JPH02168568A - 固体電解質型燃料電池 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は固体電解質型燃料電池のセル構成に係り、特
に熱的破損のない燃料電池に関する。

〔従来の技術〕

ジルコニア等の酸化物固体電解質を用いる燃料電池は、
その作動温度が８００〜１１００℃と高温であるため、
発電効率が高い上に触媒が不要であり、また電解質が固
体であるため取扱いが容易であるなどの特長を有し、第
三世代の燃料電池として期待されている。

しかしながら、固体電解質型燃料電池は、セラミックス
が主要な構成材料であるために、熱的に破損しやすく、
またガスの適切なシール方法がないため実現が困難であ
った。そのため、燃料電池として特殊な形状である円筒
型のものが考え出され、上記二つの問題を解決し、電池
の運転試験に成功しているが、電池単位体積あたりの発
電密度が低く経済的に有利なものが得られる見通しはま
だない。

発電密度を高めるためには平板型にすることが必要であ
る。平板型の燃料電池には例えば第６図の分解斜視図に
示す構造のものが知られている。

この型の燃料電池においては単セル１７（固体電解質板
１７Ａと電極１７Ｂ、　１７Ｃからなる）とセパレート
板１８とが交互に積層され、セパレート板の立体的に直
角交差した溝にはそれぞれ異なった反応ガスが流される
。

〔発明が解決しようとする課題〕

反応ガスはガスマニホールド　（図示せず）を用いて燃
料電池に個別に導入される。この際燃料電池内に反応ガ
スを分離して充分に供給するためには単セル１７とセパ
レート板１８とはガスシールを行うことが必要となる。

ガスシールを行うために単セル１７とセパレート板１８
とを一体に焼結することが考えられるがこの方法では、
単セルとセパレート板とが異種材料で構成されるため、
わずかな熱膨張率の差や温度分布の不均一性によって一
体焼結体に割れが発生する。また、単セルとセパレート
板をそれぞれ個別に形成してこれをシール材料を介して
積層する方法も考えられるが、この場合適当な高温用の
ガスシール材料がない。

この発明は、上述の点に鑑みてなされその目的はガスシ
ールが可及的不要な燃料電池の構造を用いることにより
、温度変化に伴う熱的破損がなく信鎖性に優れる固体電
解質型燃料電池を提供することに菖る。

〔課題を解決するための手段〕

上述の目的はこの発明によれば、固体電解質体の両主面
に多孔質なアノードとカソードを配した単セルと、前記
単セルに燃料ガスと酸化剤ガスの両反応ガスを個別に分
離供給するとともに単セルとの間の電気的接続を行う反
応ガス供給手段、とを積層してなる固体電解質型燃料電
池において、ｉｌｌ主面の中央部より周辺部に向かって
反応ガスを導く案内層１９Ａ、１９Ｂを有する反応ガス
供給手段７゜１１と、 （２）前記単セルと反応ガス供給手段の積層体の中央部
を積層方向に貫通するとともに、その側面のガス孔から
案内層へ反応ガスを拡散させる反応ガス導入管４，５と
、 導入管で形成される空間と、単亡３の外周面と反応ガス
供給手段とで形成される空間のうち少なくとも前者に配
設されたガラスシール６、とを備えることにより達成さ
れる。

反応ガス供給手段としては単セルを支持する多孔質の第
１の基体、緻密質で反応ガスの混合を防止するインタコ
ネクタ層を支持する多孔質あるいは緻密質の第２の基体
、緻密質のセパレート板等が含まれる。単セルの外周面
に設けられるガラスシールは反応ガス供給手段が緻密質
のときを効に働く、ガラス材料はソーダライムガラス、
アルミナケイ酸ガラス１ケイ酸リチウムガラス、バリウ
ムホウケイ酸ガラス１ホウケイ酸ガラス等が使用できる
。

〔作用〕

反応ガスは反応ガス供給手段の案内層に導かれ、中央部
から周辺部へと流れるため、単セルと反応ガス供給手段
とのガスシールの必要性が軽減される。ガラスシールは
燃料電池の運転温度において軟化あるいは溶融し、シー
ル機能が生ずる。

〔実施例〕

（実施例１） 次にこの発明の実施例を図面に基づいて説明する。第１
図はこの発明の実施例に係る固体電解質型燃料電池の縦
切断面図で、アノード１と固体電解質体３とカソード２
の単セルが形成された反応ガス供給手段であるリブ状案
内羽１９Ｂ付多孔質基体７　（第１の基体）とインクコ
ネクタ層１２を形成した反応ガス供給手段であるリプ状
案内羽１９Ａ付多孔質基体１１　＜第２の基体）とが、
交互に積層され、積層体の中央部に燃料ガス導入管４　
（反応ガス導入管）と酸化剤ガス導入管５　（反応ガス
導入管）とが配設されて燃料電池が構成される。

