CN108780902A - 固体氧化物型燃料电池 - Google Patents

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Abstract

本发明的固体氧化物型燃料电池包括：燃料电池单元，其依次层叠燃料极、固体电解质、空气极而成；集电辅助层，其层叠于所述燃料电池单元的空气极侧；多个空气流路，其配设于所述空气极侧；以及多个燃料气体流路，其配设于所述燃料极侧，固体氧化物型燃料电池的特征在于，所述空气流路和所述燃料气体流路分别由固定于所述集电辅助层或所述燃料电池单元的燃料极侧的集电体划分形成、且在与所述燃料电池单元的层叠方向垂直的方向上沿着同一方向延伸，空气极侧的所述集电体在沿着所述空气流路的延伸方向延伸的第1固定部固定于所述集电辅助层、且燃料极侧的所述集电体在沿着所述燃料气体流路的延伸方向延伸的第2固定部固定于所述燃料电池单元的燃料极侧。而且，所述集电辅助层的与所述空气流路的延伸方向正交的方向上的弯曲刚性小于所述空气流路的延伸方向上的弯曲刚性。

Description

固体氧化物型燃料电池
技术领域
本发明涉及一种固体氧化物型燃料电池，更详细而言，涉及一种防止了因接点分离而导致电阻上升的固体氧化物型燃料电池。
背景技术
近年，作为发电效率较高、而且几乎不产生有害的气体、对地球环境有益的清洁的能源，燃料电池引起了关注。
在各种燃料电池中，固体氧化物型燃料电池(以下有时简称作“SOFC”。)由燃料电池单元和集电体构成，其中，该燃料电池单元由固体氧化物电解质层、供气体透过的电极即空气极(阴极)和供气体透过的燃料极(阳极)构成。
而且，燃料电池为将所述固体氧化物电解质层作为分隔壁并向燃料极供给氢、烃等燃料气体、向另一侧的空气极供给空气等含氧气体从而进行发电的燃料电池。
所述集电体与燃料电池单元接触并收集燃料电池单元的电荷，并且在所述燃料电池单元与集电体之间形成燃料气体流路或空气流路。
而且，所述燃料电池单元的空气极是由金属氧化物构成的，所述金属氧化物与金属相比电阻较高。
因而，由于在电荷在所述空气极内移动的距离变长时，发电效率下降，因而进行有在空气极与集电体之间设置集电辅助层并形成导电路径从而使电阻下降的方法。
在专利文献1的日本特开2008－243513号公报中公开有一种在形成气体流路的碳双极板与膜-电极接合体之间设有金属板网等金属多孔体的燃料电池堆。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2008－243513号公报
发明内容
发明要解决的问题
但是，固体氧化物型燃料电池的工作温度较高，在为了缩短从冷态起的起动时间而向气体流路流入高温的气体并急速升温时，燃料电池单元等与壳体之间的温度差变大而在燃料电池单元等与壳体之间产生较大的热膨胀差。
而且，由于燃料电池单元的周围被壳体约束，因此，即使燃料电池单元因热膨胀而伸长，燃料电池单元也无法向周围扩展，而使燃料电池单元通过弯曲变形来吸收由热膨胀导致的伸长。
也即是说，在层叠燃料极、空气极以及固体氧化物电解质层而成的燃料电池单元中，由于构成这些构件的金属粒子、氧化物粒子等较紧密，因而，若由热膨胀导致的伸长被限制，则容易产生较大的弯曲变形。
相对于此，在设于所述燃料电池单元的空气极与集电体之间、并形成自空气极向集电体的导电路径的集电辅助层中，具有大量将空气流路的空气向空气极供给的较大的空隙，相比于所述燃料电池单元较疏松。
因而，即使集电辅助层整体上的伸长被限制，也能够利用所述空隙进行吸收，即使构成集电辅助层的线材等因热膨胀而伸长，集电辅助层自身也难以产生弯曲变形。
