JPH0412467A - 高温型燃料電池 - 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〕 本発明は高温型燃料電池に係り、より詳細には平板型燃
料電池の燃料ガス及び酸化剤ガス供給及び排出マニホー
ルドの構造に関する。

〔従来の技術〕

高温型燃料電池としては、米国ウェスチングハウス・エ
レクトリック社において既に５ｋＷ程度のパイロットプ
ラントが製造され、稼働しているが、これは円筒型とい
われるタイプで、電力密度が小さいため小型化しにくい
欠点がある。

これに対して、平板型は１段あたりの厚みを小さくする
ことによって電力密度を上げることが可能であるという
特徴を有するが、ガス封止が難しいため、実証例は少な
い。平板型は、両面にアノードとカソードを形成した電
解質板と、両面に溝を有しガス通路と電気接合体を兼ね
るセパレータ（集電体）とを交互に集積した構造であり
、燃料ガス及び酸化剤ガスの供給及び排出は上記集積体
を筒型の容器に収納してガス封止し容器の集積体の間に
形成される開口部をもってマニホールドとしている。そ
して、一般に電解質としては安定化もしくは部分安定化
ジルコニアが、カソードとしてはしａ（Ｓｒ）ＭｎＯ３
またはＬａ　（Ｓｒ）　Ｃｏｄ、が、アノードとしては
Ｎｉ／ＺｒＯ，が用いられている。またセパレータ（集
電体）としてはＬａＣｒＯ３又は耐熱合金が使用されて
いる。

〔発明が解決しようとする課題〕

上言己の平板型集積構造では、燃料ガス及び酸化剤ガス
の供給及び排出マニホールドが集積体く電池本体〉の外
部に容器を用いて形成されるが、電池本体と容器の熱膨
張の違いにより、応力が発生してマニホールドを破損し
たり、ガス封止が困難である。また、容器内に電池本体
を収容するため、垂直方向のガス封止部分が存在して封
止剤の保持が困難であるという問題がある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、上記課題を解決するために、両面にアノード
とカソードを形成した電解質板と、両面に溝を有しガス
通路と電気接合体を兼ねるセ／　ｓｍレークとを交互に
集積してなる平板型燃料電池において、少なくとも一部
の電解質板が電解質本体部分より厚いフレームとフレー
ムの内側に開口部を有し、該電解質板のフレーム部分が
接合されて集積体を密閉構造にし、かつ該密閉構造の集
積体内に上記開口部によって上記溝よりなるガス通路に
対する燃料ガス及び酸化剤ガスの供給及び排出のだめの
マニホールドが形成されていることを特徴とする高温型
燃料電池を提供するものである。

すなわち、本発明は、外部マニホールドではなく、電池
本体の構成部材である電解質板にフレーム部分とガス流
路を設け、フレーム部分を構造部材としてセル間の接合
を行い、電池本体の内部にマニホールドを形成する。

電解質板にフレーム部分を形成する方法としては、１）
電解質焼結体から研削加工により電池本体部分を削り込
む、２）電解質板（焼結体）に電池本体部分より厚いフ
レーム部分（焼結体）を貼り合わせる、３）グリーンシ
ートを貼り合わせて一体焼結してフレーム部分を有する
電解質板を形成するなどのいずれによってもよい。

〔作　用〕

電池本体とマニホールドとが同一材質なので、熱膨張差
がなく、マニホールドの破損がなくなる。

また電解質板同士を接合する構造なので各セル間の接合
を強固にできる。同じくこれらの理由から、また垂直方
向の封止箇所がないので、封止剤の保持性が向上する。

したがって、またガス封止性が向上する。セパレータと
電解質板との間及びマニホールドとの間のガス封止がセ
パレータの熱膨張に影響されない構造になるので、セパ
レータ材料として熱膨張の大きな材料、例えば耐熱合金
等を使用できる。

