JPH05242904A

JPH05242904A - 平板状固体電解質型燃料電池

Info

Publication number: JPH05242904A
Application number: JP3053559A
Authority: JP
Inventors: Toshihiko Yoshida; 利彦吉田; Atsushi Tsunoda; 淳角田; Takayuki Hoshina; 考幸保科; Hiroshi Seto; 浩志瀬戸
Original assignee: Tonen Corp
Current assignee: Tonen General Sekiyu KK
Priority date: 1991-02-27
Filing date: 1991-02-27
Publication date: 1993-09-21

Abstract

(57)【要約】【目的】ガスシール性及びシール材の保持性に優れた
平板状固体電解質型燃料電池の提供。【構成】マニホールドの内面と、四角柱状のセルの四
面とにより仕切られた四室を所要ガスの供給、排出空間
に形成して成る固体電解質型燃料電池において、マニホ
ールドの内面にセルの四隅がはまり込む溝を設けるか、
あるいはマニホールドの内面にセルの四隅がはまり込む
溝を有する部材を付設する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ガスシール性及びシー
ル材の保持性に優れた平板状固体電解質型燃料電池に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】積層多段セル構造の平板状固体電解質型
燃料電池にはガス通路の形成部材となるとともに外壁に
もなるマニホールドが多用されている。このマニホール
ドとしては、一般にセルの四面に配設する四分割型構造
のものや、円筒型構造のものが用いられている。このよ
うな構造のマニホールドは、その内面に面する、該マニ
ホールドに収納された四角柱状のセルとともに、マニホ
ールドの内面とセルの四面とにより仕切られた四室を形
成し、この四室はそれぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスの供
給、排出空間となって、ガス通路を構成している。この
場合、四角柱状の積層多段セルの四隅とマニホールド内
面は、ガスシール材を介して接している。

【０００３】しかしながら、このように形成されたガス
通路はガスシール性が十分ではない上に、シール材の保
持にも問題を有していた。また、マニホールド円筒上に
蓋を乗せる構造であるため、セル高さと円筒部の高さを
一致させることが難しく、セルと蓋の間のシールに問題
を有していた。さらにセル本体に押しつけ荷重がかけら
れないため、セル部材間の接触にも問題があった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、このような
従来のマニホールドを用いて形成されたガス通路のもつ
欠点を克服し、ガスシール性及びシール材の保持性に優
れた平板状固体電解質型燃料電池を提供することを目的
としてなされたものである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、前記の好
ましい特徴を有する燃料電池を開発するために種々研究
を重ねた結果、マニホールド内面あるいはマニホールド
に付設した部材面に溝を設けてセルとの接触シールを面
間で行わせることにより、その目的を達成しうることを
見出し、この知見に基づいて本発明を完成するに至っ
た。

【０００６】すなわち、本発明は、四角柱状の積層多段
セルを収納しうるマニホールドの内面と、これに面する
セルの四面とにより仕切られた四室を所要ガスの供給、
排出空間に形成して成る固体電解質型燃料電池におい
て、マニホールドの内面にセルの四隅がはまり込む溝が
設けられていることを特徴とする平板状固体電解質型燃
料電池、及び四角柱状の積層多段セルを収納しうるマニ
ホールドの内面と、これに面するセルの四面とにより仕
切られた四室を所要ガスの供給、排出空間に形成して成
る固体電解質型燃料電池において、マニホールドの内面
にセルの四隅がはまり込む溝を有する部材が付設されて
いることを特徴とする平板状固体電解質型燃料電池を提
供するものである。

【０００７】本発明に用いる積層多段セルは、四角柱
状、例えば横断面が正方形状や矩形（長方形）状のもの
であって、それぞれ正方形状や矩形（長方形）状のよう
な四角形状のセパレータ、外部端子及び片面及び他面に
それぞれカソード及びアノードが形成された固体電解質
板を備え、これらを積層して成るものである。

【０００８】このように、多数の単セルからなる多段直
列型のセルは、各単セルにおいて所定の固体電解質板の
片面及び他面にそれぞれカソード及びアノードを形成し
て成る３層構造板を所定のセパレータを介して積層し、
単セルの積層数を適宜調整し、両端に外部端子をそれぞ
れ設けることにより、作製される。

