JP2006331944A - 固体酸化物燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】 熱膨張差によりセパレータと電池セルとの接合部分に生じる熱応力を緩和することが可能なＳＯＦＣを提供する。
【解決手段】 ＳＯＦＣ１は、空気室１１と燃料室１３を分離するためのセパレータ１５が電池セル９に接合され、セパレータ１５にて電池セル９との接合部分の周囲に、断面が正弦波形状となる溝部１７を形成するように構成されている。このため、ＳＯＦＣ１の使用時に加熱と冷却が繰り返し行われて、セパレータ１５と電池セル９との接合部分に熱応力が発生したとしても、溝部１７が伸縮することでその熱応力を緩和することができ、ＳＯＦＣ１の延命化を図ることができる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、固体酸化物燃料電池に関する。

従来より、燃料電池においては、電解質として酸素イオンを伝導する固体電解質を用いた固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ：Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）が知られている。

そして、この種のＳＯＦＣとしては、平板状の酸素イオン伝導性固体電解質体からなり、その表裏面に多孔性の電極が形成された電池セルを備えると共に、一方の電極側を囲んだ空気室、及び、他方の電極側を囲んだ燃料室が形成されたものがある（例えば、特許文献１参照）。

即ち、このＳＯＦＣは、中空板状に形成され、その内周縁が電池セルの外周縁に接合されたセパレータと、セパレータと略同一の外形を有する金属板からなり、電池セルの各電極側に夫々配置された一対の電極板と、中空板状に形成され、各電極板とセパレータとの間に夫々配置されることにより、空気室及び燃料室を形成するスペーサとを備える。また、電極板には、電池セルの電極において、当該電極板が配置された方の電極に当接する突状部が複数形成されている。なお、セパレータは、接合材により電池セルの外周縁に接合されている。
特開２００１−３５５１４号公報

ところで、電池セルを活性化させるには、７００〜１０００度程度の高温まで温める必要があるため、ＳＯＦＣでは、使用時に、例えばバーナーにより熱せられた高温のガスを、ＳＯＦＣの外周部から供給することで電池セルを温めたり、或いは、ヒーターを設けて使用時にそのヒーターで電池セルを温めたりするようになっている。

しかし、ＳＯＦＣの起動と停止を繰り返し行うときには、加熱と冷却とが繰り返し行われてＳＯＦＣに熱サイクルが加わってしまう。
このため、セパレータと電池セルの熱膨張差によりセパレータと電池セルとの接合部分に熱応力が発生し、セパレータから電池セルが剥がれたり、固体電解質体にクラックが発生したりしてしまう問題がある。

また、電池セルを加熱する際に、電池セルの内部で温度差が生じた場合についても、同様の問題が生じる。
本発明は、こうした問題を解決するためになされたものであり、熱膨張差によりセパレータに生じる熱応力を緩和することが可能な固体酸化物燃料電池を提供することを目的としている。

上記目的を達成するためになされた発明は、板状の酸素イオン伝導性固体電解質体からなり、その表裏面に多孔性の電極が形成された電池セルと、中空状の金属板からなり、その内周縁が電池セルの外周縁に接合されたセパレータと、セパレータと略同一の外形を有する金属板からなり、電池セルの各電極側にそれぞれ配置され、その配置された方の電池セルの電極に当接する突状部が複数形成された一対の電極板と、中空板状に形成され、各電極板とセパレータとの間にそれぞれ配置されることにより、電池セルの各電極を囲み、一方の電極側に空気室、及び、他方の電極側に燃料室を形成すると共に、少なくとも一方が絶縁部材からなるスペーサと、を備え、空気室に空気が供給され、燃料室に燃料が供給されることにより、酸化還元反応を起こして発電する固体酸化物燃料電池であって、電池セル及び電極板は、円盤状に形成されると共に、セパレータ及びスペーサは、円環状に形成され、更に、セパレータには、電池セルに接合される内周縁を囲むように、空気室側及び燃料室側に交互に窪んだ複数条の溝部が形成されていることを特徴としている。

このように、本発明の固体酸化物燃料電池では、空気室と燃料室を分離するためのセパレータが電池セルに接合され、セパレータにて電池セルとの接合部分の周囲に、空気室側及び燃料室側に交互に窪んだ複数条の溝部を形成するようにされている。

