JPH0629034A - メカニカルシール構造を有する固体電解質燃料電池 - Google Patents

メカニカルシール構造を有する固体電解質燃料電池

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JPH0629034A
JPH0629034A JP4204535A JP20453592A JPH0629034A JP H0629034 A JPH0629034 A JP H0629034A JP 4204535 A JP4204535 A JP 4204535A JP 20453592 A JP20453592 A JP 20453592A JP H0629034 A JPH0629034 A JP H0629034A
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Yoshio Matsuzaki
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 単電池とセパレータとの間をシール剤を一切
使用せずに、メカニカルシール方法により完全にシール
し、長期間にわたり安定的に運転できる固体電解質燃料
電池を提供する。 【構成】 固体電解質層4を挟むように燃料極5と空気
極6を配置してなる平板状単電池3と、隣接する単電池
を電気的に直列に接続しかつ各単電池に燃料ガスと酸化
剤ガスとを分配するセパレータ1とを交互に積層して構
成される固体電解質燃料電池において、単電池の燃料極
側に対面するセパレータの表面の周縁部と単電池の固体
電解質層の周縁部との間に密封状態に介在されたジルコ
ニア又は耐熱性金属のスペーサ2と、単電池の燃料極側
に対面するセパレータの表面と単電池の燃料極との間に
弾力圧縮状態に介在された耐熱性金属のメッシュ7とを
具備する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明はシール剤を必要としない
メカニカルシール構造を有する固体電解質燃料電池に関
する。
【0002】
【従来の技術】最近、酸素と水素をそれぞれ、酸化剤お
よび燃料として、燃料が本来持っている化学エネルギー
を直接電気エネルギーに変換する燃料電池が、省資源、
環境保護などの観点から注目されている。
【0003】イットリアなどをドープしたジルコニアを
電解質層として用い、ランタンクロマイト系酸化物等を
セパレータとして用いた固体電解質燃料電池は、作動温
度が高く、発電効率が高く、高温の廃熱の利用により総
合効率が高いので、研究開発が進んでいる。
【0004】図9は従来の固体電解質燃料電池の断面図
である。この固体電解質燃料電池は固体電解質層14を
挟むように燃料極15と空気極16を配置してなる平板
状単電池13と、隣接する単電池13を電気的に直列に
接続しかつ各単電池13に燃料ガスと酸化剤ガスとを分
配するセパレータ10とを交互に積層して複層のスタッ
クとして構成されたものである。
【0005】内部マニホールド型固体電解質燃料電池は
セパレータ10が酸化剤および燃料のガスの給排気、分
配および電気的接続の機能を兼ね備える一体型の構造で
ある。そのため、セパレータの辺部にガスの給排気の孔
が開けられ、この孔から単電池13の電極面にガスが給
排気され、さらに、電極面の隅々にガスを均等に分配す
るため、および、隣あう電池13を直列に接続するため
電極面に溝10cの加工が施されている。一方、単電池
の固体電解質層14の電極が付いていない部分にガス給
排気の孔(図示せず)が開けられ、電池13を積層する
過程でこの孔を連結し、スタック内部にガス通路を形成
している。
【0006】スタックの内部で燃料と酸化剤ガスが混合
すると、燃料電池の効率が低下するのはもちろん、混合
により燃焼して局部的に温度上昇を生じ、熱応力分布が
不均一となり、スタックの寿命を短縮させる。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】従来、スタック内で燃
料と酸化剤ガスが混合しないようにするため、単電池と
セパレータとのシール面にシール剤12を挟む方法があ
る。このシール剤12には適当な材料が見つからない欠
点がある。また、シール剤にセラミック接着剤を使用す
る方法があるが、セラミック接着剤で完全に接着する
と、各構成材料の熱膨張の差により接着部に歪を生じ、
単電池の固体電解質層に割れを起こすとともに、複数回
のサーマルサイクル中に接着剤の劣化によりガス漏れ発
生の原因となる。また、シール剤にシリカ系ガラスを用
いる方法があるが、シール剤中のシリカ成分が長期運転
中に蒸発し、低温部に付着、堆積する。その結果、電極
の劣化を引き起こすことになり、長期運転には問題が有
った。
【0008】本発明は上述の点に鑑みてなされたもの
で、単電池とセパレータとの間をシール剤を一切使用せ
ずに、メカニカルシール方法により完全にシールし、長
期間にわたり安定的に運転できる固体電解質燃料電池を
提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明は固体電解質層を挟むように燃料極と空気極
を配置してなる平板状単電池と、隣接する単電池を電気
的に直列に接続しかつ各単電池に燃料ガスと酸化剤ガス
とを分配するセパレータとを交互に積層して構成される
固体電解質燃料電池において、前記単電池の燃料極側に
対面する前記セパレータの表面の電極と接しない部分と
前記単電池の固体電解質層の電極のない面との間に気密
状態に介在されたスペーサと、前記単電池の燃料極側に
対面する前記セパレータの表面と前記単電池の燃料極と
の間に弾力圧縮状態に介在された耐熱性金属のメッシュ
又はフェルトとを具備することで、燃料極側の気密性を
確保するとともに、電解質板の可撓性を利用して、空気
極側の気密性も同時に確保することを特徴とする。
【0010】また、本発明は前記スペーサが部分安定化
ジルコニアからなることを特徴とする。
【0011】また、本発明は前記スペーサが耐熱性金属
からなることを特徴とする。
【0012】
【作用】単電池の燃料極側に対面するセパレータの表面
の周縁部と前記単電池の固体電解質層の周縁部との間に
ジルコニアのスペーサが密封状態に介在されているの
で、上下2層のセパレータと、それらの間にある単電池
