JP2008004391A

JP2008004391A - 平板固体酸化物型燃料電池

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Publication number: JP2008004391A
Application number: JP2006172783A
Authority: JP
Inventors: Yasuyoshi Fujii; 康義藤井
Original assignee: Yanmar Co Ltd
Current assignee: Yanmar Co Ltd
Priority date: 2006-06-22
Filing date: 2006-06-22
Publication date: 2008-01-10
Anticipated expiration: 2026-06-22
Also published as: CN101473478A; WO2007148677A1; KR20090015121A; EP2031686A1; EP2031686A4; JP4936801B2; US20090130521A1

Abstract

【課題】平板固体酸化物型燃料電池において、低コスト化及び熱伝導性向上を図ると共に、形状のみで、外部からの空気の逆拡散現象を抑制しつつ、燃焼ガスのシールを行う。
【解決手段】平板状の固体電解質２と両側面の燃料極４と空気極３よりなる平板状単電池１と、金属製セパレータ１０とを交互に配置し、燃料極４と金属製セパレータ１０との間で燃料供給室Ｓ１を、空気極３と金属製セパレータ１０との間で空気供給室Ｓ２を形成する。固体電解質２の外周端部２ａは、燃料極４及び空気極３よりも外方に張り出すと共に、２枚の金属板２１，２２により両側から直接挟持され、金属板２１，２２の外周端部は固体電解質２よりも外方に張り出し、金属板２１，２２の外周端部間に、固体電解質２の外周端を外方から囲む金属製スペーサ２３を挟着し、２枚の金属板２１，２２と固体電解質２の外周端部２ａの両側面とのすき間で、燃料に対する迷路を構成する。
【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空気極を配置してなる平板状単電池と、金属製セパレータとを交互に配置し、前記燃料極とこれに対向する金属製セパレータとの間で燃料供給室を形成し、前記空気極とこれに対向する金属製セパレータとの間で空気供給室を形成してなる平板固体酸化物型燃料電池に関する。

この種の固体酸化物型燃料電池（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４５〜６０％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いる。燃料単電池を構成する固体電解質及び両電極は、通常は、耐熱性のあるセラミックで形成されているが、セパレータについては、セラミックで形成された構造（特許文献１）と、金属で形成された構造とがある（特許文献２、３）。

セラミック製セパレータを用いる構造では、材料コストが高くなることに加え、急速な温度変化に対するセラミックスの耐久性が十分でないことにより、起動時、高い作動温度まで急速に温度を上昇させることができず、起動時間が長くなり、たとえば十数時間から数日を要し、使い勝手がよくないという課題がある。

これに対し、金属製セパレータを用いている構造では、材料コストを低減できると共に、熱伝導率が高くなることにより、作動温度まで速やかに上昇させることが可能となり、セラミック製セパレータを用いている構造に比べ、耐久性を維持しながらも、高速起動が可能となり、使い勝手が改善される。

ところで、平板固体酸化物型燃料電池の燃料シールに関しては、燃料単電池を通過した残存燃料ガスを単電池の外部に排出するために、ガラス系材料を用いたシール材で燃料極周囲にシールを施し、燃料ガスを前記排気口に至るまで空気に触れないように空気から分離したシール付き構造と、燃料単電池の外周端部を開放状態とし、該開放部分から残存燃料ガスを放出し、燃焼させるシールレス構造とがある（特許文献３）。

シールレス構造では、構造の簡素化及び生産性の向上を図ることはできるが、燃料単電池外の空気が燃料極内に入り込む現象、いわゆる逆拡散現象が生じやすく、運転時に、この逆拡散空気と燃料単電池内の燃料ガスが燃焼反応を起こし、燃焼ガスが浪費され、発電性能が低下するという課題がある。したがって、前記外部空気の逆拡散現象に対処するため、シールレス構造においては、小さな口径の排気口を有するカバーを設置した構造の電池も開発されている（特許文献２等）。

