JPH06215782A

JPH06215782A - 固体電解質燃料電池の支持体

Info

Publication number: JPH06215782A
Application number: JP5006049A
Authority: JP
Inventors: Fumio Umemura; 文夫梅村; Koji Amano; 耕治天野; Yasushi Watanabe; 恭史渡辺; Tatsuo Kahata; 達雄加幡; Satoshi Uchida; 聡内田; Seiji Takatsuki; 誠治高月
Original assignee: Tokyo Electric Power Co Inc; Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd; Tokyo Electric Power Company Holdings Inc
Priority date: 1993-01-18
Filing date: 1993-01-18
Publication date: 1994-08-05

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明は、発電部支持体やインタコネクタ支持
体でガスシールを確実になし得ることを主要な特徴とす
る。【構成】中央の第１穴と、第１穴の周囲の発電部をのせ
る第１段と、第１穴と燃料ガス供給溝を介して連通する
第１燃料ガス供給孔と、前記第１穴と燃料ガス排出溝を
介して連通する第１燃料ガス排出孔と、第１酸素供給孔
及び第２酸素排出孔とを有してなる発電部支持体と、第
２穴と、前記第２穴の周囲のガス隔離部をのせる第２段
と、前記第１燃料ガス供給孔と対応する位置に設けられ
た第２燃料ガス供給孔と、第１燃料ガス排出孔と対応す
る位置に設けられた第２燃料ガス排出孔と、前記第２穴
と酸素供給溝を介して連通する第２燃料ガス供給孔と、
前記第２穴と酸素排出溝を介して連通する第２酸素排出
溝とを有してなるインタコネクタ部支持体とを、交互に
積層してなり、かつ前記発電部支持体とインタコネクタ
部支持体との少なくともガスシール部を要する接合面を
平面度の高い研摩面とし、これらの面に垂直な荷重をか
けることを特徴とする固体電解質燃料電池の支持体。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は固体電解質燃料電池の支
持体に関し、固体電解質電解装置，固体電解質酸素セン
サ等固体電解質のイオン導電性を利用する機器全般に適
用できるものである。

【０００２】

【従来の技術】図４は、従来の平板型の固体電解質燃料
電池を示す。

【０００３】図中の符号１は、発電部を示す。この発電
部１は、燃料電極２と電解質３と酸素電極４の３層の固
体膜を接合積層した構造となっている。前記発電部１
は、燃料流路５と酸素流路６とに挟まれ、燃料電極側は
燃料流路５を通る燃料に、酸素電極側は酸素流路６を通
る酸素あるいは空気に曝される位置に配置される。

【０００４】前記発電部１の周縁は、発電部支持体７に
よって支持される。この発電部支持体７は、発電部１の
重量を支持する機能とともに、酸素流路６または燃料流
路５に接続してガスの通路を形成し、外部から発電部１
へ、また発電部１から外部へガスを供給・排出する通路
となる機能を併せもつ。

【０００５】前記固体電解質燃料電池は、前記発電部１
を直列あるいは並列に複数個接合して発電ユニットを構
成することが多い。複数の発電部１を接合する場合は、
隣接する発電部１の間には、電気を導通する機能と、燃
料流路５を流れる燃料と酸素流路６を流れる酸素（ある
いは空気）との２種のガスを隔離する機能とを有するイ
ンタコネクタ部８が設けられている。このインタコネク
タ部８は、燃料流路渡り部９とガス隔離部10と酸素流路
渡り部11で構成される。

