JPH05174844A - 固体電解質型燃料電池 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】 平板状多孔質電極を支持体とし、その上に緻
密な固体電解質膜を形成させ、さらにその上に他方の電
極を形成した３層構造板からなる単位セルをセパレータ
を介して積層した固体電解質型燃料電池において、セパ
レータの一面の両端部に上記３層構造板差し込み用の溝
付き段部を立設するとともに、他面に該段部相当のもの
がほぼ嵌装しうる凹段部あるいは切欠段部を設ける。 【効果】 簡単な製作工程で組立容易かつ安価に固体電
解質型燃料電池を作製することができる。また、ガスシ
ールは自立膜型の平板状電池と同様のシール材で良好に
行える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ガスシール性の良好な
固体電解質型燃料電池に関するものである。さらに詳し
くいえば、本発明は、セパレータに設けた差し込み部に
単位セルを装着した、構造に起因するガスリークを防止
しうる支持膜型固体電解質燃料電池に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池は、水素、一酸化炭素、炭化水
素等の燃焼性化学物質やそれを含有する燃料を活物質に
用い、該化学物質や燃料の酸化反応を電気化学的に行わ
せ、酸化過程におけるエネルギー変化を直接的に電気エ
ネルギーに変換させる電池であって、高いエネルギー変
換効率を期待しうるものである。

【０００３】中でも特に高い効率を期待しうるものとし
て、近年、第一世代のリン酸型、第二世代の溶融炭酸塩
型に続く第三世代の固体電解質型燃料電池、中でも集積
度の高い平板型のものが注目されている。

【０００４】平板型固体電解質燃料電池は通常マニホー
ルドに収納されるとともに、ガス通路が形成されるが、
このような電池の問題点の一つにガスリークがある。こ
のガスリーク対策は特に平板状多孔質電極を支持体と
し、その上に緻密な電解質膜を形成して成るスタックに
おいて重要視され、種々のガスリークを防止するガス封
止方法が提案されている。例えば、多孔質電極の側面に
も緻密膜を形成して該側面からのガスリークを防止する
方法（実開平２−６２６５９号公報、特開平２−２５５
２号公報）や、ガスを中央から供給し外周部に流出させ
る方法（特開平２−１６８５６８号公報、特開平２−２
６８６９号公報、特開平２−２８６６２号公報）などが
ある。

【０００５】しかしながら、前者は多孔質電極支持体に
部分的に緻密部を形成させるのが困難であるし、また後
者は外周部での燃料ガスの燃焼による温度上昇の制御が
困難である上に、構造が複雑でコスト高になるのを免れ
ない。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、このような
従来の多孔質電極支持体と緻密電解質膜を有するスタッ
クについてのガス封止技術の欠点を克服し、技術的に困
難な多孔質体の部分緻密化を必要とせず、簡単な構造で
ガス封止しうる固体電解質型燃料電池を提供することを
目的としてなされたものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、前記の好
ましい特徴を有する固体電解質型燃料電池を開発するた
めに種々研究を重ねた結果、セパレータに多孔質電極支
持体と緻密電解質膜を有する電極−電解質膜一体積層型
平板の差し込み部をもつ段部及びそれに対応して設けた
単セル同士を積み重ねるための凹段部あるいは切欠段部
を設けることにより、その目的を達成しうることを見出
し、この知見に基づいて本発明を完成するに至った。

【０００８】すなわち、本発明は、平板状多孔質電極を
支持体とし、その上に緻密な固体電解質膜を形成させ、
さらにその上に他方の電極を形成した３層構造板からな
る単位セルをセパレータを介して積層した電池におい
て、セパレータの一面の両端部に上記３層構造板差し込
み用の溝付き段部を立設するとともに、他面に該段部相
当のものがほぼ嵌装しうる凹段部あるいは切欠段部を設
けたことを特徴とする固体電解質型燃料電池を提供する
ものである。

【０００９】本発明に用いる単セルは、平板状多孔質電
極を支持体とし、その上に緻密な固体電解質膜をほぼ全
面にプラズマ溶射法、熱ＣＶＤ法、電子ビーム蒸着法、
スパッタ法などにより形成させ、さらにその上に他方の
電極を好ましくは一方の一対の側縁部を残したまま形成
させた３層構造板からなるものである。この平板状多孔
質電極としてはアノード及び／又はカソードが用いられ
る。

