JPH07282835A - 固体電解質型燃料電池用封止材料、それを用いた固体電解質型燃料電池の封止方法及び固体電解質型燃料電池 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】 多孔度７０〜９９％の多孔質絶縁性セラミッ
クスから成る固体電解質型燃料電池用封止材料、それを
用いた固体電解質型燃料電池の封止方法及び固体電解質
型燃料電池である。 【効果】 封止材料は、高温でも安定で、導電率が小さ
く絶縁性であり、しかも電池の構成材料間の熱膨張特性
の差異に基づく応力あるいは応力歪みを弾性的に吸収あ
るいは緩和でき、熱サイクルに十分に耐えうる上に、荷
重あるいは圧力の変動、高い差圧に十分に耐えることが
でき、ガスリークを防止でき、高い燃料利用率下で電池
出力を向上しうる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、新規な固体電解質型燃
料電池用封止材料、それを用いた固体電解質型燃料電池
の封止方法及び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】燃料電池は、炭化水素のような燃料ガス
と空気のような酸化剤ガスとの酸化反応を電気化学的に
行わせ、その際のエネルギー変化を直接に電気エネルギ
ーに変換する直接発電装置であり、中でも固体電解質型
燃料電池は、電解質が常態あるいは作動条件下で液状と
なるリン酸型や溶融炭酸塩型の燃料電池と異なり、電解
質により周辺部材が腐食されたり、電解質自体が分解し
たり、蒸発することがないので、電池構造を簡素化しう
るし、また、作動温度が１０００℃付近と高温であるた
め、燃料として水素の他、メタン、エタン、プロパン、
ブタン、これら低級炭化水素を主成分とする天然ガスな
どの可燃性ガスを改質することなくそのまま使用しうる
とともに、排熱をガスタービンや蒸気タービンに導くこ
とにより、エネルギー利用効率を高めうる。固体電解質
型燃料電池は、構造に基づき、平板型、円筒型、モノリ
シック型（又はハニカム型）に大別され、中でも平板型
が高出力密度、低コスト、小型化あるいはコンパクト化
の観点から注目されている。

【０００３】平板状固体電解質型燃料電池について、円
筒状一体型マニホールドを備えたものとして従来知られ
ているものの１例の斜視説明図を図４に示す。図４にお
いて、固体電解質板４１の両面には、多孔性電極材料か
らなるカソード４２及びアノード４３が形成され、この
電極を付設した固体電解質板は、ガス通路と電気的接合
体を兼ねたセパレータ４４を介して集積され、最上部及
び最下部の、電極を付設した固体電解質板には、端子板
４５及び４６がそれぞれ配設されている。セパレータ４
４は隣接するセルの電極間を電気的に接続するととも
に、上面に溝４４ａ，下面に溝４４ｂが形成され、これ
らの溝はそれぞれ隣接するセルのアノード側に対応する
燃料ガス通路及びカソード側に対応する酸化剤ガス通路
を形成し、また、各端子板４５及び４６の片面にはそれ
ぞれ溝４５ａ及び４６ｂが形成され、それぞれ燃料ガス
通路及び酸化剤ガス通路を形成している。また、単位セ
ルの積層数を増減する以外、図４と同様の構造とするこ
とにより、所要の多数のセルからなる多段直列型の電池
が形成される。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記従来の
平板型燃料電池においては、通常、電池本体の４隅とマ
ニホールドの接触箇所に、アルミナ製の封止部材を取り
付け、封止部材と電池本体及びマニホールド間には、作
動温度で軟化するガラスを挟み込んで封止している。し
かしながら、このような封止構造の場合、電池本体とマ
ニホールド及び封止部材は、熱膨張差により応力が生じ
ないように、各部材間に熱膨張量の差だけの間隙を設け
ることが必要になるが、この間隔の幅をあらかじめ正確
に設定するのは極めて困難なので、この間隙による局所
的なガスリークを招来し、電池出力の低下が免れなかっ
た。また、従来の平板型燃料電池では、セパレータがイ
ンターコネクタとも称されるように集電機能を有し、そ
れに適合するような材質の金属、例えば耐熱合金で形成
されているのに対し、固体電解質はジルコニアを主体と
するセラミックスで形成され、また両者間に挟み込まれ
る封止材は上記と同様に作動温度で軟化するガラスであ
り、これら３者間には、立ち上げから１０００℃付近と
いう高温の電池作動温度に及ぶ環境条件及びその変動、
特に熱サイクルの繰り返しにより、線膨張係数などの熱
膨張特性にかなりの差異が生じるので、３者間には応力
による歪が生じ、さらには接合強度が低下したり、クラ
ックが発生したり、接合部にすき間を生じてガスが漏
れ、燃料ガスと酸化剤ガスがクロスリークして活物質と
しての機能がそこなわれ電池出力が低下するという欠点
がある。また、上記ガラスは高温時には粘度が低下する
ため、封止部にかかる圧力が高すぎると封止不能になる
という問題がある。