の電解質層およびスペーサは互いに面接触によって密封
性を保ち、ガスの漏出と混合を防ぐことができる。単電
池の燃料極側に対面する前記セパレータの表面と前記単
電池の燃料極との間に耐熱性金属のメッシュ又はフェル
トが弾力圧縮状態に介在されているので、上部のセパレ
ータと燃料極はメッシュ又はフェルトを介して弾力的に
接触し良好な導通状態となり、下部のセパレータと空気
極は裏面の燃料極側から弾力的に加圧され、直接に接触
し良好な導通状態となる。
【0013】この際、単電池の両電極や固体電解質層、
セパレータおよびスペーサはそれぞれの厚みに精度上の
誤差があっても、弾力性のあるメッシュが介在するの
で、常に互いに圧着されている。
【0014】
【実施例】以下、本発明を図面に基づいて説明する。
【0015】図8は本発明のメカニカルシール構造を有
する固体電解質燃料電池の断面図である。
【0016】本発明の固体電解質燃料電池は固体電解質
層4を挟むように燃料極5と空気極6を配置してなる平
板状単電池3と、隣接する単電池3を電気的に直列に接
続しかつ各単電池に燃料ガスと酸化剤ガスとを分配する
セパレータ1とを交互に積層して構成されている。
【0017】図1はセパレータ1の平面図、図2は図1
の線II-II断面図、図3は図1の線III-III断面図であ
る。
【0018】セパレータ1はストロンチウムドープラン
タンクロマイトを加圧成型し空気中で焼成して得た平板
状焼結体である。4隅にガスの給排気孔1aが開けら
れ、さらに、単電池3の電極面の隅々にガスを均等に分
配するため、電極面に溝1cが施されている。溝1cと
溝1cの間は隣あう単電池3を直列に接続するため突起
1bとなっている。図2から分かるように、表面の溝1
cは左右2個の対角線方向の給排気孔1aに連通し、ま
た、裏面の溝1cは左右2個の対角線方向の別の給排気
孔1aに連通している。セパレータ1の表面と裏面の周
縁部1dはスペーサ2または単電池3の固体電解質層4
と重ねるための面である。
【0019】図4はスペーサ2の平面図、図5は図4の
線V−V断面図である。
【0020】スペーサ2は部分安定化ジルコニア又は耐
熱性金属で造られ、厚みが300ミクロンである。中央
部にほぼ正方形の孔2eが開けられ、かつ対角線上の4
隅にガスの給排気孔2aが開けられている。孔2eは単
電池3の電極5、6のそれぞれの面積より広く、また孔
2aはセパレータ1の給排気孔1aの大きさおよび配置
と同一である。スペーサ2の表面と裏面の周縁部2dは
セパレータ1または単電池3の固体電解質層4と重ねる
ためのシール面である。
【0021】図6は単電池3の平面図、図7は図6の線
VII-VII断面図である。
【0022】単電池3は固体電解質層4を挟むように燃
料極5としてNi/YSZサーメットを、空気極6とし
て(La、Sr)MnO3をスクリーン印刷などにより
コーティングしたものである。固体電解質層4はイット
リアなどをドープしたジルコニア焼結体(YSZ)で造
られる。固体電解質層4の4隅にガスの給排気孔3aが
開けられている。このガス給排気孔3aはセパレータ1
の給排気孔1aの大きさおよび配置と同一である。ま
た、固体電解質層4の表面と裏面の周縁部3dはセパレ
ータ1またはスペーサ2と重ねるための面である。
【0023】図8に示すニッケル等の耐熱性金属で造ら
れ、還元雰囲気下で電子伝導性および伸縮性があり、単
電池3の燃料極5の全面を覆う広さを有するメッシュま
たはフェルト7が弾力的にセパレータと燃料極の間に介
在している。
【0024】上述の構成要素を図8の断面図に示すよう
複層のスタックに組み立てて、本発明の固体電解質燃料
電池を構成する。 (1)単電池3の燃料極5に対面する上部セパレータ1
の下面の周縁部1dと、単電池3の固体電解質層4の上
面周縁部3dとの間に、スペーサ2が面接触状態に挟ま
れ押しつけられている。同時に、該固体電解質層4の下
面周縁部3dと下部セパレータ1の上面の周縁部1dと
は直接面接触して押しつけられている。 (2)単電池3の燃料極5の上面と、該単電池3の燃料
極5に対面する上部セパレータ1の下面との間に、メッ
シュまたはフェルト7が弾力圧縮状態に挟まれている。
【0025】このようにして構成された固体電解質燃料
電池に、その周縁部のガス給気孔から各ガスを供給し、
単電池3の両電極の表面に流し、周縁部のガス排気孔か
ら排出することにより、電力が発生する。試験の結果、
開回路電圧が1.07ボルトの好成績を得ることができ
た。
【0026】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、固
体電解質燃料電池の構成要素であるセパレータ、単電
池、スペーサおよび金属メッシュの相互間にシール剤を
一切使用せず、メカニカルシールをしようした。金属メ
ッシュを単電池の燃料極上に配置し、セラミックス又は
耐熱性金属の薄板のスペーサをその周囲に配置し、その
スペーサに上部のセパレータを介して加重をかけて積層
することにより、面接触により燃料極側の気密性を確保
すると共に、その時空気極側の単電池の電解質とセパレ
ータとが押圧されることにより、空気極側の気密性も面
接触により同時に確保され、かつ単電池の燃料極とセパ
レータは金属メッシュを介して弾力的に圧着されて良好
な電気的接触を保持するという優れた効果が得られる。
したがって、本発明の固体電解質燃料電池は長時間の耐
久性が向上し、熱サイクルに強くなり、再現性や歩留ま
りが向上する。また、機械的シールであるために材料間
の熱膨張差を考慮する必要がなく、材料選択の幅が広が
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の固体電解質燃料電池に使用するセパレ
ータの平面図である。
【図2】図1の線II-II断面図である。
【図3】図1の線III-III断面図である。
【図4】本発明の固体電解質燃料電池に使用するスペー
サの平面図である。
【図5】図4の線V−V断面図である。
【図6】本発明の固体電解質燃料電池に使用する単電池
の平面図である。
【図7】図6の線VII-VII断面図である。
【図8】本発明の固体電解質燃料電池の断面図である。
【図9】従来の固体電解質燃料電池の断面図である。
【符号の説明】
1 セパレータ 2 スペーサ 3 単電池 4 固体電解質層 5 燃料極 6 空気極 7 メッシュ

