JP2009277389A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】低コストで構成し得る燃料電池を提供する。
【解決手段】電解質板２の両面にアノード３及びカソード４がそれぞれ接合されて構成された単セル１と、アノード３に直接接合されて燃料ガスの流路となる複数の貫通孔が設けられたアノード側流路板７と、酸化ガスの流路となる複数の貫通孔が設けられたカソード側流路板６と、カソード側流路板６とカソード４との間に直接接合されたＳＵＳメッシュ板５とから構成される燃料電池ユニット８を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は燃料電池に関し、特に燃料電池を低コストで製造する場合に適用して有用なものである。

燃料電池として、溶融炭酸塩形燃料電池（以下、ＭＣＦＣと称す。）が知られている。ＭＣＦＣは、例えば多孔質ニッケル板で形成した電極である燃料極（アノード）と、例えば多孔質酸化ニッケル板で形成した空気極（カソード）との間に、電解質（炭酸塩）を挟んで構成した単セルを備えている。さらに、アノードには、集電板及びアノード側流路板が順次設けられ、外部の燃料ガス源からアノード側流路板を経由してアノードに燃料ガスが供給されるようになっている。同様に、カソードにも、集電板及びカソード側流路板が順次設けられ、外部の酸化ガス（Ｏ_２）源からカソード側流路板を経由してカソードに酸化ガスが供給されるようになっている。

そして、例えば天然ガス等の燃料ガスに含まれる水素（Ｈ_２）がアノードに供給され、空気（Ｏ_２）がカソードに供給されると、Ｈ_２とＯ_２の電気化学反応により発電が行われる。ＭＣＦＣは高温で作動するため高効率であり、また、同時にＣＯ_２を回収分離できるため環境への影響が少ない等の特徴を有している。このため、近年は、水力、火力、原子力に続く発電システムとして注目されてきている。なお、かかるＭＣＦＣを開示する公知技術として特許文献１が存在する。

しかしながら、ＭＣＦＣでは、集電板としてパンチングメタルが用いられているが、一般的にパンチングメタルは高価であるし、ステンレス鋼を打ち抜いて形成されているため、打ち抜かれた分だけ無駄が生じてしまう。したがって、ＭＣＦＣの実用化・事業化に際しては、このような無駄を省いて一層の低コスト化を図る必要がある。

なお、このような問題は、ＭＣＦＣのみならず、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）など他の燃料電池にも存在する。

特開２０００−０３０７２２号公報

本発明は、上記従来技術に鑑み、低コストで構成し得る燃料電池を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明の第１の態様は、電解質板の両面にアノード及びカソードがそれぞれ接合されて構成された単セルと、酸化ガスの流路が設けられたカソード側流路板と、前記カソード側流路板と前記カソードとの間に直接接合された金属メッシュとから構成される燃料電池ユニットを備えることを特徴とする燃料電池にある。

かかる第１の態様では、カソードに金属メッシュが直接接続され、更にカソード側流路板が直接接続されており、従来必要であった集電板が除外された構成となっている。このため、燃料電池の製造に掛かるコストから集電板のコストを削減することができる。特に、従来の集電板として用いられていたパンチングメタルは、金属メッシュに比して高価であるため、その削減の効果は大きい。

本発明の第２の態様は、第１の態様に記載する燃料電池において、前記燃料電池ユニットは、前記アノードに直接接合されて燃料ガスの流路が設けられたアノード側流路板を具備することを特徴とする燃料電池にある。

かかる第２の態様では、アノードにアノード側流路板が直接接続され、集電板が除外された構成となっている。このため、燃料電池の製造に掛かるコストを更に削減することができる。

本発明の第３の態様は、第１又は第２の態様に記載する燃料電池において、前記アノード側流路板は、前記アノードの集電体の機能を兼用するよう構成されていることを特徴とする燃料電池にある。

かかる第３の態様では、アノードを集電しつつ、部品点数を減らしてコスト削減を図ることができる。

本発明の第４の態様は、第１〜第３の何れか一つの態様に記載する燃料電池において、前記カソード側流路板は、前記カソードの集電体の機能を兼用するよう構成されていることを特徴とする燃料電池にある。

かかる第４の態様では、カソードを集電しつつ、部品点数を減らしてコスト削減を図ることができる。

本発明の第５の態様は、第１〜第４の何れか一つの態様に記載する燃料電池において、前記アノード及び前記カソードには、炭酸塩が含浸されていることを特徴とする燃料電池にある。