【０００５】本発明は、このような従来の固体電解質型
燃料電池用封止材料のもつ欠点を克服し、高温でも安定
で、導電率が小さく絶縁性であり、しかも電池の構成材
料間の熱膨張特性の差異に基づく応力あるいは応力歪み
を弾性的に吸収あるいは緩和でき、熱サイクルに十分に
耐えうる上に、荷重あるいは圧力の変動、高い差圧に十
分に耐えることができ、ガスリークを防止でき、高い燃
料利用率下で電池出力を向上しうる固体電解質型燃料電
池用封止材料を提供することを目的としてなされたもの
である。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、前記した
好ましい特性を有する固体電解質型燃料電池用封止材料
を開発するために種々研究を重ねた結果、特定の多孔度
をもつ多孔質絶縁性セラミックスがその目的に適合しう
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。

【０００７】すなわち、本発明は、（１）多孔度７０〜
９９％の多孔質絶縁性セラミックスから成る固体電解質
型燃料電池用封止材料を提供するものである。好ましい
態様として、（２）多孔度８０〜９７％の多孔質絶縁性
セラミックスから成る上記（１）項記載の固体電解質型
燃料電池用封止材料、（３）孔径が１〜１００μｍであ
る上記（１）又は（２）項記載の固体電解質型燃料電池
用封止材料、（４）孔径が５〜５０μｍである上記
（１）又は（２）項記載の固体電解質型燃料電池用封止
材料、（５）電気伝導度が１０^−２Ω^−１ｃｍ^−１以下
である上記（１）〜（４）項すなわち上記（１）ないし
（４）項のいずれかに記載の固体電解質型燃料電池用封
止材料、（６）電気伝導度が１０^−３Ω^−１ｃｍ^−１以
下である上記（１）ないし（４）項のいずれかに記載の
固体電解質型燃料電池用封止材料、（７）多孔質絶縁性
セラミックスが、アルミナ、シリカ、炭化ケイ素、ベリ
リア、マイカ、マグネシア、窒化ホウ素、フォルステラ
イト、ステアタイト、ムライト、窒化アルミニウム及び
コージェライトの中から選ばれた少なくとも１種である
上記（１）ないし（６）項のいずれかに記載の固体電解
質型燃料電池用封止材料、（８）多孔質絶縁性セラミッ
クスが、アルミナとシリカの組合せからなる組成物であ
る上記（１）ないし（６）項のいずれかに記載の固体電
解質型燃料電池用封止材料、が挙げられる。