〔実施例〕

第１図に３段直列セルの集合様式を展開して示す。各電
解質板１１にはフレームｌｌｂがついており、かつ開口
部１１ｃが形成されており、これを重ね合わせることに
よって開口部１１Ｃによるガス流路が形成される。フレ
ーム付き電解質板の製作方法としては、バルク焼結体か
らの削り出し、焼結シートの貼り合わせ、グリーンの状
態での貼り合わせ後の一体焼結等の方法が考えられる。

各セルにおいてフレーム付き電解質板１１の平板部分１
１ａには両面にそれぞれカソード１２及びアノード１３
が形成されている。電解質板１１は酸素伝導性のある電
解質、例えば、部分安定化ジルコニア、安定化ジルコニ
アなど公知の電解質で作った板状物からなり、厚さはセ
ル部分で０．０５〜０．３　ｍｍ程度、より好ましくは
０，０８〜０．２５　ｍｍ程度が適当である。０．０５
ａｕｎよりも薄いと強度上問題があり、０．３　ｍｍを
越えると電流路が長くなり好ましくない。カソード１２
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
導電性材料を用い、多孔状に形成する。例えばＬａｘＳ
ｒ＋−ｘＭｎＯａなどの導電性複合酸化物粉末を塗布す
る。塗布の手法としてははけ塗り法、スクリーン印刷法
がある。その他、多孔状膜の作製方法としてはＣＶＤ法
、プラズマＣＶＤ法、スパッタ法、溶射法等が可能であ
る。カソード１２はガス透過性となる程度に多孔性に形
成する。アノード１３は水素通路側で、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／ＺｒＯ
２サーメットなど）を多孔状に形成する。アノード１３
もガス透過性に形成する。また、カソード、アノードは
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。

各セルの両面にカソード１２とアノード１３を形成され
た電解質板１１はガス通路と電気的接合体を兼ねたセパ
レータ１４を介して集積する。セパレータ１４は金属ま
たは例えばＬａｘＳｒ　＋−Ｊｒ０３等の導電性セラミ
ックスで形成する。

第２図に示す如く、セパレータ１４は両面に溝１４ａ、
１４’ｂを形成してそれぞれガス通路を構成している。

溝１４ａ、１４ｂはそれぞれの溝に燃料ガスと酸化剤ガ
スをそれぞれ供給できれば、溝の形状、配置は問わない
。最も簡単な構成は、第１図及び第２図に示す如く、溝
１４ａ、１４ｂを直角方向に配置することである。

フレーム付き電解質板１１、セパレータ１４を集積して
組み立てるときには、セパレータ１４を挟んで、電解質
板１１のフレーム部分１１ｂを例えば無機系接着剤で接
着し、積層構造を形成する。フレーム間のガス封止には
電池の作動温度（９００℃〜１０００℃）で軟化状態と
なるガラス粉末を有機系のバインダーに分散させたペー
ストを塗布する。また、電解質板１１（正確には電極１
２．１３）とセパレータ１４の間でガスリークしないよ
うに封止する必要がある。

これも例えば電池の作動温度（９００〜１０００℃）で
は十分に軟化してガスを封止するような板ガラスを挟む
ことによって行なう。エンドセパレータ１５１６と電解
質板の間のガス封止も同様に行なう。

このような構造であるため、外部にガス供給用のマニホ
ールドを設ける必要はなく、電池（特に金属セパレータ
の場合）とマニホールドの熱膨張差によるマニホールド
の破壊等の問題は生じない。

また、ガス封止を必要とするのは電解質板１１とセパレ
ータ１４の間のみであり、外部にマニホールドを設けた
場合のような縦方向の封止が必要ないため、封止箇所は
少なく、封止材の保持は容易である。

また、構造材として機能する部分がすべて電解質板と同
じセラミックス材料であるため積層の際に熱膨張差を考
慮する必要はない。さらにセパレータに金属のような熱
膨張の大きな材料を使用した場合では熱膨張は電解質板
とセパレータとの接触を改善する作用を及ぼすと考えら
れ、電池性能にはプラスとなると考えられる。

