JPH0982346A - 平板状固体電解質燃料電池 - Google Patents

平板状固体電解質燃料電池

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JPH0982346A
JPH0982346A JP7234273A JP23427395A JPH0982346A JP H0982346 A JPH0982346 A JP H0982346A JP 7234273 A JP7234273 A JP 7234273A JP 23427395 A JP23427395 A JP 23427395A JP H0982346 A JPH0982346 A JP H0982346A
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安藤基朗
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若山慎一
Yoshiyuki Someya
染谷喜幸
Toshihiko Yoshida
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Abstract

(57)【要約】 【課題】固体電解質板とセパレータの熱膨張係数の差に
より生じる熱応力の発生を極力減少させる。 【解決手段】両面に電極11が形成された固体電解質板
1がセパレータを介して複数積層された平板状固体電解
質燃料電池において、前記固体電解質板1とセパレータ
の間に、且つ前記電極11の周縁部と電極11の内部に
封止材12を設けたことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、平板状固体電解質
燃料電池に関し、特に固体電解質板とセパレータの間の
封止技術に関する。
【0002】
【従来の技術】燃料電池は、炭化水素等の燃料ガスと空
気等の酸化剤ガスの持つ化学エネルギーを電気化学的な
反応によって直接電気エネルギーに変換する装置であ
り、そのうち、固体電解質燃料電池(SOFC)は、電
解質が常態または作動条件下で液状となるリン酸型(P
AFC)や溶融炭酸塩型(MCFC)と異なり、電解質
による周辺材料の腐食、電解質自体の分解、蒸発等がな
く電池構造を簡素化でき、また、動作温度が1000℃
程度と高いため、燃料として水素の他、メタンや天然ガ
スを改質することなくそのまま使用することができると
共に、排熱をガスタービンや蒸気タービンに導くことに
より、高いエネルギー利用効率を得ることができる。固
体電解質燃料電池は、構造の違いにより円筒型、モノリ
シック型(またはハニカム型)及び平板型に大別され、
このうち平板型は、高出力密度、低コスト、コンパクト
化の観点から注目されている。
【0003】図6は、従来の平板状固体電解質燃料電池
の1例を示す分解斜視図である。固体電解質板1の上面
及び下面には、電極としてのカソード2及びアノード3
が一体形成されており、この固体電解質板1の複数をセ
パレータ4を介して接合積層し、上下端に端子板5、6
を積層して構成されている。セパレータ4の上下面にそ
れぞれ燃料ガス通路7及び酸化剤ガス通路8が形成さ
れ、また、上部端子板5及び下部端子板6の片面には、
それぞれ酸化剤ガス通路8と燃料ガス通路7が形成さ
れ、固体電解質板1とこの固体電解質板1を挟む燃料ガ
ス通路7と酸化剤ガス通路8とにより燃料電池の単位セ
ル9が構成されている。
【0004】そして、このような単位セル9を多数直列
に積層して電池本体を構成し、燃料ガス通路7に燃料ガ
スを供給し、酸化剤ガス通路8に空気を供給し、上部及
び下部端子板5、6を図示しない外部回路に接続する
と、酸素は燃料ガスと反応しイオン化して固体電解質板
1を通して流れ、このとき、カソード2側では酸素が電
子を取り込んで酸素イオンとなり、アノード3側ではこ
の酸素イオンと燃料ガスが反応して電子を放出するの
で、外部回路にはカソードを正極、アノードを負極とし
て下部端子板6から上部端子板5へ電流が流れる。
【0005】固体電解質板1とセパレータ4の間には、
セパレータ4のガス通路の方向に沿う2辺に、作動温度
(約1000℃)で軟化するガラスからなる封止材10