而且，在固体氧化物型燃料电池中，如图1或图2所示，划分形成多个空气流路或多个燃料流路的集电体沿着所述空气流路或燃料流路的延伸方向固定于集电辅助层或燃料电池单元。
因而，空气流路或燃料流路的延伸方向上的弯曲变形被限制，燃料电池单元的所述弯曲变形容易在与空气流路或燃料流路的延伸方向正交的方向上产生。
而且，如上所述，在燃料电池单元的面方向上的伸长被限制的情况下，在所述集电辅助层的弯曲刚性较高时，集电辅助层无法追随由热膨胀产生的所述燃料电池单元的弯曲变形，如图3所示，在与空气流路的延伸方向正交的方向上，燃料电池单元与集电辅助层之间的接点分离，电阻上升。
本发明即是鉴于具有这样的以往技术的课题而做成的，其目的在于提供一种固体氧化物型燃料电池，在所述固体氧化物型燃料电池中，即使因热膨胀差等使燃料电池单元产生了弯曲变形，集电辅助层与空气极之间的接点也不会分离，而能够防止电阻的上升。
用于解决问题的方案
本发明人为了达成所述目的而进行了深入研究的结果得出以下结论并完成了本发明：通过将所述固体氧化物型燃料电池的集电辅助层的与气体流路方向正交的方向上的弯曲刚性设为小于气体流路方向上的弯曲刚性，能够得到降低集电辅助层的电阻的效果、且能够防止集电辅助层与空气极之间的接点分离。
即，本发明为一种固体氧化物型燃料电池，该固体氧化物型燃料电池包括：燃料电池单元，其依次层叠燃料极、固体电解质、空气极而成；集电辅助层，其层叠于所述燃料电池单元的空气极侧；多个空气流路，其配设于所述空气极侧；以及多个燃料气体流路，其配设于所述燃料极侧，所述空气流路和所述燃料气体流路分别由固定于所述集电辅助层或所述燃料电池单元的燃料极侧的集电体划分形成、且在与所述燃料电池单元的层叠方向垂直的方向上沿着同一方向延伸，空气极侧的所述集电体在沿着所述空气流路的延伸方向延伸的第1固定部与所述集电辅助层固定、且燃料极侧的所述集电体在沿着所述燃料气体流路的延伸方向延伸的第2固定部与所述燃料电池单元的燃料极侧固定。
而且，该固体氧化物型燃料电池的特征在于，所述集电辅助层的与所述空气流路的延伸方向正交的方向上的弯曲刚性小于所述空气流路的延伸方向上的弯曲刚性。
发明的效果
采用本发明，在所述固体氧化物型燃料电池中，由于将集电辅助层的与气体流路的延伸方向正交的方向上的弯曲刚性设为小于气体流路的延伸方向上的弯曲刚性，因此，集电辅助层追随燃料电池单元的弯曲变形而能够防止集电辅助层的剥离，能够防止电阻的上升。
附图说明
图1是本发明的固体氧化物型燃料电池的主要部位剖视图。
图2是本发明的另一固体氧化物型燃料电池的主要部位剖视图。
图3是说明燃料电池单元产生弯曲变形、且与集电辅助层之间的接点分离的状态的图。
图4是表示燃料电池单元的层结构的一例子的图。
图5是说明本发明的固体氧化物型燃料电池的结构的分解状态的俯视图。
图6是说明本发明的固体氧化物型燃料电池的燃料电池单元产生了弯曲变形的状态的图。
图7是说明金属板网的结合部的图。
图8是说明第1实施方式的集电辅助层相对于空气流路的配置状态的图。
图9是说明第2实施方式的集电辅助层相对于空气流路的配置状态的图。
图10是说明第3实施方式的集电辅助层相对于空气流路的配置状态的图。
图11是说明第4实施方式的集电辅助层相对于空气流路的配置状态的图。
具体实施方式
详细说明本发明的固体氧化物型燃料电池。
所述固体氧化物型燃料电池C包括燃料电池单元1、集电辅助层2以及集电体3，如图4所示，所述燃料电池单元依次层叠燃料极11、固体电解质层12、空气极13而成，并利用多孔质金属支承体14支承。
