JPH02267869A - 固体電解質型燃料電池 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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
に熱的破損がなく信軌性に優れる固体電解質型燃料電池
のセル構成に関する。

〔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が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、熱的に破損しやすく、
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４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
。

〔発明が解決しようとする課題〕

反応ガスはガスマニホールド　（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となる。

ガスシールを行うために単セル１７とセパレート板１８
とを一体に焼結することが考えられるがこの方法では、
単セルとセパレート板とが異種材料で構成されるため、
わずかな熱膨張率の差や温度分布の不均一性によって一
体焼結体に割れが発生する。また、単セルとセパレート
板をそれぞれ個別に形成してこれをシール材料を介して
積層する方法も考えられるが、この場合適当な高温用ガ
スシール材料がない。

この発明は、上述の点に鑑みてなされその目的はガスシ
ールが可及不要な燃料電池の構造を用いることにより、
ガスシールに伴う熱的破損がなく信鯨性に優れる固体電
解質型燃料電池を提供することにある。

（Ｉ１１！Ｉを解決するための手段〕 上述の目的はこの発明によれば、固体電解質体３の両面
に多孔質なアノード１とカソード２を配した単セル１３
をこれに反応ガスを供給する第１の基体７と第２の基体
１１で挟持し、これらを緻密質のインタコネクタ層１２
を介して積層してなる固体電解質型燃料電池において、 （１）主面の中央部より周辺部に向かって反応ガスを導
く案内層１９Ａ、１９Ｂを存する前記第１および第２の
基体７．１１と、 （２）前記第１および第２の基体７．１１と単セル１３
とインタコネクタ層１２の積層体の中央部を積層方向に
貫通するとともにその側面のガス孔１０Ａ、　ＩＯＢか
ら案内層１９＾、１９Ｂへガスを拡散させる反応ガス導
入管４．５　と、 （３）前記反応ガス導入管４，５と単セル１３の内周面
との間隙に配設されたガラスシール６、とを備えること
により達成される。

反応ガスである酸化剤ガスと燃料ガスはそれぞれ酸化剤
ガス導入管５と燃料ガス導入管４の反応ガス導入管によ
ってガス導入孔１０＾、１０Ｂを介して第１の基体７と
第２の基体１１の二つの主面上に分離供給される。この
際酸化剤ガスと燃料ガスとは第１と第２の基体の案内層
１９Ａ、　１９Ｂによって中央部から周辺部へと導かれ
、それぞれカソード２とアノード１に到達する。

酸化剤ガスはカソード２で酸素イオンとなり固体電解質
板を拡散してアノード１で燃料ガスと反応する。

〔作用〕

反応ガスはリブ状の案内層に導かれ第１および第２の基
体の中央部から周辺部へと流れるため、単セルと基体と
のシールは不要となる。基体の周辺部に到達した反応ガ
スは相互に反応して燃焼し、固体電解質型燃料電池の動
作温度まで燃料電池を昇温させる手段の１つとなる。ま
た、反応ガスの余熱用熱源としても利用できる。

〔実施例〕

（実施例１） 次にこの発明の実施例を図面に基づいて説明する。第１
図はこの発明の実施例に係る固体電解質型燃料電池の縦
切断面図で、アノード１と固体電解質体３とカソード２
の形成されたリブ状案内羽１９Ｂ付多孔賞基体（第１の
基体）７とインタコネクタ層１２を形成したリブ状案内
羽１９Ａ付多孔賞基体（第２の基体）１１とが、交互に
積層され、積層体の中央部に燃料ガス導入管↓と酸化剤
ガス導入管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２■のリプ状案内羽付多孔質基体７がＮｉ　−Ｚｒ
Ｏ＠サーメットを用いて形成される。リブ状案内羽付多
孔質基体７の平坦な主面にＮｉ　　ＺｒＯ＊サーメット
をプラズマ溶射し、厚さ　１００μの多孔質アノードｌ
が形成される。アノード１の上にイツトリア安定化ジル
コニアをプラズマ溶射し、厚さ３０ｎ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
マンガンオキサイドＬａ　（Ｓｒ）Ｍｎ０３をプラズマ
溶射し、厚さ８００−の多孔質なカソード２が形成され
る。一方、厚さ２鶴のリブ状案内羽付多孔賞基体１１が
Ｌａ（Ｓｒ）ＭｎＯｓを用いて形成される。このリブ状
案内羽付多孔賞基体１１の平坦な主面にランタンクロメ
イトＬａＣｒＯ３をプラズマ溶射し、厚さ４０μ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
メイトは、電子電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、ランタンクロメイトはイツ
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
されたリブ状案内羽付多孔質基体７とインタコネクタ層
１２を形成したリブ状案内羽付多孔質基体１１とを個別
に焼結する。焼結後、両すブ状案内羽付多孔質基体７，
１１の燃料ガス導入管４と酸化剤ガス導入管５に接する
側面は、セラミックセメントを用いてガスシールされる
　（セラミックシール２０） なおＬａ（Ｓｒ）ＭｎＯ３を用いたリブ状案内羽付多孔
賞基体１１は必ずしも多孔質である必要はないがＬａ　
（Ｓｒ）ＭｎＯｓ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ＬａＣｒＯｘを用いた
インタコネクタ層は必要である。

