JP2006085981A

JP2006085981A - 固体酸化物型燃料電池

Info

Publication number: JP2006085981A
Application number: JP2004268331A
Authority: JP
Inventors: Yasuyoshi Fujii; 康義藤井
Original assignee: Yanmar Co Ltd
Current assignee: Yanmar Co Ltd
Priority date: 2004-09-15
Filing date: 2004-09-15
Publication date: 2006-03-30

Abstract

【課題】平板型の固体酸化物型燃料電池において、単電池を多数積層しても、燃料極、酸化剤極及び電解室にかかる荷重を軽減し、耐久性の良い大容量の燃料電池を提供可能にすると共に、高い作動温度でも歪み等が発生しにくい燃料電池を提供する。
【解決手段】平板状の固体電解質１０の両側面に燃料極１１と酸化剤極１２を配置してなる平板状単電池５と、セパレータ２とを交互に配置してある。平板状単電池５はセラミックにより構成し、セパレータ２は金属により構成し、隣り合う金属製セパレータ２間に絶縁体よりなるスペーサ部を介装することにより、セパレータ２間隔を所定間隔に保持している。好ましくは、平板状単電池５及びセパレータ２をいずれも垂直姿勢に配置し、金属製セパレータ２と平板状単電池５の間に、電気伝導性を有すると共に作動温度にて弾性変形可能な弾性支持体７を配置する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池に関し、特に、平板状の固体電解質の両側面に燃料極と酸化剤極を配置した平板状単電池と、セパレータとを交互に配置してなる平板型の固体酸化物型燃料電池に関する。

この種の平板型の固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）は、固体高分子型燃料電池やリン酸型燃料電池等の他の種類の燃料電池と比較して、作動温度は７５０°〜１０００°Ｃと高くなるが、発電効率が４０〜５０％と高いことにより、次世代の燃料電池として注目を浴びており、そして、平板状に形成された単電池を積層状に保持する構造として、各種構造が開発されている（特許文献１及び２等）。

図４は特許文献１に記載された固体酸化物型燃料電池であり、酸化剤極１０１、固体電解質１０３及び燃料極１０２の平板状の三層を、セラミックを主とした材料で一体化することにより平板状の単電池１００を構成し、セパレータ１１０として、セラミックよりも安価に製作できる金属製のセパレータを使用している。上記平板状単電池１００とセパレータ１１０は、横置きに配置されると共に集電体１１２を介して交互に上方に積み上げられている。この構造によると、各平板状単電池１００には、それぞれ上方に載せられた他の単電池１００及びセパレータ１１０等の荷重が、脆いセラミックス製の電極表面に直接作用する。

図５は、特許文献２に記載された固体酸化物型燃料電池であり、酸化剤極２０１、固体電解質２０３及び燃料極２０２の平板状の三層を、セラミックを主とした材料で一体化することにより単電池２００を構成し、該単電池２００を横置きに配置し、単電池２００の上下両側に、ストロンチュームドープランタンクロマイトの焼結体でできたセパレータ２１０を配置し、両セパレータ２１０の外周端部間に、ジルコニア又は耐熱性金属のスペーサ２１３を介して、前記電解質２０３の外周端部２０３ａを挟持している。
特開２００３−３３１８７１号公報特開平０６−０２９０３４号公報

図４の従来例では、複数の平板状単電池１００を横置きにしてセパレータ１１０と相互に上方に積み上げるように構成しているので、前述のように、上方に載せられた他の単電池１００及びセパレータ１１０等の荷重が、脆いセラミックス製の電極表面に直接作用することになり、単電池１００の積層枚数が大きくなると、下方位置の単電池１００では、荷重が大きくなり過ぎて歪みが生じたり、破損するおそれがある。そのため、単電池１００の積層枚数は、前記荷重に耐えうる枚数に制限せざるを得ず、電池全体の大容量化（高電圧化）は困難であった。このように平板状単電池を上方に積み上げる構造における上記荷重の負担を軽減する策として、平板状の単電池１００を垂直姿勢に配置し、単電池１００間に垂直姿勢のセパレータ１１０を配置する構造が考えられる。