【０００６】前記ガス隔離部10の周縁は、インタコネク
タ部支持体12で支持される。このインタコネクタ部支持
体12は、インタコネクタ部８の重量を支持する機能と共
に、燃料流路５または酸素流路６に接続してガスの通路
を形成し、外部から発電部１へ、また発電部１から外部
へガスを供給・排出する通路となる機能を併せもつ。燃
料と酸素あるいは空気とを隔離する部分の接合部には、
ガスシ−ルの機能をもつ材料・接合法を用いる必要があ
る。図４の例でいえば、発電部１と発電部支持体７との
間の接合部、インタコネクタ部（ガス隔離部）とインタ
コネクタ部支持体12との間の接合部、発電部支持体７と
インタコネクタ支持体12との間の接合部が、ガスシ−ル
機能を必要とする接合部に該当する。なお、図４におい
て、符号13は発電部縁のガスシ−ル部、符号14はインタ
コネクタ部縁のガスシ−ル部、符号15は支持体相互間の
ガスシ−ル部を夫々示す。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、固体電解質
燃料電池は、９００℃〜１１００℃の高温で運転される
ことが多い。しかるに、高温で運転され、かつ酸化雰囲
気に曝されるため、発電部支持体７、インタコネクタ部
支持体12には金属を用いることが困難で、酸化物系セラ
ミックスの焼結体を用いることが多い。また、発電部１
の構造的骨格を形成する電解質３は、例えばイットリア
安定化ジルコニアのような酸化物系セラミックスである
ことが多い。

【０００８】前記ガス隔離部10には、例えばランタンク
ロマイト（ＬａＣｒＯ₃）のような電子導電性をもちか
つ酸化還元両雰囲気で安定なセラミックスを用いること
が多い。この場合、発電部１と発電部支持体７及びイン
タコネクタ（ガス隔離部）10と、インタコネクタ部支持
体12の接合部は、異種セラミックス相互間の接合とな
る。ここで、各セラミックス材料は、熱膨脹率が必ずし
も一致しておらず、また運転状態では温度の不均一も生
じ得るので、部品により熱膨脹による伸びは異なる。熱
膨脹の異なるセラミックスを剛に接合すると、部材内に
熱応力が発生し、部品多くは発電部１が破損する恐れが
ある。そのため、接合部では互いに接触する部材間の変
位拘束をできるだけ少なくすることが望ましい。

【０００９】従来、この解決方法としては、接合部にセ
ラミックス接着剤を塗布し、焼付ける方法がとられてい
る。セラミックス接着剤は、焼付ける時に多孔質体にな
るために、変位拘束は比較的弱くなるが、ガスシ−ルの
機能は十分ではない。

【００１０】また、接合部に例えば釉薬のようなガラス
系材料を塗布する方法もとられることがある。釉薬は、
運転温度付近、既ね７００〜９００℃以上の温度域では
溶融する。運転時にガスシ−ルを必要とする部分は８０
０〜１１００℃となり、釉薬は液体となるので、変位拘
束はほとんどなく、ガスシ−ルの機能も優れているが、
長時間使用しているうちに、流失してガスシ−ル機能を
損なう恐れがある。そこで、釉薬等の流失を防止あるい
は抑制する措置を講じる必要がある。また、燃料ガスと
酸素又は空気ガスとの間に差圧があると、液体シ−ル剤
が吹き飛びやすく、運転時に差圧を最小限に抑えるよう
な運転制限上の措置を講じる必要がある。

【００１１】前記発電部１と発電部支持体７、インタコ
ネクタ部（ガス隔離部10）とインタコネクタ部支持体12
の接合部の他に、発電部支持体７とインタコネクタ支持
体12との間もガスシ−ルを要する接合部となる。この部
分についての接合法の従来技術としては、セラミックス
接着剤は焼付け後、多孔質となるためにガスシ−ル機能
が不十分であり、ガラス系材料は流失・吹き飛びの恐れ
があるため、いずれもガスシ−ルの方法としては不十分
なものとなる。

【００１２】前記発電部支持体７とインタコネクタ部支
持体12とは、燃料流路５及び酸素流路６に接続してガス
の通路を形成する機能も有する。また、発電部１を複数
個接合して発電ユニットを構成する場合には、各々の発
電部１へ燃料ガス及び空気（又は酸素）ガスを分配する
機能、即ちガスマニホ−ルドとしての機能が必要とな
る。ガスマニホールドは、支持体と別部品とする方法
と、支持体に一体化してしまう方法とがあるが、マニホ
ールドを別部品とす場合には、支持体の形状は単純にな
るが、マニホールドと支持体との間にガスシ−ルを必要
とする接合部ができ、ガスシ−ルのための措置を講ずる
必要が生じる。

