JP2011222160A - 燃料電池および燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】 セルを支持する支持体を用いて隣接するセル同士を電気的に接続するとともに、アノードガスとカソードガスとを分別して使用することができる燃料電池および燃料電池スタックを提供する。
【解決手段】 燃料電池は、電解質膜と電解質膜のそれぞれの面に設けられた第１電極および第２電極とを備えるセルと、第１電極の電解質膜と反対側に設けられセルを支持する金属支持体と、を備え、金属支持体は、第１電極と接触する多孔質部と、多孔質部から隣接するセル側に延びて合流することによって反応ガス流路を確定するガス流路確定部と、ガス流路確定部からさらに隣接するセルの第２電極に延びて接触する集電部と、を備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池および燃料電池スタックに関する。

燃料電池は、水素および酸素を燃料として電気エネルギを得る装置である。この燃料電池は、環境面において優れており、また高いエネルギ効率を実現できることから、今後のエネルギ供給システムとして広く開発が進められてきている。

一般的な燃料電池は、電解質膜の一面にアノードが設けられかつ該電解質膜の他面にカソードが設けられたセルが複数積層された構造を有する。各セルは、アノードにアノードガスが供給されかつカソードにカソードガスが供給されることによって発電する。セルの強度が不足する場合には、セルを支持する多孔状の支持体が設けられる場合がある。

例えば、特許文献１は、燃料ガス（アノードガス）および酸化剤ガス（カソードガス）の混合ガスが供給される燃料電池を開示している。特許文献１に開示の燃料電池は、アノードに接続された多孔状の金属支持体が隣接するセルのカソードに接続された構造を有する。それにより、隣接するセル同士の電気的接続が確保されている。

特開２００７−２７３４２２号公報

しかしながら、特許文献１の燃料電池は混合ガス供給システムを前提としているため、アノードガスとカソードガスとを分別して使用することができない。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、セルを支持する支持体を用いて隣接するセル同士を電気的に接続するとともに、アノードガスとカソードガスとを分別して使用することができる燃料電池および燃料電池スタックを提供することを目的とする。

本発明に係る燃料電池は、電解質膜と電解質膜のそれぞれの面に設けられた第１電極および第２電極とを備えるセルと、第１電極の電解質膜と反対側に設けられセルを支持する金属支持体と、を備え、金属支持体は、第１電極と接触する多孔質部と、多孔質部から隣接するセル側に延びて合流することによって反応ガス流路を確定するガス流路確定部と、ガス流路確定部からさらに隣接するセルの第２電極に延びて接触する集電部と、を備えることを特徴とするものである。本発明に係る燃料電池においては、セルを支持する支持体を用いて隣接するセル同士を電気的に接続するとともに、アノードガスとカソードガスとを分別して使用することができる。

金属支持体は、集電部からさらに第１電極側に延長してガス流路確定部に接合される延長部を備えていてもよい。集電部は、多孔質であってもよい。集電部は、くし型に形成されていてもよい。第１電極はアノードであり、第２電極はカソードであってもよい。

本発明に係る燃料電池スタックは、上記いずれかに記載の燃料電池が積層されたことを特徴とするものである。本発明に係る燃料電池スタックにおいては、セルを支持する支持体を用いて隣接するセル同士を電気的に接続するとともに、アノードガスとカソードガスとを分別して使用することができる。

本発明によれば、セルを支持する支持体を用いて隣接するセル同士を電気的に接続するとともに、アノードガスとカソードガスとを分別して使用することができる燃料電池および燃料電池スタックを提供することができる。

実施例１に係る燃料電池スタックの構造を示す模式的断面図である。 実施例２に係る燃料電池スタックの模式的な断面図である。 実施例３に係る燃料電池スタックを構成するセルを示す図である。 実施例３に係るセルが複数積層された状態を示す図である。 互いに積層される２つのセルに備わる支持体の斜視図である。 複数のセルが積層された状態を示す斜視図である。

以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。

図１は、実施例１に係る燃料電池スタック１００の構造を示す模式的断面図である。本実施例においては、一例として、酸素イオン導電性を有する電解質を備える固体酸化物型の燃料電池が複数積層された燃料電池スタックについて説明する。

図１に示すように、燃料電池スタック１００は、金属支持体１０上にセル２０が配置された燃料電池３０が複数積層された構造を有する。したがって、燃料電池スタック１００においては、金属支持体１０とセル２０とが交互に設けられている。セル２０は、金属支持体１０によって支持されている。なお。図１は、説明の簡略化のため、燃料電池３０ａおよび燃料電池３０ｂの２つの燃料電池３０を示す。燃料電池３０ｂのセル２０上に燃料電池３０ａの金属支持体１０が配置されている。金属支持体１０とセル２０との間には、他の導電性部材が設けられていてもよい。

（燃料電池スタックの構造）
まず、燃料電池スタック１００の構造について説明する。燃料電池スタック１００の構造を説明するに際して、主として燃料電池３０ａに着目する。したがって、燃料電池スタック１００の構造の説明において特段の断りがなければ、燃料電池３０ｂではなく、燃料電池３０ａの構成について説明しているものとする。

