JPH07122284A - 平板型固体電解質燃料電池用ガスシール構造 - Google Patents
平板型固体電解質燃料電池用ガスシール構造Info
- Publication number
- JPH07122284A JPH07122284A JP5289876A JP28987693A JPH07122284A JP H07122284 A JPH07122284 A JP H07122284A JP 5289876 A JP5289876 A JP 5289876A JP 28987693 A JP28987693 A JP 28987693A JP H07122284 A JPH07122284 A JP H07122284A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- gas
- gas seal
- seal structure
- fuel cell
- flat plate
- 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】
【目的】 平板型固体電解質燃料電池において、メンテ
ナンスが簡便で、長期に渡り安定に使用可能なガスシー
ル構造を提供する。 【構成】 平板型の単セルとインターコネクタからなる
セルスタック１を円筒形のガスマニホールド２に内接さ
せて、該内接された部分で、燃料ガスと酸化剤ガスを分
離する平板型固体電解質燃料電池用ガスシール構造にお
いて、前記内接された部分に、部分安定化ジルコニアの
チューブ６が配され、該チューブ６により燃料ガスと酸
化剤ガスが分離されてなるガスシール構造であることを
特徴とする。 【効果】 部分安定化ジルコニアのガスシール材を平板
型固体電解質燃料電池の固体ガスシールに使用すること
で、メンテナンスが簡便で長期に渡り安定に使用可能な
ガスシール法を得ることに成功した。
ナンスが簡便で、長期に渡り安定に使用可能なガスシー
ル構造を提供する。 【構成】 平板型の単セルとインターコネクタからなる
セルスタック１を円筒形のガスマニホールド２に内接さ
せて、該内接された部分で、燃料ガスと酸化剤ガスを分
離する平板型固体電解質燃料電池用ガスシール構造にお
いて、前記内接された部分に、部分安定化ジルコニアの
チューブ６が配され、該チューブ６により燃料ガスと酸
化剤ガスが分離されてなるガスシール構造であることを
特徴とする。 【効果】 部分安定化ジルコニアのガスシール材を平板
型固体電解質燃料電池の固体ガスシールに使用すること
で、メンテナンスが簡便で長期に渡り安定に使用可能な
ガスシール法を得ることに成功した。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は平板型固体電解質燃料電
池用ガスシール構造に関するものである。
池用ガスシール構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術および問題点】近年、酸素イオン伝導体を
用いた固体電解質燃料電池に関心が高まりつつある。特
にエネルギーの有効利用という観点から、固体燃料電池
はカルノー効率の制約を受けないため本質的に高いエネ
ルギー変換効率を有し、さらに良好な環境保全が期待さ
れるなどの優れた特徴をもっている。
用いた固体電解質燃料電池に関心が高まりつつある。特
にエネルギーの有効利用という観点から、固体燃料電池
はカルノー効率の制約を受けないため本質的に高いエネ
ルギー変換効率を有し、さらに良好な環境保全が期待さ
れるなどの優れた特徴をもっている。
【０００３】固体燃料電池のセルスタック形式の中で平
板型セルスタックは発電時の電流密度が高くとれるた
め、近年研究が盛んに行なわれている。このセルは図３
に示すように正方形のセルスタック１が円形のマニホー
ルド２に内接する形をとるセル方式が盛んに検討されて
いるが、この場合内接部分で酸素ガスと燃料ガスのシー
ルを行なっている。ところが、セルスタック１とマニホ
ールド２との熱膨張差があるため、燃料電池の運転の始
動、停止時の温度変化に伴う伸びの違いに起因して、こ
のガスシール部分３に応力が発生する。このシール部分
３に軟化点が運転温度に比べ低いガラスを充填するガラ
スシール方式も検討されているが軟化点以下での応力の
発生に対応できない他、溶融したガラスは反応性が高い
ためこれに接するセル部分の劣化が懸念される。なお、
図３中、矢印４は燃料ガスの流れ方向、矢印５は酸化剤
ガス（空気）の流れ方向を示す。
板型セルスタックは発電時の電流密度が高くとれるた
め、近年研究が盛んに行なわれている。このセルは図３
