JP4169321B2

JP4169321B2 - 電気化学装置

Info

Publication number: JP4169321B2
Application number: JP2002177384A
Authority: JP
Inventors: 清志奥村; 重則伊藤
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2002-06-18
Filing date: 2002-06-18
Publication date: 2008-10-22
Anticipated expiration: 2022-06-18
Also published as: JP2004022407A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気化学セルおよびインターコネクターを有する電気化学装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
固体電解質型燃料電池は、いわゆる平板型と円筒型とに大別される。平板型の固体電解質型燃料電池においては、いわゆるインターコネクター（セパレータとも呼ばれる）と単電池とを交互に積層することにより、発電用のスタックを構成する。そして、単電池とインターコネクターとの間に、燃料ガスが供給されるガス空間と、空気が供給される空気空間とが形成されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
単電池の電極表面において、ガス空間に供給された燃料ガスと電極との反応が進行する。従って、反応がスムースに進行するのに適した量のガスが、適度な速度で電極表面に供給されるのが望ましい。ガスがガス空間に滞在する時間が短いと、ガス空間内で電極とガスとの反応が起きる前に、ガス空間から排出されてしまう場合がある。このため、ガス空間から排出されるガスの流量を減少させる工夫がなされている。例えば、特開平７−５０１６９号公報に記載の燃料セルバッテリにおいては、インターコネクターと発電層との間に設けられたガス空間は、多孔性かつ通気性のガス透過性壁により閉鎖されている。
しかし、このような平板型固体電解質燃料電池において昇温−降温の熱サイクルを繰り返すと、ガス透過性壁とインターコネクターおよび発電層との間に熱応力が発生する。この熱応力を逃がすことができないため、インターコネクターやセルは割れる傾向にある。
【０００４】
本発明の課題は、電気化学セル、インターコネクター、および電気化学セルとインターコネクターとの間に設けられたガス排出路を有する電気化学装置において、ガス排出路におけるガスの排出量を制御することができ、かつ熱応力による悪影響を受けにくくすることである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、電気化学セル、インターコネクター、および電気化学セルとインターコネクターとの間に設けられたガス排出路を有する電気化学装置であって、ガス排出路の下流側に設けられたガス排出部に、加圧下で変形可能な流量制御部材を備えており、流量制御部材が薄板からなり、薄板にガス排出孔が設けられており、ガス排出路内に導電性接続部材をさらに備えており、薄板が導電性接続部材の末端部に接合されていることを特徴とする。
【０００６】
また、本発明は、前記流量制御部材が薄板からなり、薄板にガス排出孔が設けられており、薄板が電気化学セルの主面に接合されていることを特徴とする。
【０００７】
このように、流量制御部材が設けられているので、ガス排出路におけるガスの排出量を制御することができる。また、ガス排出路内外の差圧を確保しつつ、ガスを排出することができる。また、流量制御部材は加圧下で変形可能な部材をもちいるので、熱応力による悪影響を受けにくい。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明の好適な実施形態について、図面を参照しつつ説明する。