このような電池は次のようにして調製される。

厚さ２ｕのリブ状案内羽付多孔質基体７がＮｉＺｒ０□
サーメ７）を用いて形成される。リプ状案内羽付多孔質
基体７の平坦な主面にＮｉ　　Ｚｒ（ｈサーメットをプ
ラズマ溶射し、厚さ　１００μの多孔質アノ−ド１が形
成される。アノード１の上にイツトリア安定化ジルコニ
アをプラズマ溶射し、厚さ３０μの緻密質な固体電解質
体３が形成される。続いてランタンストロンチウムマン
ガンオキサイドＬａ　（ＳＭｎ０３をプラズマ溶射し、
厚さ８００Ｊｒｍの多孔質なカソード２が形成される。

一方、厚さ２諺のリブ状案内羽付多孔質基体１１がＬａ
（Ｓｒ）ＭｎＯｚを用いて形成される。このリプ状案内
羽付多孔質基体１１の平坦な主面にランタンクロマイト
ＬａＣｒＯ３をプラズマ溶射し、厚さ４０ｎの緻密質な
インタコネクタ層１２が形成される。ランタンクロマイ
トは、電子電導性があり酸化雰囲気においても酸化され
ることがない、さらに、ランタンクロマイトはイントリ
アで安定化されたジルコニアに近領した熱膨張率を示す
。

次に、アノード１と固体電解質体３とカソード２の形成
されたリブ杖案内羽付多孔賞基体７とインタコネクタ層
１２を形成したリブ状案内羽付多孔賞基体１１とを個別
に焼結する。焼結後、両すプ状案内羽付多孔賞基体７．
１１の燃料ガス導入管４と酸化剤ガス導入管５に接する
側面は、セラミックセメントを用いてガスシールされる
　（セラミックシール２０）。

なおＬａ（Ｓｒ）Ｍｎ０３を用いたリブ状案内羽付多孔
質基体１１は必ずしも多孔質である必要はないがＬａ　
（Ｓｒ）Ｍｎ０３は還元性雰囲気では還元されるので緻
密質にしておいた場合においてもＬａＣｒＯ３を用いた
インタコネクタ層１２は必要である。

リブ状案内羽付多孔質基体７とリプ状案内羽付多孔質基
体１１との間の反応ガスシール用に、燃料ガス導入管４
と酸化剤ガス導入管５とを貫通させる穴を有するガラス
シール６が配設される。ガラスシール６はアノード１と
固体電解質体３とカソード２の積層された単セルと同じ
厚さに加工されたもので、ソーダガラスが使われる。ガ
ラスシール６は固体電解質型燃料電池の作動温度１００
０℃においては、液体状となり液体シールが可能となり
、反応ガス導入管４．５からのガスもれも防止すること
ができる。

酸化剤ガスである酸素ガスが酸化剤ガス導入管５によっ
てガス孔１０Ａを経由してリブ状案内羽付多孔賞基体ｌ
ｌ上の酸化剤ガス室９に導かれる。燃料ガスである水素
ガスが燃料ガス導入管４によってガス孔１０Ｂを経由し
てリプ状案内羽付多孔質基体７上の燃料ガス室８に導入
される。酸化剤ガス室９は、第２図に示すように同心円
状に９０度づつずらしてガスの出口を設けた案内羽１９
Ａによりガス流路が形成される。酸化剤ガスは、中心部
より周辺部へと流れ、ガス排出口１６より排出される。

燃料ガス室８も同様の形状をしているが、反応ガス流量
が少ないため、案内羽１９Ｂを１８０度ずらしてガスの
出口が設けられている０周辺部に達した燃料ガスと酸化
剤ガスとは燃焼し、燃料電池の温度を所定の高温度に維
持する。また反応ガスの余熱用熱源としても利用できる
。カソード２に到達した酸素ガスは還元され酸素イオン
となって固体電解質体３の中を拡散していく、アノード
１の表面で酸素イオンは酸化されると共に水素ガスと反
応して水蒸気となる。このとき水素ガスと酸素ガスから
水蒸気を生成する反応の自由エネルギ変化が電気エネル
ギに変換され、アノード１に負電圧、カソードに正電圧
が発生する。単セルの１つあたりの電圧は０．５〜０．
９ｖで、積み重ねることにより、所定の電圧を得ること
ができる。

