JPH06349506A

JPH06349506A - 固体電解質燃料電池

Info

Publication number: JPH06349506A
Application number: JP5133396A
Authority: JP
Inventors: Shunsuke Taniguchi; 俊輔谷口; Yukinori Akiyama; 幸徳秋山; Noboru Ishida; 登石田; Koji Yasuo; 耕司安尾; Toshihiko Saito; 俊彦齋藤
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 1993-06-03
Filing date: 1993-06-03
Publication date: 1994-12-22
Anticipated expiration: 2015-01-17
Also published as: JP2999653B2

Abstract

(57)【要約】【目的】長期的にシール材の安定保持が可能で、耐差
圧性能の優れたシール部を有し、サーマルサイクル時の
電解質の割れが少ない平板型固体電解質燃料電池を提供
することを目的とする。【構成】固体電解質板１の両面にアノードとカソード
２とを配して成るセル８と、セパレータ１０とを複数積
層させてなる固体電解質燃料電池において、前記固体電
解質板１の主表面であって電極の外周面近傍に、シール
材を保持した多孔質層７を接合させてガスシール部１２
を形成したことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は固体電解質燃料電池に関
し、特に平板型固体電解質燃料電池のガスシール部の改
良に関する。

【０００２】

【従来の技術】固体電解質燃料電池（以下、「ＳＯＦ
Ｃ」と称する）はリン酸型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料
電池に次ぐ完全固体化した第三世代の燃料電池として注
目されている。ＳＯＦＣの形状には大きく分けて円筒型
と平板型とがあり、円筒型はガスシール部を持たない構
造にすることができ、ガスシール性に優れているという
利点を有する一方、その構造上単セルの大型化が困難で
あるとともに、体積当りの出力密度が小さいなどの欠点
を有する。

【０００３】これに対し、平板型は体積当りの出力密度
が大きいという利点を有する一方、固体電解質板の両面
にアノードとカソードを配してなるセルと、セパレータ
を積層させ、その間をアノードガスおよびカソードガス
が通過するという構造上、固体電解質板とセパレータの
間をシールする必要が生じ、このシール法についてさま
ざまな研究がなされている。

【０００４】従来、平板型ＳＯＦＣのガスシール法とし
ては、シールしたい部分を一度に焼結する方法（共焼
結）があり、シール性にはすぐれるが、固体電解質板と
セパレータの異種材料の接合であり技術的に困難である
と同時に、異種材料のため熱膨張率の違いにより接合部
が熱衝撃に脆いという欠点を有する。一方、シール部に
柔軟剤を用いる方法がある。これはＳＯＦＣの運転温度
（約１０００℃）において柔軟性を持つ非導電性物質を
シール部に配してシールする方法であり、シール材の柔
軟性によって、固体電解質板とセパレータ間の熱膨張率
の違いによる応力を吸収するので、耐熱衝撃性を向上さ
せることができる。このようなシール材としては、従来
ガラス板などが用いられてきた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、シール材と
してガラスを用いる方法は、ガラスが約１０００℃の高
温においては低粘度で流動性を有するため、シール部に
かかる差圧によってシール材がシール部より流出し、長
期的なシール材の安定保持が難しいという課題を有す
る。

【０００６】一方、平板型ＳＯＦＣの固体電解質板の素
材としては、現在イットリア安定化ジルコニア（ＹＳ
Ｚ）をはじめとする安定化ジルコニアが用いられ、例え
ばこれを薄板状に成形して約１５００℃で焼結するなど
の方法で製造されるが、固体電解質板の強度を上げるた
めに厚くすると電池性能が低下するので、薄板状にして
いる。そのために固体電解質板は、強度が弱く、サーマ
ルサイクル時に割れがおきやすいという課題がある。

【０００７】本発明は上記課題に鑑み、長期的にシール
材の安定保持が可能で、耐差圧性能の優れたシール部を
有し、サーマルサイクル時の電解質の割れが少ないＳＯ
ＦＣを提供することを目的とする。