に示すように正方形のセルスタック１が円形のマニホー
ルド２に内接する形をとるセル方式が盛んに検討されて
いるが、この場合内接部分で酸素ガスと燃料ガスのシー
ルを行なっている。ところが、セルスタック１とマニホ
ールド２との熱膨張差があるため、燃料電池の運転の始
動、停止時の温度変化に伴う伸びの違いに起因して、こ
のガスシール部分３に応力が発生する。このシール部分
３に軟化点が運転温度に比べ低いガラスを充填するガラ
スシール方式も検討されているが軟化点以下での応力の
発生に対応できない他、溶融したガラスは反応性が高い
ためこれに接するセル部分の劣化が懸念される。なお、
図３中、矢印４は燃料ガスの流れ方向、矢印５は酸化剤
ガス（空気）の流れ方向を示す。
【０００４】固体のガスシールを用いる場合にはセルス
タックとの反応は比較的起きにくいと考えられるが、
（１）酸素、還元雰囲気中で共に安定である、（２）室
温から１０００℃の運転温度において弾性をもつこと、
（３）ガス透過性がないことの三条件が要求される。
タックとの反応は比較的起きにくいと考えられるが、
（１）酸素、還元雰囲気中で共に安定である、（２）室
温から１０００℃の運転温度において弾性をもつこと、
（３）ガス透過性がないことの三条件が要求される。
【０００５】
【発明の目的】本発明は上述の問題点を解決することを
目的とするものであり、平板型固体電解質燃料電池にお
いて、メンテナンスが簡便で、長期に渡り安定に使用可
能なガスシール構造を提供することを目的とする。
目的とするものであり、平板型固体電解質燃料電池にお
いて、メンテナンスが簡便で、長期に渡り安定に使用可
能なガスシール構造を提供することを目的とする。
【０００６】
【問題点を解決するための手段】上記の問題点を解決す
るため、本発明による平板型固体電解質燃料電池用ガス
シール構造は、平板型の単セルとインターコネクタから
なるセルスタックを円筒形のガスマニホールドに内接さ
せて、該内接された部分で、燃料ガスと酸化剤ガスを分
離する平板型固体電解質燃料電池用ガスシール構造にお
いて、前記内接された部分に、部分安定化ジルコニアの
チューブが配され、該チューブにより燃料ガスと酸化剤
ガスが分離されてなるガスシール構造であることを特徴
とする。
るため、本発明による平板型固体電解質燃料電池用ガス
シール構造は、平板型の単セルとインターコネクタから
なるセルスタックを円筒形のガスマニホールドに内接さ
せて、該内接された部分で、燃料ガスと酸化剤ガスを分
離する平板型固体電解質燃料電池用ガスシール構造にお
いて、前記内接された部分に、部分安定化ジルコニアの
チューブが配され、該チューブにより燃料ガスと酸化剤
ガスが分離されてなるガスシール構造であることを特徴
とする。
【０００７】すなわち、本発明のガスシール構造は高温
で酸素雰囲気、および還元雰囲気において安定でかつセ
ルスタックに対して機械的または化学的な悪影響を及ぼ
さず長期に渡って使用できる、部分安定化ジルコニアの
チューブなどを固体ガスシールとして使用することを特
徴とする。
で酸素雰囲気、および還元雰囲気において安定でかつセ
ルスタックに対して機械的または化学的な悪影響を及ぼ
さず長期に渡って使用できる、部分安定化ジルコニアの
チューブなどを固体ガスシールとして使用することを特
徴とする。
【０００８】
【作用】以下に本発明の作用を説明する。
【０００９】正方晶構造をとる部分安定化ジルコニア
（ＹxＺｒ1-xＯ2，ｘ＝０．０４〜０．１０）は機械的
強度に優れ、特に曲げ応力に対して極めて強い。したが
って、肉厚の十分に薄い部分安定化ジルコニアのチュー
ブは、固体ガスシール材にかかる外部応力に対して容易
に弾性変形する。
（ＹxＺｒ1-xＯ2，ｘ＝０．０４〜０．１０）は機械的
強度に優れ、特に曲げ応力に対して極めて強い。したが
って、肉厚の十分に薄い部分安定化ジルコニアのチュー
ブは、固体ガスシール材にかかる外部応力に対して容易
に弾性変形する。
【００１０】このような性質をもつ部分安定化ジルコニ
アチューブ６を介してセルスタック１とマニホールド２
が接触する構造とする（図１参照）ことで、ガスシール
を行なった場合、運転の始動停止に伴うヒートサイクル
をかけてもセルスタックに無理な応力がかからず、ガス
シール機能も低下しない。また、このシール材はセルス
タックと融着しないため、一定期間の運転後にもセルス
タックをマニホールドから容易に分離することができ
る。これによりセルの全部あるいは一部交換等のメンテ
ナンスを簡便に行なうことができる。
アチューブ６を介してセルスタック１とマニホールド２
