JPH0367466A - 固体電解質燃料電池のシール構造 - 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〕 本発明は固体電解質燃料電池の高温がスシール部の構造
に関する。

本発明は固体電解質電解装置や固体電解質酸素センサー
等の固体電解質のイオノ導電性を利用する機器全般に利
用できる。

〔従来の技術〕

平板形の固体電解質燃料電池は、例えば第４図に示すよ
うな構造となる０発電部１は、燃料電極２、固体電解質
（以下電解質という）３釦よび酸素電極４の３層の固体
層を接合積層した構造となる０発電部１は、燃料流路５
と酸素流路６とにはさまれ、燃料電極側は燃料流路を通
る燃料に、酸素電極側は酸素流路を通る酸素あるいは空
気に曝される位置に配置される。発電部１の縁は１発電
部支持構造体７で、支持される。固体電解質燃料電池は
、発電部１を直列あるいは並列に複数個接合して発電ユ
ニットを構成することが多い。複数の発電部１を接合す
る場合は、隣接する発電部１０間に電気を導通する機能
と燃料流路５を流れる燃料と酸素流路６を流れる酸素あ
るいは空気との２種のガスを隔離する機能とを有するイ
ンタコネクタ部８を設ける。インタコネクタ部８は燃料
流路渡り部９．ガス隔離部１０．釦よび酸素流路渡シ部
１ノで構成される。ガス隔離部１０は縁部でインタコネ
クタ部支持構造体１２で支持される。

燃料と酸素あるいは空気と會隔離する部分の接合部には
ガスシールの機能を持つ材料・接合法を用いる必要があ
る。第４図の例では発電部１と発電部支持構造体７との
間の接合部、インタコネクタ（がス隔離部）Ｊ（＋とイ
ンタコネクタ部支持構造体１２との間の接合部１発電部
支持構造体７とインタコネクタ部支持構造体１２との間
の接合部、が、ガスシール機能を必要とする接合部に該
当する。

〔発明が解決しようとする課題〕

固体電解質燃料電池は８００℃〜１１００℃の高温で運
転されることが多い。高温で運転されかつ酸化雰囲気に
曝されるため発電部支持構造体７およびインタコネクタ
部支持構造体１２には金属を用いることが困難で、酸化
物系セラミックスの焼結体を用いることが多い。筐た発
電部１の構造的骨格を形成する電解質３は、例えばイツ
トリア安定化シリコニアのような酸化物系セラミックス
であることが多い。また、インクコネクタ（ガス隔離部
）１０には例えばランタンクロマイト（ＬａＣｒＯ３）
のような電子導電性を持つセラミックスを用いることが
多い。この場合、ガスシールの機能を要する接合部は異
種セラミックス相互間の接合となる。

各々のセラミックス材料は、熱膨張率が必ずしも一致し
てｋらず、また、運転状態では温度の不均一も生じ得る
ので、部品により熱膨張による伸びは異なる。熱膨張の
異なるセラミックスを剛に接合すると、部材内に熱応力
が発生し１発電部１が破損するかそれがある。そのため
、接合部では。

変位拘束をできるだけ少なくするようにすることが望ま
しい。

第４図の例での発電部縁のシール部１３、インタコネク
タ部縁のシール部１４、支持構造体相互間のシール部１
５のような接合部ではガス・シールの機能を有し、かつ
変位拘束のできるだけ少ないような接合材料接合法を採
用する必要がある。

従来の構造としては、接合部にセラミックス接着剤を塗
布し焼付ける構造がとられているがセラミックス接着剤
は、焼付ける時に多孔質体になるために、変位拘束は比
較的弱くなり、がスシールの機能は十分ではない。

また、接合部に釉薬を塗布する方法もとられることがあ
るが、釉薬はガラス系の材料で運転温度付近では溶融し
、運転時には液体となる。そのため変位拘束はほとんど
なくがスシールの機能もすぐれているが、長時間使用し
ているうちに流失してガスシール機能をそこなう訃それ
がある。また、液体となるので、滴下するような場所に
は使用できず、水平面内での接合に限られる。

他方電解質の板は製造時にうねり波うちが生ずることが
あり、液体シール単独使用の場合、１面程度以上の大き
なすき壕があると液体シール剤の溶融液膜が破断し、が
スシールの機能を維持することができなくなるかそれが
ある。そのため電解質の板のうねり波うちを液膜破断が
生じない８度に抑えることが必要となり、を解質板製造
時の品質管理基準を高めたり、平坦度金玉げるための矯
５正工程を追加することが必要になる。

また、燃料ガスと、酸素または空気ガスとの間に差圧が
あると液体シール剤が吹き飛びやすく、運転時に差圧を
最小限に抑えるような制御が必要となる。

本発明はこれらの問題を解決する燃料電池のシール構造
を提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

