JPH09115530A - 機械的シ−ル構造を有する固体電解質燃料電池 - Google Patents

機械的シ−ル構造を有する固体電解質燃料電池

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JPH09115530A
JPH09115530A JP7269584A JP26958495A JPH09115530A JP H09115530 A JPH09115530 A JP H09115530A JP 7269584 A JP7269584 A JP 7269584A JP 26958495 A JP26958495 A JP 26958495A JP H09115530 A JPH09115530 A JP H09115530A
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JP
Japan
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solid electrolyte
separator
fuel cell
mechanical seal
seal structure
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Withdrawn
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JP7269584A
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English (en)
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Yuichi Hishinuma
祐一 菱沼
Yoshio Matsuzaki
良雄 松崎
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Tokyo Gas Co Ltd
Original Assignee
Tokyo Gas Co Ltd
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Publication date
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    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

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  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 1000℃という高温で単電池、セパレータ
あるいはそれらの間に挿入するガスケットとが拡散接合
することがなく、熱サイクルに強い機械的シール構造を
有する固体電解質燃料電池を提供すること。 【解決手段】 固体電解質層4の両面にそれぞれ空気極
6、燃料極5を配置してなる平板状単電池3と、隣接す
る単電池同士を電気的に直列に接続し、かつ各単電池に
燃料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、燃料極とセパレータの燃料ガス流通路側との間
に金属メッシュ7または金属フェルトを介在してなる固
体電解質燃料電池において、前記セパレータの上面の周
辺部に凹部9を備え、かつ下面の周辺部に突起部8を備
え、これらの突起部と凹部がそれぞれ隣接積層されるセ
パレータの凹部または突起部と嵌合するありほぞ継ぎ手
構造を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は機械的シール構造を
有する固体電解質燃料電池に関する。
【0002】
【従来の技術】最近、例えば空気と水素をそれぞれ、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、環境保護の観点から注目されている。
【0003】燃料電池の中で固体電解質燃料電池は、固
体電解質層の両面にそれぞれ空気極、燃料極を配置して
なる平板状単電池と、隣接する単電池同士を電気的に直
列に接続し、かつ各単電池に燃料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、燃料極とセパレータ
の燃料ガス流通路側との間に金属メッシュを介在し、単
電池の固体電解質層とセパレータの間にそれぞれシール
剤またはガスケットを介在してスタックに積層したもの
である。
【0004】単電池はイットリアなどをドープしたジル
コニア焼結体(YSZ)からなる固体電解質層をNi/
YSZサーメットの燃料極と(La、Sr)MnO3
空気極が両側から挟んでいる。セパレータはストロンチ
ウム、カルシウム、マグネシウム等をドープしたランタ
ンクロマイト系酸化物LaCrO3 、または耐熱性合金
で造られる。ガスケットは部分安定化ジルコニアまたは
耐熱性金属で造られている。さて、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
るのは勿論、両ガスの混合により燃焼して局部的な温度
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。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】従来、スタックの内部
で燃料と酸化剤ガスが混合しないようにするため、単電
池とセパレータの間のシール面にシール剤を挟む方法が
あるが、シール剤に適当な材料が見つからない。すなわ
ち、シール剤にセラミック接着剤を使用すると、セラミ
ック接着剤で完全に接着され、構成部材間の熱膨張差に
より接着部に歪みを生じ、単電池の固体電解質層に割れ
を起こすとともに、サーマルサイクル中に接着剤が劣化
し、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と、シール剤中のシリカ成分が長期
運転中に蒸発して低温部に付着、堆積し、その結果、電
極の劣化を引き起こし、長期運転上問題がある。
【0006】このようなシール剤の欠点は、機械的シー
ル構造の採用により、ある程度回避できるようになっ
た。この従来の機械的シール構造は金属メッシュを燃料
極上に配置し、ガスケット(スペーサ)をその周囲に配
置し、このガスケットに上部のセパレータを介して荷重
をかけて積層することにより、面接触により気密性を確
保するものである。しかし、このような従来の機械的シ
ール構造では、1000℃という高温で単電池とセパレ
ータ、あるいはそれらの間に挿入するガスケットとが拡