【００１０】上記固体電解質膜は酸素イオン導電性を有
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（ＹＳＺ）、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などの公知の固体
電解質材料、あるいは安定化ジルコニアとアルミナ等の
金属酸化物からなる多結晶焼結体固体電解質材料を上記
平板状多孔質電極上に緻密に形成したものであり、その
厚さは通常０．０１〜０．３ｍｍ程度、好ましくは０．
０２〜０．２５ｍｍ程度が適当である。この厚さが０．
３ｍｍを超えると抵抗が大きくなりすぎて好ましくな
い。

【００１１】本発明に用いる電極としてのカソード及び
アノードは高温下でそれぞれ酸化剤ガス及び燃料ガスに
対して耐食性のある導電性材料であれば特に制限されな
いが、Ｌａ_ｘＳｒ_１−ｘＭｎＯ_３をカソード材、Ｎｉ‐
ＺｒＯ_２サーメットをアノード材とするのが好ましい。
電解質膜形成用基板としての電極でない側の電極は、通
常上記固体電解質板上に所定の粉末をはけ塗り法やスク
リーン印刷法などで塗布する方法の他、プラズマ溶射法
を用いて被着される。この塗布により形成させた電極は
乾燥あるいはバーンアウトしてバインダー及び／又は媒
体を除去するようにする。

【００１２】本発明に用いるセパレータは、通常上記３
層構造板の枚数より１枚少ない、ガスリークのない緻密
な導電板の両面に複数の溝を好ましくは各面間で互いに
交差方向に設けそれぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスのガス
流路を形成させたものであって、しかもその一面の両端
部に上記３層構造板差し込み用の溝付き段部好ましくは
水平溝付き偏平段部を立設するとともに、他面に該段部
相当のものがほぼ嵌装しうる凹段部あるいは切欠段部を
設けたものである。また、セパレータ同士の接触、封止
面は電気絶縁する必要があり、それには溶射法等により
アルミナなどの絶縁膜を形成するか、あるいは絶縁性薄
板を挟み込むとよい。

【００１３】また、外部端子板は、ガスリークのないち
密な２枚の導電板の片面に複数の溝を設けそれぞれ酸化
剤ガスのガス流路及び燃料ガスのガス流路を形成させた
ものであり、好ましくは各対応電極に適合した上記セパ
レータの一面の構造を有する。

【００１４】このように、セパレータは隣接する単セル
の電極間を電気的に接続するとともに、両面に燃料ガス
及び酸化剤ガスの流路となる溝が形成され、各流路はそ
れぞれセルのカソード側及びアノード側における各ガス
の通路を構成する。各ガス通路となる溝は平行に複数配
設され、好ましくは片面の溝と他面の溝とは互いに交差
方向、特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側端面上に配置するこ
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。

【００１５】セパレータ及び端子板に用いる上記導電板
としては、ニッケル、コバルトなどの金属、ニッケル、
クロム、コバルトなどを含む合金、各種焼結体、例えば
アルカリ土類金属及びＣｏ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｚｎその他金
属をドープしたランタンクロマイト系複合酸化物、炭化
ケイ素、ケイ素化モリブデン、ケイ素化クロムなどの導
電性セラミックスや、ニッケル金属、ニッケル基合金、
コバルト金属又はコバルト基合金と、アルミナ、シリ
カ、チタニア、酸化インジウム、酸化第二スズ、炭化ケ
イ素及び窒化ケイ素の中から選ばれた少なくとも１種の
無機系化合物あるいはランタンクロマイト系複合酸化物
やイットリウムクロマイト系複合酸化物などの導電性無
機酸化物とを非酸化性雰囲気、例えば還元雰囲気下ある
いは真空中で焼成した焼結体などが挙げられる。

【００１６】上記ニッケル基合金としては、Ｎｉ‐Ｃｒ
系合金、Ｎｉ‐Ｃｒ‐Ｆｅ系合金、Ｎｉ‐Ｃｒ‐Ｍｏ系
合金、Ｎｉ‐Ｃｒ‐Ｍｏ‐Ｃｏ系合金、Ｎｉ‐Ｃｒ‐Ｍ
ｏ‐Ｆｅ系合金などが、またコバルト基合金としては、
Ｃｏ‐Ｃｒ系合金、Ｃｏ‐Ｃｒ‐Ｆｅ系合金、Ｃｏ‐Ｃ
ｒ‐Ｗ系合金、Ｃｏ‐Ｃｒ‐Ｎｉ‐Ｗ系合金などが挙げ
られる。