シール付き構造では、セラミック製セパレータを備えている場合には、セパレータとセラミック製固体電解質及び両電極極を焼結等により一体成形することにより、密閉構造とすることができる。
特開２００４−１４６３３４号公報特開２００５−８５５２１号公報特開２００６−８５９８１号公報

ところが、シール付き構造で、金属製セパレータを用いている場合、すなわち、ガラス系のシール材料等を使用してシールする構造では、運転時の高温によりシール材料が半溶融状態となり、停止時、低温となったシール材料によりセラミック製固体電解質と金属製セパレートが膠着するが、セラミックと金属の熱膨張差により、セラミック製固体電解質が破損する可能性がある。また、ガラスに含有されるシリカ成分が、燃料単電池の性能に悪影響を与えることも懸念される。

また、金属製セパレータを用いたシールレス構造において、前述のように、前記排気口を有するカバーで燃料単電池を密閉する構造では、外部からの空気が燃焼極側に侵入することをある程度抑制することは可能であるが、残存する燃焼ガスは排気口より燃料単電池外に排出されてしまい、燃焼ガスの利用効率が低下することは避けられない。なお、この排出された残存燃焼ガスを回収し、燃焼リサイクル又はボトミングサイクルなどに利用しようとする場合には、燃焼と空気が混合しにように何らかの分離手段を施す必要がある。

本発明の目的は、金属製セパレータを用いることにより、低コスト化及び熱伝導性向上による燃料電池全体の温度分布の均一化を図ると共に、ガラス系材料等のガスシール材を用いることなく、形状のみで、外部からの空気の逆拡散現象を抑制しつつ、燃焼ガスのシールを行える平板固体酸化物型燃料電池を提供することである。

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空気極を配置してなる平板状単電池と、金属製セパレータとを交互に配置し、前記燃料極とこれに対向する金属製セパレータの側面との間に燃料供給室を形成し、前記空気極とこれに対向する金属製セパレータの側面との間に空気供給室を形成してなる平板固体酸化物型燃料電池において、前記固体電解質の外周端部は、前記燃料極及び前記空気極の外周端よりも外方に張り出すと共に、２枚の金属板により両側から直接挟持され、前記２枚の金属板の外周端部は固体電解質の外周端よりも外方に張り出し、前記２枚の金属板の外周端部間は、前記固体電解質の外周端を外方から囲む金属製スペーサにより閉じられ、前記２枚の金属板と前記固体電解質の外周端部の両側面とのすき間で、燃料に対する迷路を構成している。

上記構成によると、（１）金属製セパレータを用いていることにより、材料の低コスト化を図れると共に、熱伝導性向上により燃料電池全体の温度分布が均一になり、耐久性を維持しつつ、作動温度までの高速起動が可能となる。

（２）金属製スペーサによって燃料単電池の外周端部から残存燃料が直接外部に放出されるのを防ぐと共に外部の空気の燃料極側への逆拡散を防ぎ、これにより燃料極の劣化を防止すると共に、燃料の利用効率を向上させることができる。また、従来のような残存燃料の燃焼（特許文献３）を避けることにより、燃料極の酸化を防ぎ、耐久性を向上させることができる。さらに、ガラス系等のシール材料を使用する必要がないので、金属製セパレータとセラミック製固体電解質との熱膨張差による固体電解質の破損を防ぐことができる。

上記構造の平板固体酸化物型燃料電池において、燃料入口及び排気口を有する金属製の燃料通路形成部材を、燃料極側の前記金属板とこれに対向する前記金属製セパレータとの間に挟着し、前記金属製セパレータと前記金属板と前記燃料通路形成部材とにより、前記燃料供給室とこれに連通する燃料通路を形成することができる。

上記構成によると、金属板及び金属製セパレータを、特別な加工を施すことなく、たとえば方形平板状の単純な形状のまま利用でき、材料加工に手間がかからない。
る。

上記構造の平板固体酸化物型燃料電池において、燃料極側の金属板とこれに対向する金属製セパレータとを、扁平状の筒部材により一体成形し、該筒部材内に、前記燃料供給室とこれに連通する燃料通路を形成することができる。