かかる第５の態様では、従来において電解質板の形成に必要であった炭酸塩シートが不要となり、その分のコストを削減することが可能となっている。

本発明の第６の態様は、第１〜第５の何れか一つの態様に記載する複数の前記燃料電池ユニットがセパレータを介して積層されたことを特徴とする燃料電池にある。

かかる第６の態様では、高出力で低コストの燃料電池が提供される。

本発明によれば、低コストで構成し得る燃料電池が提供される。

以下、本発明を実施するための最良の形態について説明する。

〈実施形態１〉
図１は本発明の実施形態１に係る燃料電池を示す分解斜視図である。同図に示すように、本実施形態に係るＭＣＦＣは、電解質板２の両面にアノード３及びカソード４がそれぞれ接合されて構成された単セル１を備えている。単セル１のカソード４の表面には、金属メッシュの一例であるＳＵＳメッシュ板５が直接接合され、さらにＳＵＳメッシュ板５の表面には、カソード側流路板６が直接接合されている。一方、単セル１のアノード３の表面には、アノード側流路板７が直接接合されている。これらのカソード側流路板６、ＳＵＳメッシュ板５、単セル１、及びアノード側流路板７から構成される燃料電池ユニット８は、カソードガスホルダ９及びアノードガスホルダ１０により気密に収納され、燃料電池１１を構成している。

電解質板２は、炭酸塩を浸漬させたセラミック多孔質板で形成され、アノード３及びカソード４は、多孔質の導電体の板であるニッケル板で形成されている。なお、カソード４は酸化ガスにより酸化されて、次第に酸化ニッケルからなるカソード４となる。

ＳＵＳメッシュ板５は、ＳＵＳの線材から構成された金網状の部材である。ＳＵＳメッシュ板５は、酸化して脆くなったカソード４が崩壊しないようにその板形状を保持するものである。これにより、カソード４が徐々に一体性を失っても、その崩壊を防止し、電極としての機能の低下を抑止することができる。また、ＳＵＳメッシュ板５は、カソード４に作用する面圧分布を均一化する。これにより、カソード側流路板６がどのような形状であっても、カソード４の特定部分のみが加圧され、その部分を中心にクラックが生じることが防止される。

カソード側流路板６は、燃料電池１１の外部からの酸化ガス（空気（Ｏ_２）及び二酸化炭素（ＣＯ_２）を主成分とするガス。）の流路となる複数の貫通孔が設けられた板状部材である。このため、外部からの酸化ガスは、カソード側流路板６の貫通孔及びＳＵＳメッシュ板５の目を通過してカソード４に達し得るようになっている。また、本実施形態のカソード側流路板６は、ＳＵＳから形成され、ＳＵＳメッシュ板５に直接接合しているので、カソード４の集電体としても機能している。

アノード側流路板７は、燃料電池１１の外部からの燃料ガス（水素（Ｈ_２）及び一酸化炭素（ＣＯ）を主成分とするガス。）の流路となる複数の貫通孔が設けられた板状部材である。このため、外部からの燃料ガスは、アノード側流路板７の貫通孔を通過してアノード３に達し得るようになっている。また、本実施形態のアノード側流路板７は、ＳＵＳから形成され、アノード３に直接接合しているので、アノード３の集電体としても機能している。

カソードガスホルダ９は、外部の酸化ガス源と接続され、酸化ガスを燃料電池ユニット８のカソード４に導くものであり、アノードガスホルダ１０は、外部の燃料ガス源と接続され、燃料ガスを燃料電池ユニット８のアノード３に導くものである。

かかる燃料電池１１におけるカソード４側では、カソードガスホルダ９を介して供給された空気（Ｏ_２）と二酸化炭素（ＣＯ_２）がカソード側流路板６及びＳＵＳメッシュ板５を介してカソード４に接触する。この結果、カソード４では外部回路から供給された電子と反応して炭酸イオンが生成され、この炭酸イオンが電解質板２を移動してアノード３側に至る。

一方、アノード３側では、アノードガスホルダ１０を介して供給された水素（Ｈ_２）と一酸化炭素（ＣＯ）とがアノード側流路板７を介してアノード３に接触する。この結果、アノード３では電解質板２を移動してきた電子と水素が反応して二酸化炭素、水及び電子を生成する。かくして生成された電子が外部回路を介してカソード４側へ移動して同様の反応が繰り返されることにより外部回路には連続的に電流を流すことができる。

また、本形態に係るカソード４及びアノード３には予め炭酸塩を浸み込ませてある。これにより、従来必要であった、炭酸塩と溶剤との混合物をシート状に成型したものである炭酸塩シートが不要となる。なお、炭酸塩シートとは、電解質板に重ね合わせた状態で加熱することにより電解質板の細孔内に炭酸塩を含浸させて電解質板を完成させるために用いられるものである。

