JPH07211333A - 固体電解質型燃料電池 - Google Patents
固体電解質型燃料電池Info
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- JPH07211333A JPH07211333A JP6000646A JP64694A JPH07211333A JP H07211333 A JPH07211333 A JP H07211333A JP 6000646 A JP6000646 A JP 6000646A JP 64694 A JP64694 A JP 64694A JP H07211333 A JPH07211333 A JP H07211333A
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- solid oxide
- oxide fuel
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- thermal expansion
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- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】従来の平板型の固体電解質型燃料電池では、セ
パレータとの熱膨張の差により固体電解質体に割れが生
じて電池の性能が低下した。この難点を解決して、発電
性能と熱的信頼性に優れる固体電解質型燃料電池を得
る。 【構成】平板状の固体電解質体１３の一方の面にアノー
ド１１を、他の面にカソード１２を配した単セル１４
と、これに反応ガスを供給するセパレータ２０とを交互
に積層して構成する固体電解質型燃料電池において、セ
パレータ２０を、低熱膨張耐熱金属、例えばＦｅ−５Ａ
ｌ合金からなるガス分離板１５と、これを貫通して組み
込まれた導電性耐熱金属、例えばＮｉ−３５Ｃｒ−１５
Ｗ合金からなる案内羽１６とから構成する。さらに、セ
パレータ２０のカソード１２と相対する面に、例えばラ
ンタンマンガナイトを溶射して耐酸化層１９を形成す
る。
パレータとの熱膨張の差により固体電解質体に割れが生
じて電池の性能が低下した。この難点を解決して、発電
性能と熱的信頼性に優れる固体電解質型燃料電池を得
る。 【構成】平板状の固体電解質体１３の一方の面にアノー
ド１１を、他の面にカソード１２を配した単セル１４
と、これに反応ガスを供給するセパレータ２０とを交互
に積層して構成する固体電解質型燃料電池において、セ
パレータ２０を、低熱膨張耐熱金属、例えばＦｅ−５Ａ
ｌ合金からなるガス分離板１５と、これを貫通して組み
込まれた導電性耐熱金属、例えばＮｉ−３５Ｃｒ−１５
Ｗ合金からなる案内羽１６とから構成する。さらに、セ
パレータ２０のカソード１２と相対する面に、例えばラ
ンタンマンガナイトを溶射して耐酸化層１９を形成す
る。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、平板型の固体電解質
型燃料電池、特にその構造および材料に関する。
型燃料電池、特にその構造および材料に関する。
【０００２】
【従来の技術】固体電解質型燃料電池は、電解質にジル
コニア等の酸化物固体電解質を用いて１０００〔℃〕近
辺の高温で作動させる方式の燃料電池で、高効率、高出
力の発電が期待され、かつ、燃料の改質が不要であるこ
と、電解質のメンテナンスも不要であること、さらには
ガスタービンやスチームタービンとの複合発電も期待さ
れること等の特長をもち、近年、その実用化に向けての
研究開発が国の内外を問わず積極的に推進されている。
コニア等の酸化物固体電解質を用いて１０００〔℃〕近
辺の高温で作動させる方式の燃料電池で、高効率、高出
力の発電が期待され、かつ、燃料の改質が不要であるこ
と、電解質のメンテナンスも不要であること、さらには
ガスタービンやスチームタービンとの複合発電も期待さ
れること等の特長をもち、近年、その実用化に向けての
研究開発が国の内外を問わず積極的に推進されている。
【０００３】しかしながら、固体電解質型燃料電池はセ
ラミックスが主要構成材料であるために熱的に破損しや
すく、また、高温において燃料ガスと酸化剤ガスを適切
にシールするのが容易でないため実現が困難であった。
これらの難点を解決する一方法として、ウエスティング
ハウス社によって円筒型の固体電解質型燃料電池が開発
され運転試験に成功しているが、この円筒型では電池の
単位体積当たりの発電密度が低く、これを如何にして上
げるかが基本的な課題となっている。これに対して、平
板状に形成した単セルの両面にそれぞれ燃料ガスと酸化
剤ガスを供給して発電させる平板型の固体電解質型燃料
電池は、電池の単位体積当たりの発電密度を高くする上
で、有利な方式である。
ラミックスが主要構成材料であるために熱的に破損しや
すく、また、高温において燃料ガスと酸化剤ガスを適切
にシールするのが容易でないため実現が困難であった。
これらの難点を解決する一方法として、ウエスティング
ハウス社によって円筒型の固体電解質型燃料電池が開発
され運転試験に成功しているが、この円筒型では電池の
単位体積当たりの発電密度が低く、これを如何にして上
げるかが基本的な課題となっている。これに対して、平
板状に形成した単セルの両面にそれぞれ燃料ガスと酸化
剤ガスを供給して発電させる平板型の固体電解質型燃料