【００１３】本発明は上記事情に鑑みてなされたもの
で、発電部支持体とインタコネクタ支持体との間のガス
シールを要する接合部を平面度の高い研摩面とし、かつ
その面に垂直な荷重をかえる構成とすることにより、前
記支持体でのガスシールを確実になしえる固体電解質燃
料電池の支持体を提供することを目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明は、中央に設けら
れた第１穴と、前記第１穴の周囲に設けられ，発電部を
のせる第１段と、前記第１段に隣接して設けられ，前記
第１穴と燃料ガス供給溝を介して連通する第１燃料ガス
供給孔と、前記第１段に隣接して設けられ，前記第１穴
と燃料ガス排出溝を介して連通する第１燃料ガス排出孔
と、前記第１穴と離間して設けられた第１酸素供給孔及
び第１酸素排出孔とを有してなる発電層支持体と、

【００１５】前記第１穴と対応する位置に設けられた第
２穴と、前記第２穴の周囲に設けられ，ガス隔離部をの
せる第２段と、前記第２穴と離間するとともに，前記発
電層支持体との積層時前記第１燃料ガス供給孔と対応す
る位置に設けられた第２燃料ガス供給孔と、前記第２穴
と離間するとともに，前記前記発電層支持体との積層時
第１燃料ガス排出孔と対応する位置に設けられた第２燃
料ガス排出孔と、前記第２段に隣接して設けられ，前記
第２穴と酸素供給溝を介して連通する第２燃料ガス供給
孔と、前記第２段に隣接して設けられ，前記第２穴と酸
素排出溝を介して連通する第２酸素排出溝とを有してな
るインタコネクタ部支持体とを、交互に積層してなり、

【００１６】かつ前記発電層支持体とインタコネクタ部
支持体との少なくともガスシール部を要する接合面を平
面度の高い研摩面とし、これらの面に垂直な荷重をかけ
ることを特徴とする固体電解質燃料電池の支持体であ
る。

【００１７】

【作用】この発明によれば、従来のセラミックス接着剤
又は液体シール剤にない耐差圧性をもったガスシール部
を形成することができ、かつシール剤充填の工程が省略
でき、シ−ル剤充填の工程が省略できる。また、シール
剤がないので、運転後の開放が容易で、点検，部品交換
等が容易にできる。

【００１８】また、この発明において、ガスシールを要
する接合部の研摩レベルは表面粗さが小さければ小さい
ほど垂直荷重を小さくできる。更に、発電部支持体とイ
ンタコネクタ部支持体の材質を使用温度域（８００℃〜
１１００℃）で若干の塑性変形を起こすもにすれば、研
摩レベルを機械研摩のレベル（Ｒmax ：０．１μｍ〜１
μｍ）、垂直荷重を０．１〜１Ｋｇｆ／cm² ・ｇのレベ
ルにすることができ、比較的簡単に製作及び機器構成が
できるようになる。

【００１９】

【実施例】以下、本発明の実施例について説明する。但
し、従来（図６）と同部材は同符号を付して説明を省略
する。

【００２０】図１は、本発明の一実施例に係る外形が円
状の発電部支持体20の一例を示す。ここで、図１（Ａ）
は平面図、図１（Ｂ）は断面図、図１（Ｃ）は図１
（Ａ）の底面図である。図中の21は、中央部に設けられ
た正方形状の第１穴である。この第１穴21の周囲に正方
形薄板状の発電部をのせる第１段22が設けてある。ここ
に、既述した発電部１を配置し、従来と同様の液体シー
ル剤を用いて発電部縁のガスシール部13が形成される。
前記第１段22の外側の所定の位置には、第１段22に近接
して燃料ガス供給溝23，燃料ガス排出溝24が互いに対称
となるように設けられている。

