JP2012084468A - 固体電解質形燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】電解質板の破損を防止するフレームを容易に取り付けることが可能な固体電解質形燃料電池を提供する。
【解決手段】金属化合物からなる電解質板１の一方の主面にアノード電極が、他方の主面にカソード電極が配置された固体電解質形燃料電池であり、電解質の周縁部に密着した弾性体からなるフレーム５を備え、フレーム５がその弾性力により電解質の周縁部に密着することで、セルの組立て時の締め付けにより電解質板１が破損することを防ぐフレーム５を、容易に電解質板１に取り付けることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体電解質形燃料電池のセル構造に関するものである。

燃料電池は、燃料の有する化学エネルギーを機械エネルギーや熱エネルギーを経由することなく直接電気エネルギーに変換する装置であり、高いエネルギー効率が実現可能である。良く知られた燃料電池の形態としては、一対の電極間に電解質を配置して単位セルを構成し、各セルのアノード電極に水素を含有する燃料ガスを供給するとともに、カソード電極に酸素を含有する酸化ガスを供給して、両極間で起きる電気化学反応を利用して起電力を得る。

燃料電池は用いられる電解質の種類によって通常分類される。すなわち、電解質にリン酸を用い作動温度が１９０℃程度で発電を行うリン酸形燃料電池（ＰＡＦＣ）、電解質にイオン伝導性ポリマーを用いて70℃程度で発電を行う固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）、電解質にイオン伝導性セラミックスを用い、1000℃程度で運転が行われる固体電解質形燃料電池（ＳＯＦＣ）などに分類される。

近年、従来よりも低い温度で発電が可能な固体電解質形燃料電池の研究が進められている。特許文献１には、電解質に酸化物プロトン伝導体を用いた固体酸化物形燃料電池であって、室温から500℃未満で電気出力が得られるものが記載されている。

また、特許文献２には、300℃以下で高いイオン導電率を示すアニオン伝導塩基性酸化物を電解質として用いた固体電解質型燃料電池が記載されている。

特開2004-63460 ＷＯ2010/007949

燃料電池のセルにおいては、アノード電極に供給される水素を含有する燃料ガスと、酸素を含有する酸化剤ガスとが、外に漏れないようにセルの外周部をシールする必要がある。

図５は、一般的な固体高分子形燃料電池の模式図である。イオン伝導性ポリマーからなる電解質膜１１の両面に触媒層およびガス拡散層からなる電極１２を備え、さらにその外側にはガス不透過性のセパレータ１３が設けられている。セパレータ１３の電極１２側の面には、ガス流路となる溝が形成されている。また、電解質膜１１とセパレータ１３との間には、外部へのガス漏れを防止するゴム製のシール材１４を設けている。

このような構成を固体電解質形燃料電池に適用した場合、セラミックスからなる電解質が脆性であるため、セルの組み立て時の締め付けなどより、シール材１４に挟まれた部分の電解質、特にシール材１４のキワの部位で電解質が破損し易いという問題があった。

一方、特許文献１には、薄膜化した固体電解質の機械的強度を補うため、固体電解質膜の周囲に、樹脂枠からなる支持構造体により補強することが記載されている。しかし、樹脂枠への電解質膜の一体化方法については具体的に記載されていない。樹脂枠を固体電解質に一体化するに当たっては、樹脂枠と電解質との間からガス漏れを生じることないように接着する必要があり、それ故、接着の為の工程に手間やコストがかかる。

そこで、本発明は、電解質板の破損を防止するフレームを容易に取り付けることが可能な固体電解質形燃料電池を提供する。

上記課題を解決するために、本願発明においては、金属化合物からなる電解質板の一方の主面にアノード電極が、他方の主面にカソード電極が配置された固体電解質形燃料電池が、前記電解質の周縁部に密着した弾性体からなるフレームを備え、該フレームがその弾性力により前記電解質の周縁部に密着してなるものとした。

また、前記フレームは、前記電解質板の側面に密着する側壁を備え、電解質板への取り付け前の前記フレームの側壁の内周寸法は、前記電解質板の主面の外周寸法より小さく形成されており、前記側壁を伸ばして前記電解質板が嵌めこまれるものとした。

または、前記フレームは、前記電解質板の両主面の周縁部を各々覆う２つの枠部と、前記２つの枠部を繋ぎ電解質板の側面を覆う側壁部とが、断面コ字状に形成されたものであり、電解質板への取り付け前の前記フレームの２つの枠部の距離が、電解質板の厚さよりも小さく形成されており、前記２つの枠部の距離を広げるように伸ばして前記電解質板の周縁部を嵌め込まれるものとした。

