JP2013016521A - 平板型固体酸化物形燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】性能の低下を防ぐことができる平板型固体酸化物形燃料電池スタックを提供する。
【解決手段】単セル４と、燃料流路５ｂが形成された燃料極セパレータ５との間に、単セル４と当接する発泡金属８と、発泡金属８と燃料極セパレータの燃料流路５ｂが形成された面とに当接する金属メッシュ９を設けることにより、単セル４と燃料極セパレータ５との間に隙間等が生じるのを防ぐことができるので、電気的な接続が強くなり、結果として性能の低下を防ぐことができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、平板型の単セルとこの単セルを収容するセパレータとを備えた平板型固体酸
化物形燃料電池に関するものである。

平板型固体酸化物形燃料電池は、固体酸化物からなる平板状の電解質層と、この電解質
層の表裏面にそれぞれ形成した空気極および燃料極とで単セルを形成し、燃料極と空気極
に燃料ガスと酸化剤ガスをそれぞれ給排気する通路を有するセパレータと単セルとを交互
に複数個積層して電気的に直列に接続することにより燃料電池セルスタックを形成し、上
記通路を介して各単セルの各極に燃料ガスと酸化剤ガスを供給することにより発電を行う
ようにした燃料電池である。このような従来の平板型固体酸化物型燃料電池のセルスタッ
クを図５に示す。

図５に示すように、平板型固体酸化物形燃料電池スタックは、平板からなる電解質１、この電解質の一方の面に形成された平板からなる燃料極２、および電解質１の他方の面に形成された平板からなる空気極３から構成された燃料極支持型の単セル４と、単セル４を収容する凹部５ａが形成された燃料極セパレータ５と、この燃料極セパレータ５と協働して単セル４を介装する空気極セパレータ６と、燃料極セパレータ５と空気極セパレータ６との間に配設された絶縁部材７と、燃料極２と燃料極セパレータ５との間に配設された発泡金属８とを備え、これらを１組とするセルを複数組重ねて設けた構造を有する。

このような平板型固体酸化物形燃料電池スタックの１つのセルは、燃料極セパレータ５
の凹部５ａの底面に形成された燃料流路５ｂ上に、発泡金属８および単セル４を順次積層
した後、これらを燃料極セパレータ５側に押し込むように空気極セパレータ６を絶縁部材
７を介して燃料極セパレータ５に接合することにより形成される。これにより、単セル４
は、燃料極２側が発泡金属８を介して燃料極セパレータ５により、空気極３側が空気極セ
パレータ６により、それぞれ電解質１側に押圧されることにより燃料極セパレータ５と空
気極セパレータ６との間に保持される。

このように形成された平板型固体酸化物形燃料電池スタックは、次のように動作する。まず、水素等の燃料ガスＧ１は、燃料供給マニホールド（図示せず）から燃料極セパレータ５の燃料供給経路５ｃを通って燃料流路５ｂから燃料極２に供給される。一方、空気等の酸化剤ガスＧ２は、空気供給マニホールド（図示せず）から空気極セパレータ６の空気供給経路６ｂを通って空気流路６ａから空気極３に供給される。このように燃料ガスＧ１および酸化剤ガスＧ２を所定の温度下において単セル４に供給されると、燃料極２と空気極３との間に起電力が発生する。燃料極２は、発泡金属８を介して燃料極セパレータ５と電気的に接続され、空気極３は、空気極セパレータ６に接続されている。また、燃料極セパレータ５と空気極セパレータ６とは、それぞれ隣接する燃料極セパレータ５または空気極セパレータ６に電気的に接続されている。したがって、平板型固体酸化物形燃料電池スタックの上端の空気極セパレータ６と下端の燃料極セパレータ５とを端子として負荷回路を構成することにより、平板型固体酸化物形燃料電池スタックは、所定の電圧レベルの電力を発生させることができる。

宮澤隆、その他、"ランタンガレート系電解質を用いた低温作動ＳＯＦＣの開発（５）"、第１４回ＳＯＦＣ研究発表会 講演要旨集、ｐ２０−２５、２００５年

しかしながら、従来の平板型固体酸化物形燃料電池スタックでは、発泡金属が軟らかすぎるので変形しすぎてしまい、発泡金属と燃料極や燃料極セパレータとの間に隙間が生じて電気的な接続が弱くなり、結果として性能が低下することがあった。