図５の従来例では、単電池２００を上方に積み重ねても電極２０１、２０２には荷重が作用せず、前記図４のような荷重による不具合は解消されるが、電解質２０３の外周端部２０３ａを、スペーサ２１３及びセパレータ２１０により直接挟持しているため、電解質２０３とセパレータ２１０との熱膨張差により電解質２０３に歪みが発生し、電解質２０３に過大な応力がかかり、発電性能及び耐久性に影響を及ぼすことがある。特に、固体酸化物型燃料電池では、作動温度が７５０°〜１０００°Ｃと高温であるので、前記熱膨張差が大きくなる。

本発明は、単電池を多数積層した場合でも、燃料極、酸化剤極及び電解質に作用する荷重を軽減し、耐久性の良い大容量の燃料電池を提供できるようにすると共に、作動温度が７５０°〜１０００°Ｃ程度の高温であっても、その高熱により歪み等が発生しない固体酸化物型燃料電池を提供することである。また、部品コストの低減も本発明も目的の１つである。

前記課題を解決するため、本願請求項１記載の発明は、平板状の固体電解質の両側面に燃料極と酸化剤極を配置してなる平板状単電池と、セパレータとを交互に配置してなる平板型の固体酸化物型燃料電池において、平板状単電池は主にセラミックにより構成し、セパレータは金属により構成し、隣り合う金属製セパレータ間に絶縁体よりなるスペーサを介装することにより、セパレータ間隔を所定間隔に保持している。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の固体酸化物型燃料電池において、平板状単電池及びセパレータをいずれも垂直姿勢に配置し、金属製セパレータと平板状単電池の間に、電気伝導性を有すると共に作動温度にて弾性変形可能な弾性支持体を配置し、該弾性支持体により平板状単電池を支持している。

請求項３記載の発明は、請求項２記載の固体酸化物型燃料電池において、前記弾性支持体は、波形の板ばね又は金網状のものである。

請求項４記載の発明は、請求項２記載の固体酸化物型燃料電池において、平板状単電池の固体電解質は、両側面の各極よりも外方に張り出す外周部分を有しており、該張り出し状の外周部分と金属セパレータとの間に、酸化用の空気及び燃料を単電池外に排出可能な隙間を形成している。

（１）金属製セパレータ間に絶縁体よりなるスペーサを介在させ、これにより、隣り合うセパレータの間隔を一定間隔に維持し、その間隔内にセラミック製の平板状単電池を、セパレータから圧力を受けることなく収納する構造としているので、仮に、平板状単電池を横置きにしても、下方位置の単電池に大きな荷重がかかることはなく、単電池の耐久性が向上すると共に、燃料電池全体の大容量化も可能となる。

（２）金属製セパレータとセラミックス製の平板状単電池とを、剛直に結合していないので、作動温度が７５０°〜１０００°Ｃ程度の高温であっても、セパレータと平板状単電池との熱膨張差により平板状単電池に歪みが生じることはなく、電池の耐久性及び発電性を良好に維持できる。

（３）セパレータを金属製としているので、セラミック製を使用する場合に比べ、部品コストを低減できる。

（４）平板状単電池及びセパレータを垂直姿勢に配置しているので、前記従来例のように上方に積層する場合における荷重増加の問題を根本的に解決でき、また、金属製セパレータと平板状単電池の間に、電気伝導性を有する弾性支持体を配置し、平板状単電池を弾性的に支持したので、高温下での長時間運転においても自重による変形を防止することができる。

（５）前記弾性支持体として、波形の板ばね又は金網状のものを使用していると、平板状単電池と金属製セパレータを固着させることなく、垂直姿勢においても平板状単電池を落下させることなく支持できる。