電池は、電池の単位体積当たりの発電密度を高くする上
で、有利な方式である。
【０００４】平板型の固体電解質型燃料電池としては、
例えば、図５に分解斜視図を示した構造のものが知られ
ている。この例では、アノード１とカソード２と固体電
解質体３とからなる単セル４と、導電性耐熱金属のＦｅ
−Ｎｉ−Ｃｒ合金からなる基板５とセラミックス層６と
からなるセパレータ７とを、交互に積層して平板型の固
体電解質型燃料電池を構成している。セパレータ７のア
ノード１と接する面に設けられた溝８には燃料ガスが流
され、カソード２と接する面に設けられた溝９には酸化
剤ガスが流される。
例えば、図５に分解斜視図を示した構造のものが知られ
ている。この例では、アノード１とカソード２と固体電
解質体３とからなる単セル４と、導電性耐熱金属のＦｅ
−Ｎｉ−Ｃｒ合金からなる基板５とセラミックス層６と
からなるセパレータ７とを、交互に積層して平板型の固
体電解質型燃料電池を構成している。セパレータ７のア
ノード１と接する面に設けられた溝８には燃料ガスが流
され、カソード２と接する面に設けられた溝９には酸化
剤ガスが流される。
【０００５】また、図６は、従来の環状平板の単セルを
用いた固体電解質型燃料電池（特願平５−１９１１６）
の縦断面図である。図７は図６のＸ−Ｘ’断面での横断
面図である。なお、図６は図７のＹ−Ｙ’断面に対応し
ている。本構成では、多孔質基体２４の上にアノード２
１、固体電解質体２３およびカソード２２を形成してな
る単セルと、導電性耐熱金属のＦｅ−Ｎｉ−Ｃｒ合金か
らなるセパレータ４１とを、電気絶縁板３６を組み合わ
せて、交互に積層することにより固体電解質型燃料電池
を構成している。セパレータ４１には、図７に見られる
ように、同心円状に配置されたガス流路構成用の案内羽
４２が加工成形されている。燃料ガスおよび酸化剤ガス
は、それぞれ燃料ガス導入孔３２および酸化剤ガス導入
孔３１から供給され、ガス孔３８および３７を通して燃
料ガス室２７および酸化剤ガス室２８へと送られ、単セ
ルに達して電池反応を起こしたのち、ガス排出口２９よ
り排出される。
用いた固体電解質型燃料電池（特願平５−１９１１６）
の縦断面図である。図７は図６のＸ−Ｘ’断面での横断
面図である。なお、図６は図７のＹ−Ｙ’断面に対応し
ている。本構成では、多孔質基体２４の上にアノード２
１、固体電解質体２３およびカソード２２を形成してな
る単セルと、導電性耐熱金属のＦｅ−Ｎｉ−Ｃｒ合金か
らなるセパレータ４１とを、電気絶縁板３６を組み合わ
せて、交互に積層することにより固体電解質型燃料電池
を構成している。セパレータ４１には、図７に見られる
ように、同心円状に配置されたガス流路構成用の案内羽
４２が加工成形されている。燃料ガスおよび酸化剤ガス
は、それぞれ燃料ガス導入孔３２および酸化剤ガス導入
孔３１から供給され、ガス孔３８および３７を通して燃
料ガス室２７および酸化剤ガス室２８へと送られ、単セ
ルに達して電池反応を起こしたのち、ガス排出口２９よ
り排出される。
【０００６】これらの構成においては、いずれも、セパ
レータの基板に導電性耐熱金属を用いることにより、内
部での抵抗損失が少なく、かつ高温で十分な機械強度を
もった構成となり、さらに、高温酸化雰囲気となるカソ
ード側にセラミックス層を形成することにより耐酸化性
にも優れた構成を得ることができる。
レータの基板に導電性耐熱金属を用いることにより、内
部での抵抗損失が少なく、かつ高温で十分な機械強度を
もった構成となり、さらに、高温酸化雰囲気となるカソ
ード側にセラミックス層を形成することにより耐酸化性
にも優れた構成を得ることができる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな固体電解質型燃料電池においても、セパレータを構
成する導電性耐熱金属のＦｅ−Ｎｉ−Ｃｒ合金等の熱膨
張係数は、セラミックスからなる固体電解質体の熱膨張
係数１０〜１１ｘ１０-6〔Ｋ-1〕に比較して大きく、固
体電解質型燃料電池を運転温度の約１０００〔℃〕にま
で昇温する過程での熱膨張の差、および運転中の電池内
部の温度分布による熱膨張の差によって、熱応力が発生
し、固体電解質体に割れが生じて、燃料電池の発電性能
が低下してしまうという問題があった。
うな固体電解質型燃料電池においても、セパレータを構
成する導電性耐熱金属のＦｅ−Ｎｉ−Ｃｒ合金等の熱膨
張係数は、セラミックスからなる固体電解質体の熱膨張
係数１０〜１１ｘ１０-6〔Ｋ-1〕に比較して大きく、固
体電解質型燃料電池を運転温度の約１０００〔℃〕にま
で昇温する過程での熱膨張の差、および運転中の電池内
部の温度分布による熱膨張の差によって、熱応力が発生
し、固体電解質体に割れが生じて、燃料電池の発電性能
が低下してしまうという問題があった。
【０００８】これに対して、低熱膨張耐熱金属であるＦ
ｅ−Ｃｒ合金等をセパレータの材料として使用すること
も検討されたが、熱膨張係数の低いこれらの耐熱合金
は、いずれも固体電解質型燃料電池の運転温度である１
０００〔℃〕近辺における導電性に乏しく、電池の内部
抵抗が高くなってしまうのでセパレータ用の材料として
は適用できなかった。
ｅ−Ｃｒ合金等をセパレータの材料として使用すること
も検討されたが、熱膨張係数の低いこれらの耐熱合金
は、いずれも固体電解質型燃料電池の運転温度である１
０００〔℃〕近辺における導電性に乏しく、電池の内部