また、さらには、前記フレームは、同一面内に電解質板を嵌めこむ開口部を複数有し、複数の電解質が前記フレームにより接続されたものしても良く、その場合、前記アノード電極、前記カソード電極、ガス拡散層、およびセパレータのうち何れかが、前記の前記複数の電解質板に亘って積層される１枚の部材により構成されたものとしても良い。

セルの組立て時の締め付けにより電解質板が破損することを防ぐフレームを、容易に電解質板に取り付けることができる固体電解質形燃料電池を得ることができる。

本発明の第１の実施形態に係る固体電解質形燃料電池の模式図。 本発明の第２の実施形態に係る固体電解質形燃料電池の模式図。 本発明の第３の実施形態に係る固体電解質形燃料電池の模式図。 本発明の第４の実施形態に係る固体電解質形燃料電池の模式図。 本発明の第５の実施形態に係る固体電解質形燃料電池の模式図。 本発明の第６の実施形態に係る固体電解質形燃料電池の模式図。 本発明の第７の実施形態に係る固体電解質形燃料電池の模式図。 本発明の第８の実施形態に係る固体電解質形燃料電池の模式図。 本発明の第９の実施形態に係る固体電解質形燃料電池の模式図。 本発明の第１０の実施形態に係る固体電解質形燃料電池の模式図。 本発明の第１１の実施形態に係る固体電解質形燃料電池の模式図。 従来の固体高分子形燃料電池セルの模式図。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る固体電解質形燃料電池の模式図である。
図１の（ａ）は、電解質板１にフレーム５を取り付け、電極２を積層した状態の上面図、（ｂ）は、これにシール材４およびセパレータ５を取り付けてセルを形成した断面図である。

電解質板１は、NaCo₂O₄、Bi₄Sr₁₄Fe₂₄O₅₆および、LaFe₃Sr₃O₁₀等の金属化合物からなる焼結体を用いることができるが、これに限られるものではない。但し、電解質板１は、これと共にセルに組み込まれる後述のフレーム５の耐熱温度未満で発電可能なものを選択する必要がある。

電解質板１は、フレーム５に嵌めこまれている。フレーム５は、開口部が中央に形成されており、この開口部の周囲を額縁状に取り囲み、電解質板１の一方の面の周縁部を覆う部分(以下、枠部ａという)と、前記枠部ａの外周部からほぼ垂直に形成され、電解質板１の側面に当接する側壁部ｂとを有する。さらに、前記側壁部ｂから外側に延びる鍔部ｃを有している。

フレーム５を形成する材料としては、弾性材料であれば使用可能であるが、絶縁性材料がより好ましい。例えば、ＥＰＤＭ、フッ素ゴム、シリコーンゴムなどのゴム、エラストマーを用いることができる。但し、フレーム５が組み込まれる固体電解質形燃料電池の運転温度において、耐熱性を有するものを選択する。

フレーム５の側壁部ｂに囲まれる凹部の内周寸法は、電解質板１の主面の外周寸法よりも僅かに小さく形成されており、フレーム５に電解質板１を嵌め込む際には、フレームを引っ張って挿入する。これにより、フレーム５の側壁部ｂと電解質板の側面とは密着し、気密性が保たれる。

電解質板１の片面にはアノード電極が、反対面にはカソード電極が配置されている。これらの電極２は、触媒層もしくはガス拡散層あるいはその両者より構成される。電解質板１の構成材料が触媒作用を持つ場合には電極２に触媒層は不要である。本発明の実施形態では、電極２は、触媒機能を有する貴金属でメッキした金属メッシュを用いており、ガス拡散層と触媒層の機能を兼ね供えているが、これに限らず、電解質板１に電極を一体化させたり、ガス拡散層やセパレータ３の表面に触媒層を一体形成したり、セパレータ３が電極を兼ねる構成とすることもできる。触媒、ガス拡散層やセパレータ３には、従来公知のものを用いることができるが、電解質板１や電極２の端部は固いため、これらのうち、フレーム５が接触する部位の角部は面取りを施しておくことが望ましい。

電解質板１、フレーム５、および電極２を一体化または配置した後、フレーム５の鍔部ｃの両面にシール材４を配置し、さらにセパレータ３を積層してセパレータ３の外側から締め付ける。これにより、セパレータ３の間のシール材４が押圧され、セルの周縁部がシールされる。

シール材４は、セルの締め付け後にガス漏れを防止できる材料であればよく、従来多く用いられてきたゴムなどの弾性材の他、施工時に液状のシーラント材を使用することも可能である。

シール材４の間には弾性材からなるフレーム５が挟まれており、確実にガスシールができる上に、セルの締め付けや運転によって電解質板１が破損する恐れもない。
以下、フレーム５の配置や、セルの構成部材の形状が異なる他の実施形態について説明する。