上記構成によると、部品点数を削減することができると共に、燃料単電池の外周端部の密封性能が向上する。

図１〜図５は本発明の実施の形態であり、図１は平板固体酸化物型燃料電池のスタックの一部を示す縦断面図、図２は平板状単電池の斜視図、図３は平板状単電池、金属製セパレータ、金属板及び金属製スペーサの分解斜視図、図４は図１の矢印IV部分の拡大縦断面図である。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ている。

（平板状単電池の構成）
図２において、平板板状単電池１は、平板状の固体電解質２と、該固体電解質２の両側面に一体的に固着された平板状の空気極（酸化剤極）３及び燃料極４の三層から構成されている。固体電解質２及び両電極３，４は、いずれも方形（正方形又は長方形）に形成されており、固体電解質２の面積は両電極３、４の面積よりも大きく、それにより固体電解質２の外周端部２ａは、全周が両電極３、４の外周端３ａ，４ａよりも外方に張り出している。

固体電解質２は酸化物イオン伝導体であり、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３，４間を移動するようになっている。空気極３と燃料極４とは電子伝導体であり、いずれも電子伝導性の高いセラミック材料から構成されている。たとえば空気極３は電子伝導性を持つ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おり、燃料極４は、Ｎｉ−ＹＳＺ、Ｃｏ−ＹＳＺ等金属とセラミックスとを混合焼結させたものを基盤としている。

（スタックの概略）
図１において、平板固体酸化物型燃料電池のスタックは、複数の前記平板状単電池１と、複数の金属製セパレータ１０とを、断熱ボックス（図示せず）等の内部に、等間隔を置いて互いに平行に配置することにより構成されている。燃料極４とこれに対向するセパレータ１０の側面との間の空間は燃料供給室Ｓ１となり、該燃料供給室Ｓ１には燃料極集電体１１が設けられ、空気極３とこれに対向するセパレータ１０の側面との間の空間は空気供給室Ｓ２となり、該空気供給室Ｓ２には空気極集電体１２が設けられている。

燃料極集電体１１の材料としては、たとえばＮｉ基合金等のスポンジ状又はフェルト状の多孔質体が用いられ、空気極集電体１２の材料としては、たとえばＡｇ基合金等の同じくスポンジ状又はフェルト状の多孔質体が用いられている。スポンジ状又はフェルト状の多孔質体は、集電機能、ガス及び空気透過機能、均一ガス拡散機能、クッション機能、熱膨張差吸収機能を備えているので、多機能の集電体として適している。

金属製セパレータ１０は方形平板状に形成されており、ステンレス鋼等の耐熱性金属により製作されている。

各平板状単電池１の固体電解質２の両側には、方形枠状の第１，第２の金属板２１，２２が配置されており、両金属板２１，２２の外周端部は固体電解質２の外周端よりも外方に張り出している。燃料極４側の第１の金属板２１の内側には燃料極４及び燃料極集電体１１の一部が収納されている。また、第１の金属板２１の側面と、これに対向するセパレータ１０の側面と、第１の金属板２１とセパレータ１０の間に挟着された燃料通路形成部材３３とにより、前記燃料供給室Ｓ１に連通する燃料通路３１が形成されている。空気極３側の第２の金属板２２の内側には空気極３及び空気極集電体１２の一部が収納されている。また、第２の金属板２２の側面と、これに対向するセパレータ１０の側面と、第２の金属板２２とセパレータ１０の間に挟着された空気通路形成部材３４とにより、前記空気供給室Ｓ２に連通する空気通路３２が形成されている。

両金属板２１，２２の外周端部間には、固体電解質２の厚みと略同じ厚みの方形枠状の金属製スペーサ２３が挟持され、溶接により両金属板２１，２２に固着されている。金属製スペーサ２３は、固体電解質２の外周端の全周を、所定すき間Ｃ２を隔てて囲んでおり、これにより固体電解質２の外周端部２ａを外方から閉じている。