本発明に係る固体電解質燃料電池のシール構造は。

（１）燃料電極２と固体電解質３と酸素電極４からなる
発電部１とインタコネクタ部８１に具備する燃料電池に
おいて１発電部１と発電部支持構造体７の接合部訃よび
インタコネクタ部８とインタコネクタ部支持構造体１２
の接合部のいずれかのシール構造としてシール部の下層
には充填剤を塗布し、シール部の表面には液体シール剤
ｔ−塗布することによυシールすることを％徴とする。

（２）前記（１）の固体電解質燃料電池のシール構造に
おいて、シール部に充填剤と液体シール剤を予め混合し
て塗布することによりシールすることを特徴とする。

（３）前記（１）又は（２）の固体電解質燃料電池のシ
ール構造において、充填剤には多孔質の接着剤を使用し
、液体シール剤には釉薬および高温運転時に液体状にな
る金属のいずれかを使用することを特徴とする。

（４）前記（３）の固体電解質燃料電池のシール構造に
おいて、接合部のシール構造として、液体シール剤を保
持するための液体溜めを設けることを特徴とする。

〔作用〕

（１）第２図に示すようにセラミックス接着剤のような
多孔質の充填剤は、焼きつけられると、多孔質の骨格と
なり、接合部の比較的大きなすき間を埋める。釉薬のよ
うな液体シール剤は、常温では粉状の固体で、充填剤の
表層あるいは内部に存在している。運転時に８００℃〜
１１００℃程度の高温にすると、液体シール剤が溶融し
、充填剤骨格の細孔に浸透し１表層を埋める。そこで両
者を併用することにより骨格が多孔質であるので接合部
の変位拘束は比較的弱くなう、各部品の破損を防止し、
液体シール剤が多孔質骨格の細孔を埋めるので、液体シ
ール剤単独使用の場合と同様にガスシールの機能を確保
できる。筐た。多孔質骨格が、液体シール剤の担持体と
して機能するので、液体シール剤の流失が抑制されるの
で長時間の使用み耐えるようになる。また、担持体があ
るために、鉛直な接合線に対しても適用てきる。

（２）　　がスシールを必要とする接合部すなわち発電
部縁のシール部、インタコネクタ部縁のシール部、及び
支持構造体相互間のシール部に、それぞれ液体溜めを設
け、常温の状態で、各液体溜めに、ガラス系釉薬あるい
は常温では固体であるが運転温度付近で溶融し液体とな
る金属を液体シール剤として充填するため運転時には液
体シール剤が溶融し、液体溜めを満たし、毛細管現象に
よりがスシールを必要とする接合部のすき１１−埋めが
スシールの機能を持つようになる。そして、液体溜めが
あることによう液体シール剤が安定に保持され。

また燃料ガスと酸素あるいは空気がスとの間の差圧変動
等によシすき筐の液体シール剤が一時的に喪失しても、
毛細管現象により液体溜めからすきまに自動的に液体シ
ール剤が補給され、長時間にわたって良好ながスシール
機能全維持することができる。

また、運転時には、発電部等と発電部支持構造体等との
間が液体シール剤を介して接触するため、発電部等と発
電部支持構造体等との間の変位拘束はほとんどない。そ
のため熱膨張率の異なる材料の使用が可能になる。

〔実施例〕

本発明の実施例を第１図〜第３図に示す。

第１図は本発明の第１実施例を示す。第１図にかいて電
解質３は１例えばイツトリア安定化ジルフェアの厚さ０
．０１〜１ｍ程度の板である。電解質３と発電部支持構
造体７との間等のがスシール機能を必要とする接合部に
は、本発明のシール構造が適用できる。シール部の下層
にはセラミックス接着剤のような充填材を焼きつけて製
造する多孔質骨格１６がある。骨格を製造するのに使用
する接着剤はできるだけ電解質３や発電部支持構造体７
と熱膨張率が近いことが望ましい。多孔質骨格１６の表
層にはガラス系釉薬のような液体シール剤１７を塗布す
る。この液体シール剤１７は運転時には溶融して、多孔
質骨格１６０表層及び内部に浸透し、担持される。

本発明の第２実施例を第３図に示す。ｉｔ電解質は例え
ばイツトリア安定化ジルコニア（イツトリア比率７〜１
０ｍｏ１％程度のもの）の厚さ０．Ｏ１〜１＋＋ｌｌ＋
程度の板である。ｉ解質３と発電部支持構造体７との間
、インタコネクタ（ガス隔離部）１０とインタコネクタ
部支持構造体１２との間及び発電部支持構造体７とイン
タコネクタ部支持構造体１２との間のがスシールを必要
とする接合部には、本発明のシール方法が適用できる。