抵抗が高くなってしまうのでセパレータ用の材料として
は適用できなかった。
【０００９】この発明の目的は、これらの難点を解消
し、１０００〔℃〕近辺の高温度においても導電性、耐
熱性に優れ、かつ、熱膨張差による熱応力を低減して固
体電解質体の損傷を防止し、発電性能と熱的信頼性に優
れる固体電解質型燃料電池を提供することにある。
し、１０００〔℃〕近辺の高温度においても導電性、耐
熱性に優れ、かつ、熱膨張差による熱応力を低減して固
体電解質体の損傷を防止し、発電性能と熱的信頼性に優
れる固体電解質型燃料電池を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、この発明の固体電解質型燃料電池においては、 (1) 平板状の固体電解質体の両主面にアノードとカソー
ドを配した単セルと、セパレータとを交互に積層してな
る固体電解質型燃料電池において、セパレータを、例え
ば、Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ合金、Ｆｅ−Ｃｒ合金、あるいは
Ｆｅ−Ａｌ合金などの低熱膨張耐熱金属で形成したガス
分離板と、例えば、Ｎｉ−Ｃｒ−Ｗ合金やＦｅ−Ｎｉ−
Ｃｒ合金などの導電性耐熱金属で形成し、当該ガス分離
板を貫通して組み込まれた案内羽とから構成するものと
する。
に、この発明の固体電解質型燃料電池においては、 (1) 平板状の固体電解質体の両主面にアノードとカソー
ドを配した単セルと、セパレータとを交互に積層してな
る固体電解質型燃料電池において、セパレータを、例え
ば、Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ合金、Ｆｅ−Ｃｒ合金、あるいは
Ｆｅ−Ａｌ合金などの低熱膨張耐熱金属で形成したガス
分離板と、例えば、Ｎｉ−Ｃｒ−Ｗ合金やＦｅ−Ｎｉ−
Ｃｒ合金などの導電性耐熱金属で形成し、当該ガス分離
板を貫通して組み込まれた案内羽とから構成するものと
する。
【００１１】(2) さらに、上記のように構成したセパレ
ータのカソード側の表面に、例えば、ランタンマンガナ
イトＬａＭｎＯ3 などの耐酸化層を設けるものとする。
ータのカソード側の表面に、例えば、ランタンマンガナ
イトＬａＭｎＯ3 などの耐酸化層を設けるものとする。
【００１２】
【作用】平板状の固体電解質型燃料電池を上記(1) のよ
うに構成すれば、セパレータを単セルとの積層方向にお
いては、導電性耐熱金属の案内羽によって単セルが連結
されるので、ガス分離板が導電性に乏しい低熱膨張耐熱
金属で形成されていても、電池の内部抵抗は低く抑えら
れ、効率の低下が回避される。また、セパレータを単セ
ルとの積層方向に直交する平面についてみると、ガス分
離板に部分的に案内羽が介在した構成であるため、平面
方向の熱膨張はガス分離板の熱膨張にほぼ一致する。低
熱膨張耐熱金属で形成されたガス分離板の０〜１０００
〔℃〕での平均の熱膨張係数は１１〜１３ｘ１０-6〔Ｋ
-1〕で、固体電解質体の熱膨張係数１０〜１１ｘ１０-6
〔Ｋ-1〕とほぼ同等であるので、セパレータと固体電解
質体との熱膨張の差による熱応力は微少に抑えられ、固
体電解質体の損傷が回避される。以上により発電性能と
熱的信頼性に優れる固体電解質型燃料電池を得ることが
できる。
うに構成すれば、セパレータを単セルとの積層方向にお
いては、導電性耐熱金属の案内羽によって単セルが連結
されるので、ガス分離板が導電性に乏しい低熱膨張耐熱
金属で形成されていても、電池の内部抵抗は低く抑えら
れ、効率の低下が回避される。また、セパレータを単セ
ルとの積層方向に直交する平面についてみると、ガス分
離板に部分的に案内羽が介在した構成であるため、平面
方向の熱膨張はガス分離板の熱膨張にほぼ一致する。低
熱膨張耐熱金属で形成されたガス分離板の０〜１０００
〔℃〕での平均の熱膨張係数は１１〜１３ｘ１０-6〔Ｋ
-1〕で、固体電解質体の熱膨張係数１０〜１１ｘ１０-6
〔Ｋ-1〕とほぼ同等であるので、セパレータと固体電解
質体との熱膨張の差による熱応力は微少に抑えられ、固
体電解質体の損傷が回避される。以上により発電性能と
熱的信頼性に優れる固体電解質型燃料電池を得ることが
できる。
【００１３】また、さらに上記(2) のように構成すれ
ば、供給される酸化剤ガスによって高温酸化雰囲気にさ
らされる酸化剤ガス室においても、ガス分離板や案内羽
の母材は、耐酸化層によって覆われているので、金属の
酸化の進行が防止され、長期にわたり発電性能の安定し
た固体電解質型燃料電池を得ることができる。
ば、供給される酸化剤ガスによって高温酸化雰囲気にさ
らされる酸化剤ガス室においても、ガス分離板や案内羽
の母材は、耐酸化層によって覆われているので、金属の
酸化の進行が防止され、長期にわたり発電性能の安定し
た固体電解質型燃料電池を得ることができる。
【００１４】
【実施例】つぎに、この発明の実施例を図面にもとづい
て説明する。図１は、この発明の固体電解質型燃料電池
の第１の実施例の分解縦断面図、また、図２は図１の固
体電解質型燃料電池のＸ−Ｘ’断面での横断面図であ
る。なお、図１は図２のＹ−Ｙ’断面に対応している。
て説明する。図１は、この発明の固体電解質型燃料電池
の第１の実施例の分解縦断面図、また、図２は図１の固
体電解質型燃料電池のＸ−Ｘ’断面での横断面図であ
る。なお、図１は図２のＹ−Ｙ’断面に対応している。