が接触する構造とする（図１参照）ことで、ガスシール
を行なった場合、運転の始動停止に伴うヒートサイクル
をかけてもセルスタックに無理な応力がかからず、ガス
シール機能も低下しない。また、このシール材はセルス
タックと融着しないため、一定期間の運転後にもセルス
タックをマニホールドから容易に分離することができ
る。これによりセルの全部あるいは一部交換等のメンテ
ナンスを簡便に行なうことができる。
【００１１】また、このチューブは固体電解質とほぼ同
じ組成であるため、酸素ガス燃料ガス中でも安定である
ほかセルスタックと反応して発電能力の低下を引き起こ
すような恐れはない。
じ組成であるため、酸素ガス燃料ガス中でも安定である
ほかセルスタックと反応して発電能力の低下を引き起こ
すような恐れはない。
【００１２】以上のような構成とすることによって、メ
ンテナンスが簡便で、長期に渡り安定に使用可能なガス
シール法を実現できる。
ンテナンスが簡便で、長期に渡り安定に使用可能なガス
シール法を実現できる。
【００１３】
【実施例】以下に本発明の実施例を説明する。なお、当
然のことであるが本発明は以下の実施例に限定されるも
のではない。
然のことであるが本発明は以下の実施例に限定されるも
のではない。
【００１４】
【実施例１】ここでセルスタック１は一辺５０ｍｍの正
方形のＹＳＺ電解質板１１（立方晶相、板厚２００ミク
ロン）に燃料極１２としてＮｉ−ＹＳＺ（ＮｉＯとして
６０ｗｔ％）を、空気極１３としてＬａ0.8Ｓｒ0.2Ｍｎ
Ｏ3を共にスクリーン印刷により塗布し、それぞれ１３
５０℃、１２００℃で焼結させた。インターコネクタ１
４はＬａ0.8Ｃａ0.2ＣｒＯ3を１６００℃で焼結した。
方形のＹＳＺ電解質板１１（立方晶相、板厚２００ミク
ロン）に燃料極１２としてＮｉ−ＹＳＺ（ＮｉＯとして
６０ｗｔ％）を、空気極１３としてＬａ0.8Ｓｒ0.2Ｍｎ
Ｏ3を共にスクリーン印刷により塗布し、それぞれ１３
５０℃、１２００℃で焼結させた。インターコネクタ１
４はＬａ0.8Ｃａ0.2ＣｒＯ3を１６００℃で焼結した。
【００１５】これらを図２に示すように積層し、図１に
示すマニホールド２に入れた。ただし一番上と下のイン
ターコネクタだけは片面だけに溝を持つものを用い、白
金の集電板を乗せジルコニアの蓋をした。燃料の水素と
酸素は下方の蓋に開けられた穴から供給され、他方の穴
から排出される。本発明のガスシールにはシール部分に
直径５．３ｍｍの円筒形のチューブ用穴３１を設けこの
中に直径５ｍｍ、肉厚が０．２ｍｍの部分安定化ジルコ
ニアチューブ６を挿入した。比較のために用いた従来型
のガスシール部３には、クリアランスを０．５ｍｍと
し、ガラスによる溶融シールにはパイレックス系のガラ
ス粉末を用いた。
示すマニホールド２に入れた。ただし一番上と下のイン
ターコネクタだけは片面だけに溝を持つものを用い、白
金の集電板を乗せジルコニアの蓋をした。燃料の水素と
酸素は下方の蓋に開けられた穴から供給され、他方の穴
から排出される。本発明のガスシールにはシール部分に
直径５．３ｍｍの円筒形のチューブ用穴３１を設けこの
中に直径５ｍｍ、肉厚が０．２ｍｍの部分安定化ジルコ
ニアチューブ６を挿入した。比較のために用いた従来型
のガスシール部３には、クリアランスを０．５ｍｍと
し、ガラスによる溶融シールにはパイレックス系のガラ
ス粉末を用いた。
【００１６】１０００℃において気密試験を行なった。
ここで用いたセルスタックとマニホールド、およびガス
シール材の構成を表１に示す。
ここで用いたセルスタックとマニホールド、およびガス
シール材の構成を表１に示す。
【００１７】
【００１８】ここでは本発明のガスシール材を用いた場
合と、溶融シール材を用いた場合の気密性の比較試験を
行なった。ここでは燃料極側にヘリウム、酸素極側に窒
素を流し、酸素極側に排気されたガスの窒素とヘリウム
の分圧（ＰHe／ＰN2）をマスフィルタで測定し、これに
より酸素極側への漏れ量を評価した。ガス流量とガス圧
が等しい場合（ＰHe／ＰN2＝１．０）、および圧力差を
つけた場合（ＰHe／ＰN2＝１．１）の二つの条件につい
て試験した。本実施例では酸素極と燃料極側のガス流路
はほとんど等しいので酸素側のみの測定としてある。こ
の結果を表２に示す。
合と、溶融シール材を用いた場合の気密性の比較試験を
行なった。ここでは燃料極側にヘリウム、酸素極側に窒
素を流し、酸素極側に排気されたガスの窒素とヘリウム
の分圧（ＰHe／ＰN2）をマスフィルタで測定し、これに
より酸素極側への漏れ量を評価した。ガス流量とガス圧
が等しい場合（ＰHe／ＰN2＝１．０）、および圧力差を