散接合し、熱サイクルに弱いという欠点があり、この拡
散接合が生じないよう改良した場合にはシール性能が低
下するという欠点がある。
【0007】本発明は上述の点にかんがみてなされたも
ので、1000℃という高温で単電池、セパレータある
いはそれらの間に挿入するガスケットとが拡散接合する
ことがなく、熱サイクルに強い機械的シール構造を有す
る固体電解質燃料電池を提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明は固体電解質層の両面にそれぞれ空気極、燃
料極を配置してなる平板状単電池と、隣接する単電池同
士を電気的に直列に接続し、かつ各単電池に燃料と酸化
剤ガスとを分配するセパレータとを交互に積層し、燃料
極とセパレータの燃料ガス流通路側との間に金属メッシ
ュまたは金属フェルトを介在してなる固体電解質燃料電
池において、前記セパレータの上面の周辺部に凹部を備
え、かつ下面の周辺部に突起部を備え、これらの突起部
と凹部がそれぞれ隣接積層されるセパレータの凹部また
は突起部と嵌合するありほぞ継ぎ手構造を形成すること
により気密性を確保することを特徴とする。
【0009】また、本発明は耐熱性金属のガスケットを
前記セパレータと前記単電池の固体電解質層との間に挿
入し互いに面接触させて気密性を確保するように構成し
たことを特徴とする。
【0010】また、本発明は前記ガスケットがFe、C
r基合金でAlを3%以上含有することを特徴とする。
【0011】また、本発明は前記Fe、Cr基合金のガ
スケット表面がAl23 、ZrO2 またはCeO2
コーティングされていることを特徴とする。
【0012】また、本発明は前記セパレータが絶縁酸化
物の基体と導電性酸化物との複合セパレータであること
を特徴とする。
【0013】また、本発明は前記絶縁酸化物がアルミナ
またはマグネシアとマグネシウムアルミネイトとの複合
体であることを特徴とする。
【0014】
【発明の実施の形態】以下、本発明を図面に基づいて説
明する。
【0015】図1は本発明の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】図1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とを配置してなる平
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3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、燃料極5とセパレー
タ1との間に金属メッシュ7を挿入し、耐熱性金属のガ
スケット2をセパレータ1と単電池3の固体電解質層4
との間に介在させて面接触させ、上方から荷重を懸けて
スタックに構成している。
【0017】固体電解質層4の周辺部の上下面は平坦面
であり、セパレータ1またはガスケット2と面接触して
ガスをシールする面となる。また、固体電解質層4の4
隅にガスの給排気孔(図示せず)が開けられている。
【0018】セパレータ1は平板状をなし、上面の周辺
部に凹部9を備え、下面の周辺部に突起部8を備えてい
る。これらの突起部8と凹部9はそれぞれ隣接するセパ
レータ1の凹部9および突起部8と嵌合する『ありほぞ
継ぎ手構造』となり、電池外部に燃料ガスおよび空気が
漏れないようにシールすることができる。また、4隅に
ガスの給排気孔(図示せず)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が形成され、溝1cと溝1cの間は隣り合う
単電池3を電気的に直列に接続するための突起1bとな
っている。セパレータ1の給排気孔と固体電解質層4の
給排気孔は大きさおよび配置が同一である。前記セパレ
ータは絶縁酸化物の基体と導電性酸化物との複合セパレ
ータであり、前記絶縁酸化物がアルミナまたはマグネシ
アとマグネシウムアルミネイトとの複合体である。
【0019】ガスケット2は耐熱性金属で造られ、電解
質と拡散接合しないよう表面処理されている。ガスケッ
ト2はセパレータ1に相似の平板状をなし、中央部が四
角形孔に広くくりぬかれている。この四角形孔の部分に
後述する単電池3の両電極5、6および金属メッシュ7
が配置されるよう構成されている。ガスケット2は部分
安定化ジルコニアまたは耐熱性金属で造られ、厚みが1
00μm程度である。ガスケット2の周辺部の上下面は
セパレータ1および単電池3の固体電解質層4と面接触
するシール面となる。また、前記ガスケットがFe、C
r基合金でAlを3%以上含有する場合に表面に選択的
にアルミニウムの酸化層が形成され、好結果が得られ
る。また、前記Fe、Cr基合金のガスケット表面をA
23 、ZrO2 またはCeO2 でコーティングした
場合ガスケットの耐酸化性が向上する好結果が得られ
る。
【0020】金属メッシュまたは金属フェルト7はニッ
ケル等の耐熱性金属でつくられ、還元雰囲気下で電子伝
導性及び伸縮性があり、単電池3の燃料極5の全面を覆
う広さを有し、燃料極5とセパレータ1との間に弾力的
に介在されている。
【0021】以上説明した構成になる固体電解質燃料電
池において、その周辺部のガス吸気孔から各ガスすなわ
ち空気と燃料を供給し、単電池3の両電極5、6の表面
にそれぞれガスを流し、周辺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。
【0022】
【発明の効果】以上説明したように、本発明では固体電
解質燃料電池の構成要素であるセパレータ、単電池、ガ
スケット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、セパレータの上面の周辺部に凹部を備え、下
面の周辺部に突起部を備え、これらの突起部と凹部が上
下にそれぞれ隣接積層されるセパレータの凹部および突
起部と嵌合する『ありほぞ継ぎ手構造』を形成すること
により気密性を確保し、かつ耐熱性金属のガスケットを
セパレータと単電池の固体電解質層との間に挿入し互い
に面接触させて気密性を確保するように構成しているの
で、1000℃という高温で単電池、セパレータあるい
はそれらの間に挿入するガスケットとが拡散接合しな
い、熱サイクルに強い機械的シール構造を採用しても、
充分にシール性能が確保された固体電解質燃料電池を提
供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の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。
【符号の説明】
1 セパレータ 2 ガスケット 3 単電池 4 固体電解質層 5 燃料極 6 空気極 7 金属メッシュ 8 突起部 9 凹部