【００２１】前記燃料ガス供給溝23，燃料ガス排出溝24
の外側には、これら溝23，24に夫々連通するように第１
燃料ガス供給孔25，第１燃料ガス排出孔26が互いに対称
となるように設けられている。前記第１穴21の外側で前
記第１燃料ガス供給孔25，第１燃料ガス排出孔26の位置
から前記第１穴21の中心点Ｐを中心として９０度回動し
た位置（燃料ガスの流れる方向と直交する方向）には、
第１酸素供給孔27，第１酸素排出孔28が互いに対称とな
るように設けられている。前記ガスシール部13により、
発電部１より上側の燃料流路５と発電部１より下側の酸
素流路６を流れるガス相互間の漏れを遮断する。なお、
前記燃料流路５と酸素流路６の配置は逆でもよいが、以
下、燃料流路５が上側にあるものとして説明する。

【００２２】前記発電部１に対して燃料は図１の例で
は、鉛直方向から第１燃料ガス供給孔25，燃料ガス供給
溝23を経て発電部１の上側に供給され、燃料ガス排出溝
24，燃料ガス排出孔26を経て鉛直方向に排出される。酸
素は、発電部支持体20の下側に配置されるインタコネク
タ部支持体に設けた酸素流路を経て発電部１の下側に供
給及び排出される。発電部支持体27の内部は、第１燃料
ガス供給孔25，燃料ガス供給溝23，発電部１の上側、燃
料ガス排出溝24及び第１燃料ガス排出孔26は燃料ガスで
満たされ、第１酸素供給孔27及び第１酸素排出孔28は酸
素を含むガスで満たされる。また、発電部支持体20の外
側は、別種のガス（通常は空気）で満たされる。

【００２３】燃料ガス，酸素を含むガス及び外側のガス
の混合を避けるために、本発明の主要な特徴であるシ−
ル構造を用いる。即ち、発電部支持体20の上面にシ−ル
部を形成する機械研摩面29と、その直上に配置される構
造体（インタコネクタ部支持体又は後述する上蓋）下面
のシール部を形成する機械的研摩面とを密着させ、上蓋
及び後述する下蓋の外側に設けた垂直荷重付与装置によ
り、シール部を形成する面に垂直な荷重をかけ、支持体
相互間のガスシール部15を形成する。支持体相互間のガ
スシール部の模式図は、後述する図３に示す通りであ
る。また、発電部支持体20の直下に配置されるインタコ
ネクタ部支持体との間の支持体相互間のガスシール部15
を形成するために、発電部支持体20の下面にシール部を
形成する機械研摩面30が設けられている。

【００２４】図２（Ａ）〜（Ｃ）は、本発明に係るイン
タコネクタ部支持体40の例を示す。ここで、図２（Ａ）
は平面図、図２（Ｂ）は断面図、図２（Ｃ）は図２
（Ａ）の底面図である。図中の符号41は中央に設けられ
た正方形状の第２穴であり、発電部支持体20とインタコ
ネクタ部支持体40とを積層した際、前記第１穴21に対応
する位置にある。前記第２穴41の周囲には、正方形薄板
状のガス隔離部10をのせる第２段42が設けられている。
ここに、ガス隔離部10を配置し、従来と同様の液体シー
ル剤を用いてインタコネクタ部縁のガスシール部14が形
成される。このインタコネクタ部縁のガスシール部14に
より、ガス隔離部10より上側の酸素流路６とガス隔離部
10より下側の燃料流路５を流れるガス相互間の漏れを遮
断する。

【００２５】前記第２段42の近くには、第２燃料供給孔
43，第２燃料排出孔44が前記発電部支持体20の第１燃料
供給孔18，第２燃料排出孔26に対応する位置に夫々設け
られている。前記第２段42の外側の所定の位置には、第
２段42に近接して酸素供給溝45，酸素排出溝46が互いに
対称となるように設けられている。前記酸素供給溝45，
酸素排出溝46の外側には、これら溝45，46に夫々連通す
るように第２酸素供給孔47，第２酸素排出孔48が互いに
対称となるように設けられている。

