JPH0398264A - 平板型固体電解質燃料電池 - 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〕 本発明は平板型固体電解質燃料電池に関する。

〔従来の技術〕

従来の平板型固体電解質燃刺電池を第３図に示すＯ 第３図において１２は、モジェールであＤ複数の単セル
１を積眉して構成される。単セル１は、発電層５、燃料
＠１０及び酸化剤側支持層１１・インターコネクター層
９を積層し、焼結させている。

〔発明が解決しようとする課題〕

（１）第３図に示すように、燃料側支持層１０と酸化剤
側支持層１１が直交し、燃料１　３　（Ｈ２，ｃｏ等）
と酸化剤１　４　（Ａｉｒ　ｏ　０２等）が混合しない
ようにする必要がある。そのためモジュール１２のコー
ナ一部ではガスシールのため発電層５、インターコネク
タ層９を曲げて発電層５はインターコネクター層９、イ
ンターコネクター層９は発電層６に接続しガスシールを
行っている。しかし、発電層５、インターコネクター層
９は膜厚１００μｍ〜２００μｍ程度であるため、ガス
シール性に劣ｂ燃料１３と酸化剤１４が混合し、電池の
性能劣化の原因となる。

（２）単セル１を積層してモジュール１２を形成するが
、モジェール１２０重量を支えるのは、燃料側１０及び
酸化剤側支持層１１である。しかし、これらの支持層は
１００Ｉｔｍ程度の薄膜セラミックスであるため、強度
が弱く積層に限界がある。

（３）インタコネクター１０１と支持棒１０２と電解質
膜１０３を単に接着材で、焼成接着する場合、各材料の
線膨張係数の差異のため、各々の部材に大きな熱応力が
発生する。そのため燃料ガス１０８と酸化材ガス１０９
を完全に分離し、固体電解質として働く必要のある電解
質膜１０３にクラプクが発生し、両ガスの混合が生じる
結果、発電性能の大巾な機能低下が生じる。

本発明はこれらの問題を解決する固体電解質燃料電池を
提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

本発明に係る平板型固体電解質燃料電池は、（１）発電
層と、インタコネクタ層と、前記両層の間に設けた支持
層からなる燃料電池において、前記発電層は燃料極と酸
素極と前記両極に挾まれた固体電解質膜からなり、前記
インタコネクタ層は燃料電極とインタコネクタ材と酸素
電極からなう，前記支持層は発電層の上下に燃料通路と
酸化剤通路を形成し、前記支持層の両端部にはガスシー
ル用の支持棒を設けたことを特徴とする。

（２）発電層と、インタコネクタと、前記両者の間に介
在する支持棒からなる固体電解質燃料電池において、前
配発電層は燃料極と、ｗｌ素極と、前記両極に挾筐れた
固体電解質膜からなり、前配インタコネクタと発電層は
前配発電層の上下に互いに直交する方向に流路を形成し
、前記発電層とインタコネクタの接合部に介在する支持
棒の接合面にはシール膜を接着し、前記シール膜は燃料
電池運転時に軟化もしくは半溶融することを特徴とする
。

（３）前記（２）記載の平板型固体電解質燃料電池にか
いてシール膜は１０００℃でも軟化しない無機繊維ファ
イバーと１０００℃で軟化もしくは半溶融する無機軟化
性粉体を混合し成形することを特徴とする。

〔作用〕

（１）　　ガスシール面は、支持棒の巾を増すことによ
シ広くなる自従来は、発電層、インターコネクター層の
巾でしかガスシール面がなかった。そのため巾２００μ
ｍのガスシール面ではシール不足でー５ー あった。本発明では支持棒の巾を５ｓｐ＆程度にするこ
とによシ〃スシール面が増加しガスシール性能が向上す
る。

（２）モ・ゾユールの重量をモジａ−ル内でイダタ状に
組まれた支持棒で支えるため、強度が向上し、単セルの
高積層が可能となる。支持棒は、棒状のセラミックス体
であるため支持層に比べ強度が向上する。

（３）　　シール膜は支持棒に接着されているが、イン
タコネクタと電解質に対してはシール面圧荷重によｂ圧
着されているのみであるので、熱膨張は自由に生じ得る
。そのため熱応力は極めてわずかであう，電解質膜の破
損を生じることはない。

またシール膜は低いシール面圧荷重でシール効果を発揮
させるため、無機繊維ファイバーと無機軟化性粉体で構
成し、無機繊維７アイ／４−は運転温度で軟化しない物
質の繊維、無機軟化性粉体は運転温度で軟化する物質の
粉末を使用しているため、シール膜は運転状態では、無
機繊維ファイバー間を半溶融の無機軟化性粉体が充満し
、ガスシー６一 一ルを確実にする。

