JP2012084469A - 固体電解質形燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】 電解質層を破損することなく、かつ、電解質または電極に取り付けられたフレームが、電解質等の角により切断されることをなく、確実にセルの周縁部からのガス漏れを防止することができる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層、アノード電極およびカソード電極の少なくとも何れかの周縁部に可撓性のフレームを設け、前記電解質層、アノード電極およびカソード電極のうち、前記フレームの一部と積層される辺に面取りが施された固体電解質形燃料電池とする。
【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９は、一般的な固体高分子形燃料電池の模式図である。固体高分子電解質膜２１の両面に触媒層およびガス拡散層からなる電極２２を備え、さらにその外側にガス不透過性のセパレータ２３が設けられている。また、電解質２１とセパレータ２３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２４を設けている。このような構成を固体電解質形燃料電池で採用した場合、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の不均一さなどにより、シール材２４間、特にシール材２４のキワの部位で電解質２１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。
しかしながら、このような樹脂枠を設ける構造においても、固体電解質や電極材料は硬いため、樹脂枠が、固体電解質または電極の辺や角に押圧されると、切れたり、穴が開いたりして破損するという課題があった。

上記課題を解決するために、本願発明においては、アノード電極とカソード電極との間に金属化合物からなる電解質を備える固体電解質形燃料電池において、前記電解質、アノード電極およびカソード電極の少なくとも何れかの周縁部に可撓性のフレームを具備し、前記電解質、アノード電極およびカソード電極のうち、前記フレームの一部と積層される辺に面取りを施したものとする。

前記面取りの面取り角度は、５°〜８５°であることが好ましく、さらに、前記面取りは、0.01ｍｍ以上であることがこのましい。
また、前記フレームにより前記電解質を複数個同一平面状に連結した構成としても良い。

電解質層を破損する危険なく、かつ、電解質または電極に取り付けられたフレームが電解質により切断されることがなくなるので、確実にセルの周縁部からのガス漏れを防止することができる。

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。 本発明の実施形態に係る固体電解質形燃料電池の電解質の面取り部の断面図。 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。 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。
電解質１は、NaCo₂O₄, Bi₄Sr₁₄Fe₂₄O₅₆, LaFe₃Sr₃O₁₀等の金属化合物からなる焼結体が用いられる。尚、電解質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１の一方の面の四辺には、面取りを施し、この面にフレーム５となる樹脂シートの一部が重なるように配置して電解質１とフレーム５とを接合した。
フレーム５には可撓性のあるシート状の材料であれば使用可能であるが、絶縁性の材料がより望ましく、エポキシ、ポリエステル、シリコーン、ポリイミド、ＰＥＴ、ＰＢＴ、ＰＥＮ、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアセタールやフッ素系の樹脂、また、ＥＰＤＭ、フッ素ゴム、シリコーンゴム、ゴム・エラストマなどのシート、あるいは金属シートを前述の樹脂等でコーティングしたものなどを使用することができる。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ける耐熱性を有するものを選択する。
フレーム５と電解質１の接合は、接着剤による接着、両面テープによる接着、フレーム５自体もしくは類似の材料の溶融を利用した融着などによって可能である。いずれの方法による場合でも、接着部からガスが漏れないように接合されている必要がある。
電解質１の片面にはアノードが、反対面にはカソードが配され、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。

図1を含む本発明の実施形態では、ガス拡散層と触媒層の機能を兼ねる部材を電極２として用いているが、電解質１に電極を一体化させたり、ガス拡散層やセパレータ３の表面に電極層を一体形成したり、セパレータ３が電極を兼ねた構成とすることもできる。

また、多孔質な電極上に、薄い電解質を形成し、電極と固体電解質が一体化した支持膜方式は、従来の固体電解質形燃料電池の一般的な技術であり、本発明の実施形態においても同様に適用可能である。

フレーム５より電極２が薄い構成の場合、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。この場合、セパレータ３をフレーム５の内側の電極２に相対する部位だけ厚く構成することで高セル抵抗となることを回避できるが、フレーム５よりも電極２の方が厚くなるように、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配することにより、より簡便に電極２とセパレータ３の接触を良好にすることができる。

尚、触媒、ガス拡散層、セパレータ３としては、従来公知のものを用いることができる。
次に、電解質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の両面の周縁部にシール材４を配置し、さらにセパレータ３を積層する。