燃料供給室Ｓ１及び燃料通路３１内は、たとえば図１の下側から上側に燃料ガスが流れるようになっており、そのために、燃料通路３１の図１の下端に燃料入口３１ａが形成され、該燃料入口３１ａは燃料供給源（たとえば水素供給源）に接続し、上端に排気口３１ｂが形成され、該排気口３１ｂは外部に連通している。一方、空気供給室Ｓ１及び空気通路３２内は、前記燃料ガスと直交する方向に空気が流れるようになっており、たとえば図１の紙面の手前側（表側）に空気入口が形成され、向こう側（裏側）に空気出口が形成されている。

図３は、平板状単電池１、両金属板２１，２２及び金属製スペーサ２３の形状を明確に示している。燃料極４側の第１の金属板２１は空気極３側の第２の金属板２２よりも大きな面積を有し、セパレータ１０と略同じ大きさとなっている。第１の金属板２１の側面とこれに対向する前記セパレータ１０の側面との間に、前述のように前記燃料通路３１を囲む金属製燃料通路形成部材３３が溶接により固着され、該燃料通路形成部材３３の上下両端に、前記排気口３１ｂ及び燃料入口３１ａが形成されている。

図４において、平板状単電池１の固体電解質２の外周端部２ａは、両金属板２１，２２により両側から挟持されているが、両金属板２１，２２の側面と固体電解質外周端部２ａの両側面の間には、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Ｃ１が生じている。この両すき間Ｃ１と、前記スペーサ２３の内周面と固体電解質２の外周端とのすき間Ｃ２とにより、燃料供給室Ｓ１及び燃料通路３１内の残存燃料ガスを逃がし得るコの字形のすき間迷路（Ｃ１，Ｃ２）を構成している。なお、前記両側のすき間Ｃ１は、実際は金属板２１，２２の側面と固体電解質２の外周端部２ａの側面とが当接しているため、寸法としては殆ど０に近い値であるが、図においてすき間として表現し難いので、誇張して示している。ただし、スペーサ２３の内周面と固体電解質２の外周端とのすき間Ｃ２は、実際にも所定の距離が確保されており、これによりスペーサ２３の熱膨張による固体電解質２との干渉を避けている。

（作用）
燃料単電池１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、ハッチングの矢印は燃料（水素を含む燃料）の流れを示している。空気供給源から空気通路３２を介して空気供給室Ｓ２に供給された空気（酸素）は、セラミック製の空気極３の気孔を通って固体電解質２との界面付近に到達し、空気極３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２内を燃料極４に向かって拡散移動し、燃料極４との界面付近に到達した酸化物イオンは、燃料通路３１から燃料供給室Ｓ１に供給された燃料（Ｈ₂やＣＯ）と反応して、反応生成物（Ｈ₂Ｏ、ＣＯ2等）を生じ、燃料極４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。
空気極３では、 1/2Ｏ₂＋２ｅ⁻→Ｏ^2-
燃料極４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（残存燃料又は余剰燃料）は、図４において、固体電解質２の外周端部２ａの側面と第１の金属板２１の側面とのすき間Ｃ１に侵入し、さらに、固体電解質２の外周端とスペーサ２３の内周とのすき間Ｃ２及び固体電解質２の外周端部２ａの側面と第２の金属板２２の側面との隙間Ｃ１を通り、空気通路３１側へと逃がされる。なお、空気供給室Ｓ２に供給された空気の一部も、電解質２の外周端部２ａの側面と第２の金属板２２の側面との間のすき間Ｃ１を通り、固体電解質２の外周端部２ａとスペーサ２３の内周面とのすき間Ｃ２へ供給されるが、燃料供給室Ｓ１は、燃料ガスによる内圧を有しているので、前記すき間Ｃ１，Ｃ２を介して外部から空気が逆流することは殆どなく、これにより空気の逆拡散による燃料極４の劣化を防ぐことができると共に、残存燃料の無駄な放出を防ぎ、燃料の利用効率を向上させることができる。