リブ状案内羽付多孔質基体７とリブ状案内羽付多孔賞基
体１１との間の反応ガスシール用に、燃料ガス導入管４
と酸化剤ガス導入管５とを貫通させる穴を有するガラス
シール６が配設される。ガラスシール６はアノード１と
固体電解質体３とカソード２の積層された単セルと同じ
厚さに加工されたもので、ソーダガラスが使われる。ガ
ラスシール６は固体電解質型燃料電池・の作動温度１０
００℃においては、液体状となり液シールが可能となり
、反応ガス導入管４．５からのガスもれも防止すること
ができる。

酸化剤ガスである酸素ガスが酸化剤ガス導入管５によっ
てガス孔１０Ａを経由してリブ状案内羽付多孔質基体ｌ
ｌ上の酸化剤ガス室９に導かれる。燃料ガスである水素
ガスが燃料ガス導入管４によってガス孔１０Ｂを経由し
てリブ状案内羽付多孔質基体７上の燃料ガス室８に導入
される。酸化剤ガス室９は、第２図に示すように同心円
状に９０度づつずらしてガスの出口を設けた案内羽１９
Ａ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を１８０度づつずらしてガ
スの出口が設けられている０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の形成されたリブ状案内羽付
多孔賞基体７とインタコネクタ層１２を形成したリブ状
案内羽付多孔質基体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状案内羽付多
孔賞基体７とリブ状案内羽付多孔賞基体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
導入管４と酸化剤ガス導入管５の周辺の、ガスシールに
用いられるガラスシールは、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ま
まである。

単セルは第２図では円板形状としているがこれに限定さ
れるものでなく角形、楕円形、多角形のものでもよい、
また案内羽１９＾、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。また、反
応ガス導入管は２本とせず１本にまとめることも可能で
ある。この場合は２重管、２大管を使用して反応ガス導
入管の内部を２つの反応ガスを分離して流す、この場合
、貫通孔が減るメリットがある。

（実施例２） 第３図は、案内層の変形例である。中央部の燃料ガス導
入管４と酸化剤ガス導入管５から放出されたそれぞれの
反応ガスは電池反応をしながら渦巻き状の案内層１９Ｂ
に沿ってセルの外側へと流れる。Ｘ白羽１９Ｂのピンチ
はセルの直径によって最適値を選ぶ必要があるが固体電
解質型燃料電池は、ガス差圧を大きくしてもクロスリー
クが起こりにくいのでこのような長いガス流路でも十分
実用化できる。案内層１９Ｂが渦巻き状の場合はガスを
単セル１３に均等に流すことができ、また排ガスを１箇
所に集め得る効果がある。

〔発明の効果〕 この発明によれば固体電解質体の両面に多孔質なアノー
ドとカソードを配した単セルをこれに反応ガスを供給す
る第１の基体と第２の基体で挟持し、これらを緻密質の
インタコネクタ層を介して積層してなる固体電解質型燃
料電池において、ｔｌ）主面の中央部より周辺部に向か
って反応ガスを導く案内層を有する前記第１および第２
の基体と、（２）前記第１および第２の基体と単セルと
インタコネクタ層の積層体の中央部を積層方向に貫通す
るとともにその側面のガス孔から案内層へガスを拡散さ
せる反応ガス導入管と、 （３）前記反応ガス導入管と単セルの内層面との間隙に
配設されたガラスシール、とを備えるので反応ガスは燃
料電池の中央部から周辺部に向かって流れ排出される。

そのため単セルと第１および第２の基体とのシールが不
要となり、単セルと基体は自由に動き得ることとなって
シールに起因する熱的破損がなくなり、信幀性に優れる
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図は、この発明の実施例に係る固体電解質型燃料電
池を示す縦切断面図、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す横切断面図、第３図は、
この発明の他の実施例に係る固体電解質型燃料電池を示
す横切断面図、第４図は、従来の固体電解質型燃料電池
の部分分解斜視図である。 １ニアノード、２：カソード、３：固体電解質体、４：
燃料ガス導入管（反応ガス導入管）５二酸化剤ガス導入
管（反応ガス導入管）　　６：ガラスシール、７：第１
の基体、８：燃料ガス室、９二酸化剤ガス室、ＩＯＡ、
ＩＯＢ　：ガス孔、１１：第２の基体、１２：インタコ
ネクタ層、１３：単セル、Ｉ６：ガス排出口、１９４．
１９Ｂ　　：案内層。 ど−一一一一鴨、 怜 第２図 軍３図 第４図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）固体電解質体の両面に多孔質なアノードとカソード
   を配した単セルをこれに反応ガスを供給する第１の基体
   と第２の基体で挟持し、これらを緻密質のインタコネク
   タ層を介して積層してなる固体電解質型燃料電池におい
   て、 （１）主面の中央部より周辺部に向かって反応ガスを導
   く案内羽を有する前記第１および第２の基体と、（２）
   前記第１および第２の基体と単セルとインタコネクタ層
   の積層体の中央部を積層方向に貫通するとともにその側
   面のガス孔から案内羽へガスを拡散させる反応ガス導入
   管と、 （３）前記反応ガス導入管と単セルの内周面との間隙に
   配設されたガラスシール、とを備えることを特徴とする
   固体電解質型燃料電池。