(57)【要約】【課題】ガスシール性と機械的強度を共に兼ね備えた信頼性の高いガスシール構造を実現する。【解決手段】シール材は、接合材のシール材Ａとガラスのシール材Ｂの２種類からなる。隣接する部材１，２間に、接合材のシール材Ａとガラスのシール材Ｂとを、互いに交差しない線状に並列に配置する。ガス流路である貫通穴３に近い方に接合材のシール材Ａを配置し、貫通穴３から遠い方にガラスのシール材Ｂを配置する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
隣接する部材間からのガスのリークを防止するシール材を備えたガスシール構造において、
前記シール材は、ガラスのシール材と接合材のシール材とからなり、
前記隣接する部材間に、前記ガラスのシール材と前記接合材のシール材とを、互いに交差しない線状に並列に配置することを特徴とするガスシール構造。
【請求項２】
請求項１に記載のガスシール構造において、
互いに交差しない複数本の線のうち、ガス流路に最も近い１本の線を含む１本以上の線の位置に前記接合材のシール材を配置し、前記ガス流路に最も近い１本の線を除く１本以上の線の位置に前記ガラスのシール材を配置することを特徴とするガスシール構造。
【請求項３】
請求項１または２に記載のガスシール構造において、
前記隣接する部材の互いに対向する面のうち少なくとも一方の部材の面に、複数の凹部を互いに交差しない線状に並列に形成し、
前記複数の凹部のうち少なくとも１つの凹部の中に前記ガラスのシール材を配置し、他の少なくとも１つの凹部の中に前記接合材のシール材を配置することを特徴とするガスシール構造。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載のガスシール構造において、
前記接合材は、セラミックス粒子を媒体に分散させたセラミックス接合材、またはロウ材であることを特徴とするガスシール構造。
【請求項５】
隣接する部材間からの燃料ガスまたは酸化剤ガスのリークを防止するガスシール構造として、
シール材がガラスのシール材と接合材のシール材とからなり、
前記隣接する部材間に、前記ガラスのシール材と前記接合材のシール材とが、互いに交差しない線状に並列に配置されたガスシール構造を有することを特徴とする固体酸化物形燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体酸化物形燃料電池に好適なガスシール構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、電解質層を挟んでその表裏面に燃料極と空気極を備えたセルに対し、燃料ガス（水素）と酸化剤ガス（空気）を供給することで、水素の酸化によってできる水の生成ギブスエネルギーを電気エネルギーとして取り出す発電装置である。固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）はその呼び名の通り、セルの電解質層が固体酸化物から成り、他の燃料電池よりも高温で動作する。そのためエネルギー変換効率が高く、熱も複合利用可能という利点を有している。
【０００３】
ＳＯＦＣは、セルと、セルの各電極に燃料ガスもしくは酸化剤ガスを互いに混じり合うことなく供給すると同時に単セル同士を電気的に接続する機能を有するセパレータとで構成される。セパレータには、外部より導入された反応ガスを各セルに誘導・分配し、回収するためのガス供給・排気機構として、ガスマニホルドを備えた構造もある。
【０００４】
単セルで得られる電圧は約０．７Ｖ程度であるため、ＳＯＦＣは、セルとセパレータを複数交互に積層（スタック）して所望の出力としている。つまり、異なる部材を複数組み合わせて一個の燃料電池を形成するために、セルとセパレータの間や、ガスマニホルド部、あるいはセパレータとセパレータの間において、高いガスシール性が必要な部位が、複数存在することになる。
【０００５】
６００℃以上という高い動作温度に加えて、還元雰囲気から酸化雰囲気までという幅広い雰囲気下で確実にシール性を担保するための技術開発は容易ではない。しかし、ガスシールの不良はＳＯＦＣスタックの出力や効率を低下させるだけでなく、発電システムの安全性にまで大きく影響するために、ガスシールに関する技術開発は主要な課題の一つになっている。