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 固体電解質層の両面にそれぞれ空気極、
    燃料極を配置してなる平板状単電池と、隣接する単電池
    同士を電気的に直列に接続し、かつ各単電池に燃料と酸
    化剤ガスとを分配するセパレータとを交互に積層し、燃
    料極とセパレータの燃料ガス流通路側との間に金属メッ
    シュまたは金属フェルトを介在してなる固体電解質燃料
    電池において、前記セパレータの上面の周辺部に凹部を
    備え、かつ下面の周辺部に突起部を備え、これらの突起
    部と凹部がそれぞれ隣接積層されるセパレータの凹部ま
    たは突起部と嵌合するありほぞ継ぎ手構造を形成するこ
    とにより気密性を確保することを特徴とする機械的シー
    ル構造を有する固体電解質燃料電池。
  2. 【請求項2】 耐熱性金属のガスケットを前記セパレー
    タと前記単電池の固体電解質層との間に挿入し互いに面
    接触させて気密性を確保するように構成したことを特徴
    とする請求項1に記載の機械的シール構造を有する固体
    電解質燃料電池。
  3. 【請求項3】 前記ガスケットがFe、Cr基合金でA
    lを3%以上含有することを特徴とする請求項2に記載
    の機械的シール構造を有する固体電解質燃料電池。
  4. 【請求項4】 前記Fe、Cr基合金のガスケット表面
    がAl23 、ZrO2 またはCeO2 でコーティング
    されていることを特徴とする請求項3に記載の機械的シ
    ール構造を有する固体電解質燃料電池。
  5. 【請求項5】 前記セパレータが絶縁酸化物の基体と導
    電性酸化物との複合セパレータであることを特徴とする
    請求項1に記載の機械的シール構造を有する固体電解質
    燃料電池。
  6. 【請求項6】 前記絶縁酸化物がアルミナであることを
    特徴とする請求項5に記載の機械的シール構造を有する
    固体電解質燃料電池。
  7. 【請求項7】 前記絶縁酸化物がマグネシアとマグネシ
    ウムアルミネイトとの複合体であることを特徴とする請
    求項5に記載の機械的シール構造を有する固体電解質燃
    料電池。
JP7269584A 1995-10-18 1995-10-18 機械的シ−ル構造を有する固体電解質燃料電池 Withdrawn JPH09115530A (ja)

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