以下，以将燃料极11、固体电解质层12以及空气极13利用多孔质金属支承体14支承而成的金属支承型(Metal－Supported Cell：MSC)的燃料电池单元为例进行说明，但本发明的固体氧化物型燃料电池还可以是增厚了电解质的电解质支承型(Electrolyte－Supported Cell：ESC)、增厚了阳极的阳极支承型(Anode－Supported Cell：ASC)、增厚了阴极的阴极支承型(Cathode－Supported Cell：CSC)的燃料电池单元中的任一者。
图5中表示说明固体氧化物型燃料电池的结构的分解状态的图。
所述燃料电池单元1通过在图5中由虚线所示的位置依次层叠所述多孔质金属支承体14、燃料极11、固体电解质层12以及空气极13而成。而且，在所述多孔质金属支承体14的外缘包括框架15。
而且，在所述燃料电池单元的与多孔质金属支承体侧相反的一侧的面依次层叠有集电辅助层、集电体，所述集电体具有固定于相邻的固体氧化物型燃料电池的多孔质金属支承体14的结构。
所述框架15和所述集电体3为外形具有大致相同的纵横尺寸的大致长方形状，通过重叠并固定燃料电池单元1、框架15、集电体3而构成固体氧化物型燃料电池C。
在所述集电体3的与所述燃料电池单元1相对应的中央部分，短边方向上的截面具有波形形状。该波形形状如图5所示在长边方向上连续。
由此，集电体3的波形形状的凸部分、即肋部固定于集电辅助层2或相邻的固体氧化物型燃料电池的多孔质金属支承体14，在波形形状的各凹部分形成气体流路。
图1是由图5中的A－A’切开时的剖视图。
在图1中，附图标记1为燃料电池单元，附图标记2为集电辅助层，附图标记3为集电体，附图标记AG为燃料气体流路，附图标记CG为空气流路，附图标记4为壳体。
所述多个燃料气体流路AG由固定于所述燃料电池单元1的燃料极侧的集电体划分形成，所述多个空气流路CG由固定于所述集电辅助层的集电体划分形成。
而且，所述空气流路和所述燃料气体流路在与所述燃料电池单元的层叠方向垂直的方向上沿着同一方向延伸，
空气极侧的所述集电体在沿着所述空气流路的延伸方向延伸的第1固定部与所述集电辅助层固定，并且燃料极侧的所述集电体在沿着所述燃料气体流路的延伸方向延伸的第2固定部与所述燃料电池单元的燃料极侧固定。
本发明的集电辅助层2在燃料电池单元1的面方向上弯曲刚性具有各向异性。
而且，由于将所述集电辅助层2的与所述空气流路的延伸方向正交的方向上的弯曲刚性设为小于所述集电辅助层2的所述空气流路的延伸方向上的弯曲刚性，因此，如图6所示，即使燃料电池单元1弯曲变形，集电辅助层2也追随燃料电池单元1的弯曲变形，而能够防止集电辅助层2与燃料电池单元1之间的剥离。
也就是说，通过减小所述集电辅助层2的与空气流路的延伸方向正交的方向上的弯曲刚性，不使集电辅助层的导电性降低，就能够使所述集电辅助层2的所述方向上的弯曲刚性小于燃料电池单元1的弯曲刚性。于是，由于所述集电辅助层2被燃料电池单元1的弯曲变形拉伸而弯曲变形，因此，集电辅助层2与燃料电池单元1之间的接点不会分离。
因而，能够保持集电辅助层2与空气极13之间的接点，从而至少能够将固体氧化物型燃料电池C的每单位面积的电阻(ASR)的增加最低抑制25％。
而且，如图1所示，本发明的固体氧化物型燃料电池C优选为其截面设为集电体3隔着燃料电池单元1和集电辅助层2线对称(以下，存在称作集电体对称层叠型的情况。)。
所述集电体对称层叠型的固体氧化物型燃料电池具有空气极侧的集电体3的第1固定部和燃料极侧的集电体3的第2固定部在燃料电池单元1的层叠方向上至少一部分重叠的区域。