を挟み込んでガスが漏れないようにシールしている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の燃料電池においては、単位セル9を縦方向に積層す
ることは比較的容易であるが、単位セル9自体の面積を
増加させることは困難であるという問題を有している。
これは、メンテナンス或いは何らかの原因で作動温度が
降下するとガラスからなる封止材10が固化し、その結
果、固体電解質板1とセパレータ4との熱膨張係数の差
により熱応力が増大し、固体電解質板1が破壊する場合
が生じるからである。また、燃料ガスとしてメタンを用
いた場合、アノード側では改質反応に伴い面内温度分布
の不均一が発生し、さらに発電に伴う発熱によりセル中
心部と周辺部に温度差が発生し、同様に固体電解質板が
破壊する場合が生じる。
【0007】本発明は、上記問題を解決するものであっ
て、作動温度の昇降温時における固体電解質板とセパレ
ータの熱膨張係数の差により生じる熱応力の発生を極力
減少させることができ、さらには、単位セル自体の面積
を増加させることができる平板状固体電解質燃料電池を
提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】そのために本発明の平板
状固体電解質燃料電池は、両面に電極が形成された固体
電解質板がセパレータを介して複数積層された平板状固
体電解質燃料電池において、前記固体電解質板とセパレ
ータの間に、且つ前記電極の周縁部と電極の内部に封止
材を設けたことを特徴とする。
【0009】なお、電極構成面積に対して封止材の占め
る面積の割合は1〜50%とすることが好ましく、最も
好ましくは1〜20%とすることが望まれる。これは、
1%以下であると熱サイクル時に固体電解質板の破壊が
おきやすく、50%以上であると十分な出力を取り出す
ことができないためである。
【0010】また、封止材としては、(1)軟化点が5
00〜800℃のガラスが好ましく用いられ、さらに好
ましくは、(2)ガラスペースト、ホウケイ酸ガラス、
シリカアルミナ、ムライト、ソーダライムガラス、ホウ
酸塩ガラスが用いられる。
【0011】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照しつつ説明する。図1は、本発明における平板状
固体電解質燃料電池の1例を示し、図(A)は平面図、
図(B)は図(A)のA−A線に沿う断面図である。本
発明は、図6で説明した平板状固体電解質燃料電池の電
極2、3及び封止材10の構造を改良するものである。
【0012】図6に示すように、平板状の固体電解質板
1の両面には、カソード2及びアノード3が形成され、
図1ではこれが電極11(片面を省略)として示されて
いる。両面に電極2、3を形成した固体電解質板1は、
ガス通路と集電体を兼ねたセパレータ4を介して積層さ
れる。
【0013】固体電解質板1は、酸素イオン伝導性を有
する電解質、例えば、部分安定化ジルコニア、安定化ジ
ルコニアなど公知の固体電解質材料で作った板状物から
なり、厚さは0.05〜0.3mm程度、より好ましく
は0.08〜0.25mm程度が適当である。0.05
mmより薄いと強度上問題があり、0.3mmを越える
と電流路が長くなり好ましくない。
【0014】カソード2は、酸素通路側なので高温下で
酸素に対して耐食性のある導電性材料、例えば、LaX
Sr1-XMnO3などの導電性複合酸化物粉末を固体電解
質板1片面に塗布し、ガス透過性となるように多孔性に
形成する。塗布の手法としては、はけ塗り法、スクリー
ン印刷法があり、その他、多孔状膜の作成方法としては
CVD法、プラズマCVD法、スパッタ法、溶射法等が
可能である。
【0015】アノード3は、水素通路側なので高温下で
水素に対して耐食性のある導電性材料(例えば、Ni/
ZrO2サーメットなど)を用い、ガス透過性となるよ
うに多孔性に形成する。また、アノード、カソードは多
孔性の板状化が可能であれば、それを電解質と付着させ
て使用することも可能である。セパレータ4は、金属ま
たは例えばLaXSr1-XCrO3などの導電性セラミッ
クスで形成する。
【0016】本例においては、固体電解質板1の面に電
極11が4分割され、電極11の周囲に格子状の封止材
12が設けられたパターンとし、固体電解質板1とセパ
レータ4を積層して組み立てるとき、固体電解質板1と
