JP2018147713A - 電気化学反応単セルおよび電気化学反応セルスタック - Google Patents
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Abstract
Description
A−1.構成:
(燃料電池スタック100の構成)
図1は、本実施形態における燃料電池スタック100の外観構成を示す斜視図であり、図2は、図1のII−IIの位置における燃料電池スタック100のXZ断面構成を示す説明図であり、図3は、図1のIII−IIIの位置における燃料電池スタック100のYZ断面構成を示す説明図である。各図には、方向を特定するための互いに直交するXYZ軸が示されている。本明細書では、便宜的に、Z軸正方向を上方向と呼び、Z軸負方向を下方向と呼ぶものとするが、燃料電池スタック100は実際にはそのような向きとは異なる向きで設置されてもよい。図4以降についても同様である。なお、燃料電池スタック100は、特許請求の範囲における電気化学反応セルスタックに相当する。
一対のエンドプレート104,106は、略矩形の平板形状の導電性部材であり、例えばステンレスにより形成されている。一方のエンドプレート104は、最も上に位置する発電単位102の上側に配置され、他方のエンドプレート106は、最も下に位置する発電単位102の下側に配置されている。一対のエンドプレート104,106によって複数の発電単位102が押圧された状態で挟持されている。上側のエンドプレート104は、燃料電池スタック100のプラス側の出力端子として機能し、下側のエンドプレート106は、燃料電池スタック100のマイナス側の出力端子として機能する。
図4は、図2に示す断面と同一の位置における互いに隣接する2つの発電単位102のXZ断面構成を示す説明図であり、図5は、図3に示す断面と同一の位置における互いに隣接する2つの発電単位102のYZ断面構成を示す説明図である。なお、図2および図3には、一部の断面が拡大して示されている。
図2および図4に示すように、酸化剤ガス導入マニホールド161の位置に設けられたガス通路部材27の分岐部29に接続されたガス配管(図示せず)を介して酸化剤ガスOGが供給されると、酸化剤ガスOGは、ガス通路部材27の分岐部29および本体部28の孔を介して酸化剤ガス導入マニホールド161に供給され、酸化剤ガス導入マニホールド161から各発電単位102の酸化剤ガス供給連通孔132を介して、空気室166に供給される。また、図3および図5に示すように、燃料ガス導入マニホールド171の位置に設けられたガス通路部材27の分岐部29に接続されたガス配管(図示せず)を介して燃料ガスFGが供給されると、燃料ガスFGは、ガス通路部材27の分岐部29および本体部28の孔を介して燃料ガス導入マニホールド171に供給され、燃料ガス導入マニホールド171から各発電単位102の燃料ガス供給連通孔142を介して、燃料室176に供給される。
図4および図5に示すように、空気極114における電解質層112とは反対側の表面(上面115)は、平坦面部分115Aと、傾斜面部分115Bと、突出面部分115Cとを含む。平坦面部分115Aは、Z方向視で上面115の中央部に位置する略矩形状の部分である。また、平坦面部分115Aは、上下方向(Z軸方向)に略直交する平面部分であり、換言すれば、平坦面部分115Aは、電解質層112の上面および各集電体要素135の先端面(下面)と略平行な平面部分である。傾斜面部分115Bは、Z方向視で平坦面部分115Aの全周を囲むように配置された環状の部分である。傾斜面部分115Bは、上面115の中央部側(図4および図5の拡大図において紙面右側)から周縁部側(図4および図5の拡大図において紙面左側)に向かうに連れて電解質層112に近づくように傾斜する部分である。突出面部分115Cは、Z方向視で傾斜面部分115Bの全周を囲むように配置された環状の部分である。突出面部分115Cは、傾斜面部分115Bに対して上面115の周縁部側に配置され、傾斜面部分115Bを含む第1の仮想平面V1よりも電解質層112とは反対側に突出する部分である。空気極114の上面115は、特許請求の範囲における第1の表面に相当する。なお、本実施形態では、平坦面部分115Aと傾斜面部分115Bとは隣接しており、傾斜面部分115Bと突出面部分115Cとは隣接している。第1の仮想平面V1は、特許請求の範囲における仮想平面に相当する。
上述した構成の燃料電池スタック100の製造方法は、例えば以下の通りである。
