JP2004220954A - 固体酸化物型燃料電池用セル板 - Google Patents

Abstract

【課題】多孔質金属基体を用いた従来の燃料電池用セル板では、強度確保のために厚板とせざるを得ず、薄板化が阻害されおり、しかも、剛構造であることから、急激な温度変化を受けた場合に破損する恐れがあった。
【解決手段】多孔質材料から成る基板１に電池要素２〜４を設けた固体酸化物型燃料電池用セル板Ｓ１であって、基板１の周縁部を包囲する枠材５と、基板１と枠材５を接合する薄板状の接合部材として絶縁シート６Ａ及び金属板６Ｂを備えたことにより、基板１と枠材５の間に柔軟性を確保し、薄型で耐熱衝撃性に優れた固体電解質型燃料電池用セル板を実現した。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体電解質を用いて電気化学反応により電気エネルギーを得る固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）に利用される固体酸化物型燃料電池用セル板に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、高エネルギー変換が可能で、地球環境に優しいクリーンなエネルギー源として燃料電池が注目されている。各種燃料電池のうち、固体酸化物型燃料電池は、電解質としてイットリア安定化ジルコニアなどの酸化物イオン導電性固体電解質を用いると共に、その両面に多孔性電極を設け、固体電解質を隔壁として一方側に水素や炭化水素などの燃料ガスを供給し、他方側に空気又は酸素ガスを供給する形式の電池であり、一般的に約１０００℃で作動する。
【０００３】
また、この種の固体電解質型燃料電池においては、燃料極／電解質／空気極の支持部材として多孔質金属基体を使用したセル構成を採用したＤＬＲセルが知られている。（例えば、非特許文献１参照）この技術では、多孔質金属基体に、燃料極／電解質／空気極を溶射法にて成膜することを特徴としている。
【０００４】
【非特許文献１】
ｐｌａｓｍａ Ｓｐｒａｙｅｄ Ｔｈｉｎ−Ｆｉｌｍ ＳＯＦＣ ｆｏｒＲｅｄｕｃｅｄ Ｏｐｅｒａｔｉｎｇ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌｓ Ｂｕｌｌｅｔｉｎ，ｐｐ５９７−６００，２０００
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記したような従来の燃料電池用セル板では、多孔質金属基体として充分なガス透過性を確保するには、粗な組織を有する金属焼結体を使用する必要があり、溶射成膜に耐え得るだけの強度を確保するには、厚板とせざるを得ず、薄板化が阻害されることとなる。また、従来の燃料電池用セル板は、剛構造であることから、急激な温度変化を受けた場合に破損する可能性があり、耐熱衝撃性が充分なものではないという問題点があった。
【０００６】
【発明の目的】
本発明は、上記従来の状況に鑑みて成されたものであって、ガス透過性及び機械的強度に優れた多孔質材料製の基板を用い、薄型で耐熱衝撃性に優れた固体電解質型燃料電池用セル板を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の固体電解質型燃料電池用セル板は、多孔質材料から成る基板に電池要素を設けた固体酸化物型燃料電池用セル板であって、基板の周縁部を包囲する枠材と、基板と枠材を接合する薄板状の接合部材を備えた構成としており、上記構成をもって従来の課題を解決するための手段としている。
【０００８】
【発明の作用】
本発明の固体電解質型燃料電池用セル板では、多孔質材料から成る基板に対して、その周縁部を包囲する枠材を備えると共に、基板と枠材を薄板状の接合部材で接合しているので、枠材により剛性を確保し得ると共に、接合部材により基板と枠材の間に柔軟性が得られる。これにより、基板に薄膜の電池要素を形成することができると共に、急激な温度変化を受けた場合でも、接合部材により得た柔軟性によって基板の破損を防止し得ることとなる。