【００１７】本発明においては、これら３層構造板より
なる単位セル、セパレータ、及び外部端子板を用い、３
層構造板を所定のセパレータの差し込み部に装着し、こ
れを所定段数積層し単セルの多段直列構造体を形成し、
単セルの積層数を適宜調整し、両端に外部端子板をそれ
ぞれ設けることにより、多数の単セルからなる直列型の
積層多段セルからなる電池本体が組み立てられる。その
際、セパレータ同士、３層構造板とセパレータ、セパレ
ータと外部端子板あるいは３層構造板と外部端子板との
間に例えばセパレータあるいは外部端子板の溝方向に沿
う端縁部などにおいて封止剤を介在させてガス漏れしな
いように封止する。

【００１８】これら３層構造板、セパレータ及び外部端
子板を前記したように積層して電池本体を形成する際に
用いられる前記封止剤は、電池の作動温度において軟化
状態となるか、あるいは該作動温度以上の軟化温度を有
し、該作動温度で固化するものであって、しかも該作動
温度で燃料ガスや酸化剤ガス等の原料ガス及び発生ガス
に対して耐食性があるもの、例えば燃料ガスに水素、酸
化剤ガスに酸素又は空気を用いた場合、耐還元性、耐酸
化性及び耐水蒸気性があるものであれば特に制限されな
いが、軟化点が５００℃以上好ましくは６００℃〜１２
００℃のガラスが好ましい。このようなガラスとして
は、例えばソーダライムガラス、硼酸塩ガラス、硼ケイ
酸ガラス、アルミノケイ酸ガラスなどが挙げられる。こ
れらのガラスは板状、フェルト状として用いる他、有機
バインダーなどの有機物質に分散させてペースト状と
し、これを所要の封止部に塗布し、電池を組み立てたの
ち、該有機物質をバーンアウトして該ガラスを復元させ
るようにしてもよい。

【００１９】軟化点が電池の作動温度（９００〜１１０
０℃）以下のガラスとしては、電池の作動温度で粘度が
１０^２〜１０^７ポアズであるものが望ましい。また、軟
化点が電池の作動温度（９００〜１１００℃）以上のガ
ラスの場合には、一度軟化点以上の温度まで昇温した
後、作動温度まで降温して固化した状態でガスをシール
する。この場合、ガラスの熱膨張係数は６×１０^−６〜
１２×１０^−６ｃｍ^−１が望ましい。また、高温下、長
期間の使用とともにガラス相からより安定な結晶相へ相
転位するものであってもよい。

【００２０】上記封止剤の介在手段としては、例えば電
極を形成した固体電解質板及びセパレータの少なくとも
一方の表面に上記ペースト状のガラスすなわちガラスペ
ーストを塗布して積層する手段、電極を形成した固体電
解質板とセパレータの間に上記ガラスを挟持して積層す
る手段、電極を形成した固体電解質板及びセパレータの
少なくとも一方の表面に上記ガラスペーストを塗布し、
これらの間に上記ガラスを介在させて積層する手段など
が挙げられる。

【００２１】また、ガスリーク防止用封止剤を有機物質
に分散させてペースト状として用いる場合には、該ペー
スト状物を所要の封止部に塗布し、電池を組み立てたの
ち、該有機物質を乾燥、蒸発あるいはバーンアウトによ
り除去してガスリーク防止用封止材を復元させるように
する。

【００２２】次に、本発明においては、こうして組み立
てられた電池本体すなわち積層多段セルをマニホールド
内へ収容して所望の燃料電池が作製される。このマニホ
ールドは、その内面と、これに内接するセルの周面とに
より仕切られた四室が燃料ガス及び酸化剤ガスの供給、
排出空間となってガス通路の形成部材となるとともに外
壁にもなる構造を有する。

【００２３】

【実施例】図１の集合様式に従い、３段直列セルからな
る固体電解質型燃料電池本体を以下のとおり作製した。
各セルにおいてＮｉ／ＺｒＯ_２（１／１重量比）サーメ
ットからなる厚さ１．０ｍｍの平板状多孔質アノード１
３上に、イットリアを８モル％添加した安定化ジルコニ
アを厚さ０．０５ｍｍの電解質１１としてプラズマ照射
した。電解質１１上にＬａ_０．_９Ｓｒ_０．_１ＭｎＯ_３粉
末を有機バインダーに分散させて厚さ０．２ｍｍに塗布
してカソードとした。このようにして多孔質アノード、
電解質及びカソードからなる３層構造板が作製された。
セパレータ１４はＮｉ系合金製で、両面に互いにほぼ直
交するガス通路としての溝１４ａ、１４ｂを有し、かつ
その一面の両端部に上記３層構造板差し込み用の水平溝
１４ｃ付き偏平段部を立設するとともに、多面に該偏平
段部相当のものがほぼ嵌装しうる凹段部あるいは切欠段
部を設けたものである。