シール材４はセル組み立て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の間には可撓性のフレーム５が挟まれており、確実にガスシールができる上に、セルの組み立てや運転によって破損する恐れもない。フレーム５に弾性体を使用した場合は、フレーム５自体がシール材４の役目を兼ねるように構成しても良い。
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の外周のよりもフレーム５の内周を大きく形成し、電極２とフレーム５とが重らない構成であるが、第２の実施形態においては、電解質１の周縁部と電極２の周縁部との間に、フレーム５の内周縁部を挟んだ構成となっている。尚、この場合、電極２のフレーム５と接する側の４辺にも面取りを施すことが好ましい。
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、フレーム５を一方の電極２の反電解質側の面に取り付けている。本実施形態では、フレーム５に接触する電極２の４辺に、面取りが施されている。

また、本実施形態では、電極２とセパレータ３の接触不良による抵抗増加を防ぐため、セパレータ３のうち、フレーム５の内側に面する部分を厚く形成されている。さらに、各電極２の端面から対極へのガス漏れを防ぐため、電極２端面を液状シーラント６で封止している。

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、２枚のフレーム５を各々、電解質１の両面に接着している。両面にフレーム５を設けることにより、ガス漏れ防止の信頼性を増すことができる。本実施形態では、電解質の側面とフレーム５の間には隙間を設けて配置しているが、両者を密着しても良く、各フレーム５内周縁部を第２、第３実施例のように各電極２の外周縁部と重ねる構成としても良い。

また、アノード側とカソード側との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。何れか一方のフレームを電解質１に接着する構成とすれば、電極の端面から漏れたガスが対極に漏れることがないので、第３の実施形態のように電極の外周端を封止する必要がない。
図１〜４に示す実施形態においては、両電極の寸法を同一としているが、これに限られるものはなく、各々の寸法が異なるものであっても良い。

また、面取り角度α（図５）は、５ °〜８５°とすることが好ましい。また面取り寸法ａ(図５)は、0.01mm以上であることが好ましい。
図６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。本実施形態においては、フレームにより、４枚の電解質１を接続し、同一平面上に４セルを並列したものである。図６の（ａ）は、電解質１、電極２およびフレーム５を積層した状態の上面図、（ｂ）はこれにシール材４とセパレータ３を積層して構成したセルの断面図である。また、本実施形態においても、電解質１のフレーム５側の角に面取りを施している。（ａ）の点線内がフレーム５の下の電解質１の面取り箇所である。セパレータ３には、１枚が４セル分の寸法のものを用いて、４セルに亘る１枚からなるセパレータ３を両面に各々配置している。

図７および図８に、本発明の第６および第７の実施形態に係る燃料電池セルの構造図を夫々示す。これらの実施形態も第５の実施形態と同様、複数の電解質がフレーム５により接続されている。これらの実施形態においては、電極２とフレーム５とが重なりを有している点で、第５の実施形態とは異なる。さらに、第７の実施形態においては、電極２の一方が４セル分の面積を有する１枚の電極から形成されている点が異なっている。
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。

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１を得た。電解質１の上面の4辺に、0.1mmの４５°面取りを施した。

次に、厚さ0.05mm、1辺70mmの正方形のＰＥＴシートの中央部を1辺40mmの正方形に切り抜いて製作したフレーム５を、電解質１の面取りを施した側の面の周縁部にシリコーン系接着剤を用いて貼り付けた。

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１の両面に押し当て、ＰＥＴフレームシートの両面の周縁部分を囲むよう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リングに接するようにセパレータ３を配置した後、Oリングが十分に変形するように面圧0.5MPaで締め付けて図１に示す構造の固体電解質形燃料電池セルを完成させた。

このようにして製作した５セルについて、両側の電極部を空気で0.01MPaに加圧し封止して気密性試験を行ったところ、５セルとも、30分経過後の圧力は0.01MPaに保持されており、高いガスシール性が確認できた。

比較例

1辺70mmの電解質を作成し、フレームを用いずに、電解質上に直接Ｏリングを配置したこと以外は実施例と同様にして比較例のセルを構成した。比較例の５セルの内、２セルで電解質層が破損した。

１、２１ 電解質
２、２２ 電極
３、２３ セパレータ
４、２４ シール材
５ フレーム
６ 液状シーラント

Claims (4)

1. アノード電極とカソード電極との間に金属化合物からなる電解質を備える固体電解質形燃料電池において、
   前記電解質、アノード電極およびカソード電極の少なくとも何れかの周縁部に可撓性のフレームを具備し、
   前記電解質、アノード電極およびカソード電極のうち、前記フレームの一部と積層される辺が、面取りを施さ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。
2. 前記面取りの面取り角度が、５°〜 ８５°であ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。
3. 前記面取りは、面取り寸法0.01ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１または２に記載の固体電解質形燃料電池。
4. 前記電解質が、前記フレームにより同一面上に複数個連結されたものであることを特徴とする請求項１から３の何れかに記載の固体電解質形燃料電池。
   

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