【００１５】図１に示したように、アノード１１と固体
電解質体１３とカソード１２からなる単セル１４と、セ
パレータ２０とが交互に積層されて平板型の固体電解質
型燃料電池が構成される。セパレータ２０のガス分離板
１５と案内羽１６およびアノード１１で形成される燃料
ガス室１７に燃料ガスが、また、同じくガス分離板１５
と案内羽１６およびカソード１２で形成される酸化剤ガ
ス室１８に酸化剤ガスが、それぞれ側面部より供給さ
れ、電極反応を起こし、発電する。
電解質体１３とカソード１２からなる単セル１４と、セ
パレータ２０とが交互に積層されて平板型の固体電解質
型燃料電池が構成される。セパレータ２０のガス分離板
１５と案内羽１６およびアノード１１で形成される燃料
ガス室１７に燃料ガスが、また、同じくガス分離板１５
と案内羽１６およびカソード１２で形成される酸化剤ガ
ス室１８に酸化剤ガスが、それぞれ側面部より供給さ
れ、電極反応を起こし、発電する。
【００１６】本構成における単セル１４は、例えば以下
の手順により作成される。 (1) 厚さ０．５〔ｍｍ〕のイットリア安定化ジルコニア
の緻密な焼結板を所定の寸法、形状に切断して固体電解
質体１３とする。 (2) その一方の主面に、ニッケルジルコニアサーメット
をスラリー塗布し、焼成して、厚さ５０〔μｍ〕の多孔
質のアノード１１を形成する。
の手順により作成される。 (1) 厚さ０．５〔ｍｍ〕のイットリア安定化ジルコニア
の緻密な焼結板を所定の寸法、形状に切断して固体電解
質体１３とする。 (2) その一方の主面に、ニッケルジルコニアサーメット
をスラリー塗布し、焼成して、厚さ５０〔μｍ〕の多孔
質のアノード１１を形成する。
【００１７】(3) さらに、他方の主面にストロンチウム
添加ランタンマンガナイトＬａ（Ｓｒ）ＭｎＯ3 をスラ
リー塗布し、焼成して、厚さ８０〔μｍ〕の多孔質のカ
ソード１２を形成する。また、例えば厚さ７〔ｍｍ〕の
セパレータ２０は、以下の手順により作成される。
添加ランタンマンガナイトＬａ（Ｓｒ）ＭｎＯ3 をスラ
リー塗布し、焼成して、厚さ８０〔μｍ〕の多孔質のカ
ソード１２を形成する。また、例えば厚さ７〔ｍｍ〕の
セパレータ２０は、以下の手順により作成される。
【００１８】(1) 低熱膨張耐熱金属であるＦｅ−５Ａｌ
合金からなるガス分離板１５に、図２に示したように配
置した案内羽１６を挿入し組み込むための貫通孔と、単
セル１４との嵌め合い部を加工する。 (2) 導電性耐熱金属であるＮｉ−３５Ｃｒ−１５Ｗ合金
からなる案内羽１６を前記貫通孔に挿入し、溶接して気
密とする。
合金からなるガス分離板１５に、図２に示したように配
置した案内羽１６を挿入し組み込むための貫通孔と、単
セル１４との嵌め合い部を加工する。 (2) 導電性耐熱金属であるＮｉ−３５Ｃｒ−１５Ｗ合金
からなる案内羽１６を前記貫通孔に挿入し、溶接して気
密とする。
【００１９】(3) カソード１２に対する表面にランタン
マンガナイトＬａＭｎＯ3 を溶射して耐酸化層を形成す
る。上記の単セル１４とセパレータ２０とを交互に積層
して構成した平板型の固体電解質型燃料電池では、導電
性に富んだ導電性耐熱金属からなる案内羽１６を介して
積層された単セル１４が電気的に連結されるので、電池
内部での損失が微少となり、また、セパレータ２０と単
セル１４との平面方向の熱膨張係数がほぼ同一であるの
で、熱膨張の差による熱応力が無視できる。さらにま
た、セパレータ２０の高温酸化雰囲気となる表面には耐
酸化層が設けられているので、長期にわたり耐酸化性に
優れる。等々の長所があり、長期にわたり発電性能、熱
的信頼性に優れた固体電解質型燃料電池を得ることがで
きる。
マンガナイトＬａＭｎＯ3 を溶射して耐酸化層を形成す
る。上記の単セル１４とセパレータ２０とを交互に積層
して構成した平板型の固体電解質型燃料電池では、導電
性に富んだ導電性耐熱金属からなる案内羽１６を介して
積層された単セル１４が電気的に連結されるので、電池
内部での損失が微少となり、また、セパレータ２０と単
セル１４との平面方向の熱膨張係数がほぼ同一であるの
で、熱膨張の差による熱応力が無視できる。さらにま
た、セパレータ２０の高温酸化雰囲気となる表面には耐
酸化層が設けられているので、長期にわたり耐酸化性に
優れる。等々の長所があり、長期にわたり発電性能、熱
的信頼性に優れた固体電解質型燃料電池を得ることがで
きる。
【００２０】図３、および図４は、この発明の固体電解
質型燃料電池の第２の実施例の縦断面図、および横断面
図である。図４は図３のＸ−Ｘ’断面に対応し、図３は
図４のＹ−Ｙ’断面に対応している。この実施例では、
固体電解質型燃料電池の外形が円形であること。単セル
が多孔質基体２４をベースにして形成されていること。
燃料ガスおよび酸化剤ガスが固体電解質型燃料電池の中
心軸付近から供給され外周部より取り出される構成であ
ること。等の点で第１の実施例と異なっているが、セパ
レータが、低熱膨張耐熱金属を用いたガス分離板２５と
導電性耐熱金属を用いた案内羽２６とからなる基本構成
をもとに形成されていることは上記の第１の実施例と同
一である。
質型燃料電池の第２の実施例の縦断面図、および横断面
図である。図４は図３のＸ−Ｘ’断面に対応し、図３は
図４のＹ−Ｙ’断面に対応している。この実施例では、
固体電解質型燃料電池の外形が円形であること。単セル
が多孔質基体２４をベースにして形成されていること。
