇降温を繰り返すことにより徐々に低下してきており、ジルコニアの破壊によるアノードガスとカソードガスのクロスリークが拡大してきているものと考えられる。これに比べて、実施例では昇降温を繰り返しても開放電圧は変化せず、電極内部でのシールが部材の破壊防止に効果があることを示している。
【００１８】
図３〜図５は、本発明における平板状固体電解質燃料電池の他の例し、それぞれ図（Ａ）は平面図、図（Ｂ）は図（Ａ）のＡ−Ａ線に沿う断面図である。図３の例においては、電極１１の周縁部に封止材１２を設けると共に、電極１１の中心部に矩形状の封止材１２を設けたパターンを示し、図４の例においては、電極１１の周縁部に封止材１２を設けると共に、電極１１の内部に複数の矩形状の封止材１２を規則的に配列したパターンを示し、図５の例においては、電極１１の周縁部に封止材１２を設けると共に、電極１１の内部に複数の円形の封止材１２を規則的に配列したパターンを示している。要するに電極１１の周縁部と、電極１１の内部とに封止材１２を設けるようにすればよく、電極１１の内部の封止材１２は一つ又は複数であり、その形状は、矩形、円形等種々の形状が採用できる。
【００１９】
以上の説明から明らかなように本発明によれば、作動温度の昇降温時における固体電解質板とセパレータの熱膨張係数の差により生じる熱応力の発生を極力減少させることができ、さらには、単位セル自体の面積を増加させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明における平板状固体電解質燃料電池の１例を示し、図（Ａ）は平面図、図（Ｂ）は図（Ａ）のＡ−Ａ線に沿う断面図である。
【図２】本発明に係わる実験結果を示す図である。
【図３】本発明における平板状固体電解質燃料電池の他の例し、図（Ａ）は平面図、図（Ｂ）は図（Ａ）のＡ−Ａ線に沿う断面図である。
【図４】本発明における平板状固体電解質燃料電池の他の例し、図（Ａ）は平面図、図（Ｂ）は図（Ａ）のＡ−Ａ線に沿う断面図である。
【図５】本発明における平板状固体電解質燃料電池の他の例し、図（Ａ）は平面図、図（Ｂ）は図（Ａ）のＡ−Ａ線に沿う断面図である。
【図６】従来の平板状固体電解質燃料電池の１例を示す分解斜視図である。
【符号の説明】
１…固体電解質板、２…カソード、３…アノード、４…セパレータ
７…燃料ガス流路、８…酸化剤ガス流路、９…単位セル
１１…電極、１２…封止材

Claims

両面に電極が形成された固体電解質板がセパレータを介して複数積層された平板状固体電解質燃料電池において、前記固体電界質板とセパレータの間に、且つ前記電極の周縁部と電極の内部に、電池の作動温度で軟化する封止材を設け、電極構成面積に対して前記封止材の占める面積の割合を１〜５０％としたことを特徴とする平板状固体電解質燃料電池。