セル２０は、金属支持体１０上に、アノード（第１電極）２１、電解質膜２２、およびカソード（第２電極）２３が順に設けられた構造を有する。アノード２１は、アノード活性を有していれば特に限定されるものではないが、例えば、Ｎｉ／ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）サーメット（５０／５０ｗｔ％）、Ｎｉ／ＧＤＣ（Gadolinium Doped Ceria）サーメット（５０／５０ｗｔ％）等である。電解質膜２２は、酸素イオン電導性を有していれば特に限定されるものではないが、例えば、８ＹＳＺ(8mol% Yttrium Stabilised Zirconia)、３ＹＳＺ（3mol% Yttrium Stabilised Zirconia）、Ｃｅ_０．８Ｇｄ_０．２Ｏ_２、Ｃｅ_０．８Ｓｍ_０．２Ｏ_２、Ｌａ_０．８Ｓｒ_０．２Ｇａ_０．９Ｍｇ_０．１Ｏ_３等である。カソード２３は、カソード活性を有していれば特に限定されるものではないが、例えば、Ｌａ_０．８Ｓｒ_０．２ＣｏＯ_３、Ｌａ_０．８Ｓｒ_０．２ＭｎＯ_３、Ｌａ_０．８Ｓｒ_０．２Ｃｏ_０．５Ｆｅ_０．５Ｏ_３等である。

金属支持体１０は、多孔質部１１、ガス流路画定部１２、および集電部１３を含む。金属支持体１０は、導電性を有していれば特に限定されるものではないが、耐酸化性および耐食性を有する金属であることが好ましい。したがって、金属金属支持体１０として、ステンレス等を用いることが好ましい。

多孔質部１１は、アノード２１の電解質膜２２と反対側の面に接触して設けられている。本実施例においては、多孔質部１１は、アノード２１の下面全体にわたって設けられている。ガス流路画定部１２は、多孔質部１１から燃料電池３０ｂ側に延長して互いに合流する部位である。本実施例においては、ガス流路画定部１２は、多孔質部１１の互いに対向する端部から隣接する燃料電池３０ｂ側に延び、湾曲または折り曲がってアノード２１の中央付近において合流する。ガス流路画定部１２は、非多孔質であり、緻密である。それにより、ガス流路画定部１２は、アノードガスが流動するための空間を画定する。

集電部１３は、ガス流路画定部１２の合流部位からさらに燃料電池３０ｂのカソード２３に延びてカソード２３と接触する。それにより、アノード２１と燃料電池３０ｂのカソード２３とが電気的に接続される。また、燃料電池３０ｂとガス流路画定部１２との間に、カソードガスが流動するための空間が形成される。本実施例においては、集電部１３は、燃料電池３０ｂのカソード２３の面に沿って形成された多孔質領域を有する。この多孔質領域は、燃料電池３０ｂのカソード２３の面全体にわたって設けられていてもよい。

（燃料電池スタックの作用）
続いて、発電時の燃料電池スタック１００の作用の概略について説明する。燃料電池スタック１００の作用を説明するに際して、主として燃料電池３０ｂに着目する。したがって、燃料電池スタック１００の作用の説明において特段の断りがなければ、燃料電池３０ａではなく、燃料電池３０ｂについて説明しているものとする。

まず、ガス流路画定部１２によって画定されるアノードガス流路には、水素を含むアノードガスが供給される。一方、燃料電池３０ａのガス流路画定部１２とカソード２３とによって画定されるカソードガス流路には、酸素を含むエア等のカソードガスが供給される。

カソードガスは、燃料電池３０ａの集電部１３の孔を介してカソード２３に供給される。カソード２３においては、カソード２３に供給されたカソードガス中の酸素と、外部電気回路から供給される電子と、が反応して酸素イオンになる。酸素イオンは、電解質膜２２を伝導してアノード２１側に移動する。

一方、アノードガス流路に供給されたアノードガスは多孔質部１１の孔を介してアノード２１に供給される。アノード２１に到達したアノードガス中の水素は、アノード２１において電子を放出するとともに、カソード２３側から電解質膜２２を伝導してくる酸素イオンと反応して水（Ｈ_２Ｏ）になる。放出された電子は、外部電気回路によって外部に取り出される。外部に取り出された電子は、電気的な仕事をした後に、カソード２３に供給される。以上の作用によって、発電が行われる。

本実施例によれば、セル２０を支持する金属金属支持体１０を用いて隣接するセル２０同士が電気的に接続される。また、金属支持体１０にガス流路確定部１２および集電部１３が備わっていることから、アノードガス流路とカソードガス流路とを別に設けることができる。したがって、アノードガスとカソードガスとを分別して使用することができる。また、図１の構成であれば、１枚の金属箔または金属板を折り曲げ加工することによって金属支持体１０を作成することができる。それにより、金属支持体１０の加工は容易である。

