JP2007173115A - セルスタック及び燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】ガスを電極に十分に供給することができるセルスタック及び燃料電池を提供する。
【解決手段】軸長方向にガス流路３４を有する複数の中空平板型燃料電池セル３３を、その厚み方向に積層して電気的に直列に接続してなるセルスタックであって、燃料電池セル３３は、一方側主面に２条の突条３５を軸長方向に有する横断面コ字状であり、２条の突条３５間の凹側面に固体電解質層３３ｃを、他方側主面にインターコネクタ３３ｅを有しており、一方の燃料電池セル３３の突条３５を、他方の燃料電池セル３３の他方側主面に接合してなることを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、軸長方向にガス流路を有する複数の中空平板型燃料電池セルを、その厚み方向に積層して電気的に直列に接続してなるセルスタック及び燃料電池に関するものである。

図６は、従来の燃料電池セル１３を用いたセルスタックを示すもので、セルスタックは、図６に示すように、複数の燃料電池セル１３が集合してなり、一方の燃料電池セル１３と他方の燃料電池セル１３との間に、金属フェルト及び／又は金属板からなる集電部材２３を介在させて構成されている。この図では、２つのセルスタックが、導電部材２２により直列に接続されている。

燃料電池セル１３は、その断面形状が例えば鉄アレイや綿棒の様に、両端部が膨れたような形状をしている。即ち、燃料電池セル１３は、断面形状が、幅方向両端に設けられた弧状部と、これらの弧状部を連結する一対の平坦部とから構成されており、一対の平坦部は平坦であり、ほぼ平行に形成されている。これらの燃料電池セル１３の平坦部のうち一方は、導電性支持板１３ａの他方側主面上に、インターコネクタ１３ｅを形成して構成され、他方の平坦部は、導電性支持板１３ａの一方側主面上に燃料側電極１３ｂ、固体電解質１３ｃ、酸素側電極１３ｄを形成して構成されている。

固体電解質１３ｃは、導電性支持板１３ａの一方側主面から両側の弧状部を経由して他方側主面にまで延設され、インターコネクタ１３ｅと重畳している。

このような燃料電池セルでは、導電性支持板１３ａのガス流路１４に水素を供給し、燃料電池セル間に空気を供給し、燃料側電極１３ｂ、固体電解質１３ｃ、酸素側電極１３ｄが重なり合っている部分において発電することになる。そして、各燃料電池セルはセル間に配置された集電部材２３により直列に接続されているため、各燃料電池セルで発電した電流は集電部材２３により集電される（例えば、特許文献１参照）。
特開２００４−２５３２７９号公報

しかしながら、上記のようなセルスタックでは、燃料電池セル１３間には、金属フェルト及び／又は金属板からなる集電部材２３が介在されていたため、この集電部材２３により、空気を発電する部分（燃料側電極１３ｂ、固体電解質１３ｃ、酸素側電極１３ｄが重なり合っている部分）に十分に供給することができないという問題があった。

即ち、燃料電池セル１３の発電する部分と、燃料電池セル１３間を電気的に接続する集電部材２３の配置位置が同じ位置であるため、燃料電池セル１３間の発電する部分に空気を供給しようとしても、燃料電池セル間には集電部材２３が存在し、この集電部材２３により、空気の供給が邪魔され、酸素側電極２３ｄに空気を十分に供給することができないという問題があった。

本発明は、発電ガスを電極に十分に供給することができるセルスタック及び燃料電池を提供することを目的とする。

本発明のセルスタックは、軸長方向にガス流路を有する複数の中空平板型燃料電池セルを、その厚み方向に積層して電気的に直列に接続してなるセルスタックであって、前記燃料電池セルは、一方側主面に２条の突条を軸長方向に有する横断面コ字状であり、前記２条の突条間の凹側面に固体電解質層又はインターコネクタを、他方側主面にインターコネクタ又は固体電解質層を有しており、一方の前記燃料電池セルの突条を、他方の前記燃料電池セルの他方側主面に接合してなることを特徴とする。