（６）平板状単電池の固体電解質の張り出し状の外周部分と、金属セパレータとの間に、酸化剤ガス及び燃料ガスを単電池外に排出可能な隙間を形成していると、該隙間から排出される燃料ガスと酸化剤ガスとを、高温の作動温度により反応させ、燃焼熱を簡単に再利用することができる。

図１〜図３は本発明の実施の形態であり、図１は固体酸化物型燃料電池のスタックの縦側断面図、図２は平板状単電池、セパレータ及び弾性支持体の分解斜視図、図３はスペーサを有する断熱ボックスの斜視図である。ただし、構造を理解し易くするために、単電池の面方向に対する厚み方向の寸法を実際よりも拡大して示し、積層枚数も、図面の簡略化のために３枚としている。また、説明の都合上、図１に記載してあるように平板状電池の厚み方向をスタックの左右方向とし、図１の紙面と直交する方向を前後方向として、以下説明する。

（スタック全体の全体の概略）
図１において、角筒形に形成された断熱ボックス１内に、垂直姿勢のセパレータ２を左右方向に等間隔を置いて互いに平行に配置すると共に、各セパレータ２間に垂直姿勢の平板状単電池５をそれぞれセパレータ２と平行に配置してある。平板状の単電池５は、酸化物イオン伝導体からなる平板状の固体電解質１０と、該固体電解質１０の両側面に一体的に固着された平板状の燃料極１１及び酸化剤極１２の三層から構成されており、燃料極１１側の空間は燃料供給室Ｓ１となり、酸化剤極１２の空間は空気供給室Ｓ２となっている。各供給室Ｓ１、Ｓ２には、それぞれ板ばねからなる弾性支持体７が配置され、該弾性支持体７はセパレータ２と平板状単電池５の間で左右方向弾性変形可能に縮設されており、この該弾性支持体７により各平板状単電池５を左右両側から弾性的に支持している。

（平板状単電池）
図２に示す平板状単電池５において、固体電解質１０、燃料極１１及び酸化剤極１２は、いずれも正方形（又は長方形に）形成されているが、固体電解質１０の面積は両電極１１、１２よりも大きく、両電極１１、１２の外周端よりも外方に張り出す外周部分１０ａを全周に有している。固体電解質１０は、たとえば緻密質のジルコニア系セラミックスにより形成され、作動温度８００°Ｃ前後で酸化物イオン（Ｏ^2-）が両電極間を移動するようになっている。酸化剤極１２と燃料極１１は、いずれも電子伝導性の高い材料から構成されており、酸化剤極１２はたとえば電子伝導性を持つＬａＭｎＯ₃ もしくはＬａＣｏＯ₃、または、これらのＬａの一部をＳｒ、Ｃａ等に置換した固溶体からなる多孔質のセラミックを基盤としている。燃料極１１は、Ｎｉ−ＹＳＺ、Ｃｏ−ＹＳＺ等金属とセラミックスを焼結させたものである。

（セパレータ）
図２において、セパレータ２は、正方形（又は長方形）に形成された平板状の第１部材１５と、該第１部材１５の両側に一体的に固着された正方形（又は長方形）の平板状の第２部材１６から構成されており、いずれの部材１５、１６も、ステンレス鋼等の耐熱性金属により製作されている。両側の第２部材１６は内部が開口した枠状に形成されており、右側の第２部材１６の上側部分と下側部分には、それぞれ上下方向に貫通して燃料供給室Ｓ１内に連通する燃料出口孔２０と燃料入口孔２１が形成されている。

図１において、上端の燃料出口孔２０は図示しない出口側燃料通路に連通し、下端の燃料入口孔２１は図示しない燃料供給マニホールドを介して燃料供給源に連通している。第１部材１５内には、下端部から上端部に至る空気流通路２２が形成されており、該空気流通路２２の上端部は連通孔２３を介して前記空気供給室Ｓ２に連通し、空気流通路２２の下端部は、図３の空気導入口１ａを介して空気供給源に接続している。なお、図１の左右両端に位置するセパレータ２は、第１部材１５と左右の一方の第２部材１６から構成されており、また、右端のセパレータ２に形成された連通孔２３は、図３の空気導入口１ａを介して空気供給源に連通している。

