JP2008293843A - 固体電解質形燃料電池 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】固体電解質体27は、燃料極25の空気極29側の全表面だけでなく、積層方向に対して垂直方向である側方の全面、及び同図下方の裏側面にも形成されており、これにより、固体電解質体27は袋状になっている。詳しくは、燃料極25の裏側面の外縁部の全周にわたって、固体電解質体27の延長部分である裏側固体電解質層55が、四角枠状に形成されており、この裏側固体電解質層55の表面に、隔離セパレータ47の開口部の内縁部がロウ付け接合されている。
【選択図】図2
Description
この固体酸化物形燃料電池は、例えば板状の固体電解質体の各面に燃料極と空気極とを備えた燃料電池セルを、多数積層してスタックを形成し、燃料極に燃料ガスを供給するとともに、空気極に酸化剤ガス(例えば空気)を供給し、燃料及び酸素を固体電解質体を介して化学反応させることによって電力を発生させるものである。
更に、隔離セパレータと燃料電池セルとの接合部において、隔離セパレータに凹部や凸部を設けて、接合部が酸化剤ガスや燃料ガスのどちらか一方と触れないようにする構造が開示されている(特許文献3参照)。
ところが、上述した従来の構造では、接合代を大きくすると、必然的に空気極の形成面積が減少し、セルの発電可能面積が小さくなるという問題があった。
スに接する燃料極と、該固体電解質体の他面に設けられ、酸化剤ガスに接する空気極とを有する固体電解質形燃料電池セルを、ガスの流通を遮断するセル間セパレータを介して、複数積層した固体電解質形燃料電池であって、前記固体電解質形燃料電池セルは、前記燃料極の表面全体を、前記固体電解質体によって、前記空気極と反対側の裏側面の一部を除いて袋状に覆うとともに、前記裏側面の前記固体電解質体の表面に、ガスの流通を遮断する隔離セパレータを接合したことを特徴とする。
(3)請求項3の発明では、前記裏側面の前記固体電解質体(例えば裏側固体電解質層)は、前記裏面側の周縁部(外縁部)を覆う枠状であり、該枠状の固体電解質体に前記隔離セパレータを接合したことを特徴とする。
(4)請求項4の発明では、前記燃料極の裏側面において、前記枠状に形成された固体電解質体(例えば裏側固体電解質層)の内側に、部分的に固体電解質体(例えば内側固体
電解質層)を形成したことを特徴とする。
(5)請求項5の発明では、前記燃料極の裏側面のうち、前記固体電解質体の形成されていない露出部分に穴部を形成したことを特徴とする。
・固体電解質形燃料電池を用いて発電を行う場合、燃料極側には燃料ガスを導入し、空気極側には酸化剤ガスを導入する。
・図1に示す様に、本実施例の固体電解質形燃料電池1は、燃料ガス(例えば水素)と酸化剤ガス(例えば空気(詳しくは空気中の酸素))との供給を受けて発電を行う装置であり、図示しない断熱容器に収容されている。
パレータ47の開口部57は、燃料極25と燃料極側集電体37との密着を妨げないように、燃料極側集電体37の外径寸法(積層方向から見た寸法)より、十分に大きく設定してある。
前記ボルト7〜21は、上述した様に、固体電解質形燃料電池1を積層方向に押圧して固体電解質形燃料電池セル3及び燃料ガス予熱部5を拘束するために用いる部材であり、その構造から2種類のボルト7〜21が使用されている。
b)次に、固体電解質形燃料電池1のガス流路について説明する。
(1)空気の流路(空気の流れを実線の矢印で示す)
図4(a)に示す様に、空気用のボルト7の上方から供給された空気は、そのボルト7の軸中心に形成された中心孔71に導入され、各固体電解質形燃料電池セル3の側方にあけられた連通路73等を介してセル内の空気流路31側に導入される。
図4(b)に示す様に、燃料用のボルト11の下方から供給された燃料ガスは、そのボルト11の軸中心に形成された中心孔81Aに導入され、燃料ガス予熱部5の連通路83
から内部空間67に供給される。尚、燃料用のボルト11の中心孔81は、下方の中心孔81Aと上方の中心孔81Bとからなり、燃料ガス予熱部5と固体電解質形燃料電池スタック4との間にて閉塞されている。
次に、各セル内の燃料ガス流路23の燃料ガスは、同様な他の連通路91を介して、燃料用のボルト11の中心孔81Bに排出され、その上方よりスタック外に排出される。
まず、例えばSUS430からなる板材を打ち抜いて、セル間セパレータ33、空気極フレーム41、中間フレーム45、隔離セパレータ47、燃料極フレーム49、遮蔽プレート61、63、枠体65、スペーサ69を製造した。
更に、固体電解質形燃料電池セル3のセル本体39を製造した。具体的には、燃料極25のグリーンシートの一方の表面(表面側)に、表面側全体を覆うように、固体電解質体27の材料を印刷し、また、グリーンシートの他方の表面(裏面側)に、その外縁部の全周を覆うように、所定幅(例えば150mm×150mmのグリーンシートに所定幅15mm(焼成後には□120mmのセル本体に、幅12mmで裏面にも固体電解質材が形成される))にて、固体電解質体27の材料を印刷し、一旦焼成する。その後空気極29の材料を印刷し、焼成してセル本体39を製造した。
その後、セル本体39の裏側面の周縁部(外縁部)、即ち裏側固体電解質層55の表面に、隔離セパレータ47の内縁部が接するように配置するとともに、枠部53を形成するように、空気極フレーム41、絶縁フレーム43、中間フレーム45、隔離セパレータ47、燃料極フレーム49の順で、ボルト11〜21を通す貫通孔51が一致するように重ね合わせ、治具を用いて組み付けて、その接触部分をロウ材により接合一体化した。
構成となるように、セル間セパレータ33、空気極側集電体35、燃料極側集電体37、スペーサ69、遮蔽プレート61、63、枠体65などを、積層して一体にして、固体電解質形燃料電池1を組み付けた。
