JPH04280077A - 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】

【０００１】

【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、特にガスシール部の信頼性に優れる
固体電解質型燃料電池に関する。

【０００２】

【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容易であるなどの特
長を有し、第三世代の燃料電池として期待されている。

【０００３】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
壊しやすく、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。

【０００４】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図４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。

【０００５】反応ガスはガスマニホルド（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１
７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、ガラスをシール材料
に用いるガラスシールが行われている。ガラスは電池作
動温度で溶融して液体シールとして働く。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながらガラスシ
ールでは、長期間の運転中に溶融状態のガラスの滲みだ
しあるいは蒸発等により、ガラスの量が減少しガスシー
ル性能が、徐々に低下し、長期にわたる運転において性
能低下の問題があることがわかった。この発明は上述の
点に鑑みてなされその目的は、シール用ガラスの損失を
防止することにより、シール性能が長期にわたって確保
され、信頼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。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上述の目的はこの発明に
よればガスシール部および交互に積層された単セルとガ
ス供給手段とを有し、単セルは緻密質の固体電解質体と
その両主面にそれぞれ配されたカソードとアノードとで
あり、ガス供給手段は少なくともその積層方向の一部に
緻密な層を備えるとともに、この緻密な層を介して単セ
ルのアノードとカソードに燃料ガスと酸化剤ガスの両反
応ガスを個別に供給し、ガスシール部は燃料電池の動作
温度で軟化しない第一のセラミックスと前記温度で軟化
する第二のセラミックスを混合してなり、単セルの固体
電解質体と前記緻密な層との間に選択的に設けられるも
のであるとすることにより達成される。

【０００８】

【作用】第一のセラミックスと第二のセラミックスの混
合物は、第一のセラミックスを骨組みとし、その隙間に
燃料電池の運転温度において軟化あるいは溶融する第二
のセラミックスが含浸された状態となるため、ガラスの
保持機能が生じ、ガラスの滲みだしが防止され、第二の
セラミックスのみのガスシール部に比較して、シール機
能が向上する。

【０００９】

【実施例】次にこの発明の実施例を図面に基いて説明す
る。図１と図２はそれぞれこの発明の実施例に係る固体
電解質型燃料電池を示し、図１は図２のＹ−Ｙ縦切断面
図、図２は図１のＸ−Ｘ横切断面図である。アノード１
と固体電解質体３とカソード２の単セルが形成されたリ
ブ付多孔質基体７と、インタコネクタ層１２を形成した
リブ付多孔質基体１１とが、交互に積層され、積層体の
中央部に燃料ガス供給マニホルド４と酸化剤ガス供給マ
ニホルド５とが配設されて燃料電池が構成される。リブ
付多孔質基体１１，インタコネクタ１２，リブ付多孔質
基体７はガス供給手段２２となる。

【００１０】このような電池は次のようにして調整され
る。厚さ２ｍｍのリブ付多孔質基体７がニッケル−ジル
コニア（Ｎｉ−ＺｒＯ２　）サーメットを用いて形成さ
れる。リブ付多孔質基体７の平坦な主面にＮｉ−ＺｒＯ
２　サーメットをプラズマ溶射し、厚さ１００μｍの多
孔質アノード１が形成される。アノード１の上にイット
リア安定化ジルコニアをプラズマ溶射し、厚さ３０μｍ
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ナイトＬａ（Ｓｒ）Ｍｎ　ＷＯ
３　をプラズマ溶射し、厚さ８０μｍの多孔質なカソー
ド２が形成される。一方、厚さ２ｍｍのリブ付多孔質基
体１１がＬａ（Ｓｒ）ＭｎＯ３　を用いて形成される。 このリブ付多孔質基体１１の平坦な主面にランタンクロ
マイトＬａＣｒＯ３　をプラズマ溶射し、厚さ４０μｍ
の緻密質なインタコネクタ１２が形成される。ランタン
クロマイトは、電子伝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、ランタンクロマイトは
イッ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。