（断熱ボックス）
図３は断熱ボックス１の斜視図であり、断熱ボックス１は上下端面が開口状の角筒形に形成されており、材料としては、耐熱性を有する絶縁材で形成されているが、耐熱性を有する絶縁材と金属を混合した材料により構成することも可能である。

断熱ボックス１の前後壁の内面には、一定の左右方向幅Ｗを有するスペーサ部３０が、左右方向に所定間隔ｄ１を隔ててそれぞれ３本ずつ形成されている。各スペーサ部３０は、ボックス１内側へ突出するように断面矩形状に形成されており、前後壁に形成されたスペーサ部３０は、前後壁の上端から下端まで至るように直線状に延びている。各スペーサ部３０間で形成された溝３１は、セパレータ差込用の溝となっており、また、右端のスペーサ部３０の右側と、左端のスペーサ部３０の左側にも、それぞれ左右幅がｄ２、ｄ３のスペーサ部差込用の溝３１ａ、３１ｂが形成されている。上記左右端部の溝３１ａ、３１ｂの左右幅ｄ２、ｄ３は、ｄ１よりも狭く、たとえば右端の溝３１ａの左右幅ｄ２は、図１のように右端のセパレータ２の第１部材１５の左右幅に相当する寸法となっており、左端の溝３１ｂの左右幅ｄ３は、左端のセパレータ２の第１部材１５及び一方の第２部材１６の左右幅に相当する寸法となっている。

（組付構造）
図１において、各セパレータ２は、垂直姿勢で断熱ボックス１内に上方から挿入されるが、セパレータ２の外周端部をそれぞれセパレータ差込用の溝３１、３１ａ、３１ｂに嵌入することにより、断熱ボックス１に対する各セパレータ２の左右方向の位置が固定される。すなわち、前記スペーサ部３０によって、各スペーサ部３０の間隔が所定の間隔（スペーサ部３０の幅Ｗ）に保持され、スペーサ部３０間で平板状単電池配置用の空間を形成することになる。

両電極１１、１２の外周端縁よりも外方に張り出した固体電解質１０の外周部分１０ａは、セパレータ２の第２部材１６の外周部分間に位置しているが、第２部材１６の側面と電解質外周部分１０ａの側面の間には、燃料（燃料ガス）や空気（酸化剤ガス）が流通可能なわずかな隙間Ｃが形成されている。

（作用）
燃料電池による発電作用は従来の固体酸化物型燃料電池と同様であり、図１において、黒の矢印は空気の流れ、白抜きの矢印は燃料（水素を含む燃料ガス）の流れを示している。各空気流通路２２等から流通孔２３を介して空気供給室Ｓ２に供給された空気（酸素）は、セラミック材製の酸化剤極１２の気孔を通って固体電解質１０との界面付近に到達し、酸化剤極１２から電子を受け取って酸化物イオン（Ｏ^2-）にイオン化される。この酸化物イオンは、作動温度８００°Ｃ付近の温度において、固体電解質１０内を燃料極１１に向かって拡散移動し、燃料極１１との界面付近に到達した酸化物イオンは、燃料供給室Ｓ１から供給された燃料（Ｈ₂やＣＯ）と反応して、反応生成物（Ｈ₂Ｏ、ＣＯ2等）を生じ、燃料極に電子を放出する。