燃料ガスおよび酸化剤ガスが固体電解質型燃料電池の中
心軸付近から供給され外周部より取り出される構成であ
ること。等の点で第１の実施例と異なっているが、セパ
レータが、低熱膨張耐熱金属を用いたガス分離板２５と
導電性耐熱金属を用いた案内羽２６とからなる基本構成
をもとに形成されていることは上記の第１の実施例と同
一である。
【００２１】この構成においては、単セルは、以下の手
順により形成される。 (1) ニッケルジルコニアサーメットを用いて、厚さ２
〔ｍｍ〕の円板状の多孔質基体２４を形成する。 (2) その平坦な主面にニッケルジルコニアサーメットを
プラズマ溶射して厚さ５０〔μｍ〕の多孔質のアノード
２１を形成する。
順により形成される。 (1) ニッケルジルコニアサーメットを用いて、厚さ２
〔ｍｍ〕の円板状の多孔質基体２４を形成する。 (2) その平坦な主面にニッケルジルコニアサーメットを
プラズマ溶射して厚さ５０〔μｍ〕の多孔質のアノード
２１を形成する。
【００２２】(3) さらに、アノード２１の上にイットリ
ア安定化ジルコニアをプラズマ溶射して厚さ１００〔μ
ｍ〕の緻密質な固体電解質体２３を形成する。 (4) さらにまた、固体電解質体２３の上にストロンチウ
ム添加マンガナイトＬａ（Ｓｒ）ＭｎＯ3 をプラズマ溶
射して、厚さ５０〔μｍ〕の多孔質のカソード２２を形
成する。
ア安定化ジルコニアをプラズマ溶射して厚さ１００〔μ
ｍ〕の緻密質な固体電解質体２３を形成する。 (4) さらにまた、固体電解質体２３の上にストロンチウ
ム添加マンガナイトＬａ（Ｓｒ）ＭｎＯ3 をプラズマ溶
射して、厚さ５０〔μｍ〕の多孔質のカソード２２を形
成する。
【００２３】(5) 最後に、中央部を加工して除去し環状
に成形する。一方、セパレータは、以下の手順により形
成される。 (1) 低熱膨張耐熱金属であるＦｅ−５Ａｌ合金からなる
ガス分離板２５の単セルに相対する部分に所定の貫通孔
を設ける。 (2) 導電性耐熱金属であるＮｉ−３５Ｃｒ−１５Ｗ合金
からなる案内羽２６を、図４に示したように組み込み、
溶接して気密にする。
に成形する。一方、セパレータは、以下の手順により形
成される。 (1) 低熱膨張耐熱金属であるＦｅ−５Ａｌ合金からなる
ガス分離板２５の単セルに相対する部分に所定の貫通孔
を設ける。 (2) 導電性耐熱金属であるＮｉ−３５Ｃｒ−１５Ｗ合金
からなる案内羽２６を、図４に示したように組み込み、
溶接して気密にする。
【００２４】(3) カソード２２に相対する側の表面に、
第１の実施例と同様に、ランタンマンガナイトＬａＭｎ
Ｏ3 を溶射して、図示しない耐酸化層を被覆する。な
お、ガス分離板２５の中央部分には、酸化剤ガス導入孔
３１と、これと酸化剤ガス室２８とを連結するガス孔３
８、ならびに燃料ガス導入孔３２と、これと燃料ガス室
２７とを連結するガス孔３７が設けられている。また中
央部分の両端面の、酸化剤ガス導入孔３１と燃料ガス導
入孔３２の周囲には、ガスシール３３を挿入するための
環状の溝が形成されている。
第１の実施例と同様に、ランタンマンガナイトＬａＭｎ
Ｏ3 を溶射して、図示しない耐酸化層を被覆する。な
お、ガス分離板２５の中央部分には、酸化剤ガス導入孔
３１と、これと酸化剤ガス室２８とを連結するガス孔３
８、ならびに燃料ガス導入孔３２と、これと燃料ガス室
２７とを連結するガス孔３７が設けられている。また中
央部分の両端面の、酸化剤ガス導入孔３１と燃料ガス導
入孔３２の周囲には、ガスシール３３を挿入するための
環状の溝が形成されている。
【００２５】この構成においては、単セルとセパレータ
とを、セパレータ間の電気的短絡を遮断するための電気
絶縁板３６を組み込んで、交互に積層することにより固
体電解質型燃料電池が形成される。酸化剤ガス導入孔３
１と燃料ガス導入孔３２の積層面でのガスの漏洩は、そ
れぞれガスシール３３で阻止され、単セルの両面の酸化
剤ガス室２８と燃料ガス室２７との間は、単セルの内周
側に組み込まれたガスシール３４で気密に保持される。
また、単セルの多孔質基体２４とアノード２１の外周側
および内周側の側面にはガラスからなるガス不透過層３
５が形成されており、供給された燃料ガスがこの側面よ
り漏洩するのを防止している。
とを、セパレータ間の電気的短絡を遮断するための電気
絶縁板３６を組み込んで、交互に積層することにより固
体電解質型燃料電池が形成される。酸化剤ガス導入孔３
１と燃料ガス導入孔３２の積層面でのガスの漏洩は、そ
れぞれガスシール３３で阻止され、単セルの両面の酸化
剤ガス室２８と燃料ガス室２７との間は、単セルの内周
側に組み込まれたガスシール３４で気密に保持される。
また、単セルの多孔質基体２４とアノード２１の外周側
および内周側の側面にはガラスからなるガス不透過層３
５が形成されており、供給された燃料ガスがこの側面よ
り漏洩するのを防止している。
【００２６】酸化剤ガスである酸素ガスは、酸化剤ガス
導入孔３１から供給され、ガス孔３８を通過して酸化剤
ガス室２８に導かれ、単セルに達して電池反応を起こ
す。一方、燃料ガスである水素ガスは、燃料ガス導入孔
３２から供給され、ガス孔３７を通過して燃料ガス室２
７に導かれ、単セルに達して電池反応を起こす。酸化剤
ガス室２８には、図４の横断面図に示したように、同心
円状に形成され、各４個の半径方向へのガス流通部を順
次角度４５度づつずらせて配置した案内羽２６により、
ガス流路が形成されている。中心部より供給された酸素