このため、固体酸化物燃料電池の使用時に加熱と冷却が繰り返し行われて、セパレータと電池セルとの接合部分に熱応力が発生したとしても、溝部が伸縮することでその熱応力を緩和することができ、燃料電池の延命化を図ることができる。

また、本発明によれば、振動により固体電解質体にかかる電池セルの板厚方向の力がかかった場合にも、セパレータの溝部が伸縮することにより、振動の際に固体電解質体にかかる力を吸収することができる。

ここで、本発明においては、１つの電池セルで固体酸化物燃料電池を構成するようにしても良いが、複数の電池セルを用いて固体酸化物燃料電池を構成するようにしても良い。このように複数の電池セルで燃料電池を構成すれば、１つの電池セルで構成した燃料電池よりも大きい電圧を確保することができる。

またこのように複数の電池セルで燃料電池を構成する場合には、電池セルとセパレータと一対の電極板とスペーサとからなる電池本体が、電極板を共通として複数積層されていると良い。

これによれば、各電池本体毎に電極板を２つずつ設けなくても良いので、部品点数を削減することができる。
一方、スペーサとしては、各電極の周囲に空気室及び燃料室を形成することができれば、例えば弾性を有する材質から形成されていても良いが、この場合、振動により電極板が電池セルに対して傾いてしまい、燃料電池の出力電圧が低下してしまう可能性があるため、スペーサは、剛体からなるようにされていることが好ましい。

つまり、スペーサが剛体であれば、電極板が電池セルに対して傾いてしまうことを防止することができるので、電極板が電池セルに対して傾くことによる燃料電池の出力電圧の低下を防止することができる。

以下に、本発明が適用された実施形態の固体酸化物燃料電池について、図面を用いて説明する。なお、図１は、固体酸化物燃料電池１（以下、ＳＯＦＣ１という）の全体を表す斜視図であり、図２は、図１のＡ−Ａ’における断面図であり、図３は、図１のＢ−Ｂ’における断面図であり、図４は、ＳＯＦＣ１の構成を表す分解斜視図である。

図１に示すように、ＳＯＦＣは、略円柱状に形成されており、電解質として酸素イオン伝導性の固体電解質を用いたものである。そして、ＳＯＦＣ１は、図２〜図４に示すように、円盤状の固体電解質体３の表裏面に電極５，７が形成された電池セル９を複数（本実施形態では、７つ）備え、各電池セル９毎に、一方の電極５側を囲んだ空気室１１、及び、他方の電極７側を囲んだ燃料室１３が形成されるように、各電池セル９が積層されている。

固体電解質体３は、ジルコニアにイットリアを添加したイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）からなる。
また、固体電解質体３の表面側（図１でいう上方の面側）の電極５は、ランタンマンガナイトにより形成されており、その表面には、例えばＰｔメッキが施されている。一方、固体電解質体３の裏面側の電極７は、ＮｉＯ及びＹＳＺにより形成されている。なお、以下の説明では、固体電解質体３の表面に形成された電極５を、空気極５といい、固体電解質体３の裏面に形成された電極７を燃料極７という。

次に、各固体電解質体３の空気極５側の面（即ち、表面）には、円環状に形成されたセパレータ１５が夫々配置されている。
セパレータ１５は、例えば、インコネル６００やインコネル７１８等のニッケル基合金からなり、その内周縁が、円環状の接合材（例えばＡｇとＰｄとからなるろう材）により電池セル９（詳しくは、固体電解質体３）の外周縁に接合されている。

また、セパレータ１５には、電池セル９に接合された内周縁を囲んだ外側に、断面が正弦波形状となる溝部１７が形成されている。
また、セパレータ１５には、溝部１７よりも外側の部分に、当該セパレータ１５を貫通し、空気及び燃料を給排するための給排孔１９，２１，２３，２５が形成されている。

次に、各電池セル９間には、セパレータ１５と略同一の外形を有する円盤状に形成された金属製のセル間電極板２７が配置されている。
セル間電極板２７には、挟まれた上下の電池セル９において、上側の電池セル９の燃料極７及び下側の電池セル９の空気極５に当接する突状部２９が、複数形成されている。