そこで、本願発明は、性能の低下を防ぐことができる平板型固体酸化物形燃料電池スタックを提供することを目的とする。

上述したような課題を解決するために、本発明に係る平板型固体酸化物形燃料電池は、燃料極、空気極および固体酸化物の電解質から構成される平板型の単セルと、この単セルを収容するとともに、前記燃料極に燃料を供給し、かつ、前記空気極に酸化剤を供給する収容部材と、前記単セルと前記収容部材との間に配設され、前記単セルと当接する発泡金属と、この発泡金属と前記収容部材との間に配設され、前記発泡金属および前記収容部材と当接し、導電性を有する補強部材とを備え、前記収納部材の前記補強部材と当接する面には燃料を流通させるための燃料流路、あるいは酸化剤を流通させるための空気流路が形成され、前記補強部材は、金属メッシュおよび複数の孔を有する金属板の一方からなり、前記発泡金属より硬く、塑性変形しにくいことを特徴とする。

上記平板型固体酸化物形燃料電池において、前記金属板は、ニッケル合金、ニッケルおよびステンレス鋼のうちの何れかからなり、かつ、０．０５ｍｍ以上１ｍｍ以下の厚さを有し、前記孔は、それぞれ前記厚さの２倍以上３倍以下の大きさを有し、前記厚さの２倍以上４倍以下の間隔で一列に配列されるとともに、この列を交互に列方向に前記間隔の半分ずつずらしながら行方向に前記間隔で格子状に配列して形成されるようにしてもよい。

また、上記平板型固体酸化物形燃料電池において、前記金属メッシュは、ニッケル合金、ニッケルおよびステンレス鋼のうちの何れかからなる直径０．０５ｍｍ以上１ｍｍ以下の線状金属部材を、格子状に編み込んだ部材から構成され、前記格子状に編み込んだ部材における隣り合う線状金属部材間の間隔は、前記直径以上前記直径の２倍以下であるようにしてもよい。

本発明によれば、発泡金属と収容部材との間に補強部材を配設することにより、単セルと収容部材との間に隙間等が生じるのを防ぐことができるので、電気的な接続が強くなり、結果として性能の低下を防ぐことができる。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。なお、本実施の形態は、図５を参照して背景技術の欄で説明した従来の平板型固体酸化物形燃料電池スタックと、燃料極と燃料極セパレータとの間に配置する部材が異なるものである。したがって、本実施の形態において、図５を参照して説明した従来技術と同等の構成要素については、同じ名称および符号を付して適宜説明を省略する。

図１に示すように、本実施の形態に係る平板型固体酸化物形燃料電池スタックは、平板からなる電解質１、この電解質１の一方の面に形成された平板からなる燃料極２、および電解質１の他方の面に形成された平板からなる空気極３から構成された燃料極支持型の単セル４と、単セル４を収容する凹部５ａが形成された燃料極セパレータ５と、この燃料極セパレータ５と協働して単セル４を介装する空気極セパレータ６と、燃料極セパレータ５と空気極セパレータ６との間に配設された絶縁部材７と、燃料極セパレータ５の燃料流路５ｂ上に配設された金属メッシュ９と、この金属メッシュ９と燃料極２との間に配設された発泡金属８とを備え、これらを１組とするセルを単数または複数組重ねて設けた構造を有する。

燃料極セパレータ５は、板状の形状を有し、上面の略中央部が上面側から下面側に掘り込まれた凹部５ａと、この凹部５ａの底面に形成され燃料ガスを燃料極２に一様に供給するための流路を有する燃料流路５ｂと、この燃料流路５ｂと燃料極セパレータ５の一側面とを結ぶ貫通孔からなる燃料供給経路５ｃと、燃料流路５ｂと燃料極セパレータ５の一側面とを結ぶ貫通孔からなる燃料排出経路５ｄとを備える。ここで、燃料供給経路５ｃの上記一側面側の端部には、燃料供給マニホールド（図示せず）が接続され、この燃料供給マニホールドから燃料ガスが供給される。また、燃料排出経路５ｄの上記一側面側の端部には、燃料排出マニホールド（図示せず）が接続され、この燃料排出マニホールドから単セル４で未反応の燃料ガスが排出される。

空気極セパレータ６は、板状の形状を有し、下面に形成され酸化剤ガスを空気極３に一様に供給するための流路を有する空気流路６ａと、この空気流路６ａと空気極セパレータ６の一側面とを結ぶ貫通孔からなる空気供給経路６ｂとを備える。ここで、空気供給経路６ｂの上記一側面側の端部には、空気供給マニホールド（図示せず）が接続され、この空気供給マニホールドから空気等の酸化剤ガスが供給される。

発泡金属８は、例えば、ＩＮＣＯＮＥＬ（登録商標）等のニッケル合金、ニッケル、ステンレス鋼などからなる空隙率が８５％以上９６％以下、より望ましくは８８％以上９２％以下の板状の部材から構成される。