以上に説明した燃料電池１１は、カソード４にＳＵＳメッシュ板５が直接接続され、更にカソード側流路板６が直接接続されており、従来必要であった集電板が除外された構成となっている。同様に、燃料電池１１は、アノード３側においても、アノード３にアノード側流路板７が直接接続され、集電板が除外された構成となっている。このため、燃料電池１１の製造に掛かるコストから集電板のコストを削減することができる。特に、従来の集電板として用いられていたパンチングメタルは、ＳＵＳメッシュ板５に比して高価であるため、その削減の効果は大きい。また、本実施形態では、カソード４及びアノード３に炭酸塩を予め含浸させたことで、従来において電解質板の形成に必要であった炭酸塩シートも不要となり、その分のコストを削減することが可能となっている。

なお、本実施形態では、電解質に溶融炭酸塩を用いた、いわゆる溶融炭酸塩形燃料電池を例としたが、本発明は、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）など他の種類の燃料電池にも適用し得るものである。

〈実施形態２〉
実施形態１では、燃料電池ユニット８を１つ備える燃料電池１１を例示したが、これに限定されず、２以上の燃料電池ユニット８を積層して、いわゆるスタック形の燃料電池を構成してもよい。

図２は、本発明の実施形態２に係る燃料電池を示す分解斜視図である。なお、実施形態１の燃料電池と同一のものには同一の符号を付し、重複する説明を省略する。図示するように、本実施形態の燃料電池１１Ａは、２つの燃料電池ユニット８がセパレータ１２を介して積層されて形成されている。

セパレータ１２は、一方の面には凹部１２ａが延設され、他方の面には凹部１２ａと直交する方向に凹部１２ｂが延設されている。この凹部１２ａにはカソード側流路板６が設けられ、凹部１２ｂには、アノード側流路板７が設けられている。そして、これらのカソード側流路板６とアノード側流路板７とに、単セル１（電解質板２、アノード３、カソード４）及びＳＵＳメッシュ板５（図示せず）が挟持されている。

かかる燃料電池１１Ａでは、凹部１２ａの延設方向に沿って酸化ガス源から酸化ガスがカソード側流路板６を流通し、ＳＵＳメッシュ板５を介してカソード４に接触する。この結果、カソード４では外部回路から供給された電子と反応して炭酸イオンが生成され、この炭酸イオンが電解質板２を移動してアノード３側に至る。

一方、凹部１２ｂの延設方向に沿って燃料ガス源からの燃料ガスがアノード側流路板７を流通し、アノード３に接触する。この結果、アノード３では電解質板２を移動してきた電子と水素が反応して二酸化炭素、水及び電子を生成する。かくして生成された電子が外部回路を介してカソード４側へ移動して同様の反応が繰り返されることにより外部回路には連続的に電流を流すことができる。

以上に説明した燃料電池１１Ａは、高出力化すべくスタック構造としても、実施形態１の燃料電池１１と同様に、燃料電池１１Ａの製造に掛かるコストから集電板のコストを削減することができる。

本発明は電力設備の製造、販売、運用を行う産業界において有効に利用し得る。

本発明の実施形態１に係る燃料電池を示す分解斜視図である。 本発明の実施形態２に係る燃料電池を示す分解斜視図である。

符号の説明

１ 単セル
２ 電解質板
３ アノード
４ カソード
５ ＳＵＳメッシュ板
６ カソード側流路板
７ アノード側流路板
８ 燃料電池ユニット
９ カソードガスホルダ
１０ アノードガスホルダ
１１、１１Ａ 燃料電池
１２ セパレータ
１２ａ、１２ｂ 凹部

Claims (6)

1. 電解質板の両面にアノード及びカソードがそれぞれ接合されて構成された単セルと、
   酸化ガスの流路が設けられたカソード側流路板と、
   前記カソード側流路板と前記カソードとの間に直接接合された金属メッシュとから構成される燃料電池ユニットを備える
   ことを特徴とする燃料電池。
2. 請求項１に記載する燃料電池において、
   前記燃料電池ユニットは、前記アノードに直接接合されて燃料ガスの流路が設けられたアノード側流路板を具備する
   ことを特徴とする燃料電池。
3. 請求項１又は請求項２に記載する燃料電池において、
   前記アノード側流路板は、前記アノードの集電体の機能を兼用するよう構成されている
   ことを特徴とする燃料電池。
4. 請求項１〜請求項３の何れか一項に記載する燃料電池において、
   前記カソード側流路板は、前記カソードの集電体の機能を兼用するよう構成されている
   ことを特徴とする燃料電池。
5. 請求項１〜請求項４の何れか一項に記載する燃料電池において、
   前記アノード及び前記カソードには、炭酸塩が含浸されている
   ことを特徴とする燃料電池。
6. 請求項１〜請求項５の何れか一項に記載する複数の前記燃料電池ユニットがセパレータを介して積層された
   ことを特徴とする燃料電池。