【０００９】固体電解質板は酸素イオン伝導性を有する
ものであれば特に制限されず、例えばイットリア安定化
ジルコニア（ＹＳＺ）、カルシア安定化ジルコニア（Ｃ
ＳＺ）のような公知の固体電解質で作った板状物からな
り、その厚さは通常０．０５〜０．３ｍｍ程度、好まし
くは０．０８〜０．２５ｍｍ程度が適当である。この厚
さが０．０５ｍｍよりも薄いと強度が低下するし、また
０．３ｍｍを超えると電流路が長くなりすぎて好ましく
ない。

【００１０】カソードは酸素や空気などの酸化剤ガスの
通路側なので、高温下で酸化剤ガスに対して耐食性のあ
る導電性材料、例えばＬａ_ｘＳｒ_１−ｘＭｎＯ_３などを
用い、ガス透過性となるように多孔状に被覆形成するの
が一般的である。

【００１１】アノードは水素などの燃料ガスの通路側な
ので、高温下で燃料ガスに対して耐食性のある導電性材
料、例えばＮｉ／ＺｒＯ_２サーメットなどを用い、ガス
透過性となるように多孔状に被覆形成するのが一般的で
ある。

【００１２】これらカソード及びアノードの被覆形成法
としては、例えば所定の粉末を固体電解質板にはけ塗り
法やスクリーン印刷法などで塗布するなどの方法が用い
られる。その他、ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法、スパッ
タリング法、溶射法、プラズマ溶射法、真空蒸着法や電
子ビーム蒸着法のような蒸着法も用いられる。

【００１３】このように固体電解質板の両面に各電極を
一体形成したものをガス通路と電気的接続体を兼ねるセ
パレータを介して積層し、両端には外部端子をそれぞれ
設けることにより、多数のセルからなる多段直列型の電
池に形成される。

【００１４】セパレータは隣接する単セルの電極間を電
気的に接続するとともに、両面に燃料ガス及び酸化剤ガ
スの流路が例えば溝状にそれぞれ形成され、各流路はそ
れぞれセルのカソード側及びアノード側における各ガス
の通路を構成する。セパレータの材質としては、通常金
属又はＬａ_ｘＳｒ_１−ｘＣｒＯ₃などの導電性セラミッ
クスが用いられる。

【００１５】セパレータの形状は電解質板の形状と同じ
であって、正方形状の他、矩形状のものでもよい。各ガ
ス通路はそれぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスを供給しうる
ものであれば特に制限されず、形状や配置等も適宜選定
しうるが、互いに直角方向に配置するのが簡単である。

【００１６】矩形状セパレータとしては、片面に長辺に
沿ってすなわち長辺方向に長い燃料ガス流路が、また他
面に短辺に沿ってすなわち短辺方向に短い酸化剤ガス流
路を設けたものが好ましく、特に有利には酸化剤ガス流
路の深さを燃料ガスの入り口側に対応する側においては
浅くし、それより燃料ガスの出口側に対応する側に向か
うにつれて次第に深くするようにしたものが、酸化剤ガ
スによる燃料ガス出口側付近の冷却効率が高められ、温
度分布の幅も縮小しうるので、好ましい。

【００１７】各電極を一体形成した固体電解質板、セパ
レータ、外部端子を積層して組み立てるときには、固体
電解質板の片面及び他面に配設された電極すなわちカソ
ード、アノードとセパレータ又は外部端子との間でガス
漏れ(ガスリーク)しないように封止することが必要であ
る。このためには、軟化点が５００〜１２００℃のガラ
スをシール材として用いればよい。このガラスは板状、
フェルト状、有機バインダーによるペースト状のいずれ
の形でもよい。軟化点が電池の作動温度（９００〜１１
００℃）以下のガラスとしては、電池の作動温度で粘度
が１０²〜１０⁶ポアズであるものが望ましい。また、軟
化点が電池の作動温度（９００〜１１００℃）以上のガ
ラスの場合には、一度軟化点以上の温度まで昇温した
後、作動温度まで降温して固化した状態でガスをシール
する。この場合、ガラスの熱膨張係数は６×１０^-6〜１
２×１０^-6ｃｍ^-1が望ましい。また、いずれの場合もガ
ラスは電池の作動温度（９００〜１１００℃）で燃料ガ
スに対して耐還元性があり、酸化剤ガスに対して耐酸化
性があり、また耐水蒸気性があるものを選ぶ。