このようなセルスタックでは、一方の中空平板型燃料電池セルの２条の突条と、他方の中空平板型燃料電池セルの他方側主面との間に、例えば、空気等の酸素含有ガスの通路を形成することができ、主として発電する部分（酸素側電極）に酸素含有ガスを強制的に流すことができ、酸素側電極側に酸素含有ガスを十分に供給することができ、発電性能を向上することができる。

また、インターコネクタは、還元時に膨張することが知られているが、本発明の燃料電池セルでは、２条の突条が軸長方向に形成されているため、燃料電池セルが還元雰囲気中に晒されたとしても、インターコネクタによる還元膨張を、２条の突条により抑制することができる。

さらに、本発明のセルスタックは、一方の燃料電池セルの突条を、他方の燃料電池セルの他方側主面に接合して構成されているため、セルスタックを一体構造とすることができ、強度の高いスタックを得ることができる。

また、本発明のセルスタックは、前記一方の燃料電池セルの突条を、前記他方の燃料電池セルの他方側面に接合することにより、前記一方の燃料電池セルと前記他方の燃料電池セルとが電気的に接続されていることを特徴とする。このようなセルスタックでは、突条により、燃料電池セル同士を機械的に接合するとともに、電気的に接続することができ、セルスタックの構成を簡略化できる。

さらに、本発明のセルスタックは、前記２条の突条間の凹側面に前記固体電解質層及び電極層を有し、かつ、前記他方側主面に前記インターコネクタを有しており、前記電極層に導電体を接続し該導電体を前記突条表面まで延設し、該一方の燃料電池セルの突条に形成された導電体を、前記他方の燃料電池セルのインターコネクタに電気的に接続してなることを特徴とする。

このようなセルスタックでは、突条により燃料電池セル同士を機械的に接合するとともに、電極層に電気的に接続された導電体を、突条表面まで延設し、この導電体を隣設する燃料電池セルのインターコネクタに接続することにより、隣設する燃料電池セル同士を電気的に接続することができる。

また、本発明のセルスタックは、前記２条の突条間の凹側面に前記固体電解質層及び電極層を有し、かつ、前記他方側主面に前記インターコネクタを有しており、前記一方の燃料電池セルの突条を、前記他方の燃料電池セルの他方側主面に機械的に接合してなるとともに、前記２条の突条間の電極層と前記インターコネクタとを集電部材により電気的に接続してなることを特徴とする。

このようなセルスタックでは、突条により燃料電池セル同士を機械的に接合するとともに、一方の燃料電池セルの電極層に、この電極層と対向する位置に形成された他方の燃料電池セルのインターコネクタとを、集電部材により接続することにより、隣設する燃料電池セル同士を電気的に最短距離で接続することができるため、燃料電池セル間の電気抵抗を低減し、発電性能を向上することができる。

さらに、本発明のセルスタックは、前記一方の燃料電池セルの突条と、前記他方の燃料電池セルの他方側主面とにより形成される空間が酸素含有ガスのガス通路とされていることを特徴とする。このようなセルスタックでは、ガス通路は、一方の燃料電池セルの突条間と、他方の燃料電池セルの他方側主面とにより規制されているため、酸素含有ガスをガス通路に強制的に流すことができ、酸素側電極に酸素含有ガスを強制的に十分に供給することができる。

本発明の燃料電池は、上記セルスタックを収納容器内に収納してなることを特徴とする。このような燃料電池では、例えば、酸素含有ガスを酸素側電極に強制的に多量に供給するこができるため、発電性能を向上できる。

本発明のセルスタックでは、一方の中空平板型燃料電池セルの２条の突条と、他方の中空平板型燃料電池セルの他方側主面との間に、例えば、空気等の酸素含有ガスの通路を形成することができ、発電する部分に酸素含有ガスを強制的に流すことができ、酸素側電極に酸素含有ガスを十分に供給することができ、発電性能を向上することができる。