このような構成の燃料電池においては、アノード１と固
体電解質体３とカソード２の形成されたリプ状案内羽付
多孔質基体７とインタコネクタ層１２を形成したリブ状
案内羽付多孔質基体１１とは、単に交互に積み重ねるだ
けでよい、そのために熱膨張の過程でリブ状案内羽付多
孔質基体７とリプ状案内羽付多孔質基体１１とは相互に
自由に動き得るので熱応力の発生が無くなる。燃料ガス
導入管４と酸化剤ガス導入管５の周辺の、ガスシールに
用いられるガラスシールは、運転終了後は固化するがガ
ラスの線膨張係数はジルコニアやその他の電極材料より
大きいため、ガラスシールは小さい体積を占め他の電池
構成材料に割れの損傷を与えない、このガラスシールに
よる熱応力は小さいので全体としての熱応力は小さい。

単セルは第２図では円板形状としているがこれに限定さ
れるものでなく角形、楕円形、多角形のものでもよい、
また案内羽１９Ａ、　１９Ｂも電池特性が最大になるよ
うにガス等配を考慮した設計を自由になし得る。また、
反応ガス導入管は２本とせず１本にまとめることも可能
である。この場合は２重管、２大管を使用して反応ガス
導入管の内部を２つの反応ガスを分離して流す、この場
合、貫通孔が減るメリットがある。

第３図は、案内羽の変形例である。中央部の燃料ガス導
入管４と酸化剤ガス導入管５から導入されたそれぞれの
反応ガスは電池反応をしながら渦巻き状の案内羽１９Ｂ
に沿ってセルの外側へと流れる。Ｘ内羽１９Ｂのピッチ
はセルの直径によって最適値を選ぶ必要があるが固体電
解質型燃料電池はガス差圧を大きくしてもクロスリーク
が起こりにくいのでこのような長いガス流路でも十分実
用化できる。案内羽１９Ｂが渦巻き状の場合はガスを単
セル１３に均等に流すことができ、また排ガスを１箇所
に集め得る効果がある。

（実施例２） 第４図はこの発明の異なる実施例に係る固体電解質型燃
料電池の縦切断面図で円形の固体電解質板２３に、アノ
ード２１とカソード２２の積層された単セルと円形のセ
パレート板２６（反応ガス供給手段）とが交互に積層さ
ｈ、この積層体に燃料ガス導入管２４（反応ガス導入管
）と酸化剤ガス導入管２５（反応ガス導入管）とが貫通
する。他に、燃料ガス排出管と酸化剤ガス排出管とが貫
通するがこれは、図示を省略している。上下のセパレー
ト板２６（反応ガス供給手段）の間にガラスシール２７
が配設される。ガラスシール２７はアノード２１と固体
電解質板２３とカソード２２の積層された単セルと同じ
厚さに加工されたもので、リング形状をしている。

このような固体電解質型燃料電池は以下のようにして調
製される。イツトリアで安定化したジルコニアを用い円
形状の固体電解質板（１００〜１５００−厚）２３が形
成される。固体電解質板２３は、燃料ガス導入管２４．
酸化剤ガス導入管２５．燃料ガス排出管、酸化剤ガス排
出管用の貫通孔を有する。固体電解質板２３の一つの主
面にニッケルージルコニア　（Ｎｉ　　ＺｒＯ□）サー
メットが１００−厚に溶射され多孔質のアノード２１が
形成される。固体電解質板２３の他の主面にはランタン
マンガナイト（ＬａＭｎＯｓ）がスパッタリングされ５
０〜１００μ厚の多孔質なカソード２２が形成される。

セパレート板２６はランタンクロマイト（ＬａＣｒＯｓ
）を用い、燃料ガス導入管等の貫通孔を有する形でプレ
ス成型され、緻密に焼結される。ランタンクロマイトは
電子電導性があり、酸化雰囲気においても酸化されず安
定である。

さらにランタンクロマイトはイツトリアで安定化したジ
ルコニアに近位した熱膨張率を示す。

ガラスシールは、融点９００℃で作業温度１０００℃の
ソーダライムガラスが用いられる。単セルとセパレート
板２６とが交互に積層され、燃料ガス導入管が貫通孔内
にセントされる。燃料電池の動作温度が１０００℃で維
持される。このときガラスシール２７が溶融してガスシ
ールが可能となる。燃料ガス導入管２４には水素ガスが
、また酸化剤ガス導入管２５には空気が供給され、それ
ぞれのガスはガス孔３０Ａ、　３０Ｂを経由して単セル
の燃料ガス室２８と酸化剤ガス室２９に導かれる。