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 固体電解質層を挟むように燃料極と空気
    極を配置してなる平板状単電池と、隣接する単電池を電
    気的に直列に接続しかつ各単電池に燃料ガスと酸化剤ガ
    スとを分配するセパレータとを交互に積層して構成され
    る固体電解質燃料電池において、前記単電池の燃料極側
    に対面する前記セパレータの表面の電極と接しない部分
    と前記単電池の固体電解質層の電極のない面との間に気
    密状態に介在されたスペーサと、前記単電池の燃料極側
    に対面する前記セパレータの表面と前記単電池の燃料極
    との間に弾力圧縮状態に介在された耐熱性金属のメッシ
    ュ又はフェルトとを具備することで、燃料極側の気密性
    を確保するとともに、電解質板の可撓性を利用して、空
    気極側の気密性も同時に確保することを特徴とするメカ
    ニカルシール構造を有する固体電解質燃料電池。
  2. 【請求項2】 前記スペーサが部分安定化ジルコニアか
    らなることを特徴とする請求項1に記載のメカニカルシ
    ール構造を有する固体電解質燃料電池。
  3. 【請求項3】 前記スペーサが耐熱性金属からなること
    を特徴とする請求項1に記載のメカニカルシール構造を
    有する固体電解質燃料電池。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4897658A (en) * 1987-04-09 1990-01-30 Nippondenso Co., Ltd. Analog-to-digital converter of successive-approximation type
WO2002093671A1 (fr) * 2001-05-14 2002-11-21 Tokyo Gas Company Limited Structure stratifiee d'une pile a combustible oxyde solide de type a plaque plate
JP2005353484A (ja) * 2004-06-11 2005-12-22 Toyota Motor Corp チューブ型燃料電池用膜電極複合体およびチューブ型燃料電池用集電体

Cited By (4)

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