【０００８】本発明の封止材料を構成する多孔質絶縁性
セラミックスは、多孔度が７０〜９９％、好ましくは８
０〜９７％であることが必要である。また、このセラミ
ックスは、弾性を示し、荷重や加圧の程度に応じ、相当
する収縮度を示すものである。このセラミックスの収縮
度は、一定の荷重や加圧下において、上記多孔度の他、
材質、孔径などのセラミックスの種類により様々な値を
とるが、封止材料として機能させるには、電池作動時に
おいて所要のガス封止が達成される程度にセラミックス
の種類に応じ適切な収縮度をとるように荷重をかけある
いは加圧すればよい。このセラミックスの多孔度が上記
範囲より大きすぎるとガスが多孔体の孔を通りやすくな
ってガスリーク量が多くなるし、また多孔度が上記範囲
より小さすぎても荷重や加圧によって多孔体の形状を弾
性的に変化させにくくなるため、封止面に間隙を生じや
すくなり、いずれの場合も十分な封止ができない。ま
た、このセラミックスの孔径は、好ましくは１〜１００
μｍ、より好ましくは５〜５０μｍの範囲である。孔径
が大きすぎるとガスリークしやすくなるし、また小さす
ぎても多孔体の形状を弾性的に変化させにくくなり、い
ずれの場合も十分な封止がしにくくなる。

【０００９】また、多孔質絶縁性セラミックスは、十分
な絶縁性を有するものが好ましく、このようなものとし
ては、電気伝導度が好ましくは１０^-2Ω^-1ｃｍ^-1以下、
より好ましくは１０^-3Ω^-1ｃｍ^-1以下のものが用いられ
る。電気伝導度が大きすぎるとセパレータ間において電
気短絡を生じやすくなり、電池性能を劣化させるので好
ましくない。

【００１０】多孔質絶縁性セラミックスの材質として
は、例えばアルミナ、シリカ、炭化ケイ素、ベリリア、
マイカ、マグネシア、窒化ホウ素、フォルステライト、
ステアタイト、ムライト、窒化アルミニウム、コージェ
ライト、あるいはこれらの組合せからなる組成物などが
挙げられ、特にアルミナとシリカの組合せからなる組成
物が好ましい。

【００１１】本発明の封止材料が適用される固体電解質
型燃料電池については、特に制限はなく、例えば円筒型
のものでもよいが、好ましくは、平板型のものであり、
さらに有利には平板型の中でも四分割マニホールド構造
をもつものである。この平板型のものにおいて、本発明
の封止材料により封止される箇所は、電池本体とマニホ
ールド間及び固体電解質板とセパレータ及び端子板間の
いずれかでもよいが、好ましくはこれら両方である。

【００１２】次に、本発明は、（９）前記（１）ないし
（８）項のいずれかに記載の封止材料を用いた固体電解
質型燃料電池の封止方法を提供するものである。

【００１３】この封止方法として好ましいのは、（１
０）両面に電極が設けられた固体電解質板をセパレータ
を介して複数積層し、両端の該固体電解質板にそれぞれ
端子板を配設してなる電池本体の側面に、燃料ガス及び
酸化剤ガスの供給及び排出通路を形成したマニホールド
を装着してなる固体電解質型燃料電池を、該電池本体と
マニホールド間、及び固体電解質板とセパレータ及び端
子板間に封止体を介在させることにより封止する方法に
おいて、電池本体とマニホールド間及び／又は固体電解
質板とセパレータ及び端子板間に介在させる封止体とし
て、前記本発明の封止材料からなる封止体を用いること
を特徴とする固体電解質型燃料電池の封止方法、であ
る。

【００１４】この方法において、固体電解質板とセパレ
ータ間の封止については、封止材料を適切な形状に成形
した封止体を、所定ガスの流れ方向に沿い、所定ガスと
接する、セパレータの両面及び各端子板の片面の両端縁
部に付設することにより、また電池本体とマニホールド
間の封止については、その封止箇所にガスケットを介在
させることにより、好適に行われる。この封止体の付設
は、電池本体とマニホールド間か、あるいは固体電解質
板とセパレータ及び端子板間かのいずれかについて、ガ
ラス封止体を介在させることにより行い、該封止体を作
動時に軟化させ付着接合させてもよいが、セパレータ及
び各端子板の所定端縁部に封止用溝を設け、これに本発
明の封止材料からなる封止体をはめ込んで固定すること
によるのが好ましい。よって、本発明方法における実施
態様として最も好ましいのは、（１１）電池本体とマニ
ホールド間及び固体電解質板とセパレータ及び端子板間
に介在させる封止体として前記（１）ないし（８）項の
いずれかに記載の封止材料からなる封止体を用いること
を特徴とする固体電解質型燃料電池の封止方法、であ
る。