【０００８】

【発明を解決するための手段】本発明は上記課題を解決
するため、固体電解質燃料電池において以下の構成を有
する。固体電解質板の両面にアノードとカソードとを配して
成るセルと、セパレータとの間に、アノードガスとカソ
ードガスの混入及び漏出を防止するシール部が形成され
た平板型固体電解質燃料電池において、前記固体電解質
板の主表面であって電極の外周面近傍に、シール材を保
持した多孔質層を接合させてガスシール部を形成したこ
とを特徴とする。

【０００９】前記多孔質層は固体電解質板と同一組成
の材料で構成されていることを特徴とする。

【００１０】

【作用】上記本発明の構成によれば、シール部に形成さ
れた多孔質層が、ガスシール材をシール部に保持する保
持体としても作用する。すなわち、多孔質体は流動性液
体をその孔に保持する作用があるので、上記多孔質層
は、ＳＯＦＣの運転温度である約１０００℃の高温にお
いて流動性を有するガラスなどのシール材がシール部か
ら流出するのを防止する。従って、長期にわたってシー
ル性能が安定であるし、シール部にかかる差圧が大きく
なる場合においても、同様に多孔質層がシール材をシー
ル部に保つ作用によってシール性能を保持する。

【００１１】一方、固体電解質板の外周面に接合し形成
された多孔質層は、固体電解質板自身の外周面の厚みを
増して、外力が加わる時にも固体電解質板が割れにくい
という補強作用を示す。従って、サーマルサイクル時に
おいて、ＳＯＦＣを構成している部品の熱膨張率の違い
により固体電解質板にかかる応力によっておこる電解質
板の割れを抑制する。また、多孔質層が固体電解質板と
同一組成の材料で構成されることにより、多孔質層と固
体電解質の接合がより強固であるとともに、サーマルサ
イクル時において多孔質層と固体電解質の熱膨張率の違
いによって接合面にかかる応力も小さくなるので、この
補強作用はより効果的なものとなる。

【００１２】したがって、長期的にシール材の安定保持
が可能で、耐差圧性能の優れたシール部を有し、サーマ
ルサイクル時の電解質の割れが少ないＳＯＦＣを提供す
ることができる。

【００１３】

【実施例】

［実施例］図１は本発明の一実施例に係わるＳＯＦＣの
構成を示す部分分解斜視図であり、図２はこのＳＯＦＣ
において使われている平板状セルの構成を示す斜視図で
あり、図１および図２によって本実施例のＳＯＦＣの構
成を説明する。

【００１４】所定枚数（例えば１０枚）の平板状セル８
…が、所定枚数のセパレータ１０…の間に介在しながら
積層され、上下から一対のスタック板（不図示）によっ
て締め付けられて、ＳＯＦＣスタックが構成されてい
る。平板状セル８は、例えば８％イットリアで安定化し
たジルコニアの緻密な焼成体からなる固体電解質板１の
一方の表面に、ＬａＭｎＯ₃などのペロブスカイト型酸
化物からなるカソード２を配し、他方の表面にＮｉ−Ｚ
ｒＯ₂サーメットからなるアノード（不図示）を配して
構成されている。固体電解質板１は, 例えば外寸１５０
mm×１５０mm、厚さ０. ２mmで、カソード２・アノード
よりも大面積であり、外周がカソード２およびアノード
より外方に延在している。このカソード２・アノードよ
りも外方の固体電解室板１上には、積層方向に貫通する
内部マニホールドを形成するための内部マニホールド孔
３・４・５・６が設けられている。