〔実施例〕

本発明の第１実施例を第１図〜第２図に示す。

発電層５は、イットリア安定化ジルコニア（以下ｙｓｚ
　）などでなる固体電解質膜３を１　３００℃以上で焼
成し、その両面には燃料電極４、酸素電極２を塗布し、
１２００℃以上で焼成することにようできる。燃料電極
にはＮｉＯとｙｓｚの混合材等を、酸素電極にはＬａＳ
ｒＭｎ０５等を使用する。

インターコネクター層９も同様にして製作する。

インターコネクター材７には、ＬａＭｇＣｒ０３等を使
用する。

発電層５に燃料側支持層１０（燃料電極と同じ材質）を
接着し両端には、支持棒１５を接着する。

その上にインターコネクター層９を接着し、さらに酸素
側支持層１１と支持棒１５を接着すると、単セル１とな
り、単セル１を積層することにょシモジ募一ル１２とな
る。

第４図に本発明の第２実施例すなわちシール膜１１０を
適用した波形支持膜１０６，１０７を持つ平板型固体電
解質燃料電池を示す。第２実施例では上下面にあらかじ
めシール膜１１０を接着した支持棒１０２をインターコ
ネクター１０１と固体電解質膜１０３間に設置し上部の
インターコネクターに重量物を乗せシール面圧荷重１１
３を加えた構成にしている。前記の構成で１０００℃の
運転温度に昇温すると後述のように、無機軟化性粉体１
１２と無機繊維ファイバー１１１の作用により燃料ガス
１０Ｂや酸化材ガス１０９がシール面（インターコネク
ターとシール膜間、固体電解質膜とシール膜間）から漏
洩するのを防止すると共にインターコネクター１０１と
固体電解質膜１０３の熱膨張差をシール面の滑シによう
逃げ、固体電解質膜１０３の過大な熱応力の発生を防止
する。

第５図に示す平板型固体電解質燃料電池の各部材の寸法
と線膨張係数等を以下に示す。電池の寸法は１００簡角
平板とする。

？記の寸法と、線膨張係数と、構造から１０００℃で各
部材を接着した時インターコネクターの線膨張係数が他
の部材のそれと比較し小さく、またインターコネクター
が寸法的に最も剛であるため、インターコネクターと固
体電解質膜の線膨張係数の差に基づく下記熱応力が固体
電解質膜１０３に働くことになる。

δ１■＝（αｙｓｚ一αＬＭＣ）　ＥＩＴ＝　（１　０
．６Ｘ１　０″″’−９．８Ｘ１（ｒ’）ｘａ．５ｘ１
０’ｘｌ０００＝２８（ψ漬２〕ここで、α：線膨張係
数 Ｅニヤング率 一９− この応力は固体電解質膜ｉｏｓの許容応力１０〜１　５
　ｋ９７ｗｍ２の２６８〜１，９倍程度と大きく固体電
解質膜の破損を生じる。

したがって、本発明では、インターコネクターと固体電
解質膜の熱伸び差を吸収するシール膜を開発すると共に
、そのシール膜をインターコネクター１０１と支持棒１
０２、固体電解質膜１０３−１α一 と支持棒１０２の２ケ所に設け熱応力を緩和する構造に
する。

第５図（＆）は第４図の拡大図でシール膜１１０と常温
でのインタコネクター１０１、固体電解質膜１０３との
位置関係を示している。第５図（ｂ）は１０００℃運転
状態の各構成材の熱膨張後の位置関係を示している。す
なわち固体電解質膜１０３は４１１　，インタコネクタ
ー１０１はｌｔ２だけ膨張している。本発明ではシール
膜１１０は支持棒１０２に接着されているがインタコネ
クター１０１と固体電解質膜１０３に対しては、シール
面圧荷重１１３により圧着されているのみであるのでお
互の熱膨張は自由に生じ得る。そのため熱応力は極めて
微かであり固体電解質膜１０３の破損を生じることはな
い。

會た本発明のシール膜１１０は低いシール面圧荷重１１
３でシール効果を発揮さすため第５図（ａ），第５図（
ｂ）に示すように無機繊維ファイバー１１１と無機軟化
性粉体１１２によＤ構或する。その場合無機繊維ファイ
バー１１１は１０００℃にて軟化しない物質（高シリカ
ガラス、スラグ、セラミクク等）の繊維（直径０．１〜
１μｍ，長さ１０〜５０μ１ｍ）を使用し、無機軟化性
粉体は１０００℃で軟化する物質（タルク、カオリン、
セピオライト、バーミキエライト、マイカ等）の粉末（
直径０．１〜１０μｍ）を主成分として使用し、その重
量比は、前者を５〜４０係、後者を３０〜９５％残ｂを
結合材（天然ゴム、合成ゴム、ラテックス、各種ノ臂ル
ｆ）とする。

