JP2006086018A - 固体酸化物形燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】 各集電体における反応用ガスの流量を調整することにより、各発電セルにおける電圧の分布を抑え、発電の効率化を図る。
【解決手段】 発電セル、燃料極集電体、空気極集電体、セパレータを交互に積層して単セル１０を構成し、この単セル１０を多数積層して燃料電池スタック１を構成する。この燃料電池スタック１の中段部および両端部に位置する燃料極集電体の空隙率を他の燃料極集電体の空隙率より大きくする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、発電セルと集電体とセパレータを交互に積層した構造の固体酸化物形燃料電池に関し、特に、各集電体における反応用ガスの流量を調整することにより、発電の効率化を図っ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物形燃料電池が高効率でクリーンな発電装置として注目されている。この固体酸化物形燃料電池は、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。

発電時、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いる。

空気極層側に供給された酸素は、空気極層内の気孔を通って固体電解質層との界面近傍に到達し、この部分で空気極層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、燃料極層に向かって固体電解質層内を拡散移動し、燃料極層との界面近傍に到達した酸化物イオンはこの部分で燃料ガスと反応して反応生成物（Ｈ₂Ｏ、ＣＯ₂等）を生じ、燃料極層に電子を放出する。電極反応で生じた電子は、別ルートの外部負荷にて起電力として取り出すことができる。

平板積層型の固体酸化物形燃料電池は、発電セル、集電体、セパレータを交互に複数積層してスタック化すると共に、この積層体（燃料電池スタック）に積層方向の荷重を掛けて上記した各構成要素を相互に圧接・密着させることにより構成されており、このような平板積層型の燃料電池は、例えば、特許文献１に開示されている。尚、特許文献１には、熱応力によるセル破壊を回避するための燃料極とセパレータの間の集電構造について記載されている。
特開平１０−７９２５８号公報

ところで、平板積層型の燃料電池スタックでは、図４に示す温度分布図において実線（イ）に示すように、スタック中段部のセル温度が高くなり、スタック端部のセル温度が低くなる傾向がある。これは、積層構造であるが故であって、燃料電池スタックの中段部が両端部に比べて発電時のジュール熱がセル外に発散し難くなっていることに起因している。

セル温度の高いタック中段部を流通する燃料ガスは高温雰囲気下において熱膨張してガス濃度が低下し、発電セルに対して十分な流量の燃料ガスを供給できないため発電性能（セル電圧）が低下しており、一方、他の部分よりセル温度が低いスタック両端部においても、高温部分に比べて発電セルの電極反応が活発に行われないため、セル電圧が低下している。

多数の発電セルを直列に接続して構成される燃料電池スタックでは、各発電セルにこのような電圧の分布が生じていると、燃料電池のトータル出力が一部の低電圧セルにより制限されることになり、効率的な発電が行えないという問題を有していた。

本発明は、このような問題に鑑みて成されたもので、各集電体における反応用ガスの流量を調整することにより、各発電セルの電圧の分布を抑え、発電の効率化を図った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、当積層体を複数積層して燃料電池スタックを構成し、各セパレータからそれぞれの集電体を通して燃料極層および空気極層に反応用ガスを供給する平板積層型の固体酸化物形燃料電池において、前記集電体の空隙率（全体積に占める孔の体積の割合）、あるいは、内部構造（内部骨格）を変えることにより、各電極層へ供給する反応用ガスの量を制御するように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、前記燃料電池スタックの中段部に位置する前記燃料極集電体の空隙率を他の燃料極集電体の空隙率より大きくした、あるいは、内部構造を粗にしたことを特徴としている。
本構成では、高温となるスタック中段部に位置する燃料極集電体の圧損が低くなるため燃料ガスの流通性が向上し、これにより、熱膨張によるガス濃度の低下を補って発電セルに対して十分な流量の燃料ガスを供給することができ、スタック中段部の発電性能を向上できる。すなわち、スタック中段部に位置する各発電セルに規定の電圧が得られるようになる。