図１は、本発明のセルスタックを構成する中空平板型燃料電池セル３３の一形態の横断面斜視図を示すもので、燃料電池セル３３は断面が板状で、平坦部ａを有している。燃料電池セル３３は全体的に見て棒状で板状であり、その内部には複数のガス流路３４が長さ方向（軸長方向）に形成されている。

そして、燃料電池セル３３は、一方の平坦部ａ（一方側主面）に２条の突条３５を軸長方向に有する横断面コ字状とされている。言い換えれば、燃料電池セル３３の幅方向の両端にそれぞれ突部が軸長方向に形成されて突条３５とされており、これらの突条３５は、燃料電池セルの長さ方向に形成されている。突条３５は、その表面が平坦とされている。

２条の突条３５間の凹側面（一方の平坦部ａ、図１の上面）には、燃料側電極３３ｂ、固体電解質層３３ｃ、酸素側電極３３ｄを有しており、この凹側面と対向する他方の平坦部ａ（図１の下面）には、インターコネクタ３３ｅを有している。

即ち、燃料電池セル３３は、導電性支持板３３ａの一方側主面（図１の上面）に、多孔質な燃料側電極３３ｂ、緻密質な固体電解質３３ｃ、多孔質な導電性セラミックスからなる酸素側電極３３ｄを順次積層し、酸素側電極３３ｄと反対側の導電性支持板３３ａの他方側主面（図１の下面）にランタン−クロム系酸化物材料からなるインターコネクタ３３ｅを形成して構成されている。

導電性支持板３３ａの一方側主面の幅方向両端には、突条が形成されており、燃料電池セル３３は、導電性支持板３３ａの突条の形状を反映し、突条３５が形成されている。

燃料側電極３３ｂ、固体電解質３３ｃは、導電性支持板３３ａの一方側主面、突条の表面に形成され、さらに、導電性支持板３３ａの他方側主面の一部まで延設されている。燃料側電極３３ｂ、固体電解質３３ｃが形成されていない導電性支持板３３ａの他方側主面には、インターコネクタ３３ｅが形成され、緻密な固体電解質層３３ｃ、インターコネクタ３３ｅにより、導電性支持板３３ａが被覆されており、これにより燃料電池セル内外のガスの漏出を防止している。

また、導電性支持板３３ａの幅方向の寸法は１５〜３５ｍｍ、平坦部ａ−ａ間の距離は１．５〜４ｍｍとされている。突条３５の突出高さｈ（平坦部ａ表面と突条３５表面との距離）は、１〜５ｍｍとされている。尚、導電性支持板３３ａの形状は、板状と表現しているが、幅方向の寸法、平坦部ａ−ａ間の寸法が変化することにより楕円状あるいは扁平状とも表現できる。

また、酸素側電極３３ｄは、突条３５間の平坦部ａ表面から導電性支持板３３ａの一方側主面の突条表面まで延設されている。多孔質な導電性支持板３３ａは、例えば、希土類酸化物とＮｉ及び／又はＮｉＯとを主成分として構成されている。

導電性支持板３３ａの主面に設けられた燃料側電極３３ｂは、Ｎｉと希土類元素が固溶したＺｒＯ_２とから構成される。この燃料側電極３３ｂの厚みは１〜３０μｍであることが望ましい。

この燃料側電極３３ｂの主面に設けられた固体電解質層３３ｃは、３〜１５モル％のＹ等の希土類元素を含有した部分安定化あるいは安定化ＺｒＯ_２からなる緻密質なセラミックスから構成される。希土類元素としては、安価であるという点からＹもしくはＹｂが望ましい。

また、酸素側電極３３ｄは、遷移金属ペロブスカイト型酸化物のランタン−マンガン系酸化物、ランタン−鉄系酸化物、ランタン−コバルト系酸化物、又は、それらの複合酸化物の少なくとも一種の多孔質の導電性セラミックスから構成されている。酸素側電極３３ｄは、８００℃程度の中温域での電気伝導性が高いという点から（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｆｅ，Ｃｏ）Ｏ_３系が望ましい。