【０００９】
【発明の効果】
本発明の固体電解質型燃料電池用セル板によれば、ガス透過性及び機械的強度に優れた多孔質材料製の基板を用いたうえで、基板の周縁部を包囲する枠材と、基板と枠材を接合する薄板状の接合部材を採用したことから、基板と枠材の間に柔軟性が得られ、基板に薄膜の電池要素を形成することができると共に、薄型で充分な耐熱衝撃性を実現することができる。また、当該セル板は、枠材により剛性を確保することができるので、燃料電池を構成する際に積層することが容易であり、接合部材により得た柔軟性で積層時の歪みにも対処し得るものとなり、このほか、電池要素を構成する燃料極や空気極に対して、枠材を外部への通電体として用いることができる。
【００１０】
【実施例】
図１は本発明の固体電解質型燃料電池用セル板の一実施例を示す図である。図１（ａ）に示す固体電解質型燃料電池用セル板（以下、『セル板』とする）Ｓ１は、多孔質材料から成る基板１に、燃料極層２、電解質層３及び空気極層４から有る電池要素を設けたものであって、基板１の周縁部を包囲する枠材５と、基板１と枠材５を接合する薄板状の接合部材である絶縁シート（絶縁部材）６Ａ及び金属板（導電部材）６Ｂを備えている。
【００１１】
この実施例の基板１は、圧延により厚さ０．１ｍｍに成形したＮｉエッチング基板であって、図１（ｃ）に示す如く平面円形状を成すと共に、エッチングにより平均径１００μｍの多数の孔１ａが規則的な配置で形成してある。この基板１には、上面に燃料極層２を形成した後、燃料極層２の上面及び周縁部を被覆する状態に電解質層３を形成し、電解質層３の上面に空気極層４を形成することで、電池要素が構成してある。
【００１２】
上記電池要素の各層２〜４は、周知の材料から成り、テープ成形、印刷及びＰＶＤ法などにより形成してある。また、基板１は、燃料極層２の集電体を兼ねるものとなっており、これに対して、電池要素の上面には、空気極層４の集電体７が設けてある。
【００１３】
枠材５は、ＳＵＳ３１６を材料とし、圧延により厚さ１ｍｍに成形したリング状の部材である。また、接合部材のうち、内側の絶縁シート６Ａは、アルミナを材料とし、テープ成形及び焼結により厚さ１００μｍに成形したリング状の部材である。他方、外側の金属板６Ｂは、ＳＵＳ３１６を材料とし、圧延により厚さ０．５ｍｍに成形したリング状の部材である。
【００１４】
そして、当該セル板Ｓ１では、基板１から枠材５に至る間に、絶縁シート６Ａと金属板６Ｂを順次接合した状態にしている。すなわち、図１（ｂ）にも示すように、基板１の外周部上面に絶縁シート６Ａを接合すると共に、絶縁シート６Ａの外周部上面に金属板６Ｂを接合し、金属板６Ｂを枠材５の上面に接合することで、基盤１を中心にして絶縁シート６Ａ、金属板６Ｂ及び枠材５を同心状に配置している。
【００１５】
上記のセル板Ｓ１は、空気極層４の集電体７と外側の金属板６Ｂをリード線８で接続すると共に、基板１と枠材５の間に絶縁シート６Ａを介装することで、枠体５を空気極層４の外部への通電体として利用する。そして、当該セル板Ｓ１は、図示しないセパレータと交互に積層することで、固体電解質型燃料電池スタックを形成することができ、セパレータとの間に形成した上下の供給路に、空気又は酸素ガス及び燃料ガスを夫々供給することで、固体電解質を用いた電気化学反応により電気エネルギーを発生する。
【００１６】
上記のセル板Ｓ１は、ガス透過性及び機械的強度に優れた多孔質材料製の基板１を用いたうえで、基板１の周縁部を包囲する枠材５を備えると共に、基板１と枠材５を絶縁シート６Ａ及び金属板６Ｂで接合しているので、枠材５により剛性を確保し得ると共に、絶縁シート６Ａ及び金属板６Ｂにより基板１と枠材５の間に柔軟性が得られる。また、２つの接合部材（６Ａ，６Ｂ）を用いることで、１つの接合部材を用いた場合よりもさらなる柔軟性が得られる。
【００１７】