図２に、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池セルの構造図を示す。図１に示した第１の実施形態においては、電極２は、フレーム５の枠部ａ内側の開口部よりも小さく形成されていたが、本実施形態においては、電極２と電解質板１の主面の寸法は同一に形成されており、電解質板１の周縁部と電極２の周縁部との間に、フレーム５の枠部ａを挟んだ構成となっている。

図３に、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池セルの構造図を示す。本実施形態においては、電解質板１の上に配置された一方の電極２の反電解質側の面がフレームの開口部に臨むようにフレームを取り付けている。本実施形態は、多孔質な電極上に薄い電解質を形成して電極と固体電解質とを一体化した支持膜方式として知られている構成にも適用できる。この場合、電極２と電解質板１とが一体化されたものに、フレーム５を取り付ける。

本実施形態のように、電極２とセパレータ３との間にフレームの一部を挟む構成や、第１の実施形態においてフレーム５より電極２が薄い場合など、フレーム表面よりも電極表面が低くなる場合は、電極２とセパレータ３の接触が悪くなり、高セル抵抗の原因となる。

これを防ぐため、本実施形態では、セパレータ３をフレーム５の枠部ａの内側の電極２に相対する部位だけ厚く形成しているが、これに替えて、カーボンや金属などの導電性材料でできたペーパやクロスなどからなるガス拡散層をフレーム５の枠部ａの内側の電極２の上に積層して、ガス拡散層の表面がフレーム面よりもセパレータ側へ突き出るようにすることにより、接触抵抗を低減するようにしてもよい。

上記の第１〜第３の実施形態においては、１つのセルに対してフレーム５を１つ取り付けているが、2つのフレームを用いて、電解質板１の両側からに各々取り付けることとしてもよい。フレーム５を２つ設けることにより、対極へのガス漏れ防止の信頼性を増すことができる。この場合、両方のフレームの配置形態が同じである必要はなく、各々異なるフレームの取り付け形態を採用しても良い。また、両電極の寸法が異なっていても良い。

図４に、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池セルの構造図を示す。本実施形態では、フレーム５は、電解質板１の両面の夫々の周縁部を覆う枠部ａ1，ａ2、側壁部ｂおよび鍔部ｃを有している。本実施形態においは、枠部ａ１、ａ2が電解質板１の主面周縁部を押圧する力により気密性を保つように構成することができる。この場合、２つの枠部ａ1、ａ2の間隔を電解質の厚さより狭く形成しておき、電解質板１に取り付ける際は、フレームの弾性を利用して二つの枠部ａ1、ａ2の隙間を広げるように引っ張って電解質板１の周縁部を挿入する。

図５に、本発明の第５の実施形態に係る燃料電池セルの構造図を示す。本実施形態では、セパレータ３の電解質板１側の面の周縁部に凸部３ｄが形成されており、相対するセパレータの凸部３ｄの間にフレーム５の鍔部ｃが挟持されている。本実施形態では、フレーム５の鍔部ｃが第１〜第４の実施形態のシール材４を兼ねた構成となっている。

以上説明した本発明の第1〜第５の実施形態は、単位セル毎に独立したフレームを取り付けるものであるが、次に、複数の開口部を有する１つのフレームに、複数の電解質を取り付けた実施形態について説明する。

図６に本発明の第６の実施形態に係る燃料電池の構造図を示す。本実施形態では、４つの開口部を有するフレームに４枚の電解質板１を嵌め込み、４セルを同一面上に連結したものである。
図６（ａ）は、電解質板１をフレームには嵌め込んで一体化したものに、電極２を積層した状態の上面図である。これに、シール材４およびセパレータ３を積層して組み立てた燃料電池セルの断面が図６（ｂ）である。

本実施形態においては、同一平面に配置された４セルは、４セル分の面積を有する一枚のセパレータ板３を両面に各々配置して構成されている。各セルの電極２とフレーム５の位置関係等は、第１の実施形態と同様である。

図７〜１０に、本発明の第７〜１０の実施形態に係る燃料電池の構造図を示す。何れも、１つのフレームに複数の電解質を嵌めこんだ点、及び、同一平面に配置された複数セルを覆う１枚のセパレータ板を両面に配置してなる点は第６の実施形態と同じであるが、各セルの電極２とフレーム５との位置関係は、各々第２〜第５の実施形態と同様である。

図11に、本発明の第１１の実施形態に係る燃料電池の構造図を示す。本実施形態においては、フレーム５により同一平面上に連結された複数の電解質板１の一方の面に、複数セルに跨る一枚の電極２ａを積層して構成した点を特徴とする。尚、対極側の電極２ｂは、各セル毎に独立した構成としているが、これに限られず、両極共に各々一枚の連続した電極を用いても良い。

