JP2010257853A - 燃料電池単セル、単セル集合型燃料電池、及び単セル集合型燃料電池の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明の燃料電池単セルは、管状の固体電解質材料11、固体電解質材料11の管内表面に形成された第1の電極21、管外表面に形成された第2の電極22を有し、固体電解質材料11の一方の開口端部には、第1の電極21と電気的に接続された第1のインターコネクタ31を有し、他方の開口端部には、第2の電極22と電気的に接続された第2のインターコネクタ32を有する。そして、第1のインターコネクタ31及び第2のインターコネクタ32の外周縁が、第2の電極22の外周縁より外側になることが好ましい。また、この燃料電池単セル複数個を直列及び/又は並列に接続して、単セル集合型燃料電池とすることもできる。
【選択図】図3
Description
なお、前記直列セルを得るために管状セルを接合する方法としては、ベル・スピゴット型固体電解質型燃料電池で用いる接合方法が記載されている。
また、円筒型単セル同士を直列に接続するためには、特許文献1の図7に示されるように円筒型単セルを集電板に接続した後に、集電板同士を接続しなければならず、非常に手間の掛かるものであった。
また、特許文献1に、特許文献1の図6のように管状セルを直列に接続する方法として記載されているスピゴットによる接続方法では、単セルの形状が複雑になる上に、円筒型単セルを直列にする際には、管状セル同士の隙間からの気体の流出を防ぐために、その隙間をシール材によってシールする必要があり、接続に非常に手間が掛かった。
燃料極 H2+O2−→ H2O+2e−
空気極 1/2O2+2e− → O2−
この反応において、燃料極で発生した電子(e−)は、電気回路を通って空気極に移動し、空気極での反応に使われる。また、空気極で発生した酸素イオン(O2−)は固体電解質を透過して燃料極に移動し、燃料極での反応に使われる。こうして電気回路に電子が流れる。空気極と燃料極は、前記の反応の触媒となる物質を含む層である。
本発明の燃料電池単セルは、以下の(1)〜(5)の構成要素を有する。
(1)両端部が開口する管状の固体電解質材料。
(2)前記固体電解質材料の管内表面に形成された第1の電極。
(3)前記固体電解質材料の管外表面に形成された第2の電極。
(4)前記固体電解質材料の一方の開口端部に形成され、前記第1の電極と電気的に接続され、前記第2の電極とは接続されない第1のインターコネクタ。
(5)前記固体電解質材料の(4)と反対側の開口端部に形成され、前記第2の電極と電気的に接続され、前記第1の電極とは接続されない第2のインターコネクタ。
インターコネクタを形成する方法としては、特開2009−4221号公報示されるような、固体電解質材料の開口端部の端面を銀ペーストに浸漬し、取り出すことにより銀ペーストを付着させ、これを乾燥、焼成する方法にもあげられるまた、この方向において、銀ペーストをインターコネクタの材料として使用可能な材料のペースト、或いは、インターコネクタの材料として使用可能な材料を含むスラリーと置き換えることで、その材料によるインターコネクタを形成することも可能である。
なお、前記開口の横断面とは、開口端部における管の中心軸と垂直な面であって、開口端部の端面を含む面である。また、端面が中心軸と垂直な平面でない場合は、開口端部における管の中心軸と垂直な面であって、管の外表面及び内表面と交わり、且つ管の端面とは交わらない面の内で、開口端部に最も近い面を開口の横断面という。
また、ある種のペロブスカイト系組成物などにみられるプロトン導電性のある電解質であっても、本発明の趣旨をそこなうものではない。
この電解質は、原則として緻密に焼上げたものが良いが、特殊なリアクターとして使用する場合に於いては通気性を有する多孔体となっていてもかまわない。
また、上記材料により形成される空気極は、酸化剤ガスや反応生成物の通過を妨げない粗構造であることが望ましい。
また、上記材料により形成される燃料極は、燃料ガスや反応生成物の通過を妨げない粗構造を取ることが望ましい。
このようにインターコネクタを形成すれば、第1インターコネクタ及び第2のインターコネクタの外周縁が第2の電極の外周縁より外側に形成されている位置のインターコネクタ同士を付け合せることで、複数個の燃料電池単セを並列に接続することができる。また、複数個の燃料電池単セルを並列に接続した場合に、隣り合う燃料電池単セルの第2の電極の間に気体(燃料ガス又は酸化剤ガスなど)が通過可能な隙間を設けることができる。
なお、複数個の燃料電池単セルを並列に接続した場合において、燃料電池単セルの配置の自由度を増す(インターコネクタの位置でも並列接続を可能にする)ために、中心軸線を含むどの面における断面においても、前記第1インターコネクタ及び第2のインターコネクタの外周縁が、前記第2の電極の外周縁より外側に形成されていることが好ましい。
この距離の差が小さすぎると、複数個の燃料電池単セルのインターコネクタ同士を付け合せることで、複数個の燃料電池単セルを並列に接続した場合において、隣り合う燃料電池単セルの第2の電極の間の距離が小さすぎることで、気体(燃料ガス又は酸化剤ガス)の透過率が小さくなり、第2の電極に燃料電池の発電に必要な気体を十分に供給できず、単セル集合型燃料電池の発電効率が悪くなる場合がある。逆に、この距離の差が大きすぎると、燃料電池の発電に十分な気体を第2の電極に供給することはできるが、単セル集合型燃料電池の容積が大きくなってしまい、単セル集合型燃料電池の容積あたりの出力が小さくなってしまう。前記距離の差が上記の範囲であれば、発電効率に優れ、容積あたりの出力が高い単セル集合型燃料電池を得ることができる。