【０００９】
本発明では、流量制御部材が薄板からなる。この場合には、熱応力を受けた場合に、薄板が容易に変形し、熱応力を逃がすことができる。この流量制御部材は金属製であることが好ましい。
【００１０】
本発明では、薄板にガス排出孔が設けられている。このように、薄板にガス排出路よりも径の小さなガス排出孔を設けることによってガス排出路内外の差圧を所望範囲に調整することが容易になる。
【００１１】
図１は、電気化学セルを保持するための保持部材１を概略的に示す断面図である。図２（ａ）は、保持部材１を主面５側から見た平面図であり、図２（ｂ）は、保持部材１を主面６側から見た平面図である。
【００１２】
保持部材１は、相対的に径の大きい本体部分１ａと、相対的に径の小さい突出部１ｂとを備えている。本体部分１ａおよび突出部１ｂを貫通するように、主面５と６との間に一対の貫通孔２Ａ、２Ｂが形成されている。貫通孔２Ａは一方のガス用の供給孔であり、貫通孔２Ｂは他方のガス用の供給孔である。
【００１３】
本体部分１ａの主面５側には、一方のガス流路７が形成されており、突出部１ｂの主面６側には、他方のガス流路８が形成されている。流路７は、図２（ａ）に示すように主面５側に形成された溝であり、一方の供給孔２Ａに連通している。流路８は、図２（ｂ）に示すように主面６側に形成された溝であり、他方の供給孔２Ｂに連通している。
【００１４】
図３は、電気化学セル９を保持部材１によって保持した保持構造２０を示す。電気化学セル９は、例えば一方の電極１１、固体電解質層１２、他方の電極１３の三層構造からなる。電気化学セル９の貫通孔９ａ内に突出部１ｂが挿通されている。
【００１５】
図４は、図３の保持構造２０に対して、平板形状のインターコネクター１５を積層した状態を示す断面図である。電気化学装置２４は、積層されたインターコネクター１５および保持構造２０を有する。積層するインターコネクター１５および保持構造２０の個数は自由に変更できる。
【００１６】
本例では、インターコネクター１５は平板形状であり、金属等の導電性材料からなっている。インターコネクター１５には、貫通孔２Ａ、２Ｂと適合する位置に一対の貫通孔１６Ａ、１６Ｂが形成されている。
【００１７】
複数のガス供給孔２Ａおよび１６Ａは連通し、電気化学装置の全体にわたるガス供給孔２１Ａを形成している。複数のガス供給孔２Ｂおよび１６Ｂは連通し、電気化学装置の全体にわたるガス供給孔２１Ｂを形成している。ガス供給孔２１Ａに対して矢印Ｂのように一方のガスを供給すると、このガスは矢印Ｃのように、ガス流路７を主面９ｂと略平行に流れ、ガス排出路９０に流入し、電気化学反応に寄与する。
ここで、本例においては、導電性接続部材３０の末端を保持部材１と若干離して設置している。この結果、ガス流路７を流れたガスは、ガス排出路９０に流入した直後に導電性接続部材３０に衝突し、セル９へと向かって向きを変える。この結果、ガスの燃料や酸素の利用効率が一層向上する。
ガス供給孔２１Ｂに対して矢印Ｄのように他方のガスを供給すると、このガスは矢印Ｅのように、ガス流路８を主面９dと略平行に流れ、図示せぬガス排出路に流入し、電気化学反応に寄与する。
【００１８】
ガス排出路９０には、導電性接続部材３０が設けられている。導電性接続部材３０は、インターコネクター１５と電気化学セル９とを電気的に接続している。導電性接続部材３０は、編組された多数の導電線３で形成されている。導電性接続部材３０は、凹凸形状３１を有する。凹凸形状３１は、インターコネクター１５と接触すべくインターコネクター１５側に凸状に設けられた凸部３１Ａと、電気化学セル９と接触すべくインターコネクター１５側に凹状に設けられた凹部３１Ｂとを有する。
【００１９】
次に、図４および図５を参照してガス排出路９０の構造について説明する。図５は、図４に示すガス排出路９０の拡大図である。