また、セル間電極板２７には、セパレータ１５にて給排孔１９〜２５が形成されている部分と同じ部分に、その給排孔１９〜２５と同じ形状の給排孔３１，３３，３５，３７が形成されている。

また、積層された７つの電池セル９のうち、図２及び図３における一番上側の電池セル９の空気極５側と一番下側の電池セル９の燃料極側には、セル間電極板２７と同じ構成の電極板３９，４１が配置されている。

即ち、電極板３９，４１は、セル間電極板２７と同様に、金属からなると共に、セパレータ１５と略同一の外形を有する円盤状に形成され、複数の突状部２９が形成されていると共に、セパレータ１５にて給排孔１９〜２５が形成されている部分と同じ部分に、その給排孔１９〜２５と同じ形状の給排孔３１，３３，３５，３７が形成されている。

また、電極板３９とそれに隣接するセパレータ１５との間と、セル間電極板２７とそれに隣接するセパレータ１５との間であって、セパレータ１５の空気極５側とには、中空板状に形成され、空気極５を囲んで、電池セル９の空気極５側に空気室１１を形成する空気極側スペーサ４３が配置されている。

空気極側スペーサ４３は、弾性変形することのない剛体からなる絶縁部材（例えばガラス、マイカセラミックス等）にて構成されている。
また、空気極側スペーサ４３には、セパレータ１５にて給排孔１９〜２５が形成されている部分と同じ部分に、その給排孔１９〜２５と同じ形状の給排孔４５，４７，４９，５１が形成されていると共に、給排孔４５，４７から当該空気極側スペーサ４３の中空部分にかけて、空気室１１に対し空気の導入及び排出をするための切り欠き５３，５５が夫々形成されている。

次に、電極板４１とそれに隣接するセパレータ１５との間と、セル間電極板２７とそれに隣接するセパレータ１５との間であって、セパレータ１５の燃料極７側とには、中空板状に形成され、燃料極７を囲んで、電池セル９の燃料極７側に燃料室１３を形成する燃料極側スペーサ５７が配置されている。

燃料極側スペーサ５７は、弾性変形することのない剛体からなる絶縁部材（例えばガラス、マイカセラミックス等）にて構成されている。
また、燃料極側スペーサ５７には、セパレータ１５にて給排孔１９〜２５が形成されている部分と同じ部分に、その給排孔１９〜２５と同じ形状の給排孔５９，６１，６３，６５が形成されていると共に、給排孔６３，６５から当該燃料極側スペーサ５７の中空部分にかけて、燃料室１３に対し燃料の導入及び排出をするための切り欠き６７，６９が夫々形成されている。

次に、電極板３９の電池セル９側とは反対側（図２及び図３でいう上側）には、電極板３９と略同一の外形を有する略円盤状に形成され、電極板３９の突状部２９と当接した蓋部材７１が配置されている。

蓋部材７１において、電極板３９の突状部２９と当接する部分（詳しくは、図２及び図３に示す蓋部材７１において、網状のハッチを付した部分）は、金属からなり、蓋部材７１の外周部分（詳しくは、図２及び図３に示す蓋部材７１において、斜線のハッチを付した部分）は、セラミックからなる。

また、蓋部材７１には、セパレータ１５にて給排孔１９〜２５が形成されている部分と同じ部分に、その給排孔１９〜２５と同じ形状の給排孔７３，７５，７７，７９が形成されている。

また、蓋部材７１と電極板３９との間には、中空板状に形成された蓋側スペーサ８１が配置されている。
蓋側スペーサ８１は、弾性変形することのない剛体からなる絶縁部材（例えばガラス、マイカセラミックス等）にて構成されている。

また、蓋側スペーサ８１には、セパレータ１５にて給排孔１９〜２５が形成されている部分と同じ部分に、その給排孔１９〜２５と同じ形状の給排孔８３，８５，８７，８９が形成されている。

一方、電極板４１の電池セル９側とは反対側（図２及び図３でいう下側）には、電極板４１と略同一の外形を有する略円盤状に形成され、電極板４１の突状部２９と当接した底部材９１が配置されている。