【００１５】次に、本発明は、（１２）前記（１）ない
し（８）項のいずれかに記載の封止材料を用いて成る固
体電解質型燃料電池を提供するものである。

【００１６】この燃料電池として好ましいのは、（１
３）両面に電極が設けられた固体電解質板をセパレータ
を介して複数積層し、両端の該固体電解質板にそれぞれ
端子板を配設してなる電池本体の側面に、燃料ガス及び
酸化剤ガスの供給及び排出通路を形成したマニホールド
を装着し、かつ該電池本体とマニホールド間、及び固体
電解質板とセパレータ及び端子板間に封止体を介在させ
て成る固体電解質型燃料電池において、電池本体とマニ
ホールド間及び／又は固体電解質板とセパレータ及び端
子板間に介在させた封止体が、前記（１）ないし（８）
項のいずれかに記載の封止材料からなる封止体であるこ
とを特徴とする固体電解質型燃料電池、である。

【００１７】このような平板型の固体電解質型燃料電池
において、好ましくは、（１４）電池本体とマニホール
ド間及び固体電解質板とセパレータ及び端子板間双方を
封止することを特徴とする前記（１３）項記載の平板型
固体電解質型燃料電池、さらに好ましい態様として、
（１５）四分割型マニホールドを有する前記（１３）又
は（１４）項記載の平板型固体電解質型燃料電池、最も
好ましい態様として、（１６）各マニホールドにバネ部
材を介して押さえ板を配設させた前記（１５）項記載の
平板型固体電解質型燃料電池、が挙げられる。このバネ
部材としては、窒化ケイ素のような、電池の作動温度で
もバネ機能に劣化を生じないものを、コイルバネ、板バ
ネ、皿バネなどの適当な形態で用いるのが好ましい。こ
の押さえ板は、介在させたバネ部材により適切な加圧が
付勢されるような間隔で対向配置され、その配置箇所で
固定されてもよいし、またそのような配置状態となるよ
うにボルト・ナットで締め付けたり、あるいは押さえ板
の外側から外力で加圧してもよい。この外力による加圧
は例えば油圧、空気圧などで行われる。

【００１８】本発明において好適な固体電解質型燃料電
池について以下説明する。先ず各部材については、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（ＹＳ
Ｚ）、カルシア安定化ジルコニア（ＣＳＺ）のような安
定化ジルコニアや部分安定化ジルコニアなどの公知の固
体電解質が挙げられる。

【００１９】カソードは、酸素や空気などの酸化剤ガス
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
の導電性複合酸化物粉末を固体電解質板片面に塗布し、
ガス透過性となるように多孔質状に形成される。この塗
布方法としては、はけ塗り法やスクリーン印刷法などが
用いられる。その他、多孔質状膜のカソードの固体電解
質板への作成方法としては、ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ
法、スパッタ法、溶射法なども使用可能である。

【００２０】アノードは、水素などの燃料ガス通路側な
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固体電
解質板片面にカソードと同様の多孔質状膜形成法を適用
して作成される。

【００２１】このように両面に各電極すなわちアノード
及びカソードを形成した固体電解質板を複数用意し、こ
れらをセパレータを介して集積し、両端の該固体電解質
板にそれぞれ端子板を配設することにより、多数のセル
からなる多段直列型の電池が作成される。図４のよう
に、セパレータ４４は隣接するセルの電極間を電気的に
接続するとともに、両面に溝が設けられ隣接するセルの
アノード側及びカソード側のそれぞれのガス通路すなわ
ち燃料ガス通路４４ａ及び酸化剤ガス通路４４ｂが形成
されている。各溝は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、通常は図４に示すように、セパレータの上
面、下面に設けられる各ガス通路４４ａ，４４ｂは互い
に直角方向に配置される。このように配置すれば、セル
を集積後、燃料ガスの入口及び出口、酸化剤ガスの入口
及び出口をそれぞれ同じ面上に配置することができ、集
積セルとしてガス供給・排出系の構成を簡単かつ容易と
することができる。