以下、本発明を実施例により詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

以下の手順で図１に示した構造の燃料電池セルを作成した。
ボールミルにより、Na₂CO₃とCoCO₃粉末をモル比で１：２の割合で混合し、1000℃で2h焼成した後、粉砕することによりNaCo₂O₄粉末を得た。次に、金型を用いてNaCo₂O₄粉末を１辺50mm、厚さ2mmの正方形の薄板に1MPaの圧力で成型し、これを温度1000℃で3h焼成することにより、緻密な焼結体とし、電解質板１を得た。

厚さ0.1mmのシリコーンゴムシートにより、フレーム５を形成した。フレーム５は、４辺の側壁部ｂに囲まれた正方形の凹部を有し、凹部の１辺の内寸が65mmとなるように形成した。このシリコーンゴムシートからなるフレーム５の鍔部ｃを引っ張って凹部を広げ、上記により作成した電解質板１を凹部に取り付けた。

次に、Pdメッキを施した200メッシュのNi金網を電極２として電解質板１の両面に押し当て、フレーム５の鍔部ｃの両面にシリコーンゴム製のOリングをシール材４として配置した。さらに、Ｏリングを介して両面にセパレータ３を積層して形成し、Oリングが十分に変形するように面圧0.5MPaで、セパレータの外側からセルを締め付けて完成した。

その後、両側の電極２部を空気で0.01MPaに加圧して封止した。組み立てた5セルとも、30分経過後にも圧力は0.01MPaに保持されており、高いガスシール性が確認できた。

以下の手順で図６に示した構造の燃料電池を製作した。
ボールミルにより、Na₂CO₃とCoCO₃粉末をモル比で１：２の割合で混合し、1000℃で2h焼成した後、粉砕することによりNaCo₂O₄粉末を得た。次に、金型を用いてNaCo₂O₄粉末を１辺20mm、厚さ2mmの正方形の薄板に1MPaの圧力で成型し、これを温度1000℃で3h焼成することにより、緻密な焼結体とし、電解質板１を得た。

厚さ0.1mmのシリコーンゴムシートにより、４辺の側壁部ｂに囲まれた正方形の凹部を４個を有するフレーム５を形成した。凹部の１辺の内寸は15mmとなるように形成した。このシリコーンゴムシートからなるフレーム５の鍔部ｃを引っ張って凹部を広げ、上記により作成した電解質板１を各凹部に取り付けた。

次に、Pdメッキを施した200メッシュのNi金網を電極２として電解質板１の両面に押し当て、フレーム５の周縁の鍔部ｃの両面にシリコーンゴム製のOリングをシール材４として配置した。さらに、Ｏリングを介して両面にセパレータ３を積層して形成し、Oリングが十分に変形するように面圧0.5MPaで、セパレータの外側からセルを締め付けて完成した。

このように燃料電池を製作したのち、両側の電極部を空気で0.01MPaに加圧し封止した。組み立てた5セルとも、30分経過後にも圧力は0.01MPaに保持されており、高いガスシール性が確認できた。また、解体して観察したところ、全セルで電解質層の破損は認められなかった。

１ 電解質板
２、１２ 電極
３、１３ セパレータ
４、１４ シール材
５ フレーム
１１ 電解質膜

Claims (5)

1. 金属化合物からなる電解質板の一方の主面にアノード電極が、他方の主面にカソード電極が配置された固体電解質形燃料電池において、
   前記電解質の周縁部に密着したフレームを備え、
   前記フレームは弾性体からなり、該弾性体の弾性力により前記電解質の周縁部に密着していることを特徴とする固体電解質形燃料電池。
2. 前記フレームは、前記電解質板の側面に密着する側壁を備え、
   電解質板への取り付け前の前記フレームの側壁の内周寸法は、前記電解質板の主面の外周寸法より小さく形成されており、前記側壁を伸ばして前記電解質板が嵌めこまれたものであることを特徴とする固体電解質形燃料電池。
3. 前記フレームは、前記電解質板の両主面の周縁部を各々覆う２つの枠部と、前記２つの枠部を繋ぎ、電解質板の側面を覆う側壁部とが、断面コ字状に形成されており、
   電解質板への取り付け前の前記フレームの２つの枠部の距離が、電解質板の厚さよりも小さく形成されており、前記２つの枠部の距離を広げるように伸ばして前記電解質板の周縁部を嵌め込んだものであることを特徴とする固体電解質形燃料電池。
4. 前記フレームは、同一面内に電解質板を嵌めこむ開口部を複数有し、
   複数の電解質が前記フレームにより接続されてい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。
5. 前記アノード電極、前記カソード電極、ガス拡散層、およびセパレータのうち何れかが、前記の前記複数の電解質板に亘って積層される１枚の部材からなることを特徴とする請求項４に記載の固体電解質形燃料電池。
   

Images