【００２６】空気は、鉛直方向から第２酸素供給孔47、
酸素供給溝45を経てインタコネクタ部支持体40の直上に
配置されている発電部１の下部に供給され、酸素排出溝
46、第２酸素排出孔48を経て、鉛直方向に排出される。
前記インタコネクタ部支持体40の内部は、第２燃料ガス
供給孔43及び第２燃料ガス排出孔44は燃料ガスで満たさ
れ、第２酸素供給孔47、酸素供給溝45、ガス隔離部10の
上側、酸素排出溝40及び第２酸素排出孔48は酸素を含む
ガスで満たされる。また、インタコネクタ部支持体40の
外側は、別種のガス（通常は空気）で満たされる。

【００２７】燃料ガス，酸素を含むガス及び外側のガス
の混合を避けるために、本発明の主要な特徴であるシ−
ル構造を用いる。即ち、インタコネクタ部支持体40の上
面のシ−ル部を形成する機械研摩面49と、その直上に配
置される発電部支持体20下面のシール部を形成する機械
研摩面30とを密着させ、後記上蓋及び下蓋の外側に設け
た垂直荷重付与装置によりシール部を形成する面に垂直
な荷重をかけ、発電部，インタコネクタ部支持体相互間
のガスシール部15を形成する。また、インタコネクタ部
支持体40の直下に配置される構造体（発電部支持体20７
又は下蓋）との間の支持体相互間のガスシ−ル部15を形
成するために、インタコネクタ部支持体40の下面のシー
ル部を形成する機械研摩面50を設ける。

【００２８】図４は、前記発電部支持体とインタコネク
タ部支持体とを積層させ、内部に発電部等を組み込んだ
固体電解質燃料電池の支持体の模式図を示す。図４に示
すように、発電部支持体20とインタコネクタ部支持体40
が交互に積層されて配置されており、全体を上蓋51と下
蓋52とで挟む構成になっている。前記発電部支持体20の
第１燃料ガス供給25に対応する前記上蓋51には、第１燃
料ガス供給孔35と連通する第３燃料ガス供給孔55が設け
られ、この第３燃料ガス供給孔55には燃料ガス供給管56
が接続されている。また、前記発電部支持体20の第１燃
料ガス排出孔26に対応する前記上蓋51には、第１燃料ガ
ス排出給孔26と連通する第３燃料ガス排出孔57が設けら
れ、この第３燃料ガス供給孔57には燃料ガス排出管58が
接続されている。前記上蓋51の下面の一部には、端部集
電板59を配置する凹部60が設けられている。

【００２９】一方、前記下蓋52の上面の一部にも、端部
集電板59を配置される凹部61が設けられている。前記上
蓋51と下蓋52の外側には、垂直荷重付与装置62，62が夫
々配置されている。これらの垂直荷重付与装置62，62に
より、複数の発電部支持体20とインタコネクタ部支持体
40のガスシール部15に同時に垂直荷重を付与するように
なっている。ここで、垂直荷重付与装置については、運
転中も十分低温となる個所に、ばね，空気圧，油圧等を
装置を配置する。また、前記発電部支持体20やインタコ
ネクタ部支持体40の材質としては、使用温度域（８００
〜１０００℃）で若干の塑性変形を起こすものとして、
例えばマイカ系マシナブルセラミック等の成分を主成分
とする材質を用いる。なお、図４中の符号63は液体シー
ル剤を示す。しかして、上記実施例によれば、以下に列
挙する効果を有する。

【００３０】(1) 固体電解質燃料電池の発電部支持体20
とインタコネクタ部支持体40相互間のガスシール部を平
面度の高い機械研摩面で形成し、シール面に垂直な荷重
を付与してガスシールを行う構成とすることにより、当
該部分にシール材を充填する工程が省略でき、組立が容
易になる。また、当該部分にシール材を使用しないた
め、除荷するだけで開放ができ、点検，修理，部品交換
等が容易になる。

【００３１】(2) 運転中のみ垂直荷重を付与してガスシ
ールの機能を発現することができ、起動時の常温から運
転温度域への昇温、停止時の運転温度域から常温への高
温の際には、垂直荷重を除荷して発電部支持体20とイン
タコネクタ部支持体40相互間の力のやりとりをなくし、
熱膨脹係数差による熱応力の発生をなくすことができ
る。