例 第１図の集合様式に従い３段直列の高温型燃料電池を製
作した。電解質板１１にはイツトリアを３モルパーセン
ト添加したジルコニアである部分安定化ジルコニアを用
いた。また、セパレータ１４にはコバルト系合金を用い
た。電解質板はフレーム寸法８０＋ｎｍφ厚さ２ｍｍ、
薄板部分の寸法５０ｍｍＸ５０ｍｍＸ　Ｏ，２ｍｍのも
のを用いた。そして、酸素通路側にＬａｏ、　５Ｓｒｏ
−Ｊｎ０３粉末（平均粒径約５７−）をはけ塗り法で厚
さ０．１〜０．５　ｍｍに塗布してカソード１２とし、
水素通路側にＮ＋／ＺｒＴｏ　（１０／　１重量比）ノ
サーノット混合粉末をはけ塗り法で厚さ０．１〜０．５
ｍｍに塗布してアノード１３とした。セパレータ１４の
寸法は５０　ｍ＋ｎ　Ｘ　５０　ｍ＋ｎで高さ２証、溝
の深さ０．５　ｍｍとした。エンドセパレータ１５．１
６の寸法は８０証φで溝の深さはｌ　＋ｎ＋ｎとした。

このＩ解質板１１とセパレータ１４、エンドセパレータ
１５．１６を第１図の如く集積し、電解質板１１とセパ
レータ１４の間に軟化点が約８００℃のガラスペースト
を塗布してガス封止用とした。前記の如く、このガラス
ペーストは電池の作動温度１０００℃で軟化してガスを
封止する。

こうして集積した電池にガス配管を接続した。

電気の取り出し部には白金リード線を溶接し、電気的に
接続した。

このようにして作製した高温型燃料電池を加熱した。室
温から１５０℃までは１℃／ｍ　ｉ　ｎで加熱し、ガラ
スペーストの溶媒、塗布電極の溶媒を蒸発させた。１５
０℃〜３５０℃までは５℃／　ｍ　ｉ　ｎで昇温した。

３５０℃以上では水素通路側には、アノードの酸化を防
止する為、窒素ガスを流し、５℃／ｍ　ｉ　ｎで１００
０℃まで昇温した。その後、１０００℃に保持してアノ
ード側に水素、カソード側に酸素を流し、発電を開始し
た。開放電圧は３．８Ｖであった。放型持性を下記の表
に示す。

素の０．３％以下であった。

ガスクロスリークは水 〔発明の効果〕 本発明によれば、平板型燃料電池において、熱膨張差に
よるマニホールドの破損が防止される。

また、各セル間の接合が強固になるので、ガス封止性が
向上する。さらに、封止剤の保持性が向上する。さらに
、セパレータ材料として熱膨張の大きな材料、例えば耐
熱合金等を熱膨張差の問題なく使用できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は実施例の高温型燃料電池の展開図、第２〜５図
は各部品の三面図である。 １１・・・電解質板、 １１ａ・・・電解質板本体、 １１ｂ・・・フレーム、 １１ｃ・・・開口部、 １２・・・カソード、 １３・・・アノード、 １４・・・セパレータ、 １４ａ　、１４ｂ・・・溝、 １５・１６・・・エンドセパレータ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、両面にアノードとカソードを形成した電解質板と、
   両面に溝を有しガス通路と電気接合体を兼ねるセパレー
   タとを交互に集積してなる平板型燃料電池において、少
   なくとも一部の電解質板が電解質本体部分より厚いフレ
   ームとフレームの内側に開口部を有し、該電解質板のフ
   レーム部分が接合されて集積体を密閉構造にし、かつ該
   密閉構造の集積体内に上記開口部によって上記溝よりな
   るガス通路に対する燃料ガス及び酸化剤ガスの供給及び
   排出のためのマニホールドが形成されていることを特徴
   とする高温型燃料電池。