【００１５】セパレータ１０は、例えばニッケルクロム
合金などの耐熱性合金からなり、セル８の固体電解質板
１と同一の外形寸法を持っている。このセパレータ１０
のアノードと対面する表面Ｓａ及びカソード２と対面す
る表面（不図示）には、複数のリブ１１…が並設され、
各リブ１１…の間の凹部にアノードガス・カソードガス
が流通してアノード・カソード１２に供給できるように
してある。（ただし、積層されたセパレータ１０…のう
ち、最上部のものと最下部のものにはそれぞれ、下側だ
けにカソードガス通路と上側だけにアノードガス通路が
形成されている。）一方、リブ１１…の形成部位より外
方のセパレータ上であって、前記固体電解質板１に開設
した内部マニホールド孔３〜６に相当する部位には、上
記内部マニホールドを形成するための内部マニホールド
孔１３・１４・１５・１６が設けられている。そして、
アノードと対面するセパレータ１の表面Ｓａ側において
は、セパレータ１０の外周全周及びマニホールド孔１５
・１６の周囲の周面１７は、リブ１１の表面と同じ高さ
に形成されており、この周面１７上に下記において説明
するシール部１２が形成されている。

【００１６】一方、セパレータ１０の他方の表面（図に
おいては下側表面）においても、図には現れないがセパ
レータ１０の外周全周及び窓１３・１４の周囲の周面
は、リブ１１の表面と同じ高さに形成されており、この
周面上にも同様にシール部１２が形成されている。上記
のように構成されたセル８とセパレータ１０が所定数積
層されたＳＯＦＣにおいては、アノードガス（矢印Ａ）
は、マニホールド孔３および１３によって形成される内
部マニホールドを上昇しながら各アノードガス通路に供
給された後、マニホールド孔４および１４によって形成
される内部マニホールドを下降する。一方、カソードガ
ス（矢印Ｃ）は、マニホールド孔５および１５によって
形成される内部マニホールドを上昇しながら各カソード
ガス通路に供給された後、マニホールド孔６および１６
によって形成される内部マニホールドを下降する。

【００１７】次にシール部１２について説明する。平板
状セル８の固体電解質板１において、セパレータ１０に
形成された上記周面１７と向かい合う周面、すなわち、
マニホールド孔３・４のカソード側（すなわち図面上
側）の周面およびマニホールド孔５・６のアノード側の
周面および固体電解質板１の上下両面の外周全周には、
多孔質層７が接合形成され、この多孔質層７にシール材
が保持されてシール部１２が形成されている。

【００１８】多孔質層７は固体電解質板１と同じ組成、
すなわち８％イットリアで安定化したジルコニアからな
り、所定の幅を有するものである。また、その厚さは、
アノードガス・カソードガスが適度に電極に供給される
空間をセパレータ１０のリブ１１と電極の間に確保する
ことを考慮して、例えば電極の厚さが２００μの場合、
それより若干厚い３００μ程度とする。そしてこの多孔
質層７の表面および孔内には、高温で柔軟性を有するシ
ール材（例えば１０００℃までの熱膨張率が９８×１０
^-7／℃のガラス）が保持されて、シール部１２が形成さ
れている。

【００１９】図３は電解質板１と多孔質層７の要部斜視
図である。前記多孔質層７の形成方法は、例えば電解質
板１と同じ組成、すなわち８％イットリアで安定化した
ジルコニアの粉末をスラリー化したものを、テープキャ
スト法によって電解質板１のシール部を形成しようとす
る所に所定の幅および厚さで配した後、電解質板１製造
時の焼結温度である約１５００℃よりも少し低い温度
（約１２００℃）で焼結することにより実施することが
できる。そして、この多孔質層７へのシール材の保持
は、電池組立時にシール材として例えば１０００℃まで
の熱膨張率が９８×１０^-7／℃のガラス粉末をスラリー
化し、所要のシール効果を有することのできる厚み以上
の厚みでテープキャスト法にてセパレータ１０の周面１
７上に配置することによって行う。すなわち、このよう
に配置しただけでも、ＳＯＦＣを組み立て後の高温運転
時に、上記ガラス粉末が低粘度となって多孔質層７の表
面および孔内に保持され、シール部１２が形成される。