つけた場合（ＰHe／ＰN2＝１．１）の二つの条件につい
て試験した。本実施例では酸素極と燃料極側のガス流路
はほとんど等しいので酸素側のみの測定としてある。こ
の結果を表２に示す。
【００１９】
【００２０】本発明のシール方法は、ガラスの溶融シー
ルを用いた場合とほぼ同じ気密特性が得られたことから
十分なガスシール効果を有することがわかった。この試
験を行なった後、マニホールド内のセルスタックを検査
したところ、本発明のガスシール方法では、各セルの破
損およびガスシール材とセルスタックの融着は認められ
ず、容易にセルをマニホールドから取り外すことができ
た。従来型の構造では、ガスシール材とセルスタックが
融着し、セルスタックをマニホールドから取り出すこと
は不可能であった。
ルを用いた場合とほぼ同じ気密特性が得られたことから
十分なガスシール効果を有することがわかった。この試
験を行なった後、マニホールド内のセルスタックを検査
したところ、本発明のガスシール方法では、各セルの破
損およびガスシール材とセルスタックの融着は認められ
ず、容易にセルをマニホールドから取り外すことができ
た。従来型の構造では、ガスシール材とセルスタックが
融着し、セルスタックをマニホールドから取り出すこと
は不可能であった。
【００２１】
【発明の効果】以上説明したように、部分安定化ジルコ
ニアのガスシール材を平板型固体電解質燃料電池の固体
ガスシールに使用することで、メンテナンスが簡便で長
期に渡り安定に使用可能なガスシール法を得ることに成
功した。本発明は固体燃料電池の高信頼性化に大きな貢
献をなすものである。
ニアのガスシール材を平板型固体電解質燃料電池の固体
ガスシールに使用することで、メンテナンスが簡便で長
期に渡り安定に使用可能なガスシール法を得ることに成
功した。本発明は固体燃料電池の高信頼性化に大きな貢
献をなすものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の平板型固体燃料電池のセルスタックと
マニホールドの平面図。
マニホールドの平面図。
【図２】セルスタックの分解斜視図。
【図３】本発明の平板型固体燃料電池のセルスタックと
マニホールドの平面図。
マニホールドの平面図。
１ セルスタック １１ 固体電解質 １２ 燃料極 １３ 酸素極 １４ インターコネクタ ２ マニホールド ３ シール部分 ３１ チューブ用穴 ４ 燃料ガス流れ方向 ５ 酸化剤ガス流れ方向 ６ チューブ
Claims (1)
- 【請求項１】平板型の単セルとインターコネクタからな
るセルスタックを円筒形のガスマニホールドに内接させ
て、該内接された部分で、燃料ガスと酸化剤ガスを分離
する平板型固体電解質燃料電池用ガスシール構造におい
て、前記内接された部分に、部分安定化ジルコニアのチ
ューブが配され、該チューブにより燃料ガスと酸化剤ガ
スが分離されてなるガスシール構造であることを特徴と
する平板型固体電解質燃料電池用ガスシール構造。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5289876A JPH07122284A (ja) | 1993-10-26 | 1993-10-26 | 平板型固体電解質燃料電池用ガスシール構造 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5289876A JPH07122284A (ja) | 1993-10-26 | 1993-10-26 | 平板型固体電解質燃料電池用ガスシール構造 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07122284A true JPH07122284A (ja) | 1995-05-12 |
Family
ID=17748918
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP5289876A Pending JPH07122284A (ja) | 1993-10-26 | 1993-10-26 | 平板型固体電解質燃料電池用ガスシール構造 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH07122284A (ja) |
-
1993
- 1993-10-26 JP JP5289876A patent/JPH07122284A/ja active Pending
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