【００１１】次に、アノード１と固体電解質体３とカソ
ード２の形成されたリブ付多孔質基体７とインタコネク
タ層１２を形成したリブ付多孔質基体１１とを個別に焼
結する。焼結後、両リブ付多孔質基体７，１１の燃料ガ
ス供給マニホルド４と酸化剤ガス供給マニホルド５の壁
面は、ガラスを用いてガス不透過層２０を形成する。ま
た、リブ付多孔質基体７の外周面にも、ガラスを用いガ
ス不透過層２１を形成する。ガス不透過層２０，２１は
電池作動温度１０００℃では、軟化しないソーダライム
ガラスが使用される。ガス不透過層２０，２１は後記す
るガスシール部６Ａ，６Ｂ，６Ｃの溶融したガラスが電
池構成材料に浸透するのを防ぐ。軟化しないソーダライ
ムガラスは予め電池構成材料の所要部に含浸しておく。

【００１２】リブ状案内羽付多孔質基体７の外周部にガ
スシール部６Ｃが一部にガス排出口を開けた形で配設さ
れる。ガスシール部６Ｃはソーダライムガラスとジルコ
ニアとの混合物が使われる。固体電解質型燃料電池の作
動温度１０００℃においては、ソーダライムガラスが液
体状となり液体シールが可能となり、外部の空気の進入
と燃料ガスのガスもれを防止することができる。

【００１３】なおＬａ（Ｓｒ）ＭｎＯ３　を用いたリブ
付多孔質基体１１は必ずしも多孔質である必要はないが
Ｌａ（Ｓｒ）ＭｎＯ３　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ＬａＣｒＯ３　
を用いたインタコネクタ層１２は必要である。インタコ
ネクタ１２と固体電解質体３との間でかつ燃料ガス供給
マニホルド４または酸化剤ガス供給マニホルド５との境
界にガスシール部６Ａ，６Ｂが配設される。ガスシール
部６Ａ，６Ｂにはソーダライムガラスとジルコニアとの
混合物が使われる。ガスシール部６Ａ，６Ｂは固体電解
質型燃料電池の作動温度１０００℃においては、ソーダ
ライムガラスが液体状となり液体シールが可能となる。

【００１４】ソーダライムガラスとジルコニアとの混合
物は、次のように調製される。まずソーダライムガラス
とジルコニアフエルトとを個別に乳鉢にて粉砕したのち
、重量比１：１で混合し、１０００℃に電気炉で昇温し
ガラスを溶融させる。つぎに降温し、板状となったソー
ダライムガラスとジルコニアとの混合物を所定の寸法に
加工する。

【００１５】酸化剤ガスである酸素ガスが酸化剤ガス供
給マニホルド５によって酸化剤ガス供給孔１０Ａを経由
してリブ付多孔質基体１１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供給マニホルド
４によって燃料ガス供給孔１０Ｂを経由してリブ付多孔
質基体７上の燃料ガス室８に導入され、この多孔質基体
７の細孔中を水素ガスが拡散しアノード１へと達する。 酸化剤ガス室９は、図２に示すように同心円状に９０度
づつずらしてスリットを設けた案内羽１９Ａ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（図示せず）を１８０度づつずらしてス
リットが設けられている。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２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。

【００１６】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
ブ付多孔質基体７とインタコネクタ層１２を形成したリ
ブ付多孔質基体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付多孔質基体７と
リブ付多孔質基体１１とは相互に自由に動き得るので熱
応力の発生がなくなる。燃料ガス供給マニホルド４と酸
化剤ガス供給マニホルド５の周壁の、ガスシール部６Ａ
，６Ｂ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。

【００１７】単セルは図２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１９Ａ，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
。

【００１８】図３に、ガスシールとしてソーダライムガ
ラスを使用したセルと、ソーダライムガラスとジルコニ
アとの混合物を使用したセルとの、長期運転試験結果を
示す。ソーダライムガラスとジルコニアとの混合物を使
用したセルは、ソーダライムガラスを使用したセルに比
較して、劣化が殆どなく良好であった。

【００１９】第一のセラミックスとしては、ジルコニア
の他アルミナ，マグネシア，カルシアまたはイットリア
等を用い、第二のセラミックスとしてソーダライムガラ
スの他、アルミナケイ酸ガラス，ケイ酸リチウムガラス
を用いても前述したものと同様な特性が得られる。