これにより、当該セル板Ｓ１は、基板１に薄膜の電池要素を形成することができると共に、急激な温度変化を受けた場合でも、絶縁シート６Ａ及び金属板６Ｂにより得た柔軟性によって基板１の破損を防止し得ることとなり、薄型で充分な耐熱衝撃性を実現することができる。
【００１８】
また、当該セル板Ｓ１は、枠材５で剛性を確保し得るので、枠材５を利用して積層することが容易であり、この際、絶縁シート６Ａ及び金属板６Ｂで得た柔軟性により、積層時の歪みや作動時の熱応力に充分に対処し得るものとなり、このほか、基板１が燃料極層２の集電体を兼用し、且つ枠材５が空気極層４の外部への通電体を兼用するので、セル板Ｓ１同士や外部への電気的接合も容易である。
【００１９】
なお、上記実施例のセル板Ｓ１では、接合部材である絶縁シート６Ａの厚さを例えば２０〜２００μｍの範囲とするのが好ましく、また、接合部材である金属板６Ｂの厚さを例えば１００〜５００μｍの範囲とするのが好ましい。これにより、絶縁シート６Ａ及び金属板６Ｂが板ばねとして作用して、基板１と枠材５の間に充分な柔軟性を得ることができ、薄型のセル板を実現し得る。
【００２０】
図２は本発明の固体電解質型燃料電池用セル板の他の実施例を示す図である。図示のセル板Ｓ２は、基板１の厚み方向（図の上下方向）に並べた２つの枠材５Ａ，５Ｂを備え、基板１の下面（一方の面）と下側の枠材（一方の枠材）５Ａを、接合部材である金属シート（導電部材）６Ｃ及び金属板（導電部材）６Ｄで接合し、基板１の上面（他方の面）と上側の枠材（他方の枠材）５Ｂを、同じく接合部材である絶縁シート（絶縁部材）６Ａ及び金属板６Ｂで接合したものとなっている。
【００２１】
基板１は、先の実施例と同様に、圧延により厚さ０．１ｍｍに成形したＮｉエッチング基板であって、フォトエッチングにより平均径１００μｍの多数の孔１ａが規則的な配置で形成してある。また、基板１は、その両面を被覆する状態で燃料極層２が形成してあり、この燃料極層３を含む電池要素を備えると共に、燃料極層２の集電体を兼ねている。
【００２２】
枠材５Ａ，５Ｂは、いずれもＳＵＳ３１６を材料とし、圧延により厚さ１ｍｍに成形した部材である。内側の金属シート６Ｃは、ＳＵＳ３１６を材料とし、圧延により厚さ０．３ｍｍに成形した部材である。外側の金属板６Ｄ，６Ｂは、いずれもＳＵＳ３１６を材料とし、圧延により厚さ０．５ｍｍに成形した部材である。また、内側の絶縁シート６Ａは、アルミナを材料とし、テープ成形及び焼結により厚さ１００μｍに成形した部材である。
【００２３】
上記のセル板Ｓ２は、空気極層４の集電体７と外側の金属板６Ｂをリード線８で接続すると共に、基板１と上側の枠材５Ｂの間に絶縁シート６Ａを介装することで、上側の枠体５Ｂを空気極層４の外部への通電体として利用し、また、燃料極層２の集電体を兼ねる基板１と下側の枠材５Ａの間に金属シート６Ｃ及び金属板６Ｄを介装することで、下側の枠体５Ａを燃料極層２の外部への通電体として利用することとなる。
【００２４】
そして、上記のセル板Ｓ２は、先の実施例と同様に、薄型で耐熱衝撃性に優れたものになるうえに、２つの枠材５Ａ，５Ｂを燃料極層２及び空気極層４の外部への通電体としたので、セル板Ｓ１同士や外部への電気的接合がより一層容易なものとなる。
【００２５】
図３は本発明の固体電解質型燃料電池用セル板のさらに他の実施例を示す図である。図示のセル板Ｓ３は、基板１と枠材５の間に、内側から金属シート６Ｃ、絶縁シート６Ａ及び金属板６Ｂが順次接合した状態で介装してある。なお、電池要素の図示を省略している。この実施例のセル板Ｓ３も、先の実施例と同様の作用及び効果を得ることができ、とくに、３つの接合部材（６Ａ，６Ｂ，６Ｃ）を採用したことにより、基板１と枠材５の間により一層の柔軟性を確保することができ、耐熱衝撃性や積層時における耐歪み性のさらなる向上を実現する。
【００２６】