金属メッシュ９は、例えば、ＩＮＣＯＮＥＬ（登録商標）等のニッケル合金、ニッケル、ステンレス鋼などからなる直径０．０５ｍｍ以上１ｍｍ以下の線状部材を、直径以上直径の２倍以下程度の間隔で格子状に編み込んだ全体として板状の部材から構成される。ここで、直径０．１ｍｍ以上０．２ｍｍ以下の上記線状部材を直径の間隔で格子状に編み込んだ部材が金属メッシュ９としてより望ましい。このような金属メッシュ９は、上述した発泡金属８よりも硬く、塑性変形がしにくいという特性を有する。

このような平板型固体酸化物形燃料電池スタックの１つのセルは、次のように作成される。まず、燃料極セパレータ５の凹部５ａの底面に形成された燃料流路５ｂ上に、金属メッシュ９、発泡金属８、および燃料極２を発泡金属８側に向けた状態の単セル４を順次積層する。このとき、単セル４は、少なくとも凹部５ａの端面から凹部５ａ外部にはみ出た状態となる。このような状態から、空気極セパレータ６を燃料極セパレータ５側に押し込むように絶縁部材７を介して燃料極セパレータ５に接合する。これにより、燃料極２側が発泡金属８および金属メッシュ９を介して燃料極セパレータ５により、空気極３側が空気極セパレータ６により、それぞれ電解質１側に押圧されることによって単セル４が燃料極セパレータ５と空気極セパレータ６との間に保持された１つのセルが生成される。

このとき、発泡金属８は、当接する燃料極２および金属メッシュ９により押圧されて変形するが、金属メッシュ９を設けることにより、燃料極２および金属メッシュ９との間に隙間等が生じるのを防ぐことができる。すなわち、金属メッシュ９は、上述したように発
泡金属８よりも硬い材料から構成されているので、燃料極セパレータ５により空気極セパレータ６側に押圧されても変形量が少ない。このため、燃料極セパレータ５側からの圧力を発泡金属８に伝えるとともに、燃料極セパレータ５および発泡金属８と密着する。一方、発泡金属８は、金属メッシュ９よりも軟らかく塑性変形しやすいという特性を有する。このため、発泡金属８は、金属メッシュ９により燃料極２側に押圧されて、当接する燃料極２および金属メッシュ９の表面形状に応じて変形することにより、燃料極２および金属メッシュ９と密着する。したがって、燃料極セパレータ５と単セル４との間に隙間等が生じないので、電気的な接続が強くなり、結果として性能の低下を防ぐことができる。

このように本実施の形態によれば、単セル４と燃料極セパレータ５との間に発泡金属８
とともに金属メッシュ９を設けることにより、単セル４と燃料極セパレータ５との間に隙
間等が生じるのを防ぐことができるので、電気的な接続が強くなり、結果として性能の低
下を防ぐことができる。

なお、本実施の形態では、発泡金属８とともに金属メッシュ９を設けるようにしたが、図２に示すように、金属メッシュ９の代わりに複数の孔が形成された金属板１０を設けるようにしてもよい。この金属板としては、エッチングを施すことにより複数の孔が形成されたエッチングメタルや、所定の金型で金属板をプレスすることにより複数の孔が形成されたパンチングメタルなどを用いることができる。一例として、金属板１０としてエッチングメタルを用いた場合について、図２，図３を参照して説明する。

このエッチングメタルからなる金属板１０は、図３に示すように、例えば、ＩＮＣＯＮＥＬ（登録商標）等のニッケル合金、ニッケル、ステンレス鋼などからなる厚さ０．０５ｍｍ以上１ｍｍ以下の板部材に、直径が厚さの２倍以上３倍以下程度の孔１０ａが、厚さの２倍以上４倍以下の間隔（ピッチ（Ｐ））で格子状に、かつ、一列毎に列方向の位置をピッチＰの１／２ずつずらして形成されている。言い換えると、孔１０ａは、それぞれ上記厚さの２倍以上３倍以下の大きさを有し、上記厚さの２倍以上４倍以下の間隔で一列に配列されるとともに、この列を交互に列方向に上記間隔の半分ずつずらしながら行方向に上記間隔で格子状に配列して形成される。このとき、厚さ０．１ｍｍ以上０．２ｍｍ以下の上記板部材に、直径が厚さの２倍以上２．５倍以下で、ピッチＰが厚さの３倍以上３．５倍以下の孔１０ａを形成した部材が金属板１０としてより望ましい。このような金属板１０は、発泡金属８よりも硬く、塑性変形がしにくい特性を有する。