これらの材料の中でも、インターコネクタの材料としては、酸化にも還元にも強く、マイグレーションが起こりにくい点を考慮して、銀、銀を含む合金、又は銀を含む混合物を用いることが好ましい。
複数個の燃料電池単セルの並列及び/又は直列の組み合わせ方は、必要とされる燃料電池の出力によって適宜設計される。本発明の燃料電池単セルを用いれば、同じ形状の燃料電池単セルの組み合わせによって、出力が異なる単セル集合型燃料電池を作製することができることによって、必要とされる出力をもつ燃料電池を容易に得ることができる。
また、燃料電池単セルを並列に連結する際には、燃料電池単セルの第2の電極間の間隙を増やすために、お互いのインターコネクタ間に導電性金属や導電性セラミックスを挿入することもできる。また、複数個の単セルのインターコネクタ同士を導電性金属で配線することもできる。
更には、前記第1のインターコネクタと第2のインターコネクタとの距離を小さく設計した燃料電池単セルを直列接合した場合には、容積当たりの電圧が大きい単セル集合型燃料電池を設計することが可能となる。
また、前記単セル集合型燃料電池は、小さな単セルがブロック単位となり、塑性変形しやすいインターコネクタで上下左右に接合されているので、熱的衝撃を吸収しやすく、スポーリング割れなどが発生しにくい構造となる。
また、前記単セル集合型燃料電池は、セルの外面側がオープン雰囲気になるため、多数のセルを直列・並列に集合させた場合であっても、運転中に発生する熱に対して、セルの外面側に供給するガス流速やセルの並列間隙などの調整することによって、容易に熱交換を行うことができる。
また、下端部の端面には第2のインターコネクタ32が形成されている。該インターコネクタ32は、第2の電極22の管外表面の一部と固体電解質材料11の管内表面の一部とを覆うように形成されており、第2の電極22と電気的に接続されている。このとき、第2のインターコネクタ31と第1の電極21が接続されないように、第1の電極21は、固体電解質材料11の内表面の下部付近には形成されていない。
このとき、この断面における、固体電解質材料11の中心軸と第1のインターコネクタ31の外周縁との距離Yと、前記中心軸と第2の電極22の外周縁との距離Xの差(Y−X)は、0.025〜5mmであることが好ましく、0.05〜2mmあることがより好ましい。なお、図3(a)図において、前記距離Yは、前記中心軸と第2のインターコネクタ32の外周縁との距離と等しい。
因みに、燃料電池単セル10は、図3(a)図に示すA−A断面に限らず、中心軸線を含むどの面による断面においても、前記第1インターコネクタ及び第2のインターコネクタの外周縁は、前記第2の電極の外周縁より外側に形成されている。
例えば、図10に示すF−F断面図では、第1インターコネクタ31及び第2のインターコネクタ32の外周縁が、第2の電極22の外周縁より外側に形成されているが、図11に示すG−G断面図では、第1インターコネクタ31の外周縁は第2の電極22より内側となり、第2のインターコネクタ32の外周縁は第2の電極22の外周縁と中心軸からの距離が同じになるように形成されている。
100,101,102 単セル集合型燃料電池
11 管状に形成された固体電解質材料
11A 管状の固体電解質材料の中心軸
21 第1の電極
22 第2の電極
22R 第2の電極の外周縁
31 第1のインターコネクタ
31R 第1のインターコネクタの外周縁
32 第1のインターコネクタ
32R 第2のインターコネクタの外周縁
X 固体電解質材料の中心軸と第2の電極の外周縁との距離
Y 固体電解質材料の中心軸と第1のインターコネクタの外周縁との距離
Claims (5)
- 両端部が開口する管状の固体電解質材料、該固体電解質材料の管内表面に形成された第1の電極、及び、前記固体電解質材料の管外表面に形成された第2の電極を有する燃料電池であって、
前記固体電解質材料の一方の開口端部には、前記第1の電極と電気的に接続され、前記第2の電極とは接続されない第1のインターコネクタが形成され、他方の開口端部には、前記第2の電極と電気的に接続され、前記第1の電極とは接続されない第2のインターコネクタが形成されていることを特徴とする燃料電池単セル。 - 前記第1のインターコネクタは、その一部が前記第1の電極の管内表面の一部を覆うように形成されており、前記第2のインターコネクタは、その一部が前記第2の電極の管外表面の一部を覆うように形成されていることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池単セル。
- 前記第1インターコネクタ及び第2のインターコネクタは、燃料電池単セルを前記管状の固体電解質材料の中心軸線を含む面による断面において、その外周縁が、前記第2の電極の外周縁より外側に位置するように形成されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の燃料電池単セル。
- 請求項1〜3のいずれかに記載の複数個の燃料電池単セルが、隣り合う燃料電池単セルのインターコネクタが接触することによって、直列及び/又は並列に接続された単セル集合型燃料電池。
- 請求項1〜3のいずれかに記載の複数個の燃料電池単セルを、隣り合う燃料電池単セルのインターコネクタを接触させることで直列及び/又は並列に接続した後、高温環境下において圧力を加えてインターコネクタ同士を圧着することを特徴とする単セル集合型燃料電池の製造方法。
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