JP2006049073A

JP2006049073A - 固体酸化物形燃料電池

Info

Publication number: JP2006049073A
Application number: JP2004227886A
Authority: JP
Inventors: Naoya Murakami; 直也村上; Hisafumi Kotani; 尚史小谷
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2004-08-04
Filing date: 2004-08-04
Publication date: 2006-02-16
Anticipated expiration: 2024-08-04
Also published as: JP4461949B2

Abstract

【課題】運転時の熱サイクルにおいて優れた集電性能を保持して安定した出力電圧を確保できる固体酸化物形燃料電池を提供する。
【解決手段】発電セル５の両側に集電体６、７を配置し、その外側にセパレータ８を配置して単セル１０を構成する。間にリング状のガスケット１５、１６を介在してこの単セル１０を多数積層した内部マニホールド式の固体酸化物形燃料電池において、上記集電体の内の少なくとも一方の集電体６、７とセパレータ８の間にガスケット１５、１６より熱膨張率が大きく、且つ、当接する集電体６、７より弾性率が大きい網状金属部材９を介在する。
【選択図】図２

Description

本発明は平板積層型の固体酸化物形燃料電池に関し、特に、熱サイクルにおける集電体とセパレータの間の密着性を向上した固体酸化物形燃料電池に関するものである。

近年、燃料の有する化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する固体酸化形燃料電池は、高効率でクリーンな発電装置として開発が進んでおり、現在、円筒型、モノリス型、および平板積層型の３種類が知られている。
これら固体酸化物形燃料電池は、何れも酸化物イオン導電体から成る固体電解質層を両側から空気極層（カソード）と燃料極層（アノード）で挟み込んだ積層構造を有する。

固体酸化物形燃料電池では、反応用ガスとして空気極層側に酸化剤ガス（酸素) が、また燃料極層側に燃料ガス (Ｈ₂、ＣＯ、ＣＨ₄ 等) が供給される。空気極層と燃料極層は、反応用ガスが固体電解質層との界面に到達することができるよう、何れも多孔質の層とされており、例えば、固体電解質層はイットリアを添加した安定化ジルコニア（ＹＳＺ）等で構成され、燃料極層はＮｉ、Ｃｏ等の金属、或いはＮｉ−ＹＳＺ、Ｃｏ−ＹＳＺ等のサーメットで構成され、空気極層はＬａＭｎＯ₃ 等で構成されている。

平板積層型の固体電解質型燃料電池は、例えば、図４に示すように、発電セル５、集電体６、７、セパレータ８を交互に積層した構造を有し、上下一対のセパレータ８が発電セル５を両面から挟んで、一方は空気極集電体７を介して空気極層４と、他方は燃料極集電体６を介して燃料極層３と接している。

燃料極集電体６には、発泡ニッケルやニッケルフェルト等の多孔質金属が使用され、空気極集電体７には、銀フェルトや表面導電処理されたステンレスフェルト等より成る多孔質金属が使用される。
多孔質金属は、集電機能、ガス透過機能、ガス拡散機能、クッション機能、熱膨脹差吸収機能等を兼ね備えるので、多機能の集電体材料として適している。セパレータ８は、ＳＵＳ等の金属材料で構成することができ、発電セル５間を電気的に接続すると共に、発電セル５に対して反応用ガスを供給する機能を有し、内部に燃料ガスを燃料極層側に誘導する燃料ガス通路１１と酸化剤ガスを空気極層側に誘導する酸化剤ガス通路１２とを備えている。

また、セパレータ８の端部に厚さ方向に貫通する一対のガス孔１３、１４を設け、一方のガス孔１３を燃料ガス通路１１に、他方のガス孔１４を酸化剤ガス通路１２に連通し、各々のガス孔１３、１４からこれらのガス通路１１、１２を通して各発電セル５の各電極面に燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給するようなっている。
上下に位置する各セパレータ８のガス孔は、それぞれ間に介在されたアルミナ等で成るリング状の絶縁性ガスケット１５、１６にて連結されてスタック内を垂直方向に延びるガス供給管を形成しており、このようなガス供給機構を一般的に内部マニホールドと称している。