【００１８】こうして組み立てられた電池本体すなわち
積層多段セルはマニホールド内へ収容される。マニホー
ルドは通常筒部と筒部を受ける底部と蓋からなるが、筒
部と底部を一体化してもよい。マニホールドの筒部の形
状は電池本体の形状に応じ適宜選定されるが、通常はセ
ルが正方形状であるので、円筒状であり、その他、矩形
状電池本体に対しては円筒状の他、横断面が長円状、楕
円状、紡錘状のものなどが用いられる。マニホールドの
筒部内側には直接あるいは付設した部材を介して間接的
に溝が設けられる。すなわち溝は筒部内面あるいは前記
部材に設けられている。セルはこの溝にセルの四隅がは
まり込み嵌装状態で納められる。

【００１９】セルとはまり込み溝のクリアランス“ｔ”
及び溝の深さ“ｌ”は、シールが破れないように設定さ
れる。溝の深さとは溝の１接触面における水平方向の巾
を意味する。このシール性は簡単には毛細管力によって
説明される。つまり、１０００℃でのｔ又はｌは、シー
ル材であるガラスの表面張力及びマニホールド及びセル
との接触角によって計算される保持力（毛細管力）が、
カソード側とアノード側のガス差圧より大きくなるよう
に設定される。また、ｔはセルの高さによっても同様に
影響される。

【００２０】以上のような検討の結果、ガラスの種類に
もよるが、ｔは電池の作動温度（９００〜１１００℃）
で０．５ｍｍ以下、ｌは２ｍｍ以上が望ましい。このク
リアランスに挟まれるガラスはペースト状、板状、フェ
ルト状のいずれでも差し支えない。

【００２１】また、マニホールドの蓋は落し蓋であるの
が好ましい。落し蓋とすると、セルの高さにかかわら
ず、セルとマニホールドの蓋との間にすきまが生じない
ため、ガスシールが良好になる上に、セルの積層段数の
増減にも対応することができる。さらに落し蓋の上から
荷重をかけることにより、セル本体に荷重を伝達するこ
とが可能となり、セル部材間の接触性を向上し、抵抗を
低減することにより、セル出力の向上を図ることができ
る。この落し蓋には筒部の溝に対応してはまり込むよう
に突起が設けられるか、あるいは溝を設けた部材の形状
に対応するように切込みが加工されている。また、底部
は筒部等の互いに隣合う溝のほぼ中間に位置するように
各ガスの供給及び排出管が設けられている。

【００２２】

【実施例】図１に円筒部１１に溝加工をしたマニホール
ドの各部分の形状を示す。円筒部１１の内面はセルの四
面が納まるような溝１２が加工されている。落し蓋１３
は円筒部１１の溝１２に対応してはまり込むように突起
１４が設けられている。底部１５は互いに隣合う溝のほ
ぼ中間に位置するように各ガスの供給及び排出用の管１
６が設けられている。

【００２３】図２にセルが納まる溝２３を設けた部品２
２を円筒部２１に設置したマニホールドの各部分の形状
を示す。落し蓋２４は溝を設けた部材２２の形状に対応
するように切込み２５が加工されている。底部２６は互
いに隣合う溝付き部材２２のほぼ中間に位置するように
各ガスの供給及び排出用の管２７が設けられている。

【００２４】図３に円筒部３３にセル３１の四隅がはま
り込むような溝加工を施したマニホールドを用いた場合
のセルの設置方式の１例を示す。積層型セル３１を底面
３２の中央部に設置する。セルの四隅は円筒部３３の加
工部分３４にはまり込むようにする。これに上部より落
し蓋３５を載せる。落し蓋３５は円筒部３３の加工部分
３４に対応してはまり込むように突起３６が加工されて
いる。落し蓋３５を用いることによってセル３１の高さ
とマニホールド円筒部３３の高さは必ずしも一致させな
くてもガスの封止が可能になり、セルの積層段数の変化
にも対応することができる。

【００２５】マニホールドとセルの接触面はすべてガラ
スで封止される。ガラスはセルの作動温度の１０００℃
付近で軟化し、ガスのリークを防ぐ。セルの四面につい
ても溝加工をした部分３４にはまり込んだセルの面との
間に、ガラスペーストを挟み込むことによってガスを封
止する。溝加工していない場合よりもシール材の保持性
が向上し、ガスのリークが減少する。

