JP2009087657A - 固体酸化物形燃料電池用インターコネクター、及びこれを用いたスタック構造 - Google Patents

Abstract

【課題】電池のズレを防止し、安定してスタックすることが可能な固体酸化物形燃料電池用インターコネクター、及びこれを用いたスタック構造を提供する。
【解決手段】本発明は、電解質を挟むように燃料極および空気極が形成された板状の固体酸化物形燃料電池用のインターコネクターであって、燃料電池の側端面と係合する壁面を有する凹部が形成された本体部と、凹部が形成された面とは、反対側の面から突出する突出部と、を備え、凹部の底面には、ガスが流通可能な第１のガス流路が形成されており、突出部の先端面には、ガスが流通可能な第２のガス流路が形成されており、突出部は、凹部の内壁面に接触することなく、当該凹部に挿入可能な大きさに形成されており、突出部の突出高さと前記燃料電池の厚みとの合計が、凹部の深さよりも大きい。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料ガス及び酸化剤ガスにより動作する固体酸化物形燃料電池に用いられるインターコネクター、及びこれを用いて複数の固体酸化物形燃料電池をスタックしたスタック構造に関する。

燃料電池とは外部からの燃料供給と燃焼生成物の排気とを連続的に行いながら、燃料が酸化する際に発生する化学エネルギーを電気エネルギーに直接変換できる電池である。燃料電池の種類は電解質により分類され、電解質にイオン伝導性を持つ金属酸化物を用いたものを固体酸化物形燃料電池と呼んでいる。このような固体酸化物形燃料電池は、複数個準備され、スタック化されて用いられることが多い。例えば、特許文献１には、複数の固体酸化物形燃料電池を、スペーサを介して所定間隔をおいて配置したスタック構造が開示されている。このスタック構造では、スペーサにより、隣接する電池間に隙間を設けており、この隙間がガスを流通させる空間となる。
特開２００５−１７４６６２号公報

しかしながら、上記のようなスタック構造では、隣接する電池間に隙間が形成されているため、スタック構造全体としては、剛性が低いという問題がある。例えば、振動などで電池がずれるおそれもあり、安定した出力を維持することが難しいという問題がある。

本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、電池のズレを防止し、安定してスタックすることが可能な固体酸化物形燃料電池用インターコネクター、及びこれを用いたスタック構造を提供することを目的とする。

本発明は、板状の電解質の両面それぞれに燃料極および空気極が形成された固体酸化物形燃料電池用のインターコネクターであって、上記問題を解決するためになされたものであり、前記燃料電池の側端面と係合する壁面を有する凹部が形成された本体部と、前記凹部が形成された面とは、反対側の面から突出する突出部と、を備え、前記凹部の底面には、ガスが流通可能な第１のガス流路が形成されており、前記突出部の先端面には、ガスが流通可能な第２のガス流路が形成されており、前記突出部は、前記凹部の壁面に接触することなく、当該凹部に挿入可能な大きさに形成されており、前記突出部の突出高さと前記燃料電池の厚みとの合計が、前記凹部の深さよりも大きい。

この構成によれば、燃料電池が配置される凹部が形成されており、この凹部の壁面が、燃料電池の対向する両側端部と係合するため、電池のズレを防止することができる。また、スタック化する場合には、一のインターコネクターの凹部と、他のインターコネクターの突出部とで、燃料電池を挟持する。このとき、突出部は、凹部の壁面に接触することなく、当該凹部に挿入可能な大きさに形成されており、且つ、突出部の突出高さと燃料電池の厚みとの合計が、凹部の深さよりも大きいため、隣接するインターコネクター同士が接触するのが防止され、その結果、短絡することがない。また、凹部の底面、及び突出部の先端面にはガス流路が形成されているため、燃料電池及びインターコネクターが接触していても、電池に対してガスを供給することができる。したがって、インターコネクターと電池とが、密に接触されるため、剛性を向上することができ、振動による電池のズレを防止することができる。また、電池のズレを防止できることから、強い力で電池を挟持する必要がないため、電池の損傷も防止することができる。