内部マニホールド式の固体酸化物形燃料電池の先行技術として特許文献１が開示されている。
特許文献１には、燃料電池運転時の熱サイクルにおいて、各構成要素の熱膨張率の差異により生じる発電セルの損傷や、それに伴うガスリーク等を防止する技術が開示されている。

平板積層型の固体酸化物形燃料電池は、この積層体（スタック）に積層方向の荷重を掛けて各構成要素を密着させた構造と成されている。
特許第３３８１５５５号公報

ところで、係る平板積層型の固体酸化物形燃料電池においては、安定した電池性能を確保するために構成要素相互の優れた密着性が要求されており、このため従来では、図４に示ように発電セル５とセパレータ８の間に多孔質金属板で成る集電体６、７を介在し、そのクッション性により電極層とセパレータ間の密着性を確保するようにしている。これにより、各電極層とセパレータ８の間の接触抵抗を低減し、電力損失の少ない高効率の燃料電池を実現できる。

ところが、運転時の熱サイクル（昇温・降温サイクル）において、集電体６、７の熱膨脹と収縮が繰り返えされると集電体６、７が潰された状態に塑性変形し、セパレータ８と集電体６、７との密着性が低下することによる接触抵抗の増大で所定のセル電圧が確保できなくなるという問題が有った。また、集電体６、７の変形が著しい場合は、集電体６、７とセパレータ８の間に隙間が生じ、集電不可能になる恐れがある。
これは、セパレータ８やガスケット１５、１６等の周辺部材に比べて集電体６、７の熱膨張率が大きく、且つ、弾性率が小さい（塑性変形し易い）ためであり、この現象は、特に、熱膨張率の大きい、例えば、Ａｇ基合金等を用いた空気極集電体側においてこの現象は著しい。

本発明は、このような集電体の密着性に関わる問題に鑑み成されたもので、運転時の熱サイクルにおいて優れた集電性能を保持して安定した出力電圧を確保できる固体酸化物形燃料電池を提供することを目的としている。

すなわち、請求項１に記載の本発明は、固体電解質層の両面に燃料極層と空気極層を配置し、燃料極層と空気極層の外側にそれぞれ多孔質金属より成る燃料極集電体と空気極集電体を配置し、これら集電体の外側にセパレータを配置し、当該セパレータのガス孔を介して前記ガス通路に連通するガスケットを設け、前記セパレータのガス通路を通して各電極層に反応用のガスを供給するように構成した内部マニホールド式の固体酸化物形燃料電池において、前記集電体の内の少なくとも一方の集電体と前記セパレータの間に前記ガスケットより熱膨張率が大きく、且つ、当接する集電体より弾性率が大きい網状金属部材を介在したことを特徴としている。

また、請求項２に記載の本発明は、請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池において、前記網状金属部材を前記空気極集電体と前記セパレータの間に介在したことを特徴としている。

また、請求項３に記載の本発明は、請求項１または請求項２の何れかに記載の固体酸化物形燃料電池において、各電極層において発電反応に使用されなかった残余のガスを発電セルの外周部より放出するようにしたシールレス構造であることを特徴としている。

ここで、請求項１、請求項２に記載の構成では、運転時の熱サイクルにおける集電体の塑性変形は熱膨張率の大きい、例えば、Ａｇ基合金等を用いた空気極集電体側において著しいが、介在された網状金属部材の奏する大きな熱膨張により、集電体とセパレータとの密着性は保持されており、安定したセル電圧が確保できる。

また、請求項３に記載の構成では、網状金属部材がガス透過機能やガス拡散機を奏するため、シールレス式の燃料電池においては、当網状金属部材を通して残余のガスを積極的に外部に流通させることができる。