因而，所述燃料电池单元自其层叠方向被第1固定部与第2固定部重叠的区域夹持，因此，空气流路的延伸方向上的弯曲变形被集电体较强地限制，而能够防止第1固定部和第2固定部的剥离。此外，即使利用两个集电体按压燃料电池单元，也不会产生剪切力而能够防止所述燃料电池单元的破裂。
所述集电辅助层2的与空气流路的延伸方向正交的方向上的弯曲刚性(S)与空气流路方向上的弯曲刚性(L)之比(S/L)根据集电辅助层2的材质等的不同而不同，但优选为1/100～99/100。
在所述(S/L)小于1/100时，与空气流路的延伸方向正交的方向上的弯曲刚性过小，而存在组装固体氧化物型燃料电池时集电辅助层难以处理的情况，而且，存在与空气流路的延伸方向正交的方向上的导电路径减小而使电阻增加的情况。
在所述(S/L)超过99/100时，存在集电辅助层无法追随燃料电池单元的弯曲变形而使接点分离的情况，为了使集电辅助层追随燃料电池单元的弯曲变形，需要将集电辅助层整体减薄，而使集电辅助层整体的导电性下降。
在本发明中，集电辅助层2的弯曲刚性是指空气流路的延伸方向、或与空气流路的延伸方向正交的方向上的每单位长度的弯曲刚性，而不是构成集电辅助层的线材的一根的弯曲刚性。
所述弯曲刚性能够由E×I表示。
另外，E表示杨氏模量、I表示截面惯性矩。
所述杨氏模量为构成集电辅助层2的材料固有的值，所述截面惯性矩是使用图7所示的集电辅助层2的线材与线材交叉的结合部B以外的部位的线材的截面，对每单位长度中包含的线材的截面进行积分而求得的值。
即，空气流路的延伸方向上的弯曲刚性为沿着与空气流路的延伸方向正交的方向切开时的每单位长度的线材的截面惯性矩的积分值与杨氏模量的乘积，与空气流路的延伸方向正交的方向上的弯曲刚性为沿着空气流路的延伸方向切开时的每单位长度的线材的截面惯性矩的积分值与杨氏模量的乘积。
接着，说明构成本发明的固体氧化物型燃料电池C的各构件。
(燃料极)
作为所述燃料极11，例如能够使用Ni和稳定化氧化锆的金属陶瓷、添加了Sm2O3、Gd2O3等的CeO2等。
(固体电解质层)
作为所述固体电解质层12，例如能够使用添加了Y2O3、Sc2O3的稳定化氧化锆、添加了Sm2O3、Gd2O3等的CeO2、(La，Sr)(Gd，Mg)O3等具有钙钛矿结构的镓酸镧等固体氧化物。
(空气极)
作为所述空气极13，例如能够使用(Ls，Sr)CoO3、(Sm，Sr)CoO3等具有钙钛矿结构的氧化物电极等。
(多孔质金属支承体)
所述多孔质金属支承体14用于对燃料电池单元1自其燃料极侧进行支承。
作为所述多孔质金属支承体14，能够使用将金属粒子压制成形而成的金属支承体等。
作为所述金属粒子，例如能够列举不锈钢、铁(Fe)、镍(Ni)、铜(Cu)、铂(Pt)以及银(Ag)等金属粒子。
(集电辅助层)
作为所述集电辅助层2，能够列举不锈钢、以镍(Ni)或铬(Cr)为主要成分的合金、或铂(Pt)和银(Ag)等金属制的金属板网(日文：エキスパンドメタル)、穿孔金属、金属网等。
作为对所述集电辅助层2的弯曲刚性赋予各向异性的方法，能够列举形成长边方向(LW)和短边方向(SW)上的大小不同的开口的网格的方法、改变正交的线材的截面惯性矩的积分值的方法、改变正交的线材的宽度的方法、改变正交的线材的高度的方法、改变正交的线材的根数的方法、使用杨氏模量不同的两种以上的线材的方法等。
(集电体)
作为所述集电体3，例如能够列举对不锈钢、以镍(Ni)或铬(Cr)为主要成分的合金等金属制的平板进行压制加工而成的波形板。
上述集电体优选在与集电辅助层固定的第1固定部和与相邻的燃料电池单元固定的第2固定部之间具有弯曲的位移吸收部。