【００２０】このように構成された上記スタックを所定
の条件で１０００℃まで昇温した後、アノードガスとし
て水素、カソードガスとして空気を用い、下記の条件で
３００mA/cm²にて連続放電を行った結果を図４に示す。
また、耐差圧性能も同時に測定し, その結果を図５に示
す。［比較例］固体電解質板１に多孔質層７を設けない以外
は実施例と同様にＳＯＦＣスタックを構成し、実施例と
同じ条件で連続放電、耐サーマルサイクル性能測定、耐
差圧性能測定を行った。ただし、多孔質層７を設けない
ことによって、セパレータ１０と固体電解質板１との間
隔が縮まる分を補正するために、セパレータ１０の周面
１７を多孔質層７の厚さ相当だけ高くして、セパレータ
１０のリブ１１と電極の間のガス通路の条件を実施例と
同じにした。

【００２１】図４は実施例および比較例のＳＯＦＣ運転
（作動温度１０００℃、３００mA/cm²にて連続放電、１
５０hr. ごとにサーマルサイクルテスト実施）の結果
で、試験時間（hr. ）とセル電圧（V ）の関係を示す特
性図であり、実線Ｖ₁は本実施例について、点線Ｖ₂は
比較例について示している。一方、図５は上記実施例と
比較例ＳＯＦＣ運転時の初期において、シール部の耐差
圧性能を測定した結果で、差圧とシール効率の関係を示
し、図中において実線Ｓ₁は実施例、点線Ｓ₂は比較例
について示している。

【００２２】実施例及び比較例ともセル電圧の初期性能
は同等であった。また、シール効率においても、実施例
及び比較例とも９９％以上と優れたものであった。しか
しながら、実施例の試験結果Ｖ₁においてはセル電圧の
経時的な低下およびサーマルサイクルテストによるセル
電圧の低下がほとんどみられないのに対して、比較例の
試験結果Ｖ₂においてはセル電圧が経時的に低下すると
ともにサーマルサイクルテストによるセル電圧の低下が
見られた。

【００２３】この結果は、経時的およびサーマルサイク
ルによるシール部の劣化および電解質板の劣化におい
て、実施例が比較例よりも少ないこと、すなわち実施例
におけるシール部の長期安定性と電解質板の強度向上を
裏付けている。シール部の耐差圧性能においては、一般
的に図５に示されるように差圧を上げて行くに従ってガ
スシール効率は低下していくが、シール効率が９０％と
なるところで実施例と比較例の差圧を比較すると、実施
例においては約１０００mmＨ₂Ｏであるのに対して、比
較例においては約５００mmＨ₂Ｏであり、実施例が比較
例の約２倍の差圧まで耐え得ることがわかった。

【００２４】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、長期的に
シール材の安定保持が可能で、耐差圧性能の優れたシー
ル部を有し、サーマルサイクル時の電解質の割れが少な
いＳＯＦＣを提供することができる。すなわち、長期的
に電池性能が安定なＳＯＦＣを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係わるＳＯＦＣの構成を示
す部分分解斜視図である。

【図２】本発明の一実施例に係わるＳＯＦＣの平板状セ
ルの構成を示す斜視図である。

【図３】本発明の一実施例に係わるＳＯＦＣの電解質板
１と多孔質層７の要部斜視図である。

【図４】本発明の実施例および比較例のＳＯＦＣを、連
続運転しながらサーマルサイクルテストした時の、試験
時間（hr. ）とセル電圧（V ）の関係を示す特性図であ
る。

【図５】本発明の実施例と比較例ＳＯＦＣ運転時の初期
において、シール部の耐差圧性能を示す特性図である。

【符号の説明】

１固体電解質板２カソード７多孔質層８セル１０セパレータ１２シール部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者安尾耕司守口市京阪本通２丁目18番地三洋電機株式会社内 (72)発明者齋藤俊彦守口市京阪本通２丁目18番地三洋電機株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】固体電解質板の両面にアノードとカソー
ドとを配して成るセルと、セパレータとを複数積層させ
てなる固体電解質燃料電池において、前記固体電解質板の主表面であって電極の外周面近傍
に、シール材を保持した多孔質層を接合させてガスシー
ル部を形成したことを特徴とする固体電解質燃料電池。
【請求項２】前記多孔質層は固体電解質板と同一組成
の材料で構成されてい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。