また、請求項３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、前記燃料電池スタックの中段部および両端部に位置する前記燃料極集電体の空隙率を他の燃料極集電体の空隙率より大きくした、あるいは、内部構造を粗にしたことを特徴としている。
本構成では、高温となるスタック中段部の燃料極集電体に対しては、上記同様に、燃料極集電体の圧損を低くして燃料ガスの流通性を向上し、発電セルに十分な流量の燃料ガスを供給することによりスタック中段部の発電性能を向上できると共に、他の部分より温度が低いスタック両端部の燃料極集電体に対しては、圧損を低くして燃料ガスの供給量を多くし、温度が低く不活性であった電極反応を活発に行わせることでスタック両端部の発電性能を向上できる。

また、請求項４に記載の本発明は、請求項１から請求項３までの何れかに記載の固体酸化物形燃料電池において、前記燃料電池スタックの下段部に位置する前記燃料極集電体の空隙率を上段部の燃料極集電体の空隙率より小さくした、あるいは、内部構造を密にしたことを特徴としている。
本構成では、重力の関係で、燃料ガスが多く供給され易いスタック下段部の燃料極集電体に対して圧損を大きくし、燃料ガスの供給量を抑制することでスタック全体の燃料ガスの均等流配を可能とし、高効率発電が可能となる。

また、請求項５に記載の本発明は、請求項１から請求項４までの何れかに記載の固体酸化物形燃料電池において、前記燃料電池スタックの中段部に位置する前記空気極集電体の空隙率を他の空気極集電体の空隙率より大きくした、あるいは、内部構造を粗にしたことを特徴としている。
本構成では、高温となるスタック中段部分に位置する空気極集電体の圧損を低下して発電セルへの空気供給量を多くし、その際の冷却効果によりスタック中段部のセル温度を低下することができる。これにより、スタック積層方向の温度分布が平滑化されて発電の効率化が図れると共に、高温雰囲気下で生じ易い熱応力による燃料極層の剥離等、発電セルの破損が防止でき、燃料電池スタックの耐久性（熱サイクル特性）が向上する。

本発明によれば、各集電体の空隙率、あるいは、内部構造を適宜変えることにより圧損を調整し、各電極層へのガス供給量を制御するようにしたので、高温となるスタック中段部の燃料極集電体に対しては、燃料極集電体の圧損を低くし、発電セルに対して熱膨張によるガス濃度の低下を補い得る十分な流量の燃料ガスを供給することにより、スタック中段部の発電性能を向上できる。
加えて、他の部分よりセル温度が低いスタック両端部の燃料極集電体に対しては、圧損を低くして燃料ガスの供給量を多くし、電極反応を活発化することでスタック両端部の発電性能を向上できる。
これにより、各発電セルの発電性能（セル電圧）の分布を抑え、一部の低電圧セルに規制されない効率的な発電を行うことができるようになる。
さらには、燃料ガスが多く供給され易いスタック下段部の燃料極集電体に対しては、圧損を大きくして燃料ガスの供給量を抑制することで燃料ガスの均等流配を可能とし、高効率発電が行えるようになる。

また、高温となるスタック中段部分に位置する空気極集電体の圧損を低くして発電セルへの空気供給量を多くすることにより、その際の冷却効果でスタック中段部のセル温度を低下することができる。
これにより、スタック積層方向の温度分布を平滑化して発電の効率化が図れると共に、高温雰囲気下において生じ易い燃料極層の剥離等、発電セルの破損が防止でき、燃料電池の耐久性を向上できる。

以下、図面に基づいて本発明の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外観を示し、図２は本発明に係る単セルの構成を示し、図３は燃料電池スタックにおける各集電体の圧損を示し、図４は燃料電池スタックの積層方向における発電セルの温度分布を示している。

図２に示すように、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とで構成されている。

これら構成要素の内、固体電解質層２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３はＮｉ、Ｃｏ等の金属、あるいはＮｉ−ＹＳＺ、Ｃｏ−ＹＳＺ等のサーメットで構成され、空気極層４はＬａＭｎＯ₃、ＬａＣｏＯ₃等で構成され、燃料極集電体６はＮｉ基合金等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成され、空気極集電体７はＡｇ基合金等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成される。これら集電体を構成する多孔質金属板は、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ている。