このように、単セル４と燃料極セパレータ５との間に発泡金属８とともにエッチングメタルからなる金属板１０を設けた場合においても、金属メッシュ９を設けた場合と同様、単セル４と燃料極セパレータ５との間に隙間等が生じるのを防ぐことができるので、電気的な接続が確実となり、結果として性能の低下を防ぐことができる。

なお、図３において、金属板１０としてエッチングメタルの代わりに、このエッチングメタルと同等の形状を有するパンチングメタルを用いた場合においても、同等の作用効果を実現することができる。

また、図３では、平面視略円形の孔１０ａが形成されているが、この孔１０ａの平面形状は円形に限定されず、例えば、矩形や楕円など適宜自由に設定することができる。矩形の場合、短辺、長辺および対角線のうち何れかの大きさが金属板の厚さに基づいて設定される。楕円の場合、長径および短径のうち何れかの大きさが金属板の厚さに基づいて設定される。

さらに、図４に示すように、金属メッシュ９の上面および下面を発泡金属８で挟むようにしてもよい。このようにすることにより、発泡金属８が単セル４、燃料極セパレータ５および金属メッシュ９と密着するので単セル４と燃料極セパレータ５との間の電気的接続を確実にすることができるとともに、金属メッシュ９により燃料極セパレータ５側からの押圧力を単セル４に効果的に伝えることができる。結果として、単セル４と燃料極セパレータ５との間に隙間等が生じるのを防ぐことができるので、電気的な接続が確実となり、性能の低下を防ぐことができる。

図４において、金属メッシュ９の代わりに複数の孔が形成された金属板１０を用いるようにしてもよい。また、金属メッシュ９と複数の孔が形成された金属板１０を組み合わせて用いるようにしてもよい。

なお、本実施の形態においては、単セル４と燃料極セパレータ５との間に発泡金属８、金属メッシュ９、金属板１０を設けるようにしたが、単セル４と空気極セパレータ６との間にそれらを設けるようにしてもよい。

本発明は、平板型固体酸化物形燃料電池スタックに適用することができる。

本発明の平板型固体酸化物形燃料電池スタックの構成を示す断面図である。 本発明の平板型固体酸化物形燃料電池スタックの変形例を示す断面図である。 エッチングメタルの構成を示す平面図である。 本発明の平板型固体酸化物形燃料電池スタックの変形例を示す断面図である。 従来の平板型固体酸化物形燃料電池スタックの構成を示す断面図である。

１…電解質、２…燃料極、３…空気極、４…単セル、５…燃料極セパレータ、５ａ…凹部、５ｂ…燃料流路、５ｃ…燃料供給経路、５ｄ…燃料排出経路、６…空気極セパレータ、６ａ…空気経路、６ｂ…空気供給経路、７…絶縁部材、８…発泡金属、９…金属メッシュ、１０…金属板、１０ａ…孔。

Claims (3)

1. 燃料極、空気極および固体酸化物の電解質から構成される平板型の単セルと、 この単セルを収容するとともに、前記燃料極に燃料を供給し、かつ、前記空気極に酸化剤を供給する収容部材と、
   前記単セルと前記収容部材との間に配設され、前記単セルと当接する発泡金属と、
   この発泡金属と前記収容部材との間に配設され、前記発泡金属および前記収容部材と当接し、導電性を有する補強部材と
   を備え、
   前記収納部材の前記補強部材と当接する面には燃料を流通させるための燃料流路、あるいは酸化剤を流通させるための空気流路が形成され、
   前記補強部材は、金属メッシュおよび複数の孔を有する金属板の一方からなり、前記発泡金属より硬く、塑性変形しにくい
   ことを特徴とする平板型固体酸化物形燃料電池。
2. 前記金属板は、ニッケル合金、ニッケルおよびステンレス鋼のうちの何れかからなり、かつ、０．０５ｍｍ以上１ｍｍ以下の厚さを有し、
   前記孔は、それぞれ前記厚さの２倍以上３倍以下の大きさを有し、前記厚さの２倍以上４倍以下の間隔で一列に配列されるとともに、この列を交互に列方向に前記間隔の半分ずつずらしながら行方向に前記間隔で格子状に配列して形成される
   ことを特徴とする請求項１記載の平板型固体酸化物形燃料電池。
3. 前記金属メッシュは、ニッケル合金、ニッケルおよびステンレス鋼のうちの何れかからなる直径０．０５ｍｍ以上１ｍｍ以下の線状金属部材を、格子状に編み込んだ部材から構成され、
   前記格子状に編み込んだ部材における隣り合う線状金属部材間の間隔は、前記直径以上前記直径の２倍以下である
   ことを特徴とする請求項１記載の平板型固体酸化物形燃料電池。