c)次に、本実施例の効果について説明する。
従って、隔離セパレータ47のセル本体39との接合代を燃料極25側に設けているため、空気極29の面積は、特に制限されないので、空気極29は、燃料極25と略同サイズにまで拡大可能なため、高い発電出力を確保することができる。また、裏側固体電解質層55による十分な接合部を確保することができるため、隔離セパレータ47とセル本体39との接合強度を高めることができる。
本実施例は、燃料極の裏側固体電解質層の枠内にも、部分的に固体電解質層を設けたものである。
105と空気極107からなるセル本体111を備えている。また、裏側固体電解質層109に隔離セパレータ113が接合されている。
本実施例は、燃料極の裏面側の穴部(凹部)を形成したものである。
図6(c)、(d)に要部を示す様に、本実施例の固体電解質形燃料電池121では、前記実施例2と同様に、燃料極123と(裏側固体電解質層129を含む)固体電解質体125と空気極127からなるセル本体131を備えるとともに、内側固体電解質層133を備えている。また、裏側固体電解質層129に隔離セパレータ135が接合されている。
これにより、燃料ガスが効率的に反応場に到達するため、燃料利用率が高い条件でも、十分に燃料ガスの供給が可能になり、出力低下を低減できる。
本実施例は、燃料極フレームの開口部分を小さくしたものである。
図7(a)、(b)に要部を示す様に、本実施例の固体電解質形燃料電池141では、前記実施例3と同様に、燃料極143と(裏側固体電解質層149を含む)固体電解質体145と空気極147からなるセル本体151を備えるとともに、内側固体電解質層153や穴部155を備えている。また、裏側固体電解質層149に隔離セパレータ157が接合されている。
本実施例は、セル間セパレータに凹部を設けて燃料極側集電体の一部を収容したものである。
また、隔離セパレータ187とセル間セパレータ189との間には、燃料極プレートの代わりにマイカシート195が配置されている。尚、マイカシート195は省略可能である。ここでは、燃料極プレートとセル間セパレータ189を一体化した構造としてもよいが、別体でもよい。
例えば、固体酸化物燃料電池としては、上述した様な中空ボルトを用いて、ガスの流通とスタックの固定を行うもの以外に、例えば特願2006−194245号の図1〜図8等に記載の様に、ロウ材等によってセル等を接合し、そのセルの枠部を貫通するように設けたガス流路を利用して、空気や燃料を供給したり排出する構成の(帯状のマニホールドタイプの)固体電解質形燃料電池にも、本発明を適用できる。
3…固体電解質形燃料電池セル
4…固体電解質形燃料電池スタック
7、9、11、13、15、17、19、21…ボルト
23…燃料ガス流路
25、103、123、143、173…燃料極
27、105、125、145、175…固体電解質体
29、107、127、147、177…空気極
31…空気流路
33…セル間セパレータ
39、111、131、151、171…セル本体
47、113、135、141、157、187…隔離セパレータ
55、109、129、149、179…裏側固体電解質層
117、133、153、181…内側固体電解質層
137、155、183…穴部
191…凹部
Claims (7)
- 固体電解質体と、該固体電解質体の一面に設けられ、燃料ガスに接する燃料極と、該固体電解質体の他面に設けられ、酸化剤ガスに接する空気極とを有する固体電解質形燃料電池セルを、ガスの流通を遮断するセル間セパレータを介して、複数積層した固体電解質形燃料電池であって、
前記固体電解質形燃料電池セルは、
前記燃料極の表面全体を、前記固体電解質体によって、前記空気極と反対側の裏側面の一部を除いて袋状に覆うとともに、
前記裏側面の前記固体電解質体の表面に、ガスの流通を遮断する隔離セパレータを接合したことを特徴とする固体電解質形燃料電池。 - 前記固体電解質形燃料電池セルの積層方向における前記空気極の面積が、前記積層方向における前記燃料極の面積の70〜100%であることを特徴とする請求項1に記載の固体電解質形燃料電池。
- 前記裏側面の前記固体電解質体は、前記裏面側の周縁部を覆う枠状であり、該枠状の固体電解質体に前記隔離セパレータを接合したことを特徴とする請求項1又は2に記載の固体電解質形燃料電池。
- 前記燃料極の裏側面において、前記枠状に形成された固体電解質体の内側に、部分的に固体電解質体を形成したことを特徴とする請求項3に記載の固体電解質形燃料電池。
- 前記燃料極の裏側面のうち、前記固体電解質体の形成されていない露出部分に穴部を形成したことを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の固体電解質形燃料電池。
- 前記燃料極の周囲に配置される枠状のスペーサである燃料極フレームと、前記空気極の周囲に配置される枠状のスペーサである空気極フレームとを備えるとともに、
前記燃料極フレームの前記積層方向における開口面積を、前記空気極フレームの前記積層方向における開口面積より小さくしたことを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の固体電解質形燃料電池。 - 前記燃料極の裏側面に、前記燃料極と接触する燃料極側集電体を配置するとともに、前記燃料極側のセル間セパレータに、前記積層方向の外側に張り出すように凹部を設け、該凹部に前記燃料極側集電体の一部を収容したことを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の固体電解質形燃料電池。
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