インターコネクタ３３ｅは、導電性支持板３３ａの内外の燃料ガス、酸素含有ガスの漏出を防止するため緻密質とされており、また、インターコネクタ３３ｅの内外面は、燃料ガス、酸素含有ガスと接触するため、耐還元性、耐酸化性を有している。

以上のような燃料電池セル３３の製法について説明する。先ず、例えば、希土類酸化物粉末とＮｉ及び／又はＮｉＯ粉末を混合し、この混合粉末に、有機バインダーと、溶媒とを混合した導電性支持板材料を用い、押出成形して、扁平状の導電性支持板成形体を作製し、これを乾燥、脱脂する。

このとき、導電性支持板３３ａを形成するための金型の形状を、幅方向両端に突条を形成する形状とする。

次に、希土類元素が固溶したＺｒＯ_２粉末と有機バインダーと溶媒を混合した固体電解質材料を用いてシート状の固体電解質成形体を作製する。

次に、Ｎｉ及び／又はＮｉＯ粉末と希土類元素が固溶したＺｒＯ_２粉末と有機バインダーと溶媒とを混合し作製した燃料側電極となるスラリーを、前記固体電解質成形体の一方側面に塗布し、固体電解質成形体の一方側の面に燃料側電極成形体を形成する。

導電性支持板成形体に、前記シート状の固体電解質成形体と燃料側電極成形体の積層体を、燃料側電極成形体が導電性支持板成形体に当接するように積層巻き付けし、乾燥する。なお、このとき脱脂を行ってもよい。

次に、ランタン−クロム系酸化物粉末と、有機バインダーと、溶媒を混合したインターコネクタ材料を用いてシート状のインターコネクタ成形体を作製し、固体電解質成形体が形成されていない導電性支持板成形体上に積層する。

これにより、導電性支持板成形体の一方の平坦部の表面に、燃料側電極成形体、固体電解質成形体を順次積層するとともに、他方の平坦部の表面にインターコネクタ成形体が積層された積層成形体を作製する。なお、各成形体はドクターブレードによるシート成形や印刷、スラリーディップ、スプレーによる吹き付けなどにより作製することができ、または、これらの組み合わせにより作製してもよい。

次に、積層成形体を脱脂処理し、酸素含有雰囲気中で１３００〜１６００℃で同時焼成する。

次に、遷移金属ペロブスカイト型酸化物粉末と、溶媒を混合し、ペーストを作製し、前記積層体をこのペースト中に浸漬し、固体電解質３３ｃの表面に酸素側電極成形体をディッピングにより形成するか、または、直接スプレー塗布し、１０００〜１３００℃で焼き付けることにより、本発明の燃料電池セル３３を作製できる。

なお、燃料電池セル３３は、酸素含有雰囲気での焼成により、導電性支持板３３ａ、燃料側電極３３ｂ中のＮｉ成分が、ＮｉＯとなっているため、その後、導電性支持板３３ａ側から還元性の燃料ガスを流し、ＮｉＯを８００〜１０００℃で還元処理する。また、この還元処理は発電時に行ってもよい。

図２、図３は、本発明のセルスタックを示すもので、このようなセルスタックは、複数の燃料電池セル３３を複数、その厚み方向に積層して構成されており、一方の燃料電池セル３３の突条３５は、他方の燃料電池セル３３の他方側主面に接合されている。

即ち、本発明のセルスタックは、突条３５の表面の酸素側電極３３ｄが、例えば、Ａｇ−Ｐｄや酸素側電極と同様の導電性ペースト３９を介して、隣設する燃料電池セル３３のインターコネクタ３３ｅと接合され、これにより隣設する燃料電池セル同士が機械的に接合されるとともに、電気的に接続されている。

そして、一方の燃料電池セル３３の突条３５間と、他方の燃料電池セル３３の他方側主面との間が酸素含有ガスのガス通路Ａとされており、酸素側電極３３ｄは、このガス通路Ａに面している。