【００２０】
ガス排出路９０の下流側には、ガス排出路９０を流れるガスを外部１００に排出するガス排出部９２が設けられている。ガス排出部９２には、流量制御部材５０が設けられている。
【００２１】
流量制御部材５０の一方の端部５０ａの側に設けられた接合部分５４は、主面９ｂに接合されている。また、他方の端部５０ｂは、インターコネクター１５側に向けられている。他方の端部５０ｂは、インターコネクター１５に接合されない自由端である。この接合部分は、必ずしもセルに固定されている必要はなく、接して配置するだけでもよい。また、インターコネクタ側に接合されていてもよい。流量制御部材５０には、ガス排出孔５６が形成されており、ガス排出路９０を流れるガスは、ガス排出孔５６を通過して外部１００へと排出される。
【００２２】
図６および図７を参照しつつ、流量制御部材５０の形成方法について説明する。図６（Ａ）は、リング状に形成された薄板５１を主面５１ｋ側から見た平面図である。図６（Ｂ）は、図６（Ａ）のVIB−VIB線断面図である。図７（Ａ）は、加工後の薄板５１を主面５１ｋ側から見た平面図である。図７（Ｂ）は、図７（Ａ）のVIIB−VIIB線断面図である。
【００２３】
薄板５１の内径Ｇおよび外径Ｈは、ガス排出部９２の断面の寸法やセルサイズに合わせて決定される。薄板５１には任意の間隔で貫通穴５７が形成されている。薄板５１は、平面状に設けられている。すなわち、内縁５１ａおよび外縁５１ｂは、同一平面５８上に位置する。薄板５１のうち第一の切断線５１ｆおよび第二の切断線５１ｇによって囲まれる切断領域５２を除去する。さらに、図７（Ａ）に示すように、第一の切断線５１ｆ側と第二の切断線５１ｇ側とを重ね合わせる。これにより、薄板５１は平面５８と異なる平面５９上に位置する。すなわち、図７（Ｂ）に示すように、薄板５１の断面は平面５８から角度αだけ傾斜している。こうして、薄板５１は、ガス排出路９０を塞ぐ形状に形成される。このとき、図７（Ｂ）に示すＬ1がインターコネクタより大きく、L2がセルより小さい。
【００２４】
このように、流量制御部材５０を設けることによって、ガスは、ガス排出路９０の断面積よりも小さな面積のガス排出孔５６から排出されることになる。従って、外部１００へ排出されるガスの量が制限されるので、ガスは、反応に寄与するのに十分に遅い流速でガス排出部９２に向けて流れる。
【００２５】
また、流量制御部材５０は薄い薄板によって形成されているので、圧力により変形可能である。従って、インタコネクターと、電気化学セルに熱応力が発生した場合、流量制御部材５０が変形することにより熱応力を逃がすことができる。
【００２６】
薄板５１は、熱応力によって変形可能な程度に薄いことが好ましい。この観点からは、薄板５１の厚さが２００μｍ以下であることがより好ましい。また、ガス排出路９０の内外における差圧に対して耐えうる程度の厚みを有することが好ましい。この観点からは、薄板５１の厚さが１０μｍ以上であることがより好ましい。２０〜１００μmが一層好ましい。
【００２７】
なお、流量制御部材５０は、接合部分５４から他方の端部５０ｂに向けて主面９ｂに対して傾斜した状態に設けられていたが、流量制御部材５０の形状は、本実施の形態に限定されるものではなく、流量制御部材５０は、ガス排出路９０を塞ぐように設けられていればよく、その限りにおいて任意の形状を有していて良い。
【００２８】
図８は、一変更例に係る流量制御部材６０の断面図である。流量制御部材６０は、一方の端部６０ａから他方の端部６０ｂに向けて曲線的に傾斜している。なお、本例における流量制御部材６０も、第一の実施形態において説明した流量制御部材５０と同様に、ガス排出孔６６を有している。
【００２９】
