JPH0473867A

JPH0473867A - 固体電解質型燃料電池の端部シール構造

Info

Publication number: JPH0473867A
Application number: JP2187545A
Authority: JP
Inventors: Isao Kaji; 加治　功; Shotaro Yoshida; 昭太郎吉田; Shoichi Hasegawa; 正一長谷川; Masakatsu Nagata; 雅克永田
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 1990-07-16
Filing date: 1990-07-16
Publication date: 1992-03-09

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、非金属材料からなる多孔質支持管を基体と
して形成された筒状の固体電解質型燃料電池の端部を気
密にシールする構造に関するものである。

従来の技術燃料電池のうち、セラミック製の多孔質支持管の外周に
、プラズマ溶射法や真空蒸着法等によって空気電極と固
体電解質および燃料電極等を形成した固体電解質型燃料
電池においては、例えば第３図に示すように、多孔質支
持管１の端部にエンドキャップ２を被せて、燃料ガス供
給用の配管３を接続して、一端側から燃料ガス（Ｈ２）
や空気を供給し、他端から生成ガスや排ガスを取り出す
構造となっており、前記エンドキャップ２の材料として
は窒化ボロン等のセラミックが用いられている。

発明が解決しようとする課題しかし、前述した従来の固体電解質型燃料電池の場合に
は、セラミック製のエンドキャップが使われているが、
このセラミック製のエンドキャップは製作に時間がかか
り納期が長くなり、コストも高いという問題があった。

また、エンドキャップ２がセラミック製であるためネジ
を形成し難いという問題があった。

また、固体電解質型燃料電池が約１０００℃と高温で動
作するため、熱膨張する多孔質支持管１の膨張吸収質を
施す必要があるが、エンドキャップ２がセラミック製の
場合には長さ方向の膨張に対する吸収質が取り難いとい
う問題があった。

さらに、従来の固体電解質型燃料電池においては、多孔
質支持管１へのエンドキャップ２の取付けを、耐熱性シ
リカ系接着剤、耐熱ジルコニア系接着剤あるいは金属粉
配合エポキシ系接着剤等を用いて行なっているが、いず
れの場合も硬化させる際に加熱処理が必要とされるため
手間かがかかり、また加熱処理を施す際に表面の凹凸に
よって接着剤層４にピンホールやクラックが生じ易く、
また硬化後においては動作時の加熱と、停止時の冷却と
の繰返しによるヒートサイクルによって接着剤層に割れ
が生じ易いという問題があった。

このように、従来においては固体電解質型燃料電池の端
部のシール構造が難しく、その多くは耐久性に問題があ
った。その結果、エンドキャップ２や接着剤層４等にク
ラックが生じ、例えば燃料供給側で燃料（多くの場合は
水素ガス）が漏れて空気（酸素ガス）と混合してしまい
、電池性能（電圧×電流）を著しく低下させる虞れがあ
った。

さらに、排出側において燃料が漏れて、空気と高温下で
混合されて燃焼し、温度管理が困難となるという問題が
あった。

この発明は、上記の事情に鑑みなされたもので、耐久性
に優れ、ガス漏れを効果的に防止することができ、また
スタック化あるいはモジュール化が容易な固体電解質型
燃料電池の端部シール構造を提供することを目的として
いる。

課題を解決するための手段上記課題を解決するための手段としてこの発明は、非金
属材料からなる多孔質支持管を基体として形成された固
体電解質型燃料電池の端部シール構造において、前記多
孔質支持管の一端または両端に、金属ベローズ管を取付
けたことを特徴としている。

また、前記多孔質支持管の端部側の外周に金属層を形成
し、前記金属ベローズ管を、金属エンドキャップを介し
てこの多孔質支持管の端部にろう付けあるいは溶接によ
って取付けることができる。

また、熱膨張の整合のため前記金属層を２層以上に形成
し、そのうち少なくても１層を、前記多孔質支持管の材
料のセラミックとベローズ管の材料の金属とのサーメッ
トとすることができる。

作　　　用このように固体電解質型燃料電池の端部シール構造にお
いて、多孔質支持管の一端または両端に金属ベローズ管
を取付ければ、このベローズ管が、動作時の熱膨張によ
る変化を効果的に吸収し、また外部からの衝撃を緩和す
る。