上記インターコネクターは、種々の形状にすることができるが、例えば、本体部を、長方形、正方形等の矩形の板状に形成するとともに、凹部を、本体部の対向する両端部を結ぶとともに、当該両端部で開口するように形成する。そして、凹部の幅を、固体酸化物形燃料電池の両側端部間の長さと一致させる。さらに、突出部を、矩形状に形成し、凹部の幅よりも小さい幅を有するようにする。

また、本発明に係る固体酸化物形燃料電池のスタック構造は、上記問題を解決するためになされたものであり、板状の電解質の両面それぞれに燃料極および空気極が形成された複数の固体酸化物形燃料電池と、上述した少なくとも一つのインターコネクターと、前記突出部と同一構成の第１の端部材と、前記本体部と同一構成の第２の端部材と、を備え、前記複数の固体酸化物形燃料電池は、前記インターコネクターの凹部、及び第２の端部材の凹部にそれぞれ配置され、前記固体酸化物形燃料電池が、前記第１の端部材又はインターコネクターの突出部と、接触するように、前記第２の端部材、少なくとも一つのインターコネクター、及び第１の端部材がこの順で配置されている。

上記スタック構造においては、第１及び第２の端部材を挟持する一対の挟持部材と、挟持部材間の距離を調整可能な調整部材と、をさらに設けることができる。この構成によれば、調整部材により、挟持部材間の距離を小さくすれば、スタックされた燃料電池及びインターコネクターを強固に挟持することができ、燃料電池のズレを防止することができ、耐振動性能を向上することができる。

本体部、突出部、種々の形状にすることができ、板状、シート状、ブロック状等にすることができ、また平面形状も矩形のほか、多角形状、円形等種々の形状にすることができる。

本発明によれば、電池のズレを防止し、安定してスタックすることが可能となる。

以下、本発明に係る固体酸化物形燃料電池の一実施形態について図面にしたがって説明する。図１は本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池のスタック構造のＡ−Ａ線断面図であり、図３はインターコネクターの側面図である。

図１及び図２に示すように、このスタック構造は、３個の固体酸化物形燃料電池１をスタックするものである。各燃料電池１は、詳細な図は省略するが、正方形の板状の電解質の両面に、燃料極及び空気極がそれぞれ形成されることで、構成されている。このスタック構造は、上端部材（第１の端部材）２、第１及び第２インターコネクター３，４、及び下端部材（第２の端部材）５が上からこの順で設けられており、これらの間に燃料電池１が一個ずつ配置されている。そして、上端部材２及び下端部材５を挟むように、矩形状の一対の狭持部材６が設けられており、これら狭持部材６の四隅が棒状部材（調整部材）７によって連結されている。各棒状部材７は、ナット（調整部材）８によって狭持部材６に連結されており、ナット８を締め付けたり、緩めたりすることで、狭持部材６間の距離を調整することができる。

図３に示すように、各インターコネクター３，４は、矩形のブロック状の本体部３１、４１と、その下面から突出する矩形状の突出部３２，４２とで構成されている。本体部３１、４１の上面には、図３の紙面と垂直な方向に延びる幅広の凹部３３，４３が形成されており、両端が本体部３１、４１の側面で開放している。この凹部３３，４３の左右の幅Ｄは、燃料電池１の幅とほぼ同じであり、この凹部３３，４３に燃料電池１が嵌め込まれている。また、凹部３３，４３の底面には、溝状の複数のガス流路（第１のガス流路）３４，４４が平行に形成されており、凹部３３，４３と同様に、本体部の端部で開放している。このガス流路３４，４４は、凹部３３，４３に配置される燃料電池１の電極と対向しているので、ガス流路３４，４４に供給されるガスが、電極と接触するようになっている。