【００２６】図４の集合様式に従い、３段直列の積層型
燃料電池を作製した。電解質板４１にはイットリアを３
モル％添加したジルコニアである部分安定化ジルコニア
からなる５０×５０×０．２ｍｍの板状物を用いた。そ
して、酸素通路側にＬａ_０．９Ｓ_ｒ０．１ＭｎＯ_３粉末
（平均粒径約５μｍ）を厚さ０．３ｍｍに塗布してカソ
ード４２とし、水素通路側にＮｉ／ＺｒＯ₂（９／１重
量比）のサーメット混合粉末を厚さ０．３ｍｍに塗布し
てアノード４３とした。また、セパレータ４４にはニツ
ケル基合金からなる５０×５０×５ｍｍの寸法で溝の深
さが１．０ｍｍの板状物を用いた。

【００２７】このように電解質板４１に各電極を一体形
成したものとセパレータ４４を図４のように集積し、電
解質板４１とセパレータ４４の間に軟化点が約８００℃
のガラスをペースト状にしたものを挟み込み、ガス封止
用とした。このガラスは電池の作動温度で適度に軟化し
てガスを封止する。

【００２８】こうして積層したセルをマニホールド底面
上に図３のように設置した。底面３２とセル３１間並び
に落し蓋３５とセル３１間の封止には電解質板とセパレ
ータの間と同様に軟化点が約８００℃のガラスをペース
ト状にしたものを挟み込んだ。マニホールド円筒部３３
の溝加工部分３４とセル３１間の封止には軟化点が約８
００℃のガラスをペースト状にしたものを挟み込んだ。
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。

【００２９】このようにして作製した固体電解質型燃料
電池を加熱した。室温から３５０℃までは５℃／ｍｉｎ
で昇温させ、ガラスペーストの溶媒、塗布電極の溶媒を
蒸発させた。３５０℃以上では水素通路側にアノードの
酸化を防止するため、窒素ガスを流し、５℃／ｍｉｎで
１０００℃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でガスクロスリークは水
素の０．１％以下であった。放電特性を表１に示す。

【表１】

【００３０】このセルの抵抗は１８０ｍΩであった。こ
れに対し、円筒部に溝加工をしていないマニホールドに
落し蓋を用いて、同様な積層形式の３段積層型セルを組
み立て、発電実験を行った。セルを１０００℃に保持し
て水素と酸素を電解質板の両面に流した場合の開放電圧
は３．０Ｖと低く、ガスクロスリークは水素の９％以上
と多かった。このセルの放電特性を表２に示す。

【表２】

【００３１】このセルの抵抗は１Ωであった。

【００３２】

【発明の効果】本発明の固体電解質型燃料電池は、ガス
シール性及びシール材の保持性に優れている。また、マ
ニホールドの蓋を落し蓋とすると、積層多段セルの高さ
にかかわらず、セルとマニホールドの蓋との間にすきま
が生じないため、ガスシールが良好になる上に、セルの
積層段数の増減にも対応することができる。さらに落し
蓋によりセル本体に荷重を加えることが可能となり、セ
ル部材間の接触状態を良好にし、抵抗を低減してセル出
力を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】マニホールドの１例の説明図。

【図２】付設部材を有するマニホールドの１例の説明
図。

【図３】セルをマニホールドに収納して完成品とした
燃料電池の説明図。

【図４】３段直列セルの集合様式の１例の説明図。

【符号の説明】

１１，２１，３３円筒部１２，２３，３４溝１３，２４，３５落し蓋１４，３６突起１５，２６，３２底部２２溝付き部材２５切込み３１セル４１電解質板４２カソード４３アノード４４セパレータ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者瀬戸浩志埼玉県入間郡大井町西鶴ケ岡一丁目３番１号東燃株式会社総合研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】四角柱状の積層多段セルを収納しうるマ
ニホールドの内面と、これに面するセルの四面とにより
仕切られた四室を所要ガスの供給、排出空間に形成して
成る固体電解質型燃料電池において、マニホールドの内
面にセルの四隅がはまり込む溝が設けられていることを
特徴とする平板状固体電解質型燃料電池。
【請求項２】四角柱状の積層多段セルを収納しうるマ
ニホールドの内面と、これに面するセルの四面とにより
仕切られた四室を所要ガスの供給、排出空間に形成して
成る固体電解質型燃料電池において、マニホールドの内
面にセルの四隅がはまり込む溝を有する部材が付設され
ていることを特徴とする平板状固体電解質型燃料電池。
【請求項３】マニホールドの蓋が落し蓋である請求項
１又は２記載の平板状固体電解質型燃料電池。