セパレータ８は、厚さ数ｍｍのＳＵＳ板等で構成され、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、内部に燃料ガスをセパレータ８の縁部から導入してセパレータ８の燃料極集電体６に対向する面のほぼ中央部１１ａから吐出する燃料ガス通路１１と、酸化剤ガスをセパレータ８の縁部から導入してセパレータ８の空気極集電体７に対向する面のほぼ中央１２ａから吐出する酸化剤ガス通路１２を有している。

また、セパレータ８の左右縁部には、板厚方向に貫通する一対のガス孔１３、１４が設けてあり、一方のガス孔１３は燃料ガス通路１１に、他方のガス孔１４は酸化剤ガス通路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が供給されるようなっている。尚、上下に積層されるセパレータ８のガス孔同士は、それぞれリング状の絶縁性ガスケット１５、１６にて連結されている。

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にて垂直方向に締め付けし、その締め付け荷重によって各構成要素を一体的に密着させた構造と成されている。

上下より積層体を加重すると、その荷重により多孔質金属で成る燃料極集電体６と空気極集電体７が幾分弾性変形し、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（空気）が流通し、各反応用ガスが各セパレータ８のガス孔１３、１４より各ガス通路１１、１２を介して燃料極集電体６側と空気極集電体７側に吐出し、これら集電体６、７の内部を拡散・移動して各発電セル５の各電極面に誘導される。

ところで、既述したように、係る平板積層型の燃料電池スタック１では、運転時のジュール熱による積層方向の温度分布によって各発電セル間において電圧の分布が生じ、電池出力が最低セル電圧で規制されて効率的な発電が行えなくなるという問題が有った。
これは、温度分布によるガス濃度の低下で各発電セルへ供給する燃料ガスの流量に不足が生じるためである。そこで、本発明では、スポンジ状の多孔質焼結金属板で構成される上記集電体６、７の空隙率（すなわち、圧損）を変えることにより、各電極層へ供給する燃料ガスおよび空気の流量を制御するように構成した。

すなわち、図３（ａ）に示すように、セル温度の高い燃料電池スタック１の中段部、およびセル温度の低いスタック両端部に、他のものより空隙率の大きい（圧損の低い）燃料極集電体６を配置するようにした。
因みに、本実施形態では、燃料極集電体６における圧損差（常温雰囲気中での最大圧損と最小圧損の差）を５〜１０％程度に設定している。尚、燃料極集電体６の平均空隙率は９７％程度であるが、本実施形態では、空隙率９３〜９８％程度を有する集電体を適宜組み合わせて用いている。

上記構成では、高温となるスタック中段部の燃料極集電体６に対しては、燃料極集電体６の圧損を低くして燃料ガスの流通性を向上することにより、発電セル５に対し熱膨張によるガス濃度の低下を補い得る十分な流量の燃料ガスを供給することができ、これによりスタック中段部での発電性能が向上し、スタック中段部の発電セル５に規定のセル電圧が得られるようになる。
また、セル温度が低いスタック両端部の燃料極集電体６に対しては、圧損を低くして燃料ガスの供給量を多くし、低温のために不活性であった発電セル５の電極反応を活発に行わせることで、スタック両端部においても規定のセル電圧が得られるようにしている。

このように、本発明によれば、各発電セル５における電圧の分布を抑え、一部の低電圧セルに規制されない効率的な発電を行うことができるようになる。

また、積層型の燃料電池スタック１では、メタン、プロパン、ブタン等の炭化水素を含む燃料ガス（すなわち、改質ガス）がスタック内に供給されると、重力の関係により、質量数の大きい炭化水素がスタック下段部に多く供給される傾向にあり、スタック全体として燃料ガスの均等流配が崩れてしまう恐れがある。
よって、図３（ｂ）に示すように、燃料電池スタック１の下段部には、上段部より空隙率の小さい燃料極集電体６を配置するようにしても良い。