【００２０】

【発明の効果】この発明によればガスシール部および交
互に積層された単セルとガス供給手段とを有し、単セル
は緻密質の固体電解質体とその両主面にそれぞれ配され
たカソードとアノードとであり、ガス供給手段は少なく
ともその積層方向の一部に緻密な層を備えるとともに、
この緻密な層を介して単セルのアノードとカソードに燃
料ガスと酸化剤ガスの両反応ガスを個別に供給し、ガス
シール部は燃料電池の動作温度で軟化しない第一のセラ
ミックスと前記温度で軟化する第二のセラミックスを混
合してなり、単セルの固体電解質体と前記緻密な層との
間に選択的に設けられるものであるので、電池の動作温
度において第一のセラミックスに第二のセラミックスが
含浸された状態となり、第二のセラミックスの保持機能
が高まり、ガラスの滲出が防止され、ガスシール性が向
上して長期信頼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】

【図１】この発明の実施例に係る固体電解質型燃料電池
を示す図２のＹ−Ｙ縦切断面図

【図２】図１のＸ−Ｘ横切断面図

【図３】この発明の実施例に係る固体電解質型燃料電池
のセル電圧時間依存性を示す線図

【図４】従来の固体電解質型燃料電池を示す分解斜視図

【符号の説明】

１　　　　アノード ２　　　　カソード ３　　　　固体電解質体 ４　　　　燃料ガス供給マニホルド ５　　　　酸化剤ガス供給マニホルド ６Ａ　　ガスシール部 ６Ｂ　　ガスシール部 ６Ｃ　　ガスシール部 ７　　　　リブ付多孔質基体 ８　　　　燃料ガス室 ９　　　　酸化剤ガス室 １０Ａ　　酸化剤ガス供給孔 １０Ｂ　　燃料ガス供給孔 １１　　　　リブ付多孔質基体 １２　　　　インタコネクタ １３　　　　単セル １６　　　　ガス排出口 １７　　　　単セル １７Ａ　　固体電解質板 １７Ｂ　　電極 １７Ｃ　　電極 １８　　　　セパレート板 １９Ａ　　案内羽 ２０　　　　ガス不透過層 ２１　　　　ガス不透過層 ２２　　　　ガス供給手段

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ガスシール部および交互に積層された単セ
   ルとガス供給手段とを有し、単セルは緻密質の固体電解
   質体とその両主面にそれぞれ配されたカソードとアノー
   ドとであり、ガス供給手段は少なくともその積層方向の
   一部に緻密な層を備えるとともに、この緻密な層を介し
   て単セルのアノードとカソードに燃料ガスと酸化剤ガス
   の両反応ガスを個別に供給し、ガスシール部は燃料電池
   の動作温度で軟化しない第一のセラミックスと前記温度
   で軟化する第二のセラミックスを混合してなり、単セル
   の固体電解質体と前記緻密な層との間に選択的に設けら
   れるものであることを特徴とする固体電解質型燃料電池
   。
2. 【請求項２】請求項１記載の燃料電池において、カソー
   ドはランタンマンガナイトであることを特徴とする固体
   電解質型燃料電池。
3. 【請求項３】請求項１記載の燃料電池において、ガス供
   給手段はランタンクロマイト系の緻密なセパレート板で
   あることを特徴とする固体電解質型燃料電池。
4. 【請求項４】請求項１記載の燃料電池において、ガス供
   給手段はランタンマンガナイト系の多孔質基体と、ニッ
   ケル−ジルコニアサーメットの多孔質基体と、前記両者
   に挟持されるランタンクロマイト系の緻密なインタコネ
   クタであることを特徴とする固体電解質型燃料電池。
5. 【請求項５】請求項１記載の燃料電池において、第一の
   セラミックスはジルコニア，アルミナ，マグネシア，カ
   ルシアまたはイットリアであることを特徴とする固体電
   解質型燃料電池。
6. 【請求項６】請求項１，２または４記載の燃料電池にお
   いて、第二のセラミックスはソーダライムガラス，アル
   ミナケイ酸ガラスまたはケイ酸リチウムガラスであるこ
   とを特徴とする固体電解質型燃料電池。