突出部３２，４２もブロック状に形成され、本体部３１、４１の下面において、上述した凹部３３，４３と対応する位置で突出している。図３に示すように、突出部３２，４２の幅ｄは、凹部３３，４３の幅Ｄよりも小さく、第１インターコネクター３の突出部３２が、第２インターコネクター４の凹部４３の壁面に接触しない状態で嵌め込み可能となっている。また、突出部３２，４２の下面には、複数の溝状のガス流路（第２のガス流路）３５，４５が平行に形成されており、本体部３１、４１のガス流路３４，４４と同様に、両端部で開放している。ここで、本体部３１、４１と突出部３２，４２との高さの関係について説明すると、本体部３１、４１の凹部の深さＨは、突出部３２，４２の高さｈ_１と燃料電池１の厚みｈ_２との合計よりも小さくなっている。これにより、第２インターコネクター４の凹部４３に嵌め込まれた燃料電池１上に、第１インターコネクター３の突出部３２が配置されたとき、凹部４３の両側の側壁部４６は、第１インターコネクター３に接触しないようになっている。その結果、両インターコネクター同士が短絡しないようになっている。

また、第１インターコネクター３の上方に配置される上端部材２は、突出部３２，４２と同一構成であり、第１インターコネクター３に嵌め込まれた燃料電池１上に配置されている。上端部材には、突出部と同様に、ガス流路２１が形成されており、この流路を通過するガスが燃料電池と接触する。一方、下方に配置される下端部材５は、本体部３１、４１と同一構成であり、その上面に形成された凹部５１に燃料電池１が嵌め込まれ、第２インターコネクター４の突出部４２との間に、燃料電池１を狭持している。下端部材５の凹部５１にも、ガス流路５２が形成されており、これを通過するガスが燃料電池１と接触する。こうして配置された上端部材２、インターコネクター３，４、及び下端部材５は、一対の狭持部材６によって狭持され、上述したように、ボルト８を締め付けることで、燃料電池１を強固に固定することができる。こうして、３個の燃料電池は、直列に接続される。また、各狭持部材６の側面には、導線を接続する接続片６１が取り付けられており、直列に接続された電池１で発電した電流が取り出される。

続いて、上記燃料電池１を構成する材料について説明する。電解質の材料としては、固体酸化物形燃料電池の電解質として公知のものを使用することができ、例えば、サマリウムやガドリニウム等をドープしたセリア系酸化物（ＧＤＣ）、ストロンチウムやマグネシウムをドープしたランタン・ガレード系酸化物、スカンジウムやイットリウムを含むジルコニア系酸化物（ＹＳＺ）などの酸素イオン伝導性セラミックス材料を用いることができる。

燃料極及び空気極は、セラミックス粉末材料により形成することができる。このとき用いられる粉末の平均粒径は、好ましくは１０ｎｍ〜１００μｍであり、さらに好ましくは５０ｎｍ〜５０μｍであり、特に好ましくは１００ｎｍ〜１０μｍである。なお、平均粒径は、例えば、ＪＩＳＺ８９０１にしたがって計測することができる。

燃料極は、例えば、金属触媒と酸化物イオン導電体からなるセラミックス粉末材料との混合物を用いることができる。このとき用いられる金属触媒としては、ニッケル、鉄、コバルトや、貴金属（白金、ルテニウム、パラジウム等）等の還元性雰囲気中で安定で、水素酸化活性を有する材料を用いることができる。また、酸化物イオン導電体としては、蛍石型構造又はペロブスカイト型構造を有するものを好ましく用いることができる。蛍石型構造を有するものとしては、例えばサマリウムやガドリニウム等をドープしたセリア系酸化物、スカンジウムやイットリウムを含むジルコニア系酸化物などを挙げることができる。また、ペロブスカイト型構造を有するものとしてはストロンチウムやマグネシウムをドープしたランタン・ガレード系酸化物を挙げることができる。上記材料の中では、酸化物イオン導電体とニッケルとの混合物で、燃料極２を形成することが好ましい。なお、酸化物イオン導電体からなるセラミックス材料とニッケルとの混合形態は、物理的な混合形態であってもよいし、ニッケルへの粉末修飾またはセラミックス材料へのニッケル修飾などの形態であってもよい。また、上述したセラミックス材料は、１種類を単独で、或いは２種類以上を混合して使用することができる。また、燃料極は、金属触媒を単体で用いて構成することもできる。