【０００６】
ガス封止性を得るための一般的なシール方法には、ＳＯＦＣの動作温度に近い遷移温度を持つガラスを使用する方法がある（非特許文献１）。また、シリカやアルミナ、ジルコニア等のセラミックス粒子を媒体に分散させたセラミックス接合材やロウ材を用いて接合する方法がある（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１０−２１８８７３号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】James Larminie，Andrew Dicks，“解説  燃料電池システム”，株式会社オーム社，Ｐ．２７０，２００４
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ガラスを用いたガスシール方法はガラスの軟化特性を利用している。すなわち、軟化したガラスがシール部分の隙間を埋めることで高温での高いガスシール性を担保している。従って、シール材としてのガラスには、軟化点がＳＯＦＣの動作温度より低く、更に結晶化温度が動作温度よりも高いことが要求される。ただし、ガラスによるシールの場合、ＳＯＦＣの動作中には軟化したガラスがシール部分を埋めているだけの状態であり、ガラスを配置した部材とガラスとの間が強固に接合されているわけではない。従って、ガラス単体のシール構造は機械的強度が低く、ガラスの流動性が高いため、シール部分に加わるガス圧によってはシール構造が破綻してしまう可能性があった。
【００１０】
一方、シール部分にセラミックス接合材やロウ材などの接合材を配置して機械的に接合する方法は、ガラスによるシール構造に比べて高い接合強度が得られるという利点がある。しかしながら、接合材は流動性が低いため、シール部分の形状や大きさによっては、被接合部材間を隙間なく接合してシール性を担保することが技術的に困難な場合があった。
このように、一般的なシール材単体を使用する従来技術では、シール部分のガスシール性と機械的強度を共に兼ね備えた信頼性の高いシール構造には成り難い。
なお、以上のような問題点は、ＳＯＦＣに限らず、高温の環境下でガスシールの必要性がある装置であれば同様に発生する。
【００１１】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、ガスシール性と機械的強度を共に兼ね備えた信頼性の高いガスシール構造を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、隣接する部材間からのガスのリークを防止するシール材を備えたガスシール構造において、前記シール材は、ガラスのシール材と接合材のシール材とからなり、前記隣接する部材間に、前記ガラスのシール材と前記接合材のシール材とを、互いに交差しない線状に並列に配置することを特徴とするものである。
また、本発明のガスシール構造の１構成例は、互いに交差しない複数本の線のうち、ガス流路に最も近い１本の線を含む１本以上の線の位置に前記接合材のシール材を配置し、前記ガス流路に最も近い１本の線を除く１本以上の線の位置に前記ガラスのシール材を配置することを特徴とするものである。
また、本発明のガスシール構造の１構成例は、前記隣接する部材の互いに対向する面のうち少なくとも一方の部材の面に、複数の凹部を互いに交差しない線状に並列に形成し、前記複数の凹部のうち少なくとも１つの凹部の中に前記ガラスのシール材を配置し、他の少なくとも１つの凹部の中に前記接合材のシール材を配置することを特徴とするものである。
また、本発明のガスシール構造の１構成例において、前記接合材は、セラミックス粒子を媒体に分散させたセラミックス接合材、またはロウ材である。
また、本発明の固体酸化物形燃料電池は、隣接する部材間からの燃料ガスまたは酸化剤ガスのリークを防止するガスシール構造として、シール材がガラスのシール材と接合材のシール材とからなり、前記隣接する部材間に、前記ガラスのシール材と前記接合材のシール材とが、互いに交差しない線状に並列に配置されたガスシール構造を有することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、隣接する部材間に、ガラスのシール材と接合材のシール材とを、互いに交差しない線状に並列に配置することにより、シール部分のガスシール性をガラスによって確保すると同時に、部材間を接合材で接合することによって機械的強度を確保することにより、ガスシール性および機械的強度を共に兼ね備えた信頼性の高いガスシール構造を実現することができる。