【００２２】図４のように、電極を設けた固体電解質板
４１、セパレータ４４、各端子板４５、４６を集積して
組み立てるときには、固体電解質板４１とセパレータ４
４又は各端子板４５，４６との間でガスの漏れ（リー
ク）がないように封止する必要がある。

【００２３】本発明の封止材料は、このような固体電解
質板とセパレータ及び端子板間の封止のために好適に用
いられ、その好適使用形態としては、セパレータ及び端
子板において、各ガス通路に沿いその面上の両端縁部に
封止用溝を設け、これとサイズをマッチさせて封止材料
を成形した封止体をこの溝にはめ込んで固定した形態が
挙げられる。また、本発明の封止材料が、後述するよう
に、電池本体とマニホールド間の封止に用いられる場合
には、前記の封止は、例えばジルコニア系の無機接着剤
で接着し、軟化点が約８００℃のガラス板やガラスペー
ストで封止することによってもよい。このガラス板やガ
ラスペーストは電池の作動温度（９００〜１０００℃程
度）で適度に軟化しガスを封止する。

【００２４】こうして組み立てた電池に燃料ガス及び酸
化剤ガスを供給するためには、電池の各ガス通路４４
ａ，４４ｂの両端がそれぞれ同一面にくるように配置さ
れているので、それらの面にマニホールドを取り付けれ
ばよい。例えば図４に示すように、上記のように組み立
てた集積型電池本体を円筒状マニホールド（Ｍ）の筒内
に挿入し、溝４４ａ，４４ｂの出口が筒内壁に面するよ
うに配置し、電池本体とマニホールドの近接箇所（４ケ
所）を封止することにより、各ガス通路４４ａ，４４ｂ
のそれぞれの両端がそれぞれマニホールドの円筒壁と電
池本体で形成された４つのガス通路すなわち供給燃料ガ
ス通路、排出燃料ガス通路、供給酸化剤ガス通路、排出
酸化剤ガス通路と対応することとなる。本発明の封止材
料は、また、このような電池本体とマニホールド間の封
止のために好適に用いられる。

【００２５】本発明の固体電解質型燃料電池として特に
好ましいのは、前記電池本体の４つの側面に対向する４
つのマニホールドすなわち４分割型マニホールドを配設
させたものである。４分割型マニホールドとしては、箱
型マニホールドが好ましい。電池本体と箱型マニホール
ド間には通常ガスケットを介在させる。

【００２６】この箱型マニホールド及びガスケットを配
設した固体電解質型燃料電池の１例の正面断面概略図を
図２に示す。図２において、ベース板２９上に、その中
央部に電池本体２１、その両側に箱型マニホールド２２
が、共に電池の作動温度で軟化するガラスシート２４を
介して設けられるとともに電池本体２１と箱型マニホー
ルド２２間にはガスケット２３を介在させ、さらに箱型
マニホールド２２の奥部の外周に適切な間隔で押さえ治
具２６が固定して設けられ、箱型マニホールド２２と押
さえ治具２６間には窒化ケイ素バネ２５を介在させてい
る。こうして、箱型マニホールドはバネの弾圧力により
ガスケットひいては電池本体に付勢され押し付けられる
ことになる。各マニホールドには、ベース板２９を貫通
して燃料ガス供給配管２７、燃料ガス排出配管２８が接
続されている。以上の左右に配設されたマニホールド等
の各部材と同様に、前後にもマニホールド等の各部材が
配設され、この各マニホールドにも、ベース板２９を貫
通して酸化剤ガス供給配管、酸化剤ガス排出配管が接続
されている。

