JPH09330728A - 固体電解質型燃料電池 - Google Patents
固体電解質型燃料電池Info
- Publication number
- JPH09330728A JPH09330728A JP8145412A JP14541296A JPH09330728A JP H09330728 A JPH09330728 A JP H09330728A JP 8145412 A JP8145412 A JP 8145412A JP 14541296 A JP14541296 A JP 14541296A JP H09330728 A JPH09330728 A JP H09330728A
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- JP
- Japan
- Prior art keywords
- solid electrolyte
- width
- interconnector
- cell
- fuel cell
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
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-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- 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】
【課題】 セルの反りや３層膜の割れを抑制できる固体
電解質型燃料電池を提供する。 【解決手段】 燃料極、固体電解質膜、空気極及びイン
タ−コネクタで構成されるセルを備えた固体電解質型燃
料電池において、前記燃料極または空気極に接合される
前記インターコネクタの少なくとも一方の面にリブ部と
溝部とが隣接して設けられており、リブ部の幅よりも溝
部の幅を大きくする。そして、前記リブ部の幅が１ｍ
ｍ、前記溝部の幅が３ｍｍである。
電解質型燃料電池を提供する。 【解決手段】 燃料極、固体電解質膜、空気極及びイン
タ−コネクタで構成されるセルを備えた固体電解質型燃
料電池において、前記燃料極または空気極に接合される
前記インターコネクタの少なくとも一方の面にリブ部と
溝部とが隣接して設けられており、リブ部の幅よりも溝
部の幅を大きくする。そして、前記リブ部の幅が１ｍ
ｍ、前記溝部の幅が３ｍｍである。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は固体電解質型燃料電
池に関する。
池に関する。
【０００２】
【従来の技術】固体電解質型燃料電池は、図１に示すよ
うに、電池の反応を起こす最小単位のセル１が、３層膜
２とそれを両側から挟む１対のインターコネクタ３ａ，
３ｂにより構成されている。
うに、電池の反応を起こす最小単位のセル１が、３層膜
２とそれを両側から挟む１対のインターコネクタ３ａ，
３ｂにより構成されている。
【０００３】この３層膜２は、固体電解質膜４の両側に
形成された燃料極５及び空気極６の各層から構成されて
いる。固体電解質膜４にはイットリア安定化ジルコニア
（ＹＳＺ）等が、燃料極５にはＮｉとイットリア安定化
ジルコニア（ＹＳＺ）とを混合したサーメット等が、ま
た空気極６にはランタンマンガナイト（ＬａＭｎＯ3）
等が用いられている。
形成された燃料極５及び空気極６の各層から構成されて
いる。固体電解質膜４にはイットリア安定化ジルコニア
（ＹＳＺ）等が、燃料極５にはＮｉとイットリア安定化
ジルコニア（ＹＳＺ）とを混合したサーメット等が、ま
た空気極６にはランタンマンガナイト（ＬａＭｎＯ3）
等が用いられている。
【０００４】また、インターコネクタ３ａ，３ｂにはラ
ンタンクロマイト（ＬａＣｒＯ3 ）等が用いられ、リブ
部７と溝部８により一方の面に燃料ガス流路を、また、
他方の面に空気流路が形成されている。そして、リブ部
７がそれぞれ燃料極５、空気極６と接し、導電性の接合
材スラリーにより、貼り合わせられている。ちなみに、
このインターコネクタは図２に示すように、リブ部７の
リブ幅Ｗｒと溝部８の溝幅Ｗｇは等しく形成されてい
る。
ンタンクロマイト（ＬａＣｒＯ3 ）等が用いられ、リブ