【００１４】
また、本発明では、互いに交差しない複数本の線のうち、ガス流路に最も近い１本の線を含む１本以上の線の位置に接合材のシール材を配置し、ガス流路に最も近い１本の線を除く１本以上の線の位置にガラスのシール材を配置することにより、ガスのリークを防止することができ、またガスに混入するガラスの気化成分量を低減することができる。
【００１５】
また、本発明では、隣接する部材の互いに対向する面のうち少なくとも一方の部材の面に、複数の凹部を互いに交差しない線状に並列に形成し、複数の凹部のうち少なくとも１つの凹部の中にガラスのシール材を配置し、他の少なくとも１つの凹部の中に接合材のシール材を配置することにより、シール部の隙間空間をより小さくすることができ、より高いガスシール性と機械的強度の確保を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るガスシール構造を説明する平面図および断面図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態に係るガスシール構造を説明する断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
［発明の原理］
本発明は、ガラスと接合材を共に用いたシール構造とすることで、シール部分のガスシール性をガラスによって担保すると同時に、シール部分の被接合部材間を接合材で接合することによって機械的強度を確保する。
【００１８】
［第１の実施の形態］
以下、本発明の実施の形態について説明する。固体酸化物形燃料電池（以下、ＳＯＦＣ）は、セルと、セルの各電極に燃料ガスもしくは酸化剤ガスを互いに混じり合うことなく供給すると同時に単セル同士を電気的に接続する機能を有するセパレータとで構成される。セパレータには、外部より導入された反応ガスを各セルに誘導・分配し、回収するためのガス供給・排気機構として、ガスマニホルドを備えた構造もある。
【００１９】
単セルで得られる電圧は約０．７Ｖ程度であるため、ＳＯＦＣは、セルとセパレータを複数交互に積層（スタック）して所望の出力としている。つまり、異なる部材を複数組み合わせて一個の燃料電池を形成するために、セルとセパレータの間や、ガスマニホルド部、あるいはセパレータとセパレータの間において、高いガスシール性が必要な部位が、複数存在することになる。
【００２０】
本実施の形態は、このようなＳＯＦＣ中に存在する、高いガスシール性が必要な部位に用いるためのガスシール構造を提供するものであり、ガラスと接合材から成る２種類のシール材を互いに交差しない線状に並列に配置するものである。
【００２１】
ＳＯＦＣのセルの電解質層の材料としては、例えばスカンジア安定化ジルコニア（ＳｃＳＺ）、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、サマリア安定化ジルコニア（ＳＳＺ）、コバルト添加ランタンガレート系酸化物（ＬＳＧＭＣ）などが挙げられる。
【００２２】
また、セルの空気極の材料としては、例えばランタンニッケルフェライト（ＬＮＦ）、ランタンマンガネート（ＬＳＭ）、ランタンストロンチウムコバルタイト（ＬＳＣ）、ランタンストロンチウムコバルタイトフェライト（ＬＳＣＦ）、ランタンストロンチウムフェライト（ＬＳＦ）、サマリウムストロンチウムコバルタイト（ＳＳＣ）などがある。
【００２３】
また、セルの燃料極の材料としては、金属Ｎｉと前記電解質層を構成する材料との混合物などがある。これらの混合物としては、例えばニッケル添加イットリア安定化ジルコニア（Ｎｉ−ＹＳＺ）、ニッケル添加サマリア安定化ジルコニア（Ｎｉ−ＳＳＺ）、ニッケル添加スカンジア安定化ジルコニア（Ｎｉ−ＳｃＳＺ）などがある。
【００２４】