【００２７】

【発明の効果】本発明の固体電解質型燃料電池用封止材
料は、高温でも安定で、導電率が小さく絶縁性であり、
しかも電池の構成材料間の熱膨張特性の差異に基づく応
力あるいは応力歪みを弾性的に吸収あるいは緩和でき、
熱サイクルに十分に耐えうる上に、荷重あるいは圧力の
変動、高い差圧に十分に耐えることができ、ガスリーク
を防止でき、高い燃料利用率下で電池出力を向上しうる
という顕著な効果を奏する。

【００２８】

【実施例】以下、本発明を実施例により詳細に説明す
る。 実施例１ 図１の集積セルの集合様式に従い、１０段直列セルの固
体電解質型燃料電池を製作した。固体電解質板１１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１００×１００×０．２ｍｍの
板状物を用いた。そして、酸素通路側にＬａ_０．９Ｓｒ
_０．１ＭｎＯ_３粉末（平均粒径約５μｍ）をはけ塗り法
で厚さ０．１ｍｍに塗布してカソード１３とし、水素通
路側にＮｉ／ＺｒＯ_２（１０／１重量比）のサーメット
混合粉末をはけ塗り法で厚さ０．１ｍｍに塗布してアノ
ード１２とした。セパレータ１４及び端子板１５，１６
にはインコネル６００を用いた。セパレータ及び端子板
の寸法は１００×１００ｍｍで高さ２．４ｍｍ、溝の深
さ０．５ｍｍとした。

【００２９】この固体電解質板１１とセパレータ１４を
交互に積層し、両端の該固体電解質板にそれぞれ端子板
を配設し、固体電解質板１１とセパレータ１４及び端子
板１５，１６の間に軟化点が約８００℃のガラス板を挟
んでガス封止用とした。このガラス板には電池の作動温
度（１０００℃）で水素に対して耐還元性があり、空気
に対して耐酸化性があり、また耐水蒸気性のあるものを
選ぶ。このガラス板は電池の作動温度で軟化してガスを
封止する。

【００３０】こうして集積した電池にマニホールドを図
２のように設置し、マニホールドと電池の間には、厚さ
１ｍｍの、ＳｉＯ_２４０重量％及びＡｌ_２Ｏ_３６０重量
％の組成を有し、かつ多孔度が９０％で電気伝導度が１
０^−５Ω^−１ｃｍ^−１のセラミックス多孔体を挟み込
み、ガスケットとするとともに、マニホールドを電池本
体に弾圧的にガスケット面への加圧１．０ｋｇｆ／ｃｍ
^２で押し付けるようにした。この押し付けは、マニホー
ルドとその外側に固定設置した押さえ治具の間に窒化ケ
イ素バネのような付勢バネを介在させることにより行っ
た。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。

【００３１】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１５０℃までは１℃／ｍｉｎ
で昇温し、塗布電極の溶媒を蒸発させた。１５０〜３５
０℃までは１．５℃／ｍｉｎで昇温した。３５０℃以上
では水素通路側には、アノードの酸化を防止するため、
窒素ガスを流し、１℃／ｍｉｎで１０００℃まで昇温し
た。

【００３２】１０００℃に達した後に、ガス出口流量を
膜流量計で測定したところ、アノード側、カソード側と
も外部リーク量は１〜２％程度であった。その後、１０
００℃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１２．５Ｖで、ガ
スクロスリークは水素で０．１％以下であった。この電
池の放電特性を表１に示す。