カソード２２に到達した酸素ガスは還元され酸素イオン
となって固体電解質板２３の中を拡散する。

アノード２１の表面で酸素イオンは酸化されると共に水
素ガスと反応して水蒸気となる。このとき水素ガスと酸
素ガスから水蒸気を生成する反応の自由エネルギ変化が
電気エネルギに変換され、７ノード２１に負電圧、カソ
ードに正電圧が発生する。

単セルの正負の電圧はセパレート板２６によって直列に
接続される。反応を終了した燃料ガスと酸化剤ガスとは
図示していない燃料ガス排出管と酸化剤ガス排出管とに
よって排気される０本実施例においては燃料ガス導入管
、＃Ｉ化剤ガス導入管、燃料ガス排出管、酸化剤ガス排
出管のガス孔の周辺と、固体電解質板２３の周辺部にお
いてガスシールがなされる。

（実施例３） 第５図はこの発明のさらに異なる実施例を示す縦切断面
図である。固体電解質ｖｉ２３の周辺部でガスシールを
行わない点が第４図の場合と異なる。

この場合は、反応ガスは燃料ガス導入管２４と酸化剤ガ
ス導入管２５より固体電解質板２３の周辺部に向かって
流れる。排出ガス管は不要となる。その他は第５図の場
合と同様である。

〔発明の効果〕

この発明によれば、固体電解質体の両生面に多孔質なア
ノードとカソードを配した単セルと、前記単セルに燃料
ガスと酸化剤ガスの再反応ガスを個別に分離供給すると
ともに単セルとの間の電気的接続を行う反応ガス供給手
段、とを積層してなる固体電解質型燃料電池において、 ＋１１主面の中央部より周辺部に向かって反応ガスを導
く案内層を有する反応ガス供給手段と、（２）前記単セ
ルと反応ガス供給手段の積層体の中央部を積層方向に貫
通するとともに、その側面のガス孔から案内層へ反応ガ
スを拡散させる反応ガス導入管と、 導入管で形成される空間と、単Ｅ１の外周面と反応ガス
供給手段とで形成される空間のうち少なくとも前者に配
設されたガラスシール、とを備えるので反応ガスは反応
ガス供給手段の案内層に導かれ中央部から周辺部へと流
れることとなり、その結果単セルと反応ガス供給手段と
のガスシールの必要性は大きく減する。また単セルとガ
ス供給手段とのセルスタック中央部あるいは周辺部にお
ける最低限必要とされるガスシールについても燃料電池
の運転において軟化あるいは溶融状態となるガラスシー
ルを用いるので単セルまたは反応ガス供給手段の電池各
部材は全体として自由に熱膨張。

収縮することができ、熱破損のない信績性に優れる固体
電解質型燃料電池が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明の実施例に係る燃料電池を示す縦切
断面図、第２図はこの発明の実施例に係る燃料電池の案
内層を示す横切断面図、第３図はこの発明の実施例に係
る燃料電池の異なる案内層を示す横切断面図、第４図は
この発明の異なる実施例に係る燃料電池を示す縦切断面
図、第５図はこの発明のさらに異なる実施例に係る燃料
電池を示す縦切断面図、第６図は従来の燃料電池を示す
分解斜視図である。 ４．５：反応ガス導入管、６：ガラスシール、′＄２図 第３図 友耶 ２夕 護Ａ 第４図 第５図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）固体電解質体の両主面に多孔質なアノードとカソー
   ドを配した単セルと、前記単セルに燃料ガスと酸化剤ガ
   スの両反応ガスを個別に分離供給するとともに単セルと
   の間の電気的接続を行う反応ガス供給手段、とを積層し
   てなる固体電解質型燃料電池において、 （１）主面の中央部より周辺部に向かって反応ガスを導
   く案内羽を有する反応ガス供給手段と、 （２）前記単セルと反応ガス供給手段の積層体の中央部
   を積層方向に貫通するとともに、その側面のガス孔から
   案内羽へ反応ガスを拡散させる反応ガス導入管と、 （３）単セルの内周面と反応ガス供給手段と反応ガス導
   入管で形成される空間と、単セルの外周面と反応ガス供
   給手段とで形成される空間のうち少なくとも前者に配設
   されたガラスシール、とを備えることを特徴とする固体
   電解質型燃料電池。