セパレータの材料としては、例えばＬａＣｒＯ3といったセラミックス材料やフェライト系ステンレス鋼などの合金材料などがある。また、セパレータには、セルの空気極と燃料極とを絶縁するための部位が存在する。この部位における絶縁は、ガラスやセラミックス接合材などの絶縁性シール材が担う場合や、セパレータ構造中に配置されたアルミナ、マグネシア、マイカ等から成る絶縁体が担う場合がある。
なお、ＳＯＦＣの構造は例えば特許文献１に開示されているように周知のものであるので、ＳＯＦＣの構造の詳細な説明は省略する。
【００２５】
本実施の形態におけるガスシール構造において、ガラスには、軟化点がＳＯＦＣの動作温度より低く、結晶化温度がＳＯＦＣの動作温度よりも十分に高いものを用いることが好ましい。
【００２６】
接合材としては、シリカやアルミナ、ジルコニア等のセラミックス粒子を媒体に分散させたセラミックス接合材がある。この接合材は、耐熱温度がＳＯＦＣの動作温度より高い必要がある。
また、別の接合材としては、ロウ材が挙げられる。ロウ材としては、例えば銀ロウなどがある。ロウ材の液化温度は、ＳＯＦＣの動作温度より高いことが好ましい。ＳＯＦＣの動作温度以下で液化するロウ材を使用すると、ＳＯＦＣの動作中にロウが流れ出てしまう恐れがあるためである。なお、どのような接合材を用いるかは、温度や部材１，２の材質に応じて適宜選択すればよいことは言うまでもない。
【００２７】
図１（Ａ）は本実施の形態のガスシール構造を説明する平面図、図１（Ｂ）は図１（Ａ）のＩ−Ｉ線断面図である。
図中の１，２はシール材Ａ，Ｂ，Ｃが配置される部材、３は部材１，２を貫通する貫通穴である。本実施の形態では、燃料ガスもしくは酸化剤ガスが貫通穴３を通過する場合について説明する。
【００２８】
ＳＯＦＣの場合、部材１，２の例としては、部材１，２が共に金属の場合、部材１が金属で部材２がセラミックスの場合、部材１，２が共にセラミックスの場合、部材１が絶縁体で部材２が金属の場合、部材１が絶縁体で部材２がセラミックスの場合、部材１、２が共に絶縁体の場合などが考えられる。
【００２９】
図１（Ａ）、図１（Ｂ）に示すように、本実施の形態では、部材１と部材２との間に、例えば接合材からなるシール材Ａと例えばガラスからなるシール材Ｂとを、互いに交差しない線状に並列に配置する。図１（Ａ）、図１（Ｂ）では、３つのシール材Ａ，Ｂ，Ｃを配置しているが、接合材とガラスの２種類のシール材を並列に配置すればよく、シール材の数に制限はない。また、図１（Ａ）、図１（Ｂ）では、３つのシール材Ａ，Ｂ，Ｃを同心円状に等距離で配置しているが、同心円状に配置する必要はなく、シール材間の距離が等距離である必要もない。また、図１（Ａ）、図１（Ｂ）では、３つのシール材Ａ，Ｂ，Ｃを曲線状に配置しているが、直線状に配置してもよく、これらのシール材を平行に配置する必要もない。
【００３０】
以上のように、本実施の形態では、シール部分のガスシール性をガラスによって確保すると同時に、部材１，２間を接合材で接合することによって機械的強度を確保することにより、ガスシール性および機械的強度を共に兼ね備えた信頼性の高いガスシール構造を実現することができる。
【００３１】
接合材のシールを単独で用いた場合には、部材間のどこかに隙間があるなどしてガスシール性が確保されていない状態で接合してしまう場合があり得るが、本実施の形態では、ガラスのシール材を併用することで、接合材による接合部に隙間があったとしても、ガスシール性を確保することができる。
【００３２】
ガラスとセラミックス粒とを混合したシール材が従来から知られているが、このようなタイプのシール材では、ガラスとセラミックス粒の混合量比や材料選択が一般的に難しいという問題がある。本実施の形態では、ガラスのシール材と接合材のシール材とを別個に用いることにより、容易に信頼性の高いガスシール構造を実現することができる。セラミックスとガラスとを混合すると、たとえセラミックスが接合材であったとしても、ガラスと混合された状態ではセラミックスによる十分な接合効果は得られず、本実施の形態のようなガラスとセラミックスの相互補完的な効果を得ることはできない。
【００３３】