【００３３】

【表１】

【００３４】次に、この電池の最大燃料利用率を測定し
たところ、８２％となった。

【００３５】実施例２ 図３の集合様式に従い、１０段直列セルの固体電解質型
燃料電池を製作した。固体電解質板３１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１００×１００×０．２ｍｍの板状物を用
いた。そして、酸素通路側にＬａ_０．９Ｓｒ_０．１Ｍｎ
Ｏ_３粉末（平均粒径約５μｍ）をはけ塗り法で厚さ０．
１ｍｍに塗布してカソード３３とし、水素通路側にＮｉ
／ＺｒＯ _２（１０／１重量比）のサーメット混合粉末を
はけ塗り法で厚さ０．１ｍｍに塗布してアノード３２と
した。セパレータ３４及び端子板３５，３６にはインコ
ネル６００を用いた。セパレータ及び端子板の寸法は１
００×１００ｍｍで高さ２．４ｍｍ、溝の深さ０．５ｍ
ｍとした。また、セパレータ３４の両面及び端子板３
５，３６の片面の両端には所定ガス通路に沿って封止用
溝３７を設け、その深さを０．８ｍｍとした。

【００３６】この固体電解質板３１とセパレータ３４を
交互に集積し、両端の該固体電解質板にそれぞれ端子板
３５，３６を配設し、固体電解質板３１とセパレータ３
４及び端子板３５，３６の間には、厚さ１ｍｍの、Ｓｉ
Ｏ_２４０重量％及びＡｌ_２Ｏ _３６０重量％の組成を有
し、かつ多孔度が９０％で電気伝導度が１０^−５Ω^−１
ｃｍ^−１のセラミックス多孔体３８を封止用溝３７には
め込み、ガスケットとした。

【００３７】こうして集積した電池にマニホールドを図
２のように設置し、マニホールドと電池の間に軟化点が
約８００℃のガラス板を挟んでガス封止用とした。この
ガラス板には電池の作動温度（１０００℃）で水素に対
して耐還元性があり、空気に対して耐酸化性があり、ま
た耐水蒸気性のあるものを選ぶ。このガラス板は電池の
作動温度で軟化してガスを封止する。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。

【００３８】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１５０℃までは１℃／ｍｉｎ
で昇温し、塗布電極の溶媒を蒸発させた。１５０〜３５
０℃までは１．５℃／ｍｉｎで昇温した。３５０℃以上
では水素通路側には、アノードの酸化を防止するため、
窒素ガスを流し、１℃／ｍｉｎで１０００℃まで昇温し
た。

【００３９】１０００℃に達した後に、ガス出口流量を
膜流量計で測定したところ、アノード側、カソード側と
も外部リーク量は５〜７％程度であった。その後、１０
００℃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１２Ｖで、ガスク
ロスリーク量は水素で０．０２％以下であった。この電
池の放電特性を表２に示す。

【００４０】

【表２】

【００４１】次に、この電池の最大燃料利用率を測定し
たところ、７０％となった。

【００４２】実施例３ 図３の集合様式に従い、１０段直列セルの固体電解質型
燃料電池を製作した。固体電解質板３１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１００×１００×０．２ｍｍの板状物を用
いた。そして、酸素通路側にＬａ_０．９Ｓｒ_０．１Ｍｎ
Ｏ_３粉末（平均粒径約５μｍ）をはけ塗り法で厚さ０．
１ｍｍに塗布してカソード３３とし、水素通路側にＮｉ
／ＺｒＯ _２（１０／１重量比）のサーメット混合粉末を
はけ塗り法で厚さ０．１ｍｍに塗布してアノード３２と
した。セパレータ３４及び端子板３５，３６にはインコ
ネル６００を用いた。セパレータ及び端子板の寸法は１
００×１００ｍｍで高さ２．４ｍｍ、溝の深さ０．５ｍ
ｍとした。また、セパレータ３４の両面及び端子板３
５，３６の片面の両端には所定ガス通路に沿って封止用
溝３７を設け、その深さを０．８ｍｍとした。

【００４３】この固体電解質板３１とセパレータ３４を
交互に集積し、両端の該固体電解質板にそれぞれ端子板
３５，３６を配設し、固体電解質板３１とセパレータ３
４及び端子板３５，３６の間には、厚さ１ｍｍの、Ｓｉ
Ｏ_２４０重量％及びＡｌ_２Ｏ _３６０重量％の組成を有
し、かつ多孔度が９０％で電気伝導度が１０^−５Ω^−１
ｃｍ^−１のセラミックス多孔体３８を封止用溝３７には
め込み、ガスケットとした。