シール部には各々液体溜め１６，１７．１８ｆ設ける。

液体溜めの形状は浅く広いことが望筐しい。例えばシー
ル部の濡れ級長が２００鴎程度の場合は。

深さ１〜２　ｍ　、幅３〜１０ｍ８度の矩形溝形の液体
溜めを設けるとよい。また、第３園の例の発電部支持構
造体７とインタコネクタ支持構造体１２との間の接合部
のように印籠形のはめ合いと液体溜めとを兼ねる場合に
は、凹部と凸部とのすき筐を１〜２ｍとシ液体溜めとす
るとよい。液体シール剤の初期充填量は、溶融時に液体
溜めを満たし、ガスシールを必要とするすきまを埋める
のに十分な量とする。

〔発明の効果〕

本発明は前述のように構成されているので、以下に記載
するような効果を奏する。

（１）固体電解質燃料電池のがスシールの機能を要する
接合部についてガスシールを確実に行うことができ接合
部での変位拘束が弱く発電部等の損＊を誘発するかそれ
が少なく、がスシールの機能が長時間にわたって持続で
きるような接合を実施することができる。

（２）鉛直方向の接合線に対しても１本発明のシール方
法を適用することができるため、設計、部品製造過程で
の自由度が増す。例えば発電部支持構造体は、セラミッ
クスの複雑な成形品となるが、比較的単純な形状の部品
に分割して部品金製造し、その後本発明のシール方法を
適用して組立てるというような製造過８を採用すること
ができるようになる。

（３）　　ｖｔＬ解質の板の製造時のうねり波うちによ
るすきまは数ｔｌＩＩＩｉで許容できるようになシミ解
質の板の生産工程の簡略化と歩留まｂの向上をはかるこ
とができる。

（４）接合される部品相互間は液体シール剤を介して接
触するだけであるので、変位拘束がほとんどなく熱膨張
率の異なる材料をそれぞれに使用することができるよう
になる。例えば、電解質には。

導電特性に優れるイツ）　ＩＪア安定化ジルコニア（イ
ツトリア比率７〜１０　ｍｏ１％程度のもの、熱膨張率
約１０　Ｘ　１０””　Ｖｍ℃）、インタコネクタ（ガ
ス＠離部）には耐酸化・還元雰囲気特性に優れるランタ
ンクロマイト（ＬａＣｒＯ３１熱膨張率約１０　Ｘ　１
０−６ｍ／ｍ℃）、支持構造体には、強度・加工性によ
び原料粉の経済性に優れるアルミナ（熱膨張率約７　Ｘ
　１０””ｍ／ｍ　℃）　、というような材料の組合せ
を選定することができるようになシ、全体として電気特
性経済性に優れる固体電解質燃料電池を構成できる。

（５）接合部のすき筐の液体シール剤が破断しても、液
体溜めから液体シール剤が毛細管現象により自動的に補
給されるという自己修復機能があるために、長時間のシ
ール持続機能がありシールを要する縁の長尺化もできる
ようになシ、設計製作運転維持上の自由度を増すことが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例を示す図、第２図は第１実
施例のシール部の断面模式図、第３図は本発明の第２実
施例金示す図、第４図は従来のシール方法を示す図であ
る。 １・・・発電部、２・・・燃料電極、３・・・電解質、
４・・・酸素電極、５・・・燃料流路、６・・・酸素流
路２７・・・発電部支持構造体、８・・・イ／タコネク
タ部、９・・・インタコネクタ（燃料流路渡υ部）、１
０・・・インタコネクタ（ガス隔離部）、１１・・・イ
ンタコネクタ（酸素流路渡り部）、１２・・・インタコ
ネクタ部支持構造体、１３・・・発電部数のシール邪、
１４・・・インタコネクタ部数のシール部、１５・・・
支持構造体相互間のシール部、１６・・・シール部の多
孔質骨格、１７・・・シール部の液体シール剤表層、１
１６・・・発電部数のシール部の液体溜め、１１７・・
・インタコネクタ部数のシール部の液体溜め、１１８・
・・支持°構造体相互間のシール部の液体溜め、１ ９・・・液 体シール剤。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）燃料電極（２）と固体電解質（３）と酸素電極（
   ４）からなる発電部（１）とインタコネクタ部（８）を
   具備する燃料電池において、 発電部（１）と発電部支持構造体（７）の接合部および
   インタコネクタ部（８）とインタコネクタ部支持構造体
   （１２）の接合部のいずれかのシール構造として、 シール部の下層には充填剤を塗布し、シール部の表面に
   は液体シール剤を塗布することによりシールすることを
   特徴とする固体電解質燃料電池のシール構造。
2. （２）シール部に充填剤と液体シール剤を予め混合して
   塗布することによりシールすることを特徴とする請求項
   （１）記載の固体電解質燃料電池のシール構造。
3. （３）充填剤には多孔質の接着剤を使用し、液体シール
   剤には釉薬および高温運転時に液体状になる金属のいず
   れかを使用することを特徴とする請求項（１）又は（２
   ）記載の固体電解質燃料電池のシール構造。
4. （４）接合部のシール構造として、液体シール剤を保持
   するための液体溜めを設けることを特徴とする請求項（
   ３）記載の固体電解質燃料電池のシール構造。