また、例えば図９（ａ）〜（ｃ）に示す形態を採用できる。即ち、図９（ａ）に示す部材６０Ａは、一方の端部６０ａから他方の端部６０ｂへと向かって曲線的に傾斜している。図９（ｂ）に示す部材６０Ｂは、両端６０ａ、６０ｂがガス流路内に固定されており、端部６０ａと６０ｂとの間が外側へと向かって丸く突出している。図９（ｃ）に示す部材６０Ｃは、両端６０ａ、６０ｂがガス流路内に固定されており、端部６０ａと６０ｂとの間が外側へと向かって尖った形状で突出している。
【００３０】
本発明における他の形態としては、電気化学装置におけるガス排出路内に導電性接続部材をさらに備え、前記薄板は、前記導電性接続部材の末端部に接合されていることを特徴とする。このように、導電性接続部材の末端に薄板を結合することによって、薄板の位置決めが正確になされ、内外の差圧を一層正確に制御可能となる。また、導電性接続部材を変形処理する場合には、この変形処理によって、同時に、薄板を排出路を塞ぐような形状に変形させることができる。
【００３１】
次に、図１０および図１１を参照しつつ、第二の実施形態に係る流量制御部材７０について説明する。図１０は流量制御部材７０の断面図である。図１１（Ａ）は流量制御部材７０を形成する薄板５１を主面５１ｋ側から見た平面図である。図１１（Ｂ）はＸＩB−ＸＩB線断面図である。図１１（Ｃ）は変形処理された後の薄板５１を示す。本実施の形態における流量制御部材７０は、図１０に示すように一方の端部７０ａ側に設けられた接合面７４において導電性接続部材３０の末端部３０ａに設けられた接合面３４と接合している。
【００３２】
図１１を参照しつつ、流量制御部材７０の形成工程について説明する。図１１（Ａ）に示すように、薄板５１はリング状に形成され、接合部分５４は、接合面３４に接合される。次に、薄板５１は、導電性接続部材３０とともに変形処理される。導電性接続部材３０および薄板５１は、所定の間隔で平面５８と垂直な方向Ｊに押圧され、図１１（Ｃ）に示すように凸部３１Ａおよび凹部３１Ｂが形成される。この結果、薄板５１に対しても、凹凸形状５９が付与される。このように、導電性接続部材３０の変形処理と同時に、薄板５１は、ガス排出路９０を塞ぐ形状に変形される。
【００３３】
本発明外の電気化学装置においては、前記流量制御部材が、網状体および前記網状体の網目を潰す目潰し材を有するガス遮断部からなる。
【００３４】
参考形態においては、導電性接続部材が、本体部分と、この本体部分に接合された前記ガス遮断部とを有する。この場合には、ガス遮断部は、導電性接続部材の本体部分と一体に設けられている。従って、ガス遮断部を導電性接続部材の本体部分と同時に形成することができ、かつガス遮断部の位置決めを正確に行うことができ、従って内外の差圧を正確に調節できる。
【００３５】
次に、図１２および図１３を参照しつつ、参考形態に係る流量制御部材８０について説明する。
【００３６】
図１２は、流量制御部材８０の断面図である。図１３（Ａ）は、流量制御部材８０を形成する導電性接続部材３０を主面３０ｅ側から見た平面図である。図１３（Ｂ）は、図１３（Ａ）の要部拡大図である。
【００３７】
図１２に示すように、流量制御部材８０は導電性接続部材３０の本体部分３８から延びている。図１３を参照しつつ、流量制御部材８０の形成工程について説明する。導電性接続部材３０は、本体部分３８と本体部分３８の周囲に設けられたガス遮断部３６とを備えている。ガス遮断部３６は、本体部分３８と同様に導電線３によって形成される網状体３３と、網状体３３によって囲まれた網目３２に充填された目潰し材３４とを有している。
目潰し材として、たとえば、Ni、Pt、Ag、Au,などの金属ペースト、ランタンマンガナイト、ランタンクロマイト、ランタンコバルタイト、ジルコニア、アルミナ、シリカ、など、セラミックペースト、また、ガラスペーストなどを上げることができる。この場合、塗布焼き付け法などが適用できる。
【００３８】
ガス遮断部３６は、本体部分３８とともに変形処理される。これにより、凸部３１Ａおよび凹部３１Ｂが形成される。これと同時に、ガス遮断部３６は、ガス排出路９０を塞ぐ形状に変形される。
【００３９】