図４は本発明の固体電解質型燃料電池用セル板のさらに他の実施例を示す図である。図示のセル板Ｓ４は、基板１の厚み方向に並べた２つの枠材５Ａ，５Ｂを備え、基板１の下面と下側の枠材５Ａを、断面Ｃ形を成す略チューブ状の接合部材（導電部材）６Ｅ及び同じく接合部材である金属板（導電部材）６Ｆで接合し、基板１の上面と上側の枠材５Ｂを、同じく接合部材である絶縁シート（絶縁部材）６Ａ及び金属板６Ｂで接合したものとなっている。なお、電池要素の図示を省略している。
【００２７】
基板１、枠材５Ａ，５Ｂ、絶縁シート６Ａ及び金属板６Ｂ，６Ｆは、先の実施例と同様の材料を用いると共に、同様の厚さに成形してある。また、断面Ｃ形を成す接合部材６Ｅは、ＳＵＳ３１６を材料とし、押し出しにより直径０．６ｍｍに成形してあり、基板１の下面と金属板６Ｆの間に介装してある。
【００２８】
上記のセル板Ｓ４は、先の実施例と同様の効果を得ることができるうえに、とくに、断面Ｃ形を成す接合部材６Ｅのばね作用により、基板１と枠材５Ａ，５Ｂの間により一層の柔軟性を得ることができる。なお、同接合部材の大きさとしては、直径１００〜６００μｍ程度とするのが良い。このようなばね作用が得られる接合部材としては、断面Ｃ形のほか、断面Ｖ形などのように開放断面形状を有するものを採用することができる。
【００２９】
図５は本発明の固体電解質型燃料電池用セル板のさらに他の実施例を示す図である。図示のセル板Ｓ５は、基板１の厚み方向に並べた２つの枠材５Ａ，５Ｂを備え、基板１の下面と下側の枠材５Ａを、接合部材である不織布状シート（導電部材）６Ｇ及び金属板（導電部材）６Ｄで接合し、基板１の上面と上側の枠材５Ｂを、同じく接合部材である絶縁シート（絶縁部材）６Ａ及び金属板６Ｂで接合したものとなっている。なお、電池要素の図示を省略している。
【００３０】
基板１、枠材５Ａ，５Ｂ、絶縁シート６Ａ及び金属板６Ｂ，６Ｄは、先の実施例と同様の材料を用いると共に、同様の厚さに成形してある。また、不織布状シート６Ｇは、ＳＵＳ３１６を材料とする線径３０μｍの繊維を用い、圧延により厚さ３００μｍに成形してある。
【００３１】
上記のセル板Ｓ５は、先の実施例と同様の効果を得ることができるうえに、とくに、不織布状シート６Ｇのばね作用により、基板１と枠材５Ａ，５Ｂの間により一層の柔軟性を得ることができる。なお、不織布状シート６Ｇにおいては、線径が３０〜８０μｍの金属繊維の焼結体を用いることができ、厚さを２００〜３５００μｍの範囲とすることで、基板１と枠材５の間に充分な柔軟性を得ることができると共に、薄型のセル板を実現し得る。
【００３２】
図６は、本発明の固体電解質型燃料電池用セル板を用いた固体電解質型燃料電池スタック及び固体電解質型燃料電池の一実施例を示す図である。図示のスタックＳＴは、図２に示すセル板Ｓ２をセパレータＳＰと交互に積層したものであって、その上下に、枠材５Ａ，５Ｂに対応する集電プレート９Ａ，９Ｂが設けてあり、各セル板Ｓ２の上下に、燃料ガスの供給路１０Ａと、空気又は酸素ガスの供給路１０Ｂが夫々形成してある。
【００３３】
上記のスタックＳＴは、固体電解質型燃料電池の主要部を構成するものであって、先の実施例で説明したセル板Ｓ２、すなわち基板１と枠材５Ａ，５Ｂの間に柔軟性を有し、且つ外部への通電体を兼用する枠材５Ａ，５Ｂにより剛性が確保されたセル板Ｓ２を用いているので、積層が非常に容易であると共に、積層時の歪みや作動時の熱応力に充分に耐え得るものであり、しかも、上下に集電プレート９Ａ，９Ｂが設けてあるので、全体としてコンパクトであると共に、外部との電気的接合もきわめて容易である。
【００３４】
なお、本発明の固体電解質型燃料電池用セル板、スタック及び燃料電池は、その構成が上記各実施例に限定されるものではなく、例えば、上記各実施例においては、いずれも基板と枠材の間に複数の接合部材を介装した場合を示したが、接合部材は１つでも良く、この場合にも、接合部材として、絶縁シート等の絶縁部材や、金属シート、金属板及び不織布状シートなどの導電部材を用いることができる。
【００３５】