ガスはガス流路中を周辺部へと流れ、ガス排出口２９よ
り排出される。案内羽２６は、ガス分離板２５を貫通し
て組み込まれており、燃料ガス室２７にも酸化剤ガス室
２８と同様のガス流路が形成されている。水素ガスも中
心部より周辺部へと流れ、外周のガス排出口より排出さ
れる。排出された酸素ガスと水素ガスとは混合燃焼さ
れ、生じた燃焼熱は、固体電解質型燃料電池を所定の高
温度に保持するための熱源として、さらには、固体電解
質型燃料電池に供給する酸化剤ガス、燃料ガスの予備加
熱用の熱源として使用される。
導入孔３１から供給され、ガス孔３８を通過して酸化剤
ガス室２８に導かれ、単セルに達して電池反応を起こ
す。一方、燃料ガスである水素ガスは、燃料ガス導入孔
３２から供給され、ガス孔３７を通過して燃料ガス室２
７に導かれ、単セルに達して電池反応を起こす。酸化剤
ガス室２８には、図４の横断面図に示したように、同心
円状に形成され、各４個の半径方向へのガス流通部を順
次角度４５度づつずらせて配置した案内羽２６により、
ガス流路が形成されている。中心部より供給された酸素
ガスはガス流路中を周辺部へと流れ、ガス排出口２９よ
り排出される。案内羽２６は、ガス分離板２５を貫通し
て組み込まれており、燃料ガス室２７にも酸化剤ガス室
２８と同様のガス流路が形成されている。水素ガスも中
心部より周辺部へと流れ、外周のガス排出口より排出さ
れる。排出された酸素ガスと水素ガスとは混合燃焼さ
れ、生じた燃焼熱は、固体電解質型燃料電池を所定の高
温度に保持するための熱源として、さらには、固体電解
質型燃料電池に供給する酸化剤ガス、燃料ガスの予備加
熱用の熱源として使用される。
【００２７】このように構成された固体電解質型燃料電
池は、第１の実施例のセパレータと同様の基本構成のセ
パレータを採用しているので、電池内部での損失が低
く、熱膨張の差による熱応力が無視できる程度に小さ
く、かつ長期にわたり耐酸化性に優れる構成となってお
り、長期にわたり発電性能、熱的信頼性に優れた固体電
解質型燃料電池を得ることができる。
池は、第１の実施例のセパレータと同様の基本構成のセ
パレータを採用しているので、電池内部での損失が低
く、熱膨張の差による熱応力が無視できる程度に小さ
く、かつ長期にわたり耐酸化性に優れる構成となってお
り、長期にわたり発電性能、熱的信頼性に優れた固体電
解質型燃料電池を得ることができる。
【００２８】なお、この第２の実施例においては等分に
配置した半径方向へのガス流通部の個数を４個としてい
るが、４個に限定されるものではなく、案内板２６も電
池特性が最大となるようにガスの流れの等分配を考慮し
た設計をなし得る。また、固体電解質型燃料電池の外形
を円形としているが、角形、楕円形、多角形のものでも
よい。また、単セルの構造は、この実施例に示す構造に
限定されるものではなく、第１の実施例に示したよう
な、イットリア安定化ジルコニアの緻密な焼結板からな
る固体電解質体の両面にアノードとカソードを形成した
単セルを使用することも可能である。
配置した半径方向へのガス流通部の個数を４個としてい
るが、４個に限定されるものではなく、案内板２６も電
池特性が最大となるようにガスの流れの等分配を考慮し
た設計をなし得る。また、固体電解質型燃料電池の外形
を円形としているが、角形、楕円形、多角形のものでも
よい。また、単セルの構造は、この実施例に示す構造に
限定されるものではなく、第１の実施例に示したよう
な、イットリア安定化ジルコニアの緻密な焼結板からな
る固体電解質体の両面にアノードとカソードを形成した
単セルを使用することも可能である。
【００２９】また、第１の実施例における単セル構造
は、図示した構造に限定されるものではなく、第２の実
施例に示したような多孔質基体にアノード、固体電解質
体、カソードを順次形成した単セル構造を用いてもよ
い。
は、図示した構造に限定されるものではなく、第２の実
施例に示したような多孔質基体にアノード、固体電解質
体、カソードを順次形成した単セル構造を用いてもよ
い。
【００３０】
【発明の効果】この発明では、上記のように、 (1) 固体電解質体の両主面にアノードとカソードとを配
した単セルと、これに反応ガスを供給するセパレータと
を交互に積層して構成する固体電解質型燃料電池におい
て、セパレータを、低熱膨張耐熱金属からなるガス分離
板と、導電性耐熱金属からなり、酸化剤ガスおよび燃料
ガスの流路を形成する案内羽とで構成し、かつ、この案
内羽が上記のガス分離板を貫通して単セル間を電気的に
接続することとしたため、固体電解質型燃料電池の内部
の抵抗損失が抑制され、かつ、積層方向に直交する平面
での単セルとセパレータの熱膨張をほぼ同一とすること
ができ、熱膨張差による熱応力に起因する熱的破損がな
くなる。これにより、電池性能と熱的信頼性に優れる固
体電解質型燃料電池が得られる。
した単セルと、これに反応ガスを供給するセパレータと
を交互に積層して構成する固体電解質型燃料電池におい
て、セパレータを、低熱膨張耐熱金属からなるガス分離
板と、導電性耐熱金属からなり、酸化剤ガスおよび燃料
ガスの流路を形成する案内羽とで構成し、かつ、この案
内羽が上記のガス分離板を貫通して単セル間を電気的に
接続することとしたため、固体電解質型燃料電池の内部
の抵抗損失が抑制され、かつ、積層方向に直交する平面
での単セルとセパレータの熱膨張をほぼ同一とすること