空気極を形成するセラミックス粉末材料としては、例えば、ペロブスカイト型構造等を有するＣｏ，Ｆｅ，Ｎｉ，Ｃｒ又はＭｎ等からなる金属酸化物を用いることができる。具体的には（Ｓｍ，Ｓｒ）ＣｏＯ_３，（Ｌａ，Ｓｒ）ＭｎＯ_３，（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｏＯ_３，（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｆｅ，Ｃｏ）Ｏ_３，（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ）Ｏ_３などの酸化物が挙げられ、好ましくは、（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｆｅ，Ｃｏ）Ｏ_３である。上述したセラミックス材料は、１種を単独で、或いは２種以上を混合して使用することができる。
上記燃料極及び空気極は、種々の方法で形成することができる。例えば、ウエットコ−ティング法或いは、ドライコーティング法によって形成することができる。ウエットコ−ティング法としては、スクリーン印刷法、電気泳動（ＥＰＤ）法、ドクターブレード法、スプレーコート法、インクジェット法、スピンコ−ト法、ディップコート法等が例示できる。その際、これら燃料極、空気極は、ペースト状にする必要があり、上述した材料を主成分として、さらにバインダー樹脂、有機溶媒などが適量加えられることにより形成される。より詳細には、上記主成分とバインダー樹脂との混合において、上記主成分が５０〜９５重量％となるように、バインダー樹脂等を加えることが好ましい。また、ドライコーティング法としては、例えば蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法、化学気相成長（ＣＶＤ）法、電気化学気相成長法、イオンビーム法、レーザーアブレーション法、大気圧プラズマ成膜法、減圧プラズマ成膜法等で形成することもできる。また、電解質は、上述の燃料極、及び空気極と同様の手法により形成することが可能であるが、ドライコーティング法やゾルゲル法により形成すれば、上記ウエットコ−ティング法よりも一般的に、低温で緻密な金属酸化物膜を形成できる。

また、上端部材２、インターコネクター３，４、及びは、導電性のある金属或いは金属酸化物材料からなり、Ｐｔ，Ａｕ，Ａｇ，Ｎｉ，ＳＵＳ，又はＬａ（Ｃｒ，Ｍｇ）Ｏ_３，（Ｌａ，Ｃａ）ＣｒＯ_３，（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｒＯ_３などのランタン・クロマイト系材料によって形成することができ、これらのうちの１種を単独で使用してもよいし、２種以上を混合して使用してもよい。

上記のように構成されたスタック構造では、次のように発電が行われる。まず、水素、又はメタン、エタンなどの炭化水素からなる燃料ガスと、空気などの酸化剤ガスとからなる混合ガスを、スタック構造の側面から供給する。混合ガスは、各ガス流路３４，３５，４４，４５からスタック構造内に進入し、燃料電池の燃料極及び空気極と接触する。こうして、燃料極及び空気極がそれぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスと接触するため、燃料極と空気極との間で、電解質を介した酸素イオン伝導が起こり、発電が行われる。