また、接合部材を複数とした場合には、Ｃ形やＶ形等の開放断面形状を有する接合部材の介装位置や、絶縁シートの数及び介装位置を適宜選択することが可能である。さらに、各部材の材料、成形方法及び成形寸法などにあっても、上記各実施例のみに限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の固体電解質型燃料電池用セル板の一実施例を説明する断面図（ａ）、基板と接合部材の断面図（ｂ）、及び基板と接合部材の平面図（ｃ）である。
【図２】本発明の固体電解質型燃料電池用セル板の他の実施例を説明する断面図（ａ）、及び基板と接合部材の断面図（ｂ）である。
【図３】本発明の固体電解質型燃料電池用セル板のさらに他の実施例を説明する断面図である。
【図４】本発明の固体電解質型燃料電池用セル板のさらに他の実施例を説明する断面図である。
【図５】本発明の固体電解質型燃料電池用セル板のさらに他の実施例を説明する断面図である。
【図６】本発明の固体電解質型燃料電池スタック及び燃料電池の一実施例を説明する断面図である。
【符号の説明】
Ｓ１〜Ｓ５ 固体電解質型燃料電池用セル板
ＳＴ 固体電解質型燃料電池スタック
１ 基板
２ 燃料極層（電池要素）
３ 電解質層（電池要素）
４ 空気極層（電池要素）
５ ５Ａ ５Ｂ 枠材
６Ａ 絶縁シート（接合部材：絶縁部材）
６Ｂ 金属板（接合部材：導電部材）
６Ｃ 金属シート（接合部材：導電部材）
６Ｄ 金属板（接合部材：導電部材）
６Ｅ 接合部材
６Ｆ 金属板（接合部材：導電部材）
６Ｇ 不織布状シート（接合部材：導電部材）
９Ａ ９Ｂ 集電プレート

Claims (10)

1. 多孔質材料から成る基板に電池要素を設けた固体酸化物型燃料電池用セル板であって、基板の周縁部を包囲する枠材と、基板と枠材を接合する薄板状の接合部材を備えたことを特徴とする固体酸化物型燃料電池セル板。
2. 基板から枠材に至る間に、複数の接合部材を順次接合した状態にして備えたことを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物型燃料電池用セル板。
3. 少なくとも１つの接合部材が、Ｃ形やＶ形等の開放断面形状を有する部材であることを特徴とする請求項１又は２に記載の固体酸化物形燃料電池用セル板。
4. 少なくとも１つの接合部材が、不織布状の部材であることを特徴とする請求項１又は２に記載の固体酸化物形燃料電池用セル板。
5. 基板が、電池要素を構成する一方の電極の集電体を兼ねていると共に、接合部材が、導電性を有する導電部材であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の固体酸化物型燃料電池用セル板。
6. 基板が、電池要素を構成する一方の電極の集電体を兼ねていると共に、少なくとも１つの接合部材が、非導電性を有する絶縁部材であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の固体酸化物型燃料電池用セル板。
7. 基板の厚み方向に並べた２つの枠材を備えると共に、基板の一方の面と一方の枠材の間、及び基板の他方の面と他方の枠材の間に、接合部材を夫々設け、基板の一方の面と一方の枠材の間に設けた接合部材が、導電性を有する導電部材であると共に、基板の他方の面と他方の枠材の間に設けた接合部材のうちの少なくとも１つが、非導電性を有する絶縁部材であることを特徴とする請求項５又は６に記載の固体電解質型燃料電池用セル板。
8. 請求項１〜７のいずれかに記載の固体電解質型燃料電池用セル板を積層して成ることを特徴とする固体電解質型燃料電池スタック。
9. 固体電解質型燃料電池用セル板を積層すると共に、その上下に、枠材に対応する集電プレートを備えたことを特徴とする請求項８に記載の固体電解質型燃料電池スタック。
10. 請求項８又は９に記載の固体電解質型燃料電池スタックを備えたことを特徴とする固体電解質型燃料電池。

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