部７と溝部８により一方の面に燃料ガス流路を、また、
他方の面に空気流路が形成されている。そして、リブ部
７がそれぞれ燃料極５、空気極６と接し、導電性の接合
材スラリーにより、貼り合わせられている。ちなみに、
このインターコネクタは図２に示すように、リブ部７の
リブ幅Ｗｒと溝部８の溝幅Ｗｇは等しく形成されてい
る。
【０００５】そして、同じく図１に示すように、このよ
うに構成されたセル１を数段積み重ねた後、焼成するこ
とにより各セルが接合され、集合体としてのセルスタッ
ク９が得られる。
うに構成されたセル１を数段積み重ねた後、焼成するこ
とにより各セルが接合され、集合体としてのセルスタッ
ク９が得られる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、インタ
ーコネクタと固体電解質膜とは、僅かでも熱膨張係数の
差があると、焼成による接合時に大きな残留応力が発生
する。このため、セルに反りが生じたり、固体電解質膜
やこれを含む３層膜に割れが生じることがあった。
ーコネクタと固体電解質膜とは、僅かでも熱膨張係数の
差があると、焼成による接合時に大きな残留応力が発生
する。このため、セルに反りが生じたり、固体電解質膜
やこれを含む３層膜に割れが生じることがあった。
【０００７】セルの反りはセルスタックを構成する際に
セル相互の接合に悪影響を及ぼし、供給されるガスのガ
スシールが不十分になる恐れがあった。そのため、セル
の製造条件や寸法公差を厳しくして寸法ばらつきや歪み
を管理していたので、製造コストが高くついていた。さ
らに、熱サイクル時に３層膜が破損して長期信頼性を損
なう恐れがあった。また、インターコネクタは高価であ
るため、歩留まりの程度が製造コストに大きく影響して
いた。
セル相互の接合に悪影響を及ぼし、供給されるガスのガ
スシールが不十分になる恐れがあった。そのため、セル
の製造条件や寸法公差を厳しくして寸法ばらつきや歪み
を管理していたので、製造コストが高くついていた。さ
らに、熱サイクル時に３層膜が破損して長期信頼性を損
なう恐れがあった。また、インターコネクタは高価であ
るため、歩留まりの程度が製造コストに大きく影響して
いた。
【０００８】これらの問題を解決するため、インターコ
ネクタの材料や固体電解質の材料に添加物を加えること
によって、両者の熱膨張係数を合わせる試みがなされて
いたが、これらを完全に一致させることは困難であっ
た。
ネクタの材料や固体電解質の材料に添加物を加えること
によって、両者の熱膨張係数を合わせる試みがなされて
いたが、これらを完全に一致させることは困難であっ
た。
【０００９】そこで本願発明の目的は、セルの反りや３
層膜の割れを抑制できる固体電解質型燃料電池を提供す
ることにある。
層膜の割れを抑制でき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】本願発明の請求項１は、
燃料極、固体電解質膜、空気極及びインタ−コネクタで
構成されるセルを備えた固体電解質型燃料電池におい
て、前記燃料極または空気極に接合される前記インター
コネクタの少なくとも一方の面にリブ部と溝部とが隣接
して設けられており、リブ部の幅よりも溝部の幅を大き
くしたことを特徴とする。
燃料極、固体電解質膜、空気極及びインタ−コネクタで
構成されるセルを備えた固体電解質型燃料電池におい
て、前記燃料極または空気極に接合される前記インター
コネクタの少なくとも一方の面にリブ部と溝部とが隣接
して設けられており、リブ部の幅よりも溝部の幅を大き
くしたことを特徴とする。
【００１１】また請求項２において、前記リブ部の幅が
１ｍｍ、前記溝部の幅が３ｍｍであることを特徴とする このようにインターコネクタのリブ部の幅よりも溝部の
幅を大きくして、電極とインターコネクタの接合面積を
小さくすることにより、接合部に発生する残留応力を小
さくすることができる。したがって、３層膜とインター
コネクタの接合によるセルの反りが抑えられる。また、
運転時の熱サイクル時にセルに発生する熱応力が小さく
なるため、固体電解質膜を含む３層膜の割れが抑えられ
る。
１ｍｍ、前記溝部の幅が３ｍｍであることを特徴とする このようにインターコネクタのリブ部の幅よりも溝部の