【００３２】事実、発電部支持体20とインタコネクタ部
支持体40の材質に軟化点約１２００℃のマイカ系マシナ
ブルエラミックスを用いてシール部を形成する面をＲma
x １μｍの粗さに仕上げた場合、垂直荷重約１Ｋｇｆ／
cm² で構造体内部のガスと外部のガスの差圧１００ｍｍ
Ａｑ程度まで相互の漏れなく、ガスシールすることがで
きた。

【００３３】

【発明の効果】以上詳述した如く本発明によれば、発電
部支持体とインタコネクタ支持体との間のガスシールを
要する接合部を平面度の高い研摩面とし、かつその面に
垂直な荷重をかえる構成とすることにより、従来のセラ
ミックス接着剤又は液体シール剤にない耐差圧性をもっ
たガスシール部を形成することができ、かつシ−ル剤充
填の工程が省略でき、更に運転後の開放が容易で点検，
部品交換等が容易になしえる固体電解質燃料電池の支持
体を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る発電部支持体の説明図で、図１
（Ａ）は平面図、図１（Ｂ）は断面図、図１（Ｃ）は図
１（Ａ）の底面図。

【図２】本発明に係るインタコネクタ部支持体の説明図
で、図２（Ａ）は平面図、図２（Ｂ）は断面図、図２
（Ｃ）は図２（Ａ）の底面図。

【図３】本発明の実施例に係る固体電解質燃料電池の支
持体の説明図。

【図４】平板形の固体電解質燃料電池の説明図。

【符号の説明】

１…発電部、２…燃料電極、３…
電解質、４…酸素電極、 20…発電部支持体、
21，41…穴、22，42…段、 23…燃料ガス
供給溝、24…燃料ガス供給溝、 25，43…燃料ガス供給
孔、26，44…燃料ガス排出孔、27，47…酸素供給孔、
28，48…酸素排出孔、29，30，49，50…機械研摩面、40
…インタコネクタ部支持体、 45…酸
素供給溝、46…酸素排出溝、 51…上蓋、
52…下蓋、62…垂直荷重付与装置。

フロントページの続き (72)発明者渡辺恭史東京都調布市西つつじケ丘二丁目４番１号東京電力株式会社技術研究所内 (72)発明者加幡達雄長崎県長崎市飽の浦町１番１号三菱重工業株式会社長崎造船所内 (72)発明者内田聡長崎県長崎市飽の浦町１番１号三菱重工業株式会社長崎造船所内 (72)発明者高月誠治長崎県長崎市飽の浦町１番１号三菱重工業株式会社長崎造船所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】中央に設けられた第１穴と、前記第１穴
の周囲に設けられ，発電部をのせる第１段と、前記第１
段に隣接して設けられ，前記第１穴と燃料ガス供給溝を
介して連通する第１燃料ガス供給孔と、前記第１段に隣
接して設けられ，前記第１穴と燃料ガス排出溝を介して
連通する第１燃料ガス排出孔と、前記第１穴と離間して
設けられた第１酸素供給孔及び第１酸素排出孔とを有し
てなる発電層支持体と、前記第１穴と対応する位置に設けられた第２穴と、前記
第２穴の周囲に設けられ，ガス隔離部をのせる第２段
と、前記第２穴と離間するとともに，前記発電層支持体
との積層時前記第１燃料ガス供給孔と対応する位置に設
けられた第２燃料ガス供給孔と、前記第２穴と離間する
とともに，前記前記発電層支持体との積層時第１燃料ガ
ス排出孔と対応する位置に設けられた第２燃料ガス排出
孔と、前記第２段に隣接して設けられ，前記第２穴と酸
素供給溝を介して連通する第２燃料ガス供給孔と、前記
第２段に隣接して設けられ，前記第２穴と酸素排出溝を
介して連通する第２酸素排出溝とを有してなるインタコ
ネクタ部支持体とを、交互に積層してなり、かつ前記発電層支持体とインタコネクタ部支持体との少
なくともガスシール部を要する接合面を平面度の高い研
摩面とし、これらの面に垂直な荷重をかけることを特徴
とする固体電解質燃料電池の支持体。