図２は、実施例２に係る燃料電池スタック１００ａの模式的な断面図である。図２に示すように、燃料電池スタック１００ａが図１の燃料電池スタック１００と異なる点は、集電部１３が、ガス流路確定部１２と反対側の先端部から湾曲または折り曲がってガス流路確定部１２側にさらに延長してガス流路確定部１２に接合されている点である。本実施例においては、燃料電池３０ａの集電部１３は、燃料電池３０ｂのカソード２３の端部まで延長して折り曲がって燃料電池３０ａのガス流路確定部１２に接合されている。この延長部は、多孔質であっても非多孔質であってもよい。

本実施例によれば、集電部１３の延長部も、カソードガス流路を確定するガス流路確定部として機能する。したがって、カソードガス流路が複数個所で確定されることになる。この場合、カソードガス流路を維持するための強度が向上する。それにより、燃料電池スタック１００におけるカソードガスの分配性が向上する。

図３（ａ）および図３（ｂ）は、実施例３に係る燃料電池スタック１００ｂを構成する燃料電池３０を示す図である。図３（ａ）は、燃料電池３０をアノードガスまたはカソードガスの流動方向から見た端面図を示している。図３（ｂ）は、図３（ａ）の領域Ａの断面の拡大図である。図３（ａ）および図３（ｂ）においては、右側方向が一方であり、左側方向が他方であるとする。

図３（ａ）に示すように、本実施例においては、多孔質部１１は、平板状の第１平板部３１と、第１平板部３１の一方の端部から他方へと折り返す折り返し部３２と、折り返し部３２から他方へと延びる平板状の第２平板部３３とを有する。ガス流路確定部１２は、第２平板部３３の他方端からさらに他方側に延びるように設けられた延長部４１と、第１平板部３１の他方端から延長部４１に延びて合流する延長部４２と、を備える。この構成により、ガス流路確定部１２は、アノードガス流路を確定する。

集電部１３は、延長部４１の他方端から折り返して一方へと延長される第１集電部５１と、延長部４２の他方端から第１集電部５１と離間して他方へと折り返して延長される第２集電部５２とを備える。第１集電部５１および第２集電部５２は、多孔質であってもよく、くし型に形成されたくし型電極であってもよい。図３（ａ）および図３（ｂ）に示すように、セル２０は、多孔質部１１のアノードガス流路と反対側の面に沿って形成される。

図４は、複数の燃料電池３０が積層された状態を示す端面図である。図４に示すように、第１集電部５１と第２集電部５２との間に、他の燃料電池３０のセル２０が挟持されている。それにより、他の燃料電池３０のカソード２３と第１集電部５１および第２集電部５２とが電気的に接続される。同様に、前記他の燃料電池３０の第１集電部５１と第２集電部５２との間に、さらに他の燃料電池３０のセル２０が挟持されている。それにより、燃料電池スタックが構成される。

図５は、図３（ａ）の金属支持体１０の斜視図である。図５は、第１集電部５１および第２集電部５２がくし型に形成された例を示す。図５ではセル２０が描かれていないため、多孔質部１１の複数の孔が描かれている。

図６は、複数の燃料電池３０が積層された状態を示す斜視図である。図６に示すような構成とすることによって、燃料電池３０内でのアノード２１とカソード２３との短絡を防止しつつ、金属支持体１０を用いて隣接する燃料電池３０同士のアノード２１とカソード２３とを電気的に接続することができる。また、金属支持体１０にガス流路確定部１２および集電部１３が備わっていることから、アノードガスとカソードガスとを分別して使用することができる。また、図３〜図６の構成であれば、１枚の金属箔または金属板を折り曲げ加工することによって金属支持体１０を作成することができる。それにより、金属支持体１０の加工は容易である。

なお、上記各実施例においてはアノード側に支持体を配置したが、カソード側に支持体を配置してもよい。また、固体酸化物型の燃料電池を用いたが、他の燃料電池にも適用でき、プロトン導電性の電解質膜を備える燃料電池にも適用することができる。

１０ 支持体
１１ 多孔質部
１２ ガス流路確定部
１３ 集電部
２０ セル
２１ アノード
２２ 電解質膜
２３ カソード
３０ 燃料電池
１００ 燃料電池スタック

Claims (6)

1. 電解質膜と、前記電解質膜のそれぞれの面に設けられた第１電極および第２電極と、を備えるセルと、
   前記第１電極の前記電解質膜と反対側に設けられ前記セルを支持する金属支持体と、を備え、
   前記金属支持体は、前記第１電極と接触する多孔質部と、前記多孔質部から隣接するセル側に延びて合流することによって反応ガス流路を確定するガス流路確定部と、前記ガス流路確定部からさらに隣接するセルの第２電極に延びて接触する集電部と、を備えることを特徴とする燃料電池。
2. 前記金属支持体は、前記集電部からさらに前記第１電極側に延長して前記ガス流路確定部に接合される延長部を備えることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
3. 前記集電部は、多孔質であることを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池。
4. 前記集電部は、くし型に形成されていることを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池。
5. 前記第１電極はアノードであり、前記第２電極はカソードであることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載の燃料電池が積層された燃料電池スタック。

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