幅を大きくして、電極とインターコネクタの接合面積を
小さくすることにより、接合部に発生する残留応力を小
さくすることができる。したがって、３層膜とインター
コネクタの接合によるセルの反りが抑えられる。また、
運転時の熱サイクル時にセルに発生する熱応力が小さく
なるため、固体電解質膜を含む３層膜の割れが抑えられ
る。
【００１２】インターコネクタと３層膜の接合部に発生
する残留応力は、両者の熱膨張係数の差だけでなく、接
合部の形状等によっても影響を受ける。一般的に接合面
積が小さいほど残留応力は小さくなるが、逆に電極とイ
ンターコネクタの非接合面積が大きくなり過ぎると、集
電のロスが発生して問題となる。
する残留応力は、両者の熱膨張係数の差だけでなく、接
合部の形状等によっても影響を受ける。一般的に接合面
積が小さいほど残留応力は小さくなるが、逆に電極とイ
ンターコネクタの非接合面積が大きくなり過ぎると、集
電のロスが発生して問題となる。
【００１３】そこでセルの出力特性を落とさない範囲
で、インターコネクタのリブの本数を少なくし、電極と
の接合面積を少なくすることによって、電極とインター
コネクタの接合界面付近に生じる残留応力を小さくする
ことができる。そして、これにより、非接合面積がある
程度大きくなることによって、電極の実効面積が大きく
なり、出力特性が向上する。
で、インターコネクタのリブの本数を少なくし、電極と
の接合面積を少なくすることによって、電極とインター
コネクタの接合界面付近に生じる残留応力を小さくする
ことができる。そして、これにより、非接合面積がある
程度大きくなることによって、電極の実効面積が大きく
なり、出力特性が向上する。
【００１４】そこでインターコネクタのリブ幅と溝幅に
対し、有限要素法により残留応力の計算を行い、さらに
実際に固体電解質型燃料電池を運転したときの出力特性
に基づいて、最適値としてのリブ幅を１ｍｍ、また溝幅
を３ｍｍとした。
対し、有限要素法により残留応力の計算を行い、さらに
実際に固体電解質型燃料電池を運転したときの出力特性
に基づいて、最適値としてのリブ幅を１ｍｍ、また溝幅
を３ｍｍとした。
【００１５】
【発明の実施の形態】本願発明の固体電解質型燃料電池
を実施例により詳しく説明する。
を実施例により詳しく説明する。
【００１６】（実施例）始めに、有限要素法により、運
転温度から室温に下げる等の熱サイクル時に、固体電解
質（ＹＳＺ）膜内に生じる残留応力の計算シミュレーシ
ョンを行った。
転温度から室温に下げる等の熱サイクル時に、固体電解
質（ＹＳＺ）膜内に生じる残留応力の計算シミュレーシ
ョンを行った。
【００１７】すなわち、インターコネクタのリブ幅Ｗｒ
と溝幅Ｗｇと残留応力の関係について、固体電解質膜内
部に発生する残留応力の分布を表１のパラメータに基づ
き計算した。
と溝幅Ｗｇと残留応力の関係について、固体電解質膜内
部に発生する残留応力の分布を表１のパラメータに基づ
き計算した。
【００１８】
【表１】
【００１９】そのうち、図３の計算モデルに示すよう
に、インターコネクタ３ｃと固体電解質膜４との接合界
面１０を起点として、方向ｙにおける固体電解質膜内部
の３カ所（２８０μｍ、１５０μｍ、２０μｍ）に位置
する各面の最大残留応力の分布を求めた。
に、インターコネクタ３ｃと固体電解質膜４との接合界
面１０を起点として、方向ｙにおける固体電解質膜内部
の３カ所（２８０μｍ、１５０μｍ、２０μｍ）に位置
する各面の最大残留応力の分布を求めた。
【００２０】その結果を図４に示す。図４からわかるよ
うに、インターコネクタのリブ幅Ｗｒよりも溝幅Ｗｇが
大きくなると、固体電解質膜内部にかかる残留応力は小
さくなる。しかしながら、現在のインターコネクタの大
きさ（寸法：１２０ｍｍ×１２０ｍｍ×３ｍｍ）であれ
ば、溝幅Ｗｇが３ｍｍを超えると接合部にかかる残留応
力は３ｍｍまでのものと大差がなくなる。したがって、
溝幅Ｗｇは３ｍｍとすることが好ましい。また、リブ幅
Ｗｒについては、上記のシミュレーションの結果に加
え、電極有効面積をある程度大きくすること及びセルの
軽量化を考慮して１ｍｍとすることが好ましい。
うに、インターコネクタのリブ幅Ｗｒよりも溝幅Ｗｇが
大きくなると、固体電解質膜内部にかかる残留応力は小