以上のように、本実施形態によれば、燃料電池が配置される凹部３３、４３が形成されており、この凹部３３、４３の壁面が、燃料電池１の側端部と係合するため、電池のズレを防止することができる。また、スタック化する場合、インターコネクターの突出部３２，４２は、凹部３３、４３の壁面に接触することなく、挿入可能な大きさに形成されており、且つ、突出部３３、４３の突出高さｈ_１と燃料電池１の厚みｈ_２との合計が、凹部３３、４３の深さＨよりも大きいため、隣接するインターコネクター３，４同士が接触するのが防止され、その結果、短絡することがない。また、凹部３３、４３の底面、及び突出部３２，４２の先端面にはガス流路が形成されているため、燃料電池及びインターコネクターが接触していても、電池に対してガスを供給することができる。したがって、インターコネクターと電池とが、密に接触されるため、剛性を向上することができ、振動による電池のズレを防止することができる。また、電池のズレを防止できることから、強い力で電池を挟持する必要がないため、電池の損傷も防止することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。例えば、上記実施形態では、板状の電解質の上面及び下面に、薄膜状の燃料極及び空気極をそれぞれ形成した燃料電池を用いたが、これ以外にも、板状の燃料極または空気極を用い、他方の電極及び電解質を薄膜状に形成したいわゆる電極支持型の電池を用いることもできる。

また、上記実施形態では、３個の燃料電池をスタックした例を示したが、２個または４個以上の燃料電池をスタックすることもできる。さらに、上記の例では、両端が開口している凹部３３，４３，５１に燃料電池を嵌め込んでいるが、燃料電池の側面の少なくとも一部と係合するような凹部であればよく、例えば、上記のような対向する２つの側端面と係合する以外に、３辺、または４辺、或いはそれらの辺全体ではなく、辺の一部と係合するような凹部でもよい。また、凹部、突出部、燃料電池の平面視の形状は、矩形状でなくてもよく、例えば、円形でもよい。

本発明に係る固体酸化物形燃料電池伸スタック構造の一実施形態を示す断面図である。 図１のＡ−Ａ線断面図である。 図１のインターコネクターの断面図である。

符号の説明

１ 燃料電池
２ 上端部材
３，４ インターコネクター
５ 下端部材
６ 狭持部材

Claims (4)

1. 電解質を挟むように燃料極および空気極が形成された板状の固体酸化物形燃料電池用のインターコネクターであって、
   前記燃料電池の側端面と係合する壁面を有する凹部が形成された本体部と、
   前記凹部が形成された面とは、反対側の面から突出する突出部と、を備え、
   前記凹部の底面には、ガスが流通可能な第１のガス流路が形成されており、
   前記突出部の先端面には、ガスが流通可能な第２のガス流路が形成されており、
   前記突出部は、前記凹部の内壁面に接触することなく、当該凹部に挿入可能な大きさに形成されており、
   前記突出部の突出高さと前記燃料電池の厚みとの合計が、前記凹部の深さよりも大きい、固体酸化物形燃料電池用インターコネクター。
2. 前記本体部は、矩形の板状に形成され、
   前記凹部は、前記本体部の対向する両端部を結ぶとともに、当該両端部で開口しており、
   前記凹部の幅が、固体酸化物形燃料電池の前記両側端部間の長さと一致しており、
   前記突出部は、矩形状に形成され、前記凹部の幅よりも小さい幅を有する、請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池用インターコネクター。
3. 電解質を挟むように燃料極および空気極が形成された複数の板状の固体酸化物形燃料電池と、
   請求項１または２に記載の少なくとも一つのインターコネクターと、
   前記突出部と同一構成の第１の端部材と、
   前記本体部と同一構成の第２の端部材と、を備え、
   前記複数の固体酸化物形燃料電池は、前記インターコネクターの凹部、及び第２の端部材の凹部にそれぞれ配置され、
   前記固体酸化物形燃料電池が、前記第１の端部材又はインターコネクターの突出部と接触するように、前記第２の端部材、少なくとも一つのインターコネクター、及び第１の端部材がこの順で配置されている、固体酸化物形燃料電池のスタック構造。
4. 前記第１及び第２の端部材を挟持する一対の挟持部材と、
   前記挟持部材間の距離を調整可能な調整部材と、
   をさらに備えている、請求項３に記載の固体酸化物形燃料電池のスタック構造。