【００４４】こうして集積した電池にマニホールドを図
２のように設置し、マニホールドと電池の間には厚さ１
ｍｍの、ＳｉＯ_２４０重量％及びＡｌ_２Ｏ_３６０重量％
の組成を有し、かつ多孔度が９０％で電気伝導度が１０
^−５Ω^−１ｃｍ^−１のセラミックス多孔体を挟み込み、
ガスケットとするとともに、マニホールドを電池本体に
弾圧的にガスケット面への加圧１．０ｋｇｆ／ｃｍ^２で
押し付けるようにした。この押し付けは、マニホールド
とその外側に固定設置した押さえ治具の間に窒化ケイ素
バネのような付勢バネを介在させることにより行った。
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。

【００４５】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１５０℃までは１℃／ｍｉｎ
で昇温し、塗布電極の溶媒を蒸発させた。１５０〜３５
０℃までは１．５℃／ｍｉｎで昇温した。３５０℃以上
では水素通路側には、アノードの酸化を防止するため、
窒素ガスを流し、１℃／ｍｉｎで１０００℃まで昇温し
た。

【００４６】１０００℃に達した後に、ガス出口流量を
膜流量計で測定したところ、アノード側、カソード側と
も外部リーク量は１〜２％程度であった。その後、１０
００℃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１２．７Ｖで、ガ
スクロスリーク量は水素で０．０２％以下であった。こ
の電池の放電特性を表３に示す。

【００４７】

【表３】

【００４８】次に、この電池の最大燃料利用率を測定し
たところ、８７％となった。

【００４９】比較例 図４に示すような従来の方法で電池を設置し、封止材と
してガラス（多孔度０．１％未満）を用いた１０段直列
セルでは、実施例１と同様の測定で外部リーク量は１％
程度、開放電圧は１１．５Ｖ、ガスクロスリーク量は水
素で３％程度であった。このセルの放電特性を表４に示
す。

【００５０】

【表４】

【００５１】次に、このセルの最大燃料利用率を測定し
たところ、６０％と低かった。

【図面の簡単な説明】

【図１】 平板型固体電解質型燃料電池の１例の集合様
式を示す分解説明図。

【図２】 本発明の好適な平板型固体電解質型燃料電池
の１例の正面断面概略図。

【図３】 本発明の平板型固体電解質型燃料電池の１例
の集合様式を示す分解説明図。

【図４】 円筒状型マニホールドを備えた平板型固体電
解質型燃料電池の１例の斜視説明図。

【符号の説明】

１１，３１，４１ 固体電解質板 １２，３２，４２ アノード １３，３３，４３ カソード １４，３４，４４ セパレータ １４ａ，４４ａ 燃料ガス通路 １４ｂ、４４ｂ 酸化剤ガス通路 １５，１６，３５，３６，４５、４６ 端子板 ２１ 電池本体 ２２ 箱型マニホールド ２３ ガスケット ２４ ガラスシート ２５ 窒化ケイ素バネ ２６ 押さえ治具 ２７ 燃料ガス供給配管 ２８ 燃料ガス排出配管 ２９ ベース板 ３７ 封止用溝 ３８ セラミックス多孔体 Ｍ 円筒状マニホールド

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 保科 孝幸 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 (72)発明者 角田 淳 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 (72)発明者 吉田 利彦 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 (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 多孔度７０〜９９％の多孔質絶縁性セラ
   ミックスから成る固体電解質型燃料電池用封止材料。
2. 【請求項２】 請求項１記載の封止材料を用いた固体電
   解質型燃料電池の封止方法。
3. 【請求項３】 請求項１記載の封止材料を用いて成る固
   体電解質型燃料電池。