このように、燃料ガスの供給量が多くなるスタック下段部の燃料極集電体６に対し、圧損を大きくして下段部における燃料ガスの供給量を抑制することで燃料ガスの均等流配が可能となる。これにより、スタック全体の燃料利用率が向上し、高効率発電が可能となる。

一方、空気極集電体７においては、図３（ｃ）に示すように、セル温度が高くなる燃料電池スタック１の中段部に他のものよりも空隙率の大きい（圧損の低い）空気極集電体７を配置するようにした。因みに、本実施形態では、空気極集電体７における圧損差を約２０％程度に設定している。

上記構成では、高温となるスタック中段部分に位置する空気極集電体７の圧損を低下して発電セル５へ供給する空気流量を多くし、その際の冷却効果により図４の破線（ロ）で示すように、スタック中段部分のセル温度を低下することができる。
これにより、スタック積層方向の温度分布が平滑化されて発電の効率化が図れると共に、高温雰囲気下で生じ易い熱応力による燃料極層３の剥離等、発電セル５の破損が防止でき、燃料電池の耐久性（熱サイクル特性）が向上する。
尚、本実施形態の燃料電池スタック１は、実状、単セル１０を４０段以上積層することにより構成されているが、図３においては、燃料極集電体６を積層方向の所定の７箇所に省略して記載している。

また、上記実施形態では、各集電体における燃料ガスの流量制御を各集電体の空隙率を変えることにより行ったが、集電体の内部骨格構造を粗、あるいは、密にするようにしても構わない。すなわち、集電体の内部骨格を粗にすると、圧損が低下するため燃料ガスが流れ易くなり、内部骨格を密にすると、圧損が高くなるため燃料ガスが流れ難くなる。

以上、本発明では、燃料電池スタック内における反応用ガスの流量制御手段として集電体の圧損を利用している。係る流量制御手段として、この他、各内部マニホールドから各セパレータ８の各ガス通路１１、１２に分岐・連通する流路部分をオリフィス絞りとしてガス流量を制限することも勿論可能であるが、オリフィスによる流量制御は、集電体による流量制御に比べて、酸化スケールにより流路が詰まり易いこと、圧損が小さく流量制御が難しいこと、構造が複雑化して加工性が悪いこと等のデメリットを有しており、このような点を考慮すると、本発明の構成は極めて得策であると言える。

本発明が適用された固体酸化物形燃料電池の外観を示す図。 本発明に係る単セルの構成を示す図。 燃料電池スタックにおける各集電体の圧損を示し、（ａ）、（ｂ）は燃料極集電体の圧損を示す図、（ｃ）は空気極集電体の圧損を示す図。 燃料電池スタックの積層方向における発電セルの温度分布を示す図。

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

Claims (5)

1. 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、当積層体を複数積層して燃料電池スタックを構成し、各セパレータからそれぞれの集電体を通して燃料極層および空気極層に反応用ガスを供給する平板積層型の固体酸化物形燃料電池において、
   前記集電体の空隙率、あるいは、内部構造を変えることにより、各電極層へ供給する反応用ガスの量を制御するようにしたことを特徴とする固体酸化物形燃料電池。
2. 前記燃料電池スタックの中段部に位置する前記燃料極集電体の空隙率を他の燃料極集電体の空隙率より大きくした、あるいは、内部構造を粗に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。
3. 前記燃料電池スタックの中段部および両端部に位置する前記燃料極集電体の空隙率を他の燃料極集電体の空隙率より大きくした、あるいは、内部構造を粗に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。
4. 前記燃料電池スタックの下段部に位置する前記燃料極集電体の空隙率を上段部の燃料極集電体の空隙率より小さくした、あるいは、内部構造を密にしたことを特徴とする請求項１から請求項３までの何れかに記載の固体酸化物形燃料電池。
5. 前記燃料電池スタックの中段部に位置する前記空気極集電体の空隙率を他の空気極集電体の空隙率より大きくした、あるいは、内部構造を粗にしたことを特徴とする請求項１から請求項４までの何れかに記載の固体酸化物形燃料電池。

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