ができ、熱膨張差による熱応力に起因する熱的破損がな
くなる。これにより、電池性能と熱的信頼性に優れる固
体電解質型燃料電池が得られる。
【００３１】(2) さらに、セパレータのカソードと相対
する部分の表面に耐酸化層を形成したので、酸化剤ガス
による高温酸化雰囲気にさらされてもセパレータの酸化
が防止され、長期間の運転に際しても安定して作動する
固体電解質型燃料電池が得られる。
する部分の表面に耐酸化層を形成したので、酸化剤ガス
による高温酸化雰囲気にさらされてもセパレータの酸化
が防止され、長期間の運転に際しても安定して作動する
固体電解質型燃料電池が得られる。
【図１】この発明による固体電解質型燃料電池の第１の
実施例の分解縦断面図
実施例の分解縦断面図
【図２】この発明による固体電解質型燃料電池の第１の
実施例の要部の横断面図
実施例の要部の横断面図
【図３】この発明による固体電解質型燃料電池の第２の
実施例の縦断面図
実施例の縦断面図
【図４】この発明による固体電解質型燃料電池の第２の
実施例の要部の横断面図
実施例の要部の横断面図
【図５】この種の固体電解質型燃料電池の従来例(1) を
示す分解斜視図
示す分解斜視図
【図６】この種の固体電解質型燃料電池の従来例(2) の
縦断面図
縦断面図
【図７】この種の固体電解質型燃料電池の従来例(2) の
要部の横断面図
要部の横断面図
１１、２１ アノード １２、２２ カソード １３、２３ 固体電解質体１４ 単セル １５、２５ ガス分離板 １６、２６ 案内羽 １７、２７ 燃料ガス室 １８、２８ 酸化剤ガス室 １９ 耐酸化層２０ セパレータ ２４ 多孔質基体 ３１ 酸化剤ガス導入孔 ３２ 燃料ガス導入孔 ３３、３４ ガスシール ３５ ガス不透過層 ３６ 電気絶縁板 ３７、３８ ガス孔
Claims (9)
- 【請求項１】平板状の固体電解質体の一方の主面にアノ
ードを、他の面にカソードを配してなる単セルと、これ
に反応ガスを供給するセパレータとを、交互に積層して
なる固体電解質型燃料電池において、セパレータは、第
１の金属である低熱膨張耐熱金属で形成されたガス分離
板と、第２の金属である導電性耐熱金属で形成され上記
ガス分離板を貫通する案内羽とからなることを特徴とす
る固体電解質型燃料電池。 - 【請求項２】請求項１記載の固体電解質型燃料電池にお
いて、単セル及びセパレータは、方形の平板状に形成さ
れ、かつセパレータは、反応ガスが一方の端面より相対
する端面へ流れる流路を有することを特徴とする固体電
解質型燃料電池。 - 【請求項３】請求項１記載の固体電解質型燃料電池にお
いて、単セルは、環状の平板状に形成され、かつセパレ
ータは、略円形状に形成されるとともに、反応ガスが中
央部より外周部へ流れる流路を有することを特徴とする
固体電解質型燃料電池。 - 【請求項４】請求項１、２または３記載の固体電解質型
燃料電池において、第１の金属である低熱膨張耐熱金属
は、０〜１０００〔℃〕における平均の熱膨張係数が１
１〜１３ｘ１０-6〔Ｋ-1〕であることを特徴とする固体
電解質型燃料電池。 - 【請求項５】請求項１、２または３記載の固体電解質型
燃料電池において、第１の金属である低熱膨張耐熱金属
は、Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ合金、Ｆｅ−Ｃｒ合金またはＦｅ
−Ａｌ合金であることを特徴とする固体電解質型燃料電
池。 - 【請求項６】請求項１、２、３、４または５記載の固体
電解質型燃料電池において、第２の金属である導電性耐
熱金属は、０〜１０００〔℃〕における平均の熱膨張係
数が１３〜１６ｘ１０-6〔Ｋ-1〕であることを特徴とす
る固体電解質型燃料電池。 - 【請求項７】請求項１、２、３、４または５記載の固体
電解質型燃料電池において、第２の金属である導電性耐
熱金属は、Ｎｉ−Ｃｒ−Ｗ合金かＦｅ−Ｎｉ−Ｃｒ合金
であることを特徴とする固体電解質型燃料電池。 - 【請求項８】請求項１、２、３、４、５、６または７記
載の固体電解質型燃料電池において、セパレータは、カ
ソード側の表面に耐酸化層が設けられていることを特徴
とする固体電解質型燃料電池。 - 【請求項９】請求項８記載の固体電解質型燃料電池にお
いて、耐酸化層は、ＬａＭｎＯ3 、ＬａＣｒＯ3 または
ＬａＣｏＯ3 であることを特徴とする固体電解質型燃料
電池。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6000646A JPH07211333A (ja) | 1994-01-10 | 1994-01-10 | 固体電解質型燃料電池 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6000646A JPH07211333A (ja) | 1994-01-10 | 1994-01-10 | 固体電解質型燃料電池 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07211333A true JPH07211333A (ja) | 1995-08-11 |
Family
ID=11479478