セパレータ4間でガスリークしないようにする。封止材
12としては、例えば軟化点が約500〜800℃のガ
ラスペースト、ホウケイ酸ガラス、シリカアルミナ、ム
ライト、ソーダライムガラス、ホウ酸塩ガラス等を採用
し、これらの封止材は、電池の作動温度(900〜10
00℃)では十分に軟化してガスを封止する。作動温度
の昇降温時においては、封止材12による固体電解質板
1とセパレータ4間の接続拘束面を多くし且つ熱応力を
縦横方向に均一に分散させる構成をとっているため、両
者の熱膨張係数の差により生じる熱応力の発生を極力減
少させることができ、さらには、単位セル自体の面積を
増加させることができる。
【0017】図2は、実験結果を示し、20cm角3段
スタックセルにおいて、周辺部のみのシールを行った場
合(比較例)と、図1に示す周辺部と電極内部にもシー
ルを行った場合(実施例)について、動作温度までの昇
降温を繰り返した際の開放電圧の変化を示している。す
なわち、比較例では開放電圧が昇降温を繰り返すことに
より徐々に低下してきており、ジルコニアの破壊による
アノードガスとカソードガスのクロスリークが拡大して
きているものと考えられる。これに比べて、実施例では
昇降温を繰り返しても開放電圧は変化せず、電極内部で
のシールが部材の破壊防止に効果があることを示してい
る。
【0018】図3〜図5は、本発明における平板状固体
電解質燃料電池の他の例し、それぞれ図(A)は平面
図、図(B)は図(A)のA−A線に沿う断面図であ
る。図3の例においては、電極11の周縁部に封止材1
2を設けると共に、電極11の中心部に矩形状の封止材
12を設けたパターンを示し、図4の例においては、電
極11の周縁部に封止材12を設けると共に、電極11
の内部に複数の矩形状の封止材12を規則的に配列した
パターンを示し、図5の例においては、電極11の周縁
部に封止材12を設けると共に、電極11の内部に複数
の円形の封止材12を規則的に配列したパターンを示し
ている。要するに電極11の周縁部と、電極11の内部
とに封止材12を設けるようにすればよく、電極11の
内部の封止材12は一つ又は複数であり、その形状は、
矩形、円形等種々の形状が採用できる。
【0019】以上の説明から明らかなように本発明によ
れば、作動温度の昇降温時における固体電解質板とセパ
レータの熱膨張係数の差により生じる熱応力の発生を極
力減少させることができ、さらには、単位セル自体の面
積を増加させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明における平板状固体電解質燃料電池の1
例を示し、図(A)は平面図、図(B)は図(A)のA
−A線に沿う断面図である。
【図2】本発明に係わる実験結果を示す図である。
【図3】本発明における平板状固体電解質燃料電池の他
の例し、図(A)は平面図、図(B)は図(A)のA−
A線に沿う断面図である。
【図4】本発明における平板状固体電解質燃料電池の他
の例し、図(A)は平面図、図(B)は図(A)のA−
A線に沿う断面図である。
【図5】本発明における平板状固体電解質燃料電池の他
の例し、図(A)は平面図、図(B)は図(A)のA−
A線に沿う断面図である。
【図6】従来の平板状固体電解質燃料電池の1例を示す
分解斜視図である。
【符号の説明】
1…固体電解質板、2…カソード、3…アノード、4…
セパレータ 7…燃料ガス流路、8…酸化剤ガス流路、9…単位セル 11…電極、12…封止材
フロントページの続き (72)発明者 染谷喜幸 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 (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 (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】両面に電極が形成された固体電解質板がセ
    パレータを介して複数積層された平板状固体電解質燃料
    電池において、前記固体電解質板とセパレータの間に、
    且つ前記電極の周縁部と電極の内部に封止材を設けたこ
    とを特徴とする平板状固体電解質燃料電池。
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