底部材９１において、電極板４１の突状部２９と当接する部分（詳しくは、図２及び図３に示す底部材９１において、網状のハッチを付した部分）は、金属からなり、底部材９１の外周部分（詳しくは、図２及び図３に示す底部材９１において、斜線のハッチを付した部分）は、セラミックからなる。

また、底部材９１と電極板４１との間には、中空板状に形成された底側スペーサ９３が配置されている。
底側スペーサ９３は、弾性変形することのない剛体からなる絶縁部材（例えばガラス、マイカセラミックス等）にて構成されている。

また、底側スペーサ９３には、セパレータ１５にて給排孔１９〜２５が形成されている部分と同じ部分に、その給排孔１９〜２５と同じ形状の給排孔９５，９７，９９，１０１が形成されている。

以上説明したＳＯＦＣ１においては、図２及び図３でいう下方から９１→９３→４１→５７→９→１５→４３→２７…→３９→８１→７１の順で各部材を積層し、当該ＳＯＦＣ１の動作温度より高い温度にしてスペーサ４３，５７，８１，９１を溶かして接合させることで、図１に示すような円柱状に形成される。

これにより、図２に示すように、各給排孔１９，３１，４５，５９，７３，８３，９５及び切り欠き５３が連結されることで、空気室１１に空気を供給するための空気供給路１０３が形成され、各給排孔２１，３３，４７，６１，７５，８５，９７及び切り欠き５５が連結されることで、空気室１１から空気を排出するための空気排出路１０５が形成される。また更に、図３に示すように、各給排孔２３，３５，４９，７７，８７，９９及び切り欠き６７が連結されることで、燃料室１３に燃料を供給するための燃料供給路１０７が形成され、各給排孔２５，３７，５１，７９，８９，１０１及び切り欠き６９が連結されることで、燃料室１３から燃料を排出するための燃料排出路１０９が形成される。

そして、このように構成されたＳＯＦＣ１では、当該ＳＯＦＣ１を所定の動作温度に昇温させ、燃料供給路１０７に水素等の燃料を導入して燃料極７と接触させ、空気供給路１０３に空気を導入して空気極５と接触させることで、燃料極７と空気極５との間に起電力が生じ、この電力を外部に取り出すことで、発電装置として機能させることができる。

以上説明したように、本実施形態のＳＯＦＣ１では、セパレータ１５が電池セル９に接合され、セパレータ１５にて電池セル９との接合部分の周囲に、断面が正弦波形状となる溝部１７を形成するようにされている。

このため、ＳＯＦＣ１の使用時に加熱と冷却が繰り返し行われて、セパレータ１５と電池セル９との接合部分に熱応力が発生したとしても、溝部１７が伸縮することでその熱応力を緩和することができ、ＳＯＦＣ１の延命化を図ることができる。

また、本実施形態によれば、振動により固体電解質体３にかかる電池セル９の板厚方向の力がかかった場合にも、セパレータ１５の溝部１７が伸縮することにより、振動の際に固体電解質体３にかかる力を吸収することができる。

また、本実施形態によれば、突状部２９の弾性力により、その突状部２９による電池セル９への板厚方向の押圧力を緩和することができる。
また、本実施形態では、電池セル９がセル間電極板２７を共通として複数積層されるように構成されているため、各電池セル９毎にセル間電極板２７を２つずつ設けなくても良いので、部品点数を削減することができる。

また、スペーサ４３，５７，８１，９３は、ガラス等の弾性変形することのない剛体からなる絶縁部材にて構成されているため、電極板２７，３９，４１が電池セル９に対して傾いてしまうのを防止することができ、電極板１７，３９，４１，が電池セル９に対して傾くことによるＳＯＦＣ１の出力電圧の低下を防止することができる。

なお、本実施形態では、空気極側スペーサ４３及び燃料極側スペーサ５７が、スペーサに相当し、セル間電極板２７及び電極板３９，４１が、電極板に相当している。また、電池セル９とセパレータ１５とセル間電極板２７と電極板３９，４１と空気極側スペーサ４３と燃料極側スペーサ５７とが、電池本体に相当している。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、種々の形態を採り得ることは言うまでもない。
例えば、セパレータ１５は、ニッケル基合金に限らず、ＳＵＳ４３０やＳＵＳ４０５等のフェライト系ステンレス綱により形成されていても良いし、ＳＵＳ３０４やＳＵＳ３０５等のオーステナイト系ステンレス綱により形成されていても良い。