さくなる。しかしながら、現在のインターコネクタの大
きさ（寸法：１２０ｍｍ×１２０ｍｍ×３ｍｍ）であれ
ば、溝幅Ｗｇが３ｍｍを超えると接合部にかかる残留応
力は３ｍｍまでのものと大差がなくなる。したがって、
溝幅Ｗｇは３ｍｍとすることが好ましい。また、リブ幅
Ｗｒについては、上記のシミュレーションの結果に加
え、電極有効面積をある程度大きくすること及びセルの
軽量化を考慮して１ｍｍとすることが好ましい。
【００２１】次に、出力特性を見るため、本願発明のリ
ブ幅１ｍｍ、溝幅３ｍｍのランタンクロマイト系インタ
ーコネクタ（寸法：１２０ｍｍ×１２０ｍｍ×３ｍｍ）
と、比較のために同サイズ、同材質の従来のリブ幅１ｍ
ｍ、溝幅１ｍｍのインターコネクタとをそれぞれ用意し
た。
ブ幅１ｍｍ、溝幅３ｍｍのランタンクロマイト系インタ
ーコネクタ（寸法：１２０ｍｍ×１２０ｍｍ×３ｍｍ）
と、比較のために同サイズ、同材質の従来のリブ幅１ｍ
ｍ、溝幅１ｍｍのインターコネクタとをそれぞれ用意し
た。
【００２２】この２種類のインターコネクタを用いて、
それぞれリブ部が電極と接する面に導電性の接合材スラ
リーを塗布し、３層膜の燃料極側と空気極側に張り合わ
せ、これを焼成することによってセルを作製した（各ｎ
＝１０）。また、１０セルで構成したセルスタックを作
製した（各ｎ＝１）。ちなみに、熱膨脹係数は固体電解
質が１０．４×１０-6／℃、インターコネクタが１０．
５×１０-6／℃であった。
それぞれリブ部が電極と接する面に導電性の接合材スラ
リーを塗布し、３層膜の燃料極側と空気極側に張り合わ
せ、これを焼成することによってセルを作製した（各ｎ
＝１０）。また、１０セルで構成したセルスタックを作
製した（各ｎ＝１）。ちなみに、熱膨脹係数は固体電解
質が１０．４×１０-6／℃、インターコネクタが１０．
５×１０-6／℃であった。
【００２３】そして、この２種類のセルについて、それ
ぞれの焼成後の反り量、３層膜の割れ、及び固体電解質
型燃料電池として運転し、熱サイクル時のセルスタック
中の３層膜の割れを測定した結果を表２に示す。
ぞれの焼成後の反り量、３層膜の割れ、及び固体電解質
型燃料電池として運転し、熱サイクル時のセルスタック
中の３層膜の割れを測定した結果を表２に示す。
【００２４】
【表２】
【００２５】これからわかるように、実施例品は比較例
品よりも、残留応力によるセルの反りが抑えられ、かつ
接合時や熱サイクル時の３層膜の割れを防いでいる。
品よりも、残留応力によるセルの反りが抑えられ、かつ
接合時や熱サイクル時の３層膜の割れを防いでいる。
【００２６】また、得られたセルスタックの出力特性
（燃料は３０℃加湿１００％のＨ2 ）を測定した結果を
図５に示す。
（燃料は３０℃加湿１００％のＨ2 ）を測定した結果を
図５に示す。
【００２７】これからわかるように、実施例品は比較例
品よりも、出力特性について優れた結果を示している。
品よりも、出力特性について優れた結果を示している。
【００２８】
【発明の効果】以上のように、本発明によれば、固体電
解質膜とインターコネクタとの熱膨張係数の差に起因す
る残留応力が抑えられて、セルの反りや固体電解質を含
む３層膜の割れを抑制することができ、併せて出力特性
も向上させることができる。したがって、固体電解質型
燃料電池の歩留まりが向上して製造コストを低減させる
ことができる。
解質膜とインターコネクタとの熱膨張係数の差に起因す
る残留応力が抑えられて、セルの反りや固体電解質を含
む３層膜の割れを抑制することができ、併せて出力特性
も向上させることができる。したがって、固体電解質型
燃料電池の歩留まりが向上して製造コストを低減させる
ことができる。
【００２９】また、運転時における熱ショックによるセ
ルの破損を防止し、燃料電池としての長期信頼性を保つ
ことができる。そして、溝幅を広げて溝の本数を少なく
することで加工におけるコストを小さくすることができ
るという副次的効果もある。
ルの破損を防止し、燃料電池としての長期信頼性を保つ
ことができる。そして、溝幅を広げて溝の本数を少なく
することで加工におけるコストを小さくすることができ
るという副次的効果もある。
【図１】固体電解質型燃料電池のセルの構造を示す斜視
図である。