また、図３に示すように、隣設する燃料電池セル３３同士は、その下端部は導電性ペースト３９により接合されておらず、隙間が形成されており、この隙間から、酸素含有ガスがガス通路Ａ内に供給されるように構成されている。即ち、隣設する燃料電池セル３３の下端部の隙間から、酸素含有ガス供給管４１によりガス通路Ａ内に酸素含有ガスを供給するように構成されている。このように隣設する燃料電池セル３３の下端部から導入された酸素含有ガスは、ガス通路Ａを上昇し、上端から放出される。

このようなセルスタックは、その下端部が燃料電池セル３３が一体的となるようにセラミック等の無機材料により接合されており、このセルスタックが接合されたセラミック板４３が、燃料ガスマニホールド４５の天板として接合されている。

水素等の燃料ガスは燃料ガスマニホールド４５に導入され、燃料電池セル３３のガス流路３４を通過し、セルスタック上方に放出される。一方、空気等の酸素含有ガスは、酸素含有ガス導入管４１により、燃料電池セル間のガス通路Ａに供給され、このガス通路Ａを上方に流れ、セルスタック上方に放出される。発電に用いられなかった余剰の燃料ガス、酸素含有ガスは反応して燃焼する。

本発明の燃料電池は、図３のセルスタックを、収納容器内に収納して構成されている。この収納容器には、外部から水素等の燃料ガス及び空気等の酸素含有ガスを燃料電池セル３３に導入するための供給管が設けられており、燃料電池セル３３が６００〜１０００℃に加熱されることにより発電し、使用された燃料ガス、酸素含有ガスは燃焼し、収納容器外に排出される。

以上のように構成されたセルスタックでは、一方の中空平板型燃料電池セル３３の２条の突条３５と、隣設する他方の燃料電池セル３３の他方側主面との間に、空気等の酸素含有ガスのガス通路Ａを形成することができ、酸素側電極３３ｄに酸素含有ガスを強制的に十分に供給することができ、発電性能を向上することができる。

また、インターコネクタ３３ｅは、還元時に膨張することが知られているが、本発明の燃料電池セルでは、２条の突条３５が軸長方向に形成されているため、燃料電池セル３３が還元雰囲気中に晒されたとしても、インターコネクタ３３ｅによる還元膨張を、２条の突条３５により抑制することができる。さらに、一方の燃料電池セル３３の突条３５を、他方の燃料電池セル３３の他方側主面に接合しているため、強固で信頼性の高い一体型のセルスタックを構成することができる。

尚、上記形態では、導電性支持板３３ａと燃料側電極３３ｂを用いて燃料電池セル３３を構成した例について説明したが、本発明では、図１の導電性支持板３３ａと燃料側電極３３ｂ１に代えて、支持板を兼ねる燃料側電極（いわゆる燃料極支持体）を用いる場合にも、上記形態と同様の作用効果を有する。

また、上記形態では、ガス流路３４に水素等の燃料ガスを流し、燃料電池セル外部に空気等の酸素含有ガスを流すタイプの燃料電池について説明したが、本発明では、ガス流路に空気等の酸素含有ガスを流し、燃料電池セル外部に水素等の燃料ガスを流すタイプに適用できる。尚、この場合には、固体電解質の内側に酸素側電極、外側に燃料側電極を形成することは勿論である。

さらに、図１、２では、酸素側電極３３ｄを、導電性支持板３３ａの一方側主面の突条表面まで延設した例について説明したが、本発明では、図４に示すように、突条３５間のみに酸素側電極３３ｄを形成し、この酸素側電極３３ｄと電気的に接続する導電体５１を固体電解質層３３ｃの表面に形成し、突条表面まで延設し、この導電体５１を用いて、隣設する燃料電池セルと接合しても良い。この場合には、酸素側電極３３ｄよりも導電率の高い導電体５１を用いることができ、さらに発電性能を向上できる。