而且，固定所述集电体3和集电辅助层2的第1固定部31以及固定所述集电体3和多孔质金属支承体14的第2固定部32能够利用压接、粘接、焊接等固定，但优选利用焊接固定。
通过将所述集电体3和集电辅助层2以及多孔质金属支承体14焊接而形成金属接合部并进行固定，从而在所述集电体3与集电辅助层2以及多孔质金属支承体14之间形成导电路径，电阻降低而能够提高发电效率。
在本发明中，金属接合部是指不隔着氧化覆膜而将金属材料彼此直接接合而成的部位。
(接点材料层)
本发明的固体氧化物型燃料电池能够在所述燃料电池单元的空气极与所述集电辅助层之间设置接点材料层。
所述接点材料层用于提高所述燃料电池单元1的空气极13与所述集电辅助层2之间的接合力。
在糊状等具有柔软性的状态的接点材料上层叠集电辅助层2，并与所述空气极13一起进行烧结，从而能够使集电辅助层的线材进入于接点材料层并牢固地接合。
作为接点材料层，除例如铂(Pt)和银(Ag)等的糊剂、(Ls，Sr)CoO3、(Sm，Sr)CoO3等具有钙钛矿结构的氧化物糊剂以外，还能够使用构成所述固体氧化物层的金属氧化物，能够混合使用这些材料中的一种或两种以上。
实施例
以下，利用实施方式进一步详细地说明本发明，但本发明并不限定于下述实施方式。
(第1实施方式)
本实施方式使用金属板网作为集电辅助层2。图8是表示由图1所示的B－B’切开时从集电体侧看到的状态的图。
所述金属板网是通过在金属板上以锯齿状形成裂缝并将其展开、而形成菱形、龟壳形的网格而成的，网格的短边方向(SW)上的弯曲刚性小于长边方向(LW)上的弯曲刚性。
由于使金属板网的网格的长边方向(LW)朝向空气流路的延伸方向，因而集电辅助层的与所述空气流路的延伸方向正交的方向上的弯曲刚性小于所述空气流路的延伸方向上的弯曲刚性。
因而，集电辅助层2追随燃料电池单元1的弯曲变形，能够防止集电辅助层2与燃料电池单元1之间的剥离。
(第2实施方式)
图9中表示本实施方式的概略图。图9是表示由图1所示的B－B’切开时从集电体侧看到的状态的图。
本实施方式使用金属网作为集电辅助层，构成该金属网的线材彼此交叉的角度在与所述含氧气体流路方向正交的方向上的角度大于在所述含氧气体流路方向上的角度，即，将网格的长边方向(LW)朝向了含氧气体流路方向。
由于将金属网的网格的长边方向(LW)朝向空气流路的延伸方向，因而集电辅助层的与所述空气流路的延伸方向正交的方向上的弯曲刚性小于所述空气流路的延伸方向上的弯曲刚性。
因而，集电辅助层追随燃料电池单元的弯曲变形，能够防止集电辅助层与燃料电池单元之间的剥离。
(第3实施方式)
图10中表示本实施方式的概略图。图10是表示由图1所示的B－B’切开时从集电体侧看到的状态的图。
本实施方式使用金属网作为集电辅助层。
而且，在所述金属网中，沿着所述空气流路的延伸方向延伸的线材和沿着与所述空气流路的延伸方向正交的方向延伸的线材彼此正交、且所述空气流路的延伸方向上的线材的根数多于沿着与所述空气流路的延伸方向正交的方向延伸的线材的根数。
由于与空气流路的延伸方向正交的方向上的线材的根数较少，因而，集电辅助层的与所述空气流路的延伸方向正交的方向上的弯曲刚性小于所述空气流路的延伸方向上的弯曲刚性。
因而，集电辅助层追随燃料电池单元的弯曲变形，能够防止集电辅助层与燃料电池单元之间的剥离。
(第4实施方式)
图11中表示本实施方式的概略图。图11是表示由图1所示的B－B’切开时从集电体侧看到的状态的图。
本实施方式使用金属网作为集电辅助层。