図である。
【図２】インターコネクタの構造を示す斜視図である。
【図３】計算モデルにおける固体電解質とインターコネ
クタの接合状態を示す側面図である。
クタの接合状態を示す側面図である。
【図４】固体電解質膜内部に発生する最大残留応力を示
すグラフである。
すグラフである。
【図５】セルの出力特性を示すグラフである。
１ セル ２ ３層膜 ３ａ，３ｂ，３ｃ インターコネクタ ４ 固体電解質膜 ５ 燃料極 ６ 空気極 ７ リブ部 ８ 溝部 ９ セルスタック １０ 接合界面 Ｗｒ リブ幅 Ｗｇ 溝幅
Claims (2)
- 【請求項１】 燃料極、固体電解質膜、空気極及びイン
タ−コネクタで構成されるセルを備えた固体電解質型燃
料電池において、前記燃料極または空気極に接合される
前記インターコネクタの少なくとも一方の面にリブ部と
溝部とが隣接して設けられており、リブ部の幅よりも溝
部の幅を大きくしたことを特徴とする固体電解質型燃料
電池。 - 【請求項２】 前記リブ部の幅が１ｍｍ、前記溝部の幅
が３ｍｍであることを特徴とする請求項１記載の固体電
解質型燃料電池。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8145412A JPH09330728A (ja) | 1996-06-07 | 1996-06-07 | 固体電解質型燃料電池 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8145412A JPH09330728A (ja) | 1996-06-07 | 1996-06-07 | 固体電解質型燃料電池 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09330728A true JPH09330728A (ja) | 1997-12-22 |
Family
ID=15384667
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP8145412A Pending JPH09330728A (ja) | 1996-06-07 | 1996-06-07 | 固体電解質型燃料電池 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH09330728A (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007035451A (ja) * | 2005-07-27 | 2007-02-08 | Kyocera Corp | 中空平板型燃料電池セル及び燃料電池 |
| JP2009146858A (ja) * | 2007-12-18 | 2009-07-02 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | 平板型固体酸化物形燃料電池スタック |
| JP2009252474A (ja) * | 2008-04-04 | 2009-10-29 | Murata Mfg Co Ltd | 固体電解質形燃料電池とその製造方法 |
-
1996
- 1996-06-07 JP JP8145412A patent/JPH09330728A/ja active Pending
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007035451A (ja) * | 2005-07-27 | 2007-02-08 | Kyocera Corp | 中空平板型燃料電池セル及び燃料電池 |
| JP2009146858A (ja) * | 2007-12-18 | 2009-07-02 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | 平板型固体酸化物形燃料電池スタック |
| JP2009252474A (ja) * | 2008-04-04 | 2009-10-29 | Murata Mfg Co Ltd | 固体電解質形燃料電池とその製造方法 |
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