また、図１、２では、酸素側電極３３ｄを、導電性支持板３３ａの一方側主面の突条表面まで延設し、この酸素側電極３３ｄと隣設する燃料電池セル３３のインターコネクタ３３ｅとを導電性ペースト３９により電気的に接合した例について説明したが、本発明では、図５に示すように、絶縁性ペースト４９により、燃料電池セル３３の突条３５と隣設する燃料電池セルとを機械的に接合し、さらに、突条３５間の酸素側電極３３ｄと、隣設する燃料電池セル３３のインターコネクタ３３ｅとを、幅方向に所定間隔を置いて３つの集電部材５５を軸長方向に延設して形成し、これらの集電部材５５間をガス通路Ａとすることもできる。この場合には、セル同士の接続距離を最短とすることができ、発電性能をさらに向上できる。

さらに、上記形態では、突条３５間に、固体電解質層３３ｃ、酸素側電極３３ｄを形成し、導電性支持板３３ａの他方側主面にインターコネクタ３３ｅを形成したが、突条間にインターコネクタを形成し、導電性支持板の他方側主面に固体電解質層、酸素側電極を形成しても良い。

本発明のセルスタックに用いられる燃料電池セルを示す横断面斜視図である。 本発明のセルスタックを示す横断面斜視図である。 本発明のセルスタックをガスマニホールドに立設した状態を示す斜視図である。 酸素側電極と電気的に接続する導電体を用いて隣設する燃料電池セルと接合した形態を示す横断面斜視図である。 絶縁性材料により燃料電池セルの突条と隣設する燃料電池セルとを機械的に接合するとともに、突条間の酸素側電極と、隣設する燃料電池セルのインターコネクタとを集電部材を用いて電気的に接続した形態を示す横断面斜視図である。 従来のセルスタックを示す横断面図である。

符号の説明

３３・・・燃料電池セル
３３ａ・・・導電性支持板
３３ｂ・・・燃料側電極
３３ｃ・・・固体電解質層
３３ｄ・・・酸素側電極
３３ｅ・・・インターコネクタ
３４・・・ガス流路
３５・・・突条
５１・・・導電体
Ａ・・・ガス通路

Claims (6)

1. 軸長方向にガス流路を有する複数の中空平板型燃料電池セルを、その厚み方向に積層して電気的に直列に接続してなるセルスタックであって、前記燃料電池セルは、一方側主面に２条の突条を軸長方向に有する横断面コ字状であり、前記２条の突条間の凹側面に固体電解質層又はインターコネクタを、他方側主面にインターコネクタ又は固体電解質層を有しており、一方の前記燃料電池セルの突条を、他方の前記燃料電池セルの他方側主面に接合してなることを特徴とするセルスタック。
2. 前記一方の燃料電池セルの突条を、前記他方の燃料電池セルの他方側主面に接合することにより、前記一方の燃料電池セルと前記他方の燃料電池セルとが電気的に接続されていることを特徴とする請求項１記載のセルスタック。
3. 前記２条の突条間の凹側面に前記固体電解質層及び電極層を有し、かつ、前記他方側主面に前記インターコネクタを有しており、前記電極層に導電体を接続し該導電体を前記突条表面まで延設し、該一方の燃料電池セルの突条に形成された導電体を、前記他方の燃料電池セルのインターコネクタに電気的に接続してなることを特徴とする請求項２記載のセルスタック。
4. 前記２条の突条間の凹側面に前記固体電解質層及び電極層を有し、かつ、前記他方側主面に前記インターコネクタを有しており、前記一方の燃料電池セルの突条を、前記他方の燃料電池セルの他方側主面に機械的に接合してなるとともに、前記一方の燃料電池セルにおける前記２条の突条間の電極層と、前記他方の燃料電池セルにおける前記インターコネクタとを集電部材により電気的に接続してなることを特徴とする請求項１記載のセルスタック。
5. 前記一方の燃料電池セルの突条と、前記他方の燃料電池セルの他方側主面とにより形成される空間が、酸素含有ガスのガス通路とされていることを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれかに記載のセルスタック。
6. 請求項１乃至５のうちいずれかに記載のセルスタックを収納容器内に収納してなることを特徴とする燃料電池。

Images