而且，在所述金属网中，沿着所述空气流路的延伸方向延伸的线材和沿着与所述空气流路的延伸方向正交的方向延伸的线材彼此正交、且空气流路的延伸方向上的线材的截面惯性矩大于沿着与空气流路的延伸方向正交的方向延伸的线材的截面惯性矩。
由于与空气流路的延伸方向正交的方向上的线材的截面惯性矩较小，因而集电辅助层的与所述空气流路的延伸方向正交的方向上的弯曲刚性小于所述空气流路的延伸方向上的弯曲刚性。
因而，集电辅助层追随燃料电池单元的弯曲变形，能够防止集电辅助层与燃料电池单元之间的剥离。
附图标记说明
C、固体氧化物型燃料电池；1、燃料电池单元；11、燃料极；12、固体电解质层；13、空气极；14、多孔质金属支承体；15、框架；2、集电辅助层；3、集电体；31、第1固定部；32、第2固定部；4、壳体；AG、燃料气体流路；CG、含氧气体流路；H1～H4、歧管。

Claims (8)

1.一种固体氧化物型燃料电池，其包括：
燃料电池单元，其依次层叠燃料极、固体电解质、空气极而成；
集电辅助层，其层叠于所述燃料电池单元的空气极侧；
多个空气流路，其配设于所述空气极侧；以及
多个燃料气体流路，其配设于所述燃料极侧，该固体氧化物型燃料电池的特征在于，
所述空气流路和所述燃料气体流路分别由固定于所述集电辅助层或所述燃料电池单元的燃料极侧的集电体划分形成、且在与所述燃料电池单元的层叠方向垂直的方向上沿着同一方向延伸，
空气极侧的所述集电体在沿着所述空气流路的延伸方向延伸的第1固定部与所述集电辅助层固定、且燃料极侧的所述集电体在沿着所述燃料气体流路的延伸方向延伸的第2固定部与所述燃料电池单元的燃料极侧固定，
所述集电辅助层的与所述空气流路的延伸方向正交的方向上的弯曲刚性小于所述空气流路的延伸方向上的弯曲刚性。
2.根据权利要求1所述的固体氧化物型燃料电池，其特征在于，
所述第1固定部和所述第2固定部具有在所述燃料电池单元的层叠方向上重叠的区域。
3.根据权利要求1或2所述的固体氧化物型燃料电池，其特征在于，
所述集电辅助层的与空气流路的延伸方向正交的方向上的弯曲刚性(S)与空气流路的延伸方向上的弯曲刚性(L)之比(S/L)为1/100～99/100。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的固体氧化物型燃料电池，其特征在于，
所述集电辅助层由沿着所述空气流路的延伸方向延伸的线材和沿着与所述空气流路的延伸方向正交的方向延伸的线材彼此正交而成的金属网形成，
所述空气流路的延伸方向上的线材的截面惯性矩大于沿着与所述空气流路的延伸方向正交的方向延伸的线材的截面惯性矩。
5.根据权利要求1～3中任一项所述的固体氧化物型燃料电池，其特征在于，
所述集电辅助层由沿着所述空气流路的延伸方向延伸的线材和沿着与所述空气流路的延伸方向正交的方向延伸的线材彼此正交而成的金属网形成，
所述空气流路的延伸方向上的线材的根数多于沿着与所述空气流路的延伸方向正交的方向延伸的线材的根数。
6.根据权利要求1～3中任一项所述的固体氧化物型燃料电池，其特征在于，
所述集电辅助层由金属板网、金属网或穿孔金属形成，
所述集电辅助层的与所述空气流路的延伸方向正交的方向上的开口小于所述空气流路的延伸方向上的开口。
7.根据权利要求1～6中任一项所述的固体氧化物型燃料电池，其特征在于，
所述第1固定部和所述集电辅助层焊接在一起。
8.根据权利要求1～7中任一项所述的固体氧化物型燃料电池，其特征在于，
所述燃料电池单元包括多孔质金属支承体，该多孔质金属支承体层叠于所述燃料电池单元的燃料极。
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