はじめに、電解質層112と燃料極116との積層体を形成する。具体的には、YSZ粉末に対して、ブチラール樹脂と、可塑剤であるジオクチルフタレート(DOP)と、分散剤と、トルエンとエタノールとの混合溶剤とを加え、ボールミルにて混合して、スラリーを調製する。得られたスラリーをドクターブレード法により薄膜化して、電解質層用グリーンシートを得る。また、NiOの粉末とYSZの粉末との混合粉末に対して、造孔材である有機ビーズと、ブチラール樹脂と、可塑剤であるDOPと、分散剤と、トルエンとエタノールとの混合溶剤とを加え、ボールミルにて混合して、スラリーを調製する。得られたスラリーをドクターブレード法により薄膜化して、燃料極用グリーンシートを得る。電解質層用グリーンシートと燃料極用グリーンシートとを貼り付けて乾燥させ、例えば1400℃にて焼成を行うことによって、電解質層112と燃料極116との積層体を得る。
次に、空気極114を形成する。はじめに、LSCF粉末と、有機バインダとしてのポリビニルアルコールと、有機溶媒としてのブチルカルビトールとを混合し、粘度を調整して、空気極114を形成するための材料である空気極用ペーストを調製する。
図6は、本実施形態および比較例1,2における空気極側集電体134(134X,134Y)および空気極114(114X,114Y)のXZ断面構成を示す説明図である。また、空気極側集電体134(134X,134Y)と空気極114(114X,114Y)とが対向する対向領域のうち、空気極側集電体134(134X,134Y)と空気極114(114X,114Y)とが接触する部分は、空気極114と集電体要素135との導通が確保される導通確保部分E1(電気化学反応の際に電流が流れる領域)である。具体的には、図5の拡大図に示すように、導通確保部分E1は、空気極側集電体134における集電体要素135と空気極114とが接合層138を介して接合された部分である。また、対向領域のうち、空気極側集電体134(134X,134Y)と空気極114(114X,114Y)とが接触しない部分は、電流は流れないが、酸化剤ガスOGに触れるガス接触部分E2(電気化学反応に寄与する領域)である。具体的には、図5の拡大図に示すように、ガス接触領域E2は、空気極側集電体134における集電体要素135が無い部分と空気極114とが空間を介して対向している部分である。
本明細書で開示される技術は、上述の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の形態に変形することができ、例えば次のような変形も可能である。
Claims (7)
- 固体酸化物を含む電解質層と、前記電解質層を挟んで第1の方向に互いに対向する空気極および燃料極と、を含む電気化学反応単セルにおいて、
前記空気極および前記燃料極の少なくとも一方の電極における前記電解質層とは反対側の第1の表面は、
前記第1の表面の中央部側から周縁部側に向かうに連れて前記電解質層に近づくように傾斜する傾斜面部分と、
前記傾斜面部分に対して前記第1の表面の前記周縁部側に配置され、前記傾斜面部分を含む仮想平面よりも前記電解質層とは反対側に突出する突出面部分と、を含むことを特徴とする、電気化学反応単セル。 - 請求項1に記載の電気化学反応単セルにおいて、
前記突出面部分における前記第1の方向の最大の厚さは、前記第1の表面の中央部における前記第1の方向の最大の厚さ以下であることを特徴とする、電気化学反応単セル。 - 請求項1または請求項2に記載の電気化学反応単セルにおいて、
前記突出面部分の内の前記第1の表面の前記周縁部側に位置する外側面部分について前記第1の方向に直交する第1の平面に対する第1の傾斜角度は、前記傾斜面部分について前記第1の平面に対する第2の傾斜角度より大きいことを特徴とする、電気化学反応単セル。 - 請求項1から請求項3までのいずれか一項に記載の電気化学反応単セルにおいて、
前記突出面部分の内の前記第1の表面の前記周縁部側に位置する外側面部分について前記第1の方向に直交する第1の平面に対する第1の傾斜角度は、前記突出面部分の内の前記第1の表面の前記中央部側に位置する内側面部分について前記第1の平面に対する第3の傾斜角度より大きいことを特徴とする、電気化学反応単セル。 - 複数の電気化学反応単セルを備える電気化学反応セルスタックにおいて、
前記複数の電気化学反応単セルの少なくとも1つは、請求項1から請求項4までのいずれか一項に記載の電気化学反応単セルであることを特徴とする、電気化学反応セルスタック。 - 請求項5に記載の電気化学反応セルスタックにおいて、
さらに、前記第1の表面に対向し、かつ、前記第1の方向視で、前記突出面部分と重なる位置に配置されている導電性部材を備えることを特徴とする、電気化学反応セルスタック。 - 請求項6に記載の電気化学反応セルスタックにおいて、
前記第1の方向視で、前記突出面部分の内、前記電解質層から最も離れた先端部位と前記導電性部材とは重なっていないことを特徴とする、電気化学反応セルスタック。
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