ガラスのシール材と接合材のシール材とを１本ずつを配置する場合には、ガス流路（図１（Ａ）、図１（Ｂ）の例では貫通穴３）に近い方に接合材のシール材Ａを配置し、ガス流路から遠い方にガラスのシール材Ｂを配置することが好ましい。その理由は、接合材のシール材Ａがガス圧の大部分を受け止めるため、シール材Ａの空隙を抜けてきたガスはガラスのシール材Ｂを開かせるほどの圧力を有していないと考えられるためである。ガス流路に近い方にガラスのシール材を配置し、ガス流路から遠い方に接合材のシール材を配置した場合、一旦ガラスのシール材が開いても、ガラスのシール材と接合材のシール材とに挟まれた部分のガス圧が上昇すればガラスの流動性によりガラスのシール材が閉じるが、接合材のシール材に空隙がある場合、ガラスのシール材と接合材のシール材とに挟まれた部分のガス圧が維持できないため、間欠的にガラスシールが開く可能性がある。
【００３４】
また、ガス流路に近い方に接合材のシール材を配置すれば、酸化剤ガスまたは燃料ガスに混入するガラスの気化成分量を低減することができる。特に、ガラスのシール材にはケイ素以外にアルカリ金属等も含まれており、ガス中に混入したシール材の気化成分がセル特性を劣化させる可能性があるので、ガスに混入するガラスの気化成分量を低減することは有効である。
【００３５】
また、３つ以上のシール材を並列に配置する場合には、１又は複数の接合材のシール材のうち最もガス流路に近い方に配置された接合材のシール材の外側（ガス流路から遠い側）のいずれかの場所にガラスのシール材が設けられていれば、それ以外のシール材の配置は特に限定されない。つまり、部材１，２の面に配置された互いに交差しない複数本の線のうち、ガス流路に最も近い１本の線を含む１本以上の線の位置に接合材のシール材を配置し、ガス流路に最も近い１本の線を除く１本以上の線の位置にガラスのシール材を配置すればよい。
【００３６】
なお、本実施の形態では、円形のガス流路の周囲にシール材を配置する場合について説明しているが、これに限るものではなく、ＳＯＦＣにおいてガス流路が近くにある部位であって、ガス漏れを防ぎたい部位であれば、本発明を適用することができる。
【００３７】
［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。図２は本実施の形態のガスシール構造を説明する断面図であり、図１（Ａ）、図１（Ｂ）と同一の構成には同一の符号を付してある。
本実施の形態は、シール材２のシール材１と対向する面に、凹部４Ａ，４Ｂ，４Ｃを互いに交差しない線状に並列に配置し、凹部４Ａ，４Ｂ，４Ｃの中にシール材Ａ，Ｂ，Ｃを配置したものである。
【００３８】
このように、凹部４Ａ，４Ｂ，４Ｃの中にシール材Ａ，Ｂ，Ｃを配置すると、シール部の隙間空間がより小さくなるために、より高いガスシール性と機械的強度の確保が期待できる。
シール材の場合と同様に、凹部の数や形状等は特に制限するものではない。凹部は、ガラスのシール材と接合材のシール材を配置するため、最低２つあればよい。凹部は、直線状に配置してもよいし、曲線状に配置してもよい。また、第１の実施の形態と同様に、ガラスのシール材と接合材のシール材とを１本ずつを配置する場合には、ガス流路に近い方に接合材のシール材を配置すればよい。
【００３９】
なお、図２の例では、部材２にのみ凹部４Ａ，４Ｂ，４Ｃを設けているが、部材１についても部材２と対向する面の凹部４Ａ，４Ｂ，４Ｃと相対する位置に凹部を設けてもよい。
【００４０】
第１、第２の実施の形態では、部材１，２を水平にして使用する場合について説明しているが、部材１，２を垂直に立てて積み重ねる場合、すなわちシール材が配置される面が垂直の場合にも本発明を適用することができる。ガラスのシール材が垂れる可能性がある場合には、第２の実施の形態を適用すればよい。
また、第１、第２の実施の形態では、ＳＯＦＣを例に挙げて説明しているが、これに限るものではなく、本発明は高温の環境下でガスシールの必要性がある装置であれば適用することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本発明は、固体酸化物形燃料電池等のガスシール構造に適用することができる。
【符号の説明】
【００４２】
１，２…部材、３…貫通穴、４Ａ，４Ｂ，４Ｃ…凹部、Ａ，Ｂ，Ｃ…シール材。
【図１】
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【図２】
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