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP6000646A Pending JPH07211333A (ja) | 1994-01-10 | 1994-01-10 | 固体電解質型燃料電池 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH07211333A (ja) |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006302749A (ja) * | 2005-04-22 | 2006-11-02 | Nissan Motor Co Ltd | 固体電解質型燃料電池及びスタック構造体 |
| KR100646950B1 (ko) * | 2005-09-29 | 2006-11-23 | 삼성에스디아이 주식회사 | 열팽창율이 작은 세퍼레이터를 채용한 연료전지 스택 |
| JP2008529244A (ja) * | 2005-02-04 | 2008-07-31 | フォルシュングスツェントルム・ユーリッヒ・ゲゼルシャフト・ミット・ベシュレンクテル・ハフツング | 高温燃料電池用のインターコネクタ |
| US7449261B2 (en) | 2001-09-13 | 2008-11-11 | Ngk Insulators, Ltd. | Holding member for holding an electrochemical cell, a holding substrate for the same, an electrochemical system and a connecting member for electrochemical cells |
| US8318363B2 (en) | 2004-06-29 | 2012-11-27 | Samsung Sdi Co., Ltd. | Reformer for fuel cell system and fuel cell system comprising the same |
| JP2016186903A (ja) * | 2015-03-27 | 2016-10-27 | 東邦瓦斯株式会社 | 固体酸化物形燃料電池用セパレータおよび固体酸化物形燃料電池 |
| JP2020525980A (ja) * | 2017-06-29 | 2020-08-27 | ヴァーサ パワー システムズ リミテッドＶｅｒｓａ Ｐｏｗｅｒ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｌｔｄ． | 燃料電池スタックにおける熱管理のための選択的に回転される流れ場 |
-
1994
- 1994-01-10 JP JP6000646A patent/JPH07211333A/ja active Pending
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7449261B2 (en) | 2001-09-13 | 2008-11-11 | Ngk Insulators, Ltd. | Holding member for holding an electrochemical cell, a holding substrate for the same, an electrochemical system and a connecting member for electrochemical cells |
| US8318363B2 (en) | 2004-06-29 | 2012-11-27 | Samsung Sdi Co., Ltd. | Reformer for fuel cell system and fuel cell system comprising the same |
| JP2008529244A (ja) * | 2005-02-04 | 2008-07-31 | フォルシュングスツェントルム・ユーリッヒ・ゲゼルシャフト・ミット・ベシュレンクテル・ハフツング | 高温燃料電池用のインターコネクタ |
| JP2006302749A (ja) * | 2005-04-22 | 2006-11-02 | Nissan Motor Co Ltd | 固体電解質型燃料電池及びスタック構造体 |
| KR100646950B1 (ko) * | 2005-09-29 | 2006-11-23 | 삼성에스디아이 주식회사 | 열팽창율이 작은 세퍼레이터를 채용한 연료전지 스택 |
| JP2016186903A (ja) * | 2015-03-27 | 2016-10-27 | 東邦瓦斯株式会社 | 固体酸化物形燃料電池用セパレータおよび固体酸化物形燃料電池 |
| JP2020525980A (ja) * | 2017-06-29 | 2020-08-27 | ヴァーサ パワー システムズ リミテッドＶｅｒｓａ Ｐｏｗｅｒ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｌｔｄ． | 燃料電池スタックにおける熱管理のための選択的に回転される流れ場 |
| US11335919B2 (en) | 2017-06-29 | 2022-05-17 | Versa Power Systems Ltd | Selectively rotated flow field for thermal management in a fuel cell stack |
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