また、本実施形態において、溝部１７は、断面が正弦波形状となるように形成されていたが、セパレータ１５にて電池セル９との接合部分の周囲に、空気室１１側及び燃料室１３側に交互に窪んだ複数条の溝となるように形成されていれば、どのように形成されていても良い。

例えば、溝部１７は、断面が凹凸形状となるように形成されていても良いし、断面が矩形波形状となるように形成されていても良いし、溝部１７にて図２の上下方向に窪んだ部分の大きさ（深さ）が上側と下側とで異なるように形成されていても良い。

このように溝部１７が形成されていたとしても、上述したように、溝部１７が伸縮することでセパレータ１５と電池セル９との接合部分に発生する熱応力を緩和することができる。

また、本実施形態のＳＯＦＣ１では、電池セル９が７個積層されていたが、これに限らず、電池セル９は何個積層されていても良い。
また、本実施形態では、セパレータ１５をろう材により電池セル９に接合していたが、接合材としては、シール性（封止性）を有するものであれば何でも良く、例えば銀のような金属製パッキンでも良い。即ち、ＳＯＦＣ１の使用時において、電池セル９には、熱膨張によりセパレータ１５に向かって押し上げる力が働くため、接合材がパッキンであってもセパレータ１５と電池セル９との密封性を維持することができる。

実施形態の燃料電池の全体を表す斜視図である。 図１のＡ−Ａ’における断面図である。 図１のＢ−Ｂ’における断面図である。 同燃料電池の構成を表す分解斜視図である。

符号の説明

１…固体酸化物燃料電池、３…固体電解質体、５…空気極、７…燃料極、９…電池セル、１１…空気室、１３…燃料室、１５…セパレータ、１７…溝部、２７…セル間電極板、２９…突状部、３９，４１…電極板、４３…空気極側スペーサ、５７…燃料極側スペーサ、７１…蓋部材、８１…蓋側スペーサ、９１…底部材、９３…底側スペーサ

Claims (3)

1. 板状の酸素イオン伝導性固体電解質体（３）からなり、その表裏面に多孔性の電極（５，７）が形成された電池セル（９）と、
   中空状の金属板からなり、その内周縁が前記電池セル（９）の外周縁に接合されたセパレータ（１５）と、
   該セパレータ（１５）と略同一の外形を有する金属板からなり、前記電池セル（９）の各電極（５，７）側にそれぞれ配置され、その配置された方の前記電池セル（９）の電極（５，７）に当接する突状部（２９）が複数形成された一対の電極板（２７，３９，４１）と、
   中空板状に形成され、前記各電極板（２７，３９，４１）と前記セパレータ（１５）との間にそれぞれ配置されることにより、前記電池セル（９）の各電極（５，７）を囲み、一方の電極（５）側に空気室（１１）、及び、他方の電極（７）側に燃料室（１３）を形成すると共に、少なくとも一方が絶縁部材からなるスペーサ（４３，５７）と、
   を備え、前記空気室（１１）に空気が供給され、前記燃料室（１３）に燃料が供給されることにより、酸化還元反応を起こして発電する固体酸化物燃料電池（１）であって、
   前記電池セル（９）及び前記電極板（２７，３９，４１）は、円盤状に形成されると共に、前記セパレータ（１５）及び前記スペーサ（４３，５７）は、円環状に形成され、
   更に、前記セパレータ（１５）には、前記電池セル（９）に接合される内周縁を囲むように、前記空気室（１１）側及び前記燃料室（１３）側に交互に窪んだ複数条の溝部（１７）が形成されていることを特徴とする固体酸化物燃料電池。
2. 前記電池セル（９）と、前記セパレータ（１５）と、前記一対の電極板（２７，３９，４１）と、前記スペーサ（４３，５７）とからなる電池本体（９，１５，２７，３９，４１，４３，５７）が、前記電極板（４１）を共通として複数積層されていることを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物燃料電池。
3. 前記スペーサ（４３，５７）は、剛体からなることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の固体酸化物燃料電池。

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