また、前記多孔質支持管の端部側の外層に金属層を形成
し、前記金属ベローズ管を、金属エンドキャップを介し
てこの多孔質支持管の端部にろう付けあるいは溶接によ
って取付ければ、気密性が向上し、耐久性も向上する。

前記金属層を２層以上に形成し、そのうち少なくても中
間となる１層を、前記多孔質支持管の材料と金属エンド
キャップの材料とのサーメットとすれば、熱膨張率の格
差が緩和される。

実　　施　　例以下、この発明の固体電解質型燃料電池の端部シール構
造の一実施例を第１図および第２図を参照して説明する
。

固体電解質型燃料電池は、アルミナ（Ａｄ２ｅｓ）等の
セラミック製の多孔質支持管１１の表面に、図示してな
いが空気電極と固体電解質と燃料電極とが形成されてい
る。そして、多孔質支持管１１の両端部（一端は図示せ
ず）は、各端部の外周に金属層１２を形成するとともに
、各端部は、銅製のエンドキャップ１３を、多孔質支持
管１１の端部外周にろう付けして気密に閉塞するととも
に、このエンドキャップ１３にステンレス鋼製のベロ−
ズ管１４をろう付けして気密に連通接続しである。５また第２図に示すように、前記金属層１２は、３つの層
に形成されており、多孔質支持管１１の表面に形成され
る第１層としては、アルミナ（Ａ／２０３）と銅（ＣＯ
）とが０．７：０．３の割合の第１サーメット層１２ａ
と、中間層となるアルミナ（Ａ／２０３）と銅（Ｃ１）
とが０．３二０．７の割合の第２サーメット層１２ｂと
、最外層となる銅（ＣＩ＋）のメタライズ層１２ｃとか
ら構成されている。

このように、金属層１２は、第１サーメット層１２ａと
、第２サーメット層１２ｂと、メタライズ層１２ｃとに
よって熱膨張率が段階的に変化するように構成されてい
る。またエンドキャップ１３は多孔質支持管１１の端部
のメタライズ層１２Ｃにろう付けされている。

また、３つの層に形成された前記金属層１２のうち、多
孔質支持管１１側と隣接する第１サーメット層１２ａは
、多孔質支持管１１を構成している材料を多くしたサー
メットが、また、エンドキャップ１３に近い側の第２サ
ーメット層１２ｂは、エンドキャップ１３を構成してい
る材料、すなわち銅の量を多くしたサーメットが、そし
て、エンドキャップ１３側と隣接するメタライズ層１２
Ｃは、エンドキャップ１３の材料と同一の銅の金属粉に
より、例えばプラズマ溶射法等によって金属層が形成さ
れている。

そして、多孔質支持管１１の端部側には、金属層１２の
最外周に銅によるメタライズ層１２ｅが形成されている
ため、銅製のエンドキャップ１３を嵌合させた状態でろ
う付けすることにより気密に接続することができる。

また、アルミナ製の多孔質支持管１１と銅製のエンドキ
ャップとでは熱膨張率の差が大きいが、多孔質支持管１
１に形成された金属層１２は、アルミナの多孔質支持管
１１の表面には、銅よりもアルミナを多く含んだ第１サ
ーメット層１２ａが、そして、その上にはアルミナより
も銅を多く含んだ第２サーメット層１２ｂが形成され、
さらに最外層には銅のメタライズ層１２ｃが形成されて
、熱膨張率が段階的に変化する３層構造となっているの
で、エンドキャップ１３をろう付けしてもこの金属層１
２により、隣接する眉間の熱膨張率の差を小さくして、
ヒートサイクルによる溶接層のひび割れや、燃料ガス等
の漏洩を防止している。

したがって、以上のような端部シール構造を備えている
ので、固体電解質型燃料電池の多孔質支持管１１の内側
に、ベローズ管１４を介して燃料の水素ガスが供給され
るとともに燃料電池の外側に酸素ガス（または空気）を
流すことによって、酸素イオンが固体電解質を通過して
水素ガスと反応し、それに伴なって発生する電流を取り
出して用いる。

この時、固体電解質型燃料電池の動作温度は約１０００
℃となるため、各部が熱膨張し、また動作を停止すると
冷却されて収縮する。しかし、固体電解質型燃料電池の
多孔質支持管１１が長さ方向に熱膨張し、また冷却され
て収縮しても、このヒートサイクルによる伸縮は、ベロ
ーズ管１４によって吸収されるため、多孔質支持管１１
が破損することがない。