図１２に示すように流量制御部材８０がガス排出路９０内に設けられた場合、凸部３ａおよび凹部３ｂによって、流量制御部材８０とインターコネクター１５および流量制御部材８０と電気化学セル９の間には隙間、すなわちガス排出孔８６が形成される。
【００４０】
電気化学セル９とインターコネクター１５とが加圧されると、流量制御部材８０によりガス排出部９２が閉鎖される。ガス排出路９０内外における差圧により、流量制御部材８０が変形し、ガス排出部９２には小さな隙間、すなわちガス排出孔８６が形成される。ガス排出路９０内のガスは、ガス排出孔８６から外部へ排出される。
【００４１】
このように、導電性接続部材３０の末端側の網目を目潰しすることにより、ガス排出路９０より小さな隙間からなるガス排出孔８６を形成することができる。
【００４２】
また、目潰し材自体を多孔質にすることで、小さな気孔を通してガスを外部へ排出させることができる。また、図１４に示すように、編み目の一部６８を目潰しせず、開口させることによって、ガスを外部へと排出させることができる。
【００４３】
本発明外の参考例では、図１５に示すように、排出路の下流側９２に、スライド機構を有する流量制御部材９４を設置する。部材９４は、素子９に設置された基部９４ｂ、基部９４ｂに取り付けられたスライド機構９４ｃ、およびスライド機構９４ｃに対してスライド可能に取り付けられたスライド板９４ａを備えている。この場合には、部材９４によって排出口をほぼ封止することが可能である。そして、加熱時に素子９と１５との間隔が変化したときにも、スライド機構９４ｃによってスライド板９４ａがスライドして応力を逃がすので、素子９には加熱下でも低い応力しか加わらない。また、スライド板９４ａや基部９４ｂに孔を設けることによって、排出ガス量を容易に調整可能である。
【００４４】
電気化学セルは、一方の電極、固体電解質層、他方の電極の三層構造を有する。一方の電極には、一方のガスが供給される。他方の電極には、他方のガスが供給される。各電極表面上では、供給されたガスと電極との電気化学反応が進行する。
【００４５】
好適な実施形態においては、一方のガスが酸化性ガスであり、他方のガスが還元性ガスである。
【００４６】
酸化性ガスは、酸素イオンを固体電解質膜へと供給可能なガスであれば特に限定されないが、空気、希釈空気、酸素、希釈酸素が挙げられる。還元性ガスとしては、Ｈ₂、ＣＯ、ＣＨ₄とこれらの混合ガスを例示できる。
【００４７】
本発明が対象とする電気化学セルは、電気化学反応を生じさせるためのセル一般を意味している。例えば、電気化学セルは、酸素ポンプ、高温水蒸気電解セルとして使用できる。高温水蒸気電解セルは、水素の製造装置に使用でき、また水蒸気の除去装置に使用できる。また、電気化学セルを、ＮＯｘ、ＳＯｘの分解セルとして使用できる。この分解セルは、自動車、発電装置からの排ガスの浄化装置として使用できる。この場合には、固体電解質膜を通して排ガス中の酸素を除去するのと共に、ＮＯｘを電解してＮ_２とＯ_２ ⁻とに分解し、この分解によって生成した酸素をも除去できる。また、このプロセスと共に、排ガス中の水蒸気が電解されて水素と酸素とを生じ、この水素がＮＯｘをＮ_２へと還元する。また、好適な実施形態では、電気化学セルが、固体電解質型燃料電池である。
【００４８】
一方の電極、他方の電極は、それぞれ、陽極または陰極であってよい。
【００４９】
固体電解質層の材質は特に限定されず、あらゆる酸素イオン伝導体を利用できる。例えば、イットリア安定化ジルコニア又はイットリア部分安定化ジルコニアであってよく、ＮＯｘ分解セルの場合には、酸化セリウムも好ましい。
【００５０】