以上説明したように、本発明によれば、集電体とセパレータの間にガスケットより熱膨張率が大きく、且つ、集電体より弾性率が大きい網状金属部材を介在したので、運転時の熱サイクルによる熱膨張で集電体が潰されて塑性変形しても、当網状金属部材が奏する大きな熱膨張により、集電体とセパレータとの密着性は保持されており、安定したセル電圧が確保できる。
加えて、網状金属部材はガス透過機能やガス拡散機能を奏するため、シールレス式の固体酸化物形燃料電池において、発電反応に与らない残余のガスを当網状金属部材９を通して積極的に外部に流通させることができるという作用効果も有する。
本発明は、特に、熱膨張率の大きい多孔質金属を用いた空気極集電体側に適用するのが好ましい。

以下、図面に基づいて本発明の一実施形態を説明する。
図１は本発明が適用された平板積層型の固体酸化物形燃料電池の構成を示し、図２は本発明に係る単セルの構成を示し、図３はシールレス式燃料電池スタックの運転時のガスの流れを示している。

図２に示すように、本実施形態による単セル１０は、固体電解質層２の両面に燃料極層３と空気極層４を配した発電セル５と、燃料極層３の外側に配した燃料極集電体６と、空気極層４の外側に配した空気極集電体７と、各集電体６、７の外側に配したセパレータ８とで構成される点、および、これら構成要素の材料は図４の従来型と同様であるが、本発明では、空気極集電体７とセパレータ８の間に薄い板状の網状金属部材９が介在されている。

本実施形態の固体酸化物形燃料電池（燃料電池スタック１）は、図１に示すように、上記構成の単セル１０を間に、リング状の絶縁性ガスケット１５、１６を介在して多数積層し、その上下両端に締付板２０、２０を配して周縁部をボルト２１にて締め付けすることにより、各構成要素を密着させた一体的構造と成されている。
尚、上記ガスケット１５、１６として、例えば、アルミナや絶縁処理したステンレス鋼等が使用可能である。

各構成要素を積層して一体化して加重すると、多孔質金属（発泡金属）の燃料極集電体６と空気極集電体７が荷重により幾分弾性変形し、上下セパレータ８の間にある程度の弾力を持って圧接・挟持された状態となると共に、各々のガスケット１５、１６は、セパレータ８の各ガス孔１３、１４と機械的に密着・固定された状態で多数積層方向に連結されて、スタック内部を縦方向に延びる燃料ガス用の内部マニホールドと酸化剤ガス用の内部マニホールドが形成される。
尚、運転時、各内部マニホールドには、外部から供給される燃料ガスと酸化剤ガスが流通し、各ガスが各セパレータ８のガス孔１３、１４より各ガス通路を介して各発電セル５の各電極面に分配・誘導される。

また、この燃料電池スタック１は、発電セル５の外周部にガス漏れ防止シールを設けていないシールレス構造とされており、運転時には、図３に示すように、燃料ガス通路１１および酸化剤ガス通路１２を通してセパレータ８の略中心部（１１ａ、１２ａ）から発電セル５に向けて供給される燃料ガスおよび酸化剤ガス（空気）を発電セル５の外周方向に拡散させながら燃料極層３および空気極層４の全面に良好な分布で行き渡らせて発電反応を生じさせると共に、発電反応で消費されなかった余剰ガスをスタックの外周部から自由に放出されるようになっている。

ところで、既述したように、上記構造の燃料電池スタック１にあっては、運転時の昇温・降温サイクルにおいて、集電体６、７を構成する発泡金属の膨脹と収縮が繰り返えされると、集電体６、７が隣接するセパレータ８に潰されるかたちで塑性変形し、その結果、セパレータ８と集電体６、７との密着性が低下し、接触抵抗が増大して所定の出力電圧が確保できなくなるという問題が有る。