電極での反応を式で示すと、次のようになる。
酸化剤極１２では、 1/2Ｏ₂＋２ｅ⁻→Ｏ^2-
燃料極１１では、Ｈ₂＋Ｏ^2-→Ｈ₂Ｏ＋２ｅ⁻

また、燃料供給室Ｓ１に供給された燃料の一部（余剰燃料）は、電解質１０の外周部分１０ａとセパレータ２の第２部材１６の外周部分との隙間Ｃを通り、一方、空気供給室Ｓ２に供給された空気の一部は、電解質１０の外周部分とセパレータ２の第２部材１６との隙間Ｃ並びに第２部材１６に形成された空気流通孔２５を通り、固体電解質１０の外周端縁近傍に至り、ここで燃料と空気が混合し、かつ、作動温度（８００°Ｃ）により燃焼する。なお、燃料供給室Ｓ１及び空気供給室Ｓ２は、内圧を有しているので、前記隙間Ｃを介して外部から燃料や空気が逆流することはない。また、セパレータ２の第１部材１５内の空気流通路２２を空気が通過することにより、空気を予熱すると共に、発熱反応を行う燃料極１１を冷却する。

（実施の形態の効果）
セパレータ２をステンレス鋼等の耐熱金属製とすることにより、従来のようなセラミック構造に比べ、部品コストを低減でき、また、熱伝導性が良いので、全体に均一に熱分布させることができ、熱ひずみの発生を抑えることができる。

セパレータ２間に絶縁性のスペーサ部３０を直接介在させることにより空間を形成し、該空間内に、平板状単電池５を、セパレータ２から他の単電池及びセパレータ仕組からの荷重を受けることが無い状態で配置し、しかも、平板状単電池５を垂直姿勢に配置しているので、スペーサ部３０に他の部材の荷重がかかることなく、スペーサ部３０の破損を防止できる。

平板状単電池５の両側面を、板ばね等の弾性支持体７により弾性的に支持しているので、作動温度８００°Ｃ前後の状況下において、セパレータ２及び平板状単電池５がそれぞれ異なる熱膨張率で膨張し、相互にずれが生じても、弾性支持体７により前記ずれを吸収でき、セラミックスの単電池５には大きな応力がかからず、平板状単電池５の破損を防ぐことができる。

［他の実施の形態］
（１）前記実施の形態では、箱形の断熱ボックス１の内面に絶縁材性のスペーサ部３０を一体形成することにより、セパレータ２間の間隔を所定間隔に保つ構造としているが、セパレータ２の外周端部にセパレータ２を直角方向に貫通するボルトを装着し、スリーブ状の絶縁部材を利用して、各セパレータを、所定間隔を置いて固定する構造とすることも可能である。

（２）弾性支持体７としては、板ばねの他に金属線を網状にしたもの等を使用することも可能である。

本発明を適用した固体酸化物型燃料電池のスタックの縦側断面である。平板状単電池とセパレータの分解斜視図である。断熱ボックスの斜視図である。従来例の縦断面図である。別の従来例の縦断面図である。

符号の説明

１断熱ボックス
２金属製セパレータ
５平板状単電池
７弾性支持体
１０固体電解質
１０ａ外周部分
１１燃料極
１２酸化剤極

Claims

平板状の固体電解質の両側面に燃料極と酸化剤極を配置してなる平板状単電池と、セパレータとを交互に配置してなる平板型の固体酸化物型燃料電池において、
平板状単電池は主にセラミックにより構成し、セパレータは金属により構成し、隣り合う金属製セパレータ間に絶縁体よりなるスペーサを介装することにより、セパレータ間隔を所定間隔に保持していることを特徴とする固体酸化物型燃料電池。
平板状単電池及びセパレータをいずれも垂直姿勢に配置している請求項１記載の固体酸化物型燃料電池。
金属製セパレータと平板状単電池の間に、電気伝導性を有すると共に作動温度にて弾性変形可能な弾性支持体を配置し、該弾性支持体により平板状単電池を支持している請求項１又は２記載の固体酸化物型燃料電池。
平板状単電池の固体電解質は、両側面の各極よりも外方に張り出す外周部分を有しており、該張り出し状の外周部分と金属セパレータとの間に、酸化用の空気及び燃料を単電池外に排出可能な隙間を形成していることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の固体酸化物型燃料電池。