したがってシール膜１１０は１０００℃運転状態では無
機繊維ファイバー１１１間を半溶融の無機軟化性紛体１
１２が充満した状態となってｈ，６荷重１１１にてシー
ル面（インタコネクターとシール膜間、固体電解質膜と
シール膜間）へも半溶融無機軟化性粉体１１２が浸透し
ガスシールを確実にする。

第６図は本発明の第３実施例すなわちシール膜を、溝付
平板型固体電解質燃料電池に適用した例を示す。第３実
施例ではシール膜１１０をインタコネクター１０１と固
体電解質膜１０３間に直接挿入した構成としている。第
７図は本発明の第４実施例で、第７図（．）は燃料極１
０４、酸素極１０Ｂを端部まで延長した上にシール膜１
１０を接着した常温状態を示し、第７図（ｂ）は第７図
（＆）がｉｏｏｏ℃に上昇された場合の各構成材の位置
関係を示している。すなわち、第７図（ｂ）ではインタ
コネクター１０１とシール膜１１０、酸素極１０５とシ
ール膜１１０、燃料極１０４とシール膜１１０が接着さ
れているため、シール膜１１０の断面は平行四辺形に変
形する。しかしシール膜１１０は軟化もしくは半溶融状
態のため変形に伴なう反力は生じ無いため、固体電解質
１０３に過大な応力を発生さすことはない。

〔発明の効果〕

本発明は前述のように構成されているので以下に記載す
るような効果を奏する。

（１）支持棒が燃料側支持層及び酸化剤側支持層の両端
に有ｂ燃料側では酸化剤、酸化剤側では燃料のガスが侵
入することを防ぐ。支持棒の巾がシール面となう従来よ
りシール面積が大巾に増える−１３− ためシール性能が向上する。

（２）従来は、モジェールの重量を支持層で支えていた
が支持層は、１００μｍ程度の薄膜セラくツクで出来て
いるため強度が弱く単セルの積み重々ｂに限度があった
。しかし本発明では支持棒でも重量を支えるため強度が
大巾に向上する。

（３）平板型固体電解質燃料電池の固体電解質膜に発生
している過大な熱応力を零に近い程軽微な応力とするこ
とが可能なため、熱応力を原因とするクラック発生に伴
なう大巾な電気出力低下を防止でき、平板薄膜型固体電
解質燃料電池の実用化を可能にする。

【図面の簡単な説明】

第１図と第２図は本発明の第１実施例を示す図、第３図
は従来のガスシール構造を示す図、第４図と第５図は本
発明の第２実施例を示す図、第６図は本発明の第３実施
例を示す図、第７図は本発明の第４実施例を示す図であ
る。 １・・・単セル、２．８・・・酸素電極、４，６・・・
燃料電極、３・・・固体電解質膜、５・・・発電層、７
・・・イン−１４− ターコネクター材、９・・・インターコネクター層、１
０・・・燃料側支持層、１１・・・酸化剤側支持層、１
２・・・モジュール、１３・・・燃料、１４・・・酸化
剤、１０１・・・インタコネクター　１０２・・・支持
棒、１０３・・・固体電解質膜、１０４・・・燃料極、
１０５・・・酸素極、１０６・・・燃料極側波形支持膜
、１０７・・・酸素極側波形支持膜、１０Ｂ・・・燃料
ガス、１０９・・・酸化材ガス、１１０・・・シール膜
、１１１・・・無機繊維ファイバー　１１２・・・無機
軟化性粉体。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）発電層と、インタコネクタ層と、前記両層の間に
   設けた支持層からなる燃料電池において、前記発電層は
   燃料極と酸素極と前記両極に挾まれた固体電解質膜から
   なり、 前記インタコネクタ層は燃料電極とインタコネクタ材と
   酸素電極からなり、 前記支持層は発電層の上下に燃料通路と酸化剤通路を形
   成し、 前記支持層の両端部にはガスシール用の支持棒を設けた
   ことを特徴とする平板型固体電解質燃料電池
2. （２）発電層と、インタコネクタと、前記両者の間に介
   在する支持棒からなる固体電解質燃料電池において、 前記発電層は燃料極と、酸素極と、前記両極に挾まれた
   固体電解質膜からなり、 前記インタコネクタと発電層は前記発電層の上下に互い
   に直交する方向に流路を形成し、 前記発電層とインタコネクタの接合部に介在する支持棒
   の接合面にはシール膜を接着し、前記シール膜は燃料電
   池運転時に軟化もしくは半溶融することを特徴とする平
   板型固体電解質燃料電池（３）シール膜は１０００℃で
   も軟化しない無機繊維ファイバーと１０００℃で軟化も
   しくは半溶融する無機軟化性粉体を混合し成形すること
   を特徴とする請求項（２）記載の平板型固体電解質燃料
   電池。