これは、各単セル１０の両端部が比較的熱膨張率の低いアルミナやＳＵＳ（例えば、ＳＵＳ４３０）によるガスケット１５、１６に支持される構造であるため、上下からの締め付け荷重がガスケット１５、１６により規制されており、よって、上記したように集電体６、７が熱膨張により塑性変形すると、スタック中央部に位置する集電体６、７とセパレータ８の間に隙間が生じ、集電体６、７とセパレータ８との密着性を維持する十分な面圧が得られなくなることに起因している。

そこで、本発明では、特に、熱膨張率の高い、例えば、Ａｇ基合金等を用いた空気極集電体７とセパレータ８の間にガスケット１５、１６より熱膨張率が大きく、且つ、空気極集電体７に比べて弾性率が大きく塑性変形し難い網状金属部材９を介在するようにした。

このような網状金属部材９として、ＡｇやＳＵＳ３０４等によるエキスパンドメタル、或いはパンチングメタル等を用いることができる。これらの網状金属部材９は、上記した熱膨張率や弾性率等の有利性に加え、ガス透過機能やガス拡散機能を奏し、且つ、集電機能を損なわない優れた電気伝導性も備えている。

本構成では、昇温時の熱膨張により空気極集電体７が潰されて塑性変形しても、これと接触する網状金属部材９は、空気極集電体の変形（潰れ）を十分補うように大きく熱膨張し、これにより、セパレータ８との間の面圧は十分確保され、空気極集電体７とセパレータ８にとの密着性は保持される。
且つ、この網状金属部材９は、集電体６、７に比べて弾性率が大きく塑性変形し難いことから、降温時に各構成部材が収縮しても、隣接するセパレータ８や空気極集電体７との密着性はそのまま保持されており、よって、熱サイクルにおいて、常に優れた集電性能を保持し、安定した出力電圧が確保できるものである。

また、上記した優れた集電性能に加え、集電体と共に配設された網状金属部材９の奏するガス透過機能やガス拡散機能により、発電反応に与らない残余のガスを当網状金属部材９を通して積極的に外部に流通させることができるという残余ガスの流通性に関わる作用効果も備えている。

以上、本実施形態では、網状金属部材９をセパレータ８と空気極集電体７との間に介在した場合を説明したが、これに限らず、セパレータ８と燃料極集電体６との間、或いは、空気極集電体７と燃料極集電体６の双方に介在することも勿論可能である。

本発明が適用された平板積層型固体酸化物形燃料電池の構成を示す図。本発明に係る単セルの構成を示す図。シールレス式燃料電池スタックの運転時のガスの流れを示す図。従来の単セルの構成を示す図。

符号の説明

１固体酸化物形燃料電池（燃料電池スタック）
２固体電解質層
３燃料極層
４空気極層
６燃料極集電体
７空気極集電体
８セパレータ
９網状金属部材
１３、１４ガス孔
１５、１６ガスケット

Claims

固体電解質層の両面に燃料極層と空気極層を配置し、燃料極層と空気極層の外側にそれぞれ多孔質金属より成る燃料極集電体と空気極集電体を配置し、これら集電体の外側にセパレータを配置し、当該セパレータのガス孔を介して前記ガス通路に連通するガスケットを設け、前記セパレータのガス通路を通して各電極層に反応用のガスを供給するように構成した内部マニホールド式の固体酸化物形燃料電池において、
前記集電体の内の少なくとも一方の集電体と前記セパレータの間に前記ガスケットより熱膨張率が大きく、且つ、当接する集電体より弾性率が大きい網状金属部材を介在したことを特徴とする固体酸化物形燃料電池。
前記網状金属部材を前記空気極集電体と前記セパレータの間に介在したことを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池。
各電極層において発電反応に使用されなかった残余のガスを発電セルの外周部より放出するようにしたシールレス構造であることを特徴とする請求項１または請求項２の何れかに記載の固体酸化物形燃料電池。