また、ヒートサイクルによって、熱膨張率の異なるアル
ミナ製の多孔質支持管１１と銅製のエンドキャップ１３
とが、ろう付けされた状態で熱膨張と冷却による収縮を
繰り返すが、エンドキャップ１３がろう付けされている
金属層１２が、多孔質支持管１１の材料のアルミナとエ
ンドキャップ１３の材料と同じ銅とのサーメットからな
る第１サーメット層１２ａおよび第２サーメット層１２
ｂと、エンドキャップ１３の材料と同じ銅粉を溶射して
形成したメタライズ層１２ｃとの３層に形成されて、熱
膨張率が段階的に変化するようにしであるので、加熱時
に生じる熱応力を小さく抑えることができ、多孔質支持
管１１と、この上に膜状に形成された固体電解質や電極
のひび割れあるいは剥離等を防ぎ、水素ガスや酸素ガス
の漏洩や、漏洩により生じるガスの燃焼あるいは爆発等
を未然に防止することができる。

なお、この実施例においては、セラミック製の支持管と
してアルミナ製の多孔質支持管１１を用いた場合につい
て説明したが、支持管として他に、カルシア安定化ジル
コニア（ＣＳ　Ｚ）製の支持管や、イツトリア安定化ジ
ルコニアの支持管を用いるときにも、同様に使用でき、
例えばカルシア安定化ジルコニアの支持管を用いる場合
には、このカルシア安定化ジルコニアとエンドキャップ
１３の材料となっている金属とのサーメツト層を形成す
る。

上記のように、この実施例においては、サーメツト層と
して、第１サーメット層１２ａと第２サーメット層１２
ｂとの２層を形成して、熱膨張率が段階的に変化するよ
うにしたので、熱膨張率の差により生じる熱応力を削減
することができる。

発明の効果以上、説明したようにこの発明の固体電解質型燃料電池
の端部シール構造は、固体電解質型燃料電池の多孔質支
持管の端部に金属ベローズ管を気密に接続したので、熱
膨張による伸縮および外力による衝撃等をベローズ管が
吸収でき、多孔質支持管の破損や電極等のひび割れや剥
離等を有効に防止し、ひび割れから漏洩した燃料ガス等
の燃焼による過熱や爆発等を防止することができる。

また、多孔質支持管の端部側の外周に金属層を形成し、
この部分に金属ベローズ管を、金属エンドキャップを介
してろう付けあるいは溶接すれば、多孔質支持管とベロ
ーズ管との接続部の耐久性を大幅に向上し、固体電解質
型燃料電池のスタック化あるいはモジュール化が容易と
なる。

さらに、多孔質支持管の端部外周に形成する金属層を２
層以上とし、そのうち少なくとも１層が、多孔質支持管
の材料のセラミックとエンドキャップの材料の金属との
サーメットとすれば、熱膨張率の差を小さくでき、加熱
時に生じる熱応力を緩和して、多孔質支持管の破損や固
体電解質や電極の剥離等を防止することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図はこの発明の一実施例を示すもので
、第１図は多孔質支持管とベローズ管の接続部分を示す
断面図、第２図は３層に形成された金属層を示す拡大断
面図、第３図は従来の固体電解質型燃料電池の一例を示
す説明図である。１１・・・多孔質支持管、　１２・・・金属層、　１２
ａ・・・第１サーメット層、　１２ｂ・・・第２サーメ
ット層、　　１２ｃ・・・メタライズ層、　　１３・・
・エンドキャップ、　　１４・・・ベローズ管、　　１
５・・・ろう付は層。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）非金属材料からなる多孔質支持管を基体として形
成された固体電解質型燃料電池の端部シール構造におい
て、前記多孔質支持管の端部に、金属ベローズ管が気密
に接続されていることを特徴とする固体電解質型燃料電
池の端部シール構造。
（２）前記多孔質支持管の端部側の外周に金属層が形成
されるとともに、前記金属ベローズ管が、金属エンドキ
ャップを介してこの多孔質支持管の端部にろう付けある
いは溶接されていることを特徴とする請求項１記載の固
体電解質型燃料電池の端部シール構造。
（３）前記金属層が２層以上に形成され、そのうち少な
くとも１層が、前記多孔質支持管の材料のセラミックと
前記エンドキャップの材料の金属とのサーメットである
ことを特徴とする請求項２に記載の固体電解質型燃料電
池の端部シール構造。