図５は、本実施の形態と、従来技術（前記特許文献３）とのシール性能を比較した表であり、前記従来技術は図１及び図４のスペーサ２３を備えておらず、固体電解質２の外周端が開放した構造である。具体的な実験としては、図１の空気通路３２側に空気を流し、燃料通路３１側に燃料ガスの代わりに窒素ガスを流し、固体電解質２を酸素センサーとして動作させ、燃料極４側の酸素濃度を測定することで、ガスのシール効果を評価したものである。

図５の横軸は燃料通路に流す窒素流量、縦軸は燃料極における酸素濃度であり、この酸素濃度は対数で示している。グラフＸ１が本実施の形態における酸素濃度の変化であり、グラフＸ２がスペーサを有しない上記従来技術の酸素濃度である。

図５の表から明らかなように、本実施の形態における酸素濃度（Ｘ１）は、従来技術（Ｘ２）よりも大幅に低減されており、窒素流量が増加するに従い、従来技術に対して１／１０〜１／１０００に低減している。

［他の実施の形態］
（１）図６は、燃料極４側の第１の金属板２１の変形例を示しており、ステンレス鋼製の筒部材を扁平状に加工することにより、第１の金属板２１とこれに対向するセパレータ１０とを一体成形しており、扁平状の筒部材内を燃料通路３１としている。この構造によると、部品点数を削減できると共に燃料通路３１の密封性も向上する。

（２）前記実施の形態では、図１及び図４のように、金属製セパレータ２３を、第１、第２の金属板２１，２２とは別部材により形成しているが、前記金属セパレータ２３を、空気極側の面積の小さな第２の金属板２２と、プレスによる一体成形品とすることも可能である。

本発明を適用した平板固体酸化物型燃料電池のスタックの縦断面部分図である。平板状単電池の斜視図である。平板状単電池、セパレータ、金属板及びスペーサの分解斜視図である。図１の矢印IV部分の拡大縦断面図である。シール性の実験結果を示す図である。金属板の変形例を示す斜視図である。

符号の説明

１平板状単電池
２固体電解質
３空気極
４燃料極
１０金属製セパレータ
１１燃料極側集電体（燃料供給室）
１２空気極側集電体（空気供給室）
２１第１の金属板
２２第２の金属板
２３金属製スペーサ
３１燃料通路
３２空気通路
３３燃料通路形成部材
Ｃ１，Ｃ２すき間（すき間迷路）

Claims

平板状の固体電解質の両側面に燃料極と空気極を配置してなる平板状単電池と、金属製セパレータとを交互に配置し、前記燃料極とこれに対向する金属製セパレータの側面との間に燃料供給室を形成し、前記空気極とこれに対向する金属製セパレータの側面との間に空気供給室を形成してなる平板固体酸化物型燃料電池において、
前記固体電解質の外周端部は、前記燃料極及び前記空気極の外周端よりも外方に張り出すと共に、２枚の金属板により両側から直接挟持され、
前記２枚の金属板の外周端部は固体電解質の外周端よりも外方に張り出し、
前記２枚の金属板の外周端部間は、前記固体電解質の外周端を外方から囲む金属製スペーサにより閉じられ、
前記２枚の金属板と前記固体電解質の外周端部の両側面とのすき間で、燃料に対する迷路を構成していることを特徴とする平板固体酸化物型燃料電池。
燃料入口及び排気口を有する金属製の燃料通路形成部材を、燃料極側の前記金属板とこれに対向する前記金属製セパレータとの間に挟着し、
前記金属製セパレータと前記金属板と前記燃料通路形成部材とにより、前記燃料供給室とこれに連通する燃料通路を形成していることを特徴とする請求項１記載の平板固体酸化物型燃料電池。
燃料極側の金属板とこれに対向する金属製セパレータとを、扁平状の筒部材により一体成形し、該筒部材内に、前記燃料供給室とこれに連通する燃料通路を形成していることを特徴とする請求項１記載の平板固体酸化物型燃料電池。