【００２４】セパレータの上記偏平段部に上記３層構造
板を差し込み、セパレータを重ね合わせると、一方のセ
パレータの上記偏平段部と他方のセパレータの凹段部あ
るいは切欠段部がほぼ適合密着して単位セル間で間隙を
生じることがない。

【００２５】積層セルの両端の各外部端子板１５，１６
は各対応電極に適合したセパレータの一面の構造を有し
ている。すなわち、アノード側が対面する外部端子板１
６はその対面側すなわち内側にのみガス通路を有し、か
つ対面側に上記偏平段部を有するとともに、他面側すな
わち外側は平面としたものであり、またカソード側が対
面する外部端子板１５はその対面側すなわち内側にのみ
ガス通路を有し、かつ対面側に上記凹段部あるいは切欠
段部を有するとともに、他面側すなわち外側は平面とし
たものである。

【００２６】この３層構造板からなる単位セルとセパレ
ータ、外部端子を単セルが３層になるように集積した。

【００２７】図２に集積セルのガス封止方法を示す。多
孔質アノード１３の側面から流出する燃料ガスはセパレ
ータ１４の上記偏平段部と緻密な電解質１１との間で封
止される。また、酸化剤ガスは上方のセパレータ１４の
下面と緻密な電解質１１との間で封止される。セパレー
タ１４間のガスリークはセパレータの四隅の重ね合わせ
部分でジルコニア系の無機接着剤で接着し封止される。
この部分は電気的に絶縁するためにアルミナ膜が溶射さ
れている。これらの封止部分は軟化点が約８００℃のガ
ラスペーストを塗布してガス封止をした。このガラスペ
ーストは電池の作動温度では十分に軟化してガスを封止
する。

【００２８】こうして集積した電池本体を円筒状アルミ
ナ製マニホールドに納めた。マニホールドと電池本体と
の接触部分はガラスペーストを塗布してガス封止した。
外部端子には、白金リード線を挿入し、電気的接続を行
った。

【００２９】このようにして作製した積層型セルを図３
のように円筒状マニホールド３２内に挿入し、溝１４
ａ、１４ｂの出口が管壁に面するように配置した。電池
本体３１とマニホールド３２の接触箇所（４ケ所）を上
記と同じガラスペーストで封止すれば、溝１４ａ、１４
ｂのそれぞれの両端がそれぞれマニホールド３２の壁と
電池本体３１で形成された４つのガス通路３３〜３６と
対応する。また、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。

【００３０】このようにして作製した３段積層の固体電
解質型燃料電池を加熱した。室温から１５０℃までは１
℃／ｍｉｎで加熱昇温させ、ガラスペーストの溶媒を蒸
発させた。１５０℃から３５０℃までは５℃／ｍｉｎで
昇温させた。３５０℃以上では水素通路側にアノードの
酸化を防止するため、窒素ガスを流し、５℃／ｍｉｎで
１０００℃まで昇温した。その後、１０００℃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。電解質部分の面積が２５ｃｍ^２のセルの放電
特性を表１に示す。

【００３１】

【表１】 開放電圧は３．３Ｖでガスクロスリークは水素の５．０
％以下と良好な封止性を示した。

【００３２】

【発明の効果】本発明によれば、簡単な製作工程で組立
容易かつ安価に固体電解質型燃料電池を作製することが
できる。また、ガスシールは自立膜型の平板状電池と同
様のシール材で良好に行える。

【図面の簡単な説明】

【図１】 直列セルの集合様式の１例の説明図。

【図２】 集積セルのガス封止方法を示す説明図。

【図３】 ３段直列セルからなる電池本体をマニホール
ドに収納して完成品とした燃料電池の説明図。

【符号の説明】

１１ 電解質 １２ カソード １３ アノード １４ セパレータ １４ａ、１４ｂ 溝 １４ｃ 水平溝 １５、１６ 外部端子板 ３１ 電池本体 ３２ マニホールド ３３〜３６ ガス通路

【手続補正書】

【提出日】平成３年８月８日

【手続補正１】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図２

【補正方法】変更

【補正内容】

【図２】

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (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 (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 平板状多孔質電極を支持体とし、その上
   に緻密な固体電解質膜を形成させ、さらにその上に他方
   の電極を形成した３層構造板からなる単位セルをセパレ
   ータを介して積層した電池において、セパレータの一面
   の両端部に上記３層構造板差し込み用の溝付き段部を立
   設するとともに、他面に該段部相当のものがほぼ嵌装し
   うる凹段部あるいは切欠段部を設けたことを特徴とする
   固体電解質型燃料電池。
2. 【請求項２】 電池本体がマニホールドに収容されてい
   る請求項１記載の固体電解質型燃料電池。