陽極の材質は、ランタンを含有するペロブスカイト型複合酸化物であることが好ましく、ランタンマンガナイト又はランタンコバルタイトであることが更に好ましく、ランタンマンガナイトが一層好ましい。ランタンコバルタイト及びランタンマンガナイトは、ストロンチウム、カルシウム、クロム、コバルト（ランタンマンガナイトの場合）、鉄、ニッケル、アルミニウム等をドープしたものであってよい。また、パラジウム、白金、ルテニウム、白金−ジルコニアサーメット、パラジウム−ジルコニアサーメット、ルテニウム−ジルコニアサーメット、白金−酸化セリウムサーメット、パラジウム−酸化セリウムサーメット、ルテニウム−酸化セリウムサーメットであってもよい。
【００５１】
陰極の材質としては、ニッケル、パラジウム、白金、ニッケル−ジルコニアサーメット、白金−ジルコニアサーメット、パラジウム−ジルコニアサーメット、ニッケル−酸化セリウムサーメット、白金−酸化セリウムサーメット、パラジウム−酸化セリウムサーメット、ルテニウム、ルテニウム−ジルコニアサーメット等が好ましい。
【００５２】
インターコネクターの材質は、例えば、ニッケル、インコネル、ニクロムなどのニッケル基合金、ステンレスなどの鉄基合金がある。
【００５３】
保持部材を形成するセラミックスの種類は特に限定されない。ただし、保持部材を導電性セラミックスによって形成すると、保持部材１によって、セルの陽極と陰極とが短絡するおそれがあるので、このセラミックスは絶縁性であることが好ましい。また、酸化性ガスおよび還元性ガスを使用する場合には、セルの作動温度で酸化性ガスおよび還元性ガスに耐性の材質が好ましい。この観点からは、マグネシア−アルミナスピネル、ジルコニアが好ましい。また、好ましくはセルと熱膨張係数が同等のセラミックスが好ましく、陰極にNi-YSZサーメットを用いる場合には、MgO/Al₂O₃= 1 〜2.3(重量比)のマグネシア−アルミナスピネルが望ましい。
【００５４】
導電性接続部材としては、フェルト、メッシュ、針状体、スポンジ状物を例示できる。導電性接続部材の材質は、ニッケル、インコネル、ニクロムなどのニッケル基合金、ステンレスなどの鉄基合金を例示できる。
【００５５】
流量制御部材を構成する金属としては、以下が特に好適なものとして例示できる。ＳＵＳ３１６、ＳＵＳ４３０、インコネル６００、インコネル６０１、ハステロイ２７６、ニッケル、ニクロム。
【００５６】
電気化学セルの形態は特に限定されない。電気化学セルは、上述の例では、２つの電極と固体電解質層との３層を有している。しかし、電気化学セルは、電極および固体電解質層以外に、多孔質支持板を備えていてよい。
【００５７】
【発明の効果】
以上述べたように，本発明によれば、ガス排出路におけるガスの排出量を制御することができ、かつ熱応力による悪影響を受けにくくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】保持部材１の断面図である。
【図２】（ａ）は、保持部材１を主面５側から見た平面図であり、（ｂ）は、保持部材１を主面６側から見た平面図である。
【図３】保持部材１に電気化学セル９を保持して得られた保持構造２０を示す断面図である。
【図４】図３の保持構造２０とインターコネクター１５とを積層した状態を示す断面図である。
【図５】図４に示すガス排出路９０の拡大図である。
【図６】流量制御部材５０を形成する途中の状態を示す図である。
【図７】流量制御部材５０を形成する途中の状態を示す図である。
【図８】変更例に係る流量制御部材６０を示す断面図である。
【図９】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、それぞれ流量制御部材６０Ａ、６０Ｂ、６０Ｃを示す断面図である。
【図１０】第二の実施形態に係る流量制御部材７０を示す断面図である。
【図１１】第二の実施形態に係る流量制御部材７０を形成する途中の状態を示す図である。
【図１２】参考形態に係る流量制御部材８０を示す断面図である。
【図１３】参考形態に係る流量制御部材８０を形成する途中の状態を示す図である。
【図１４】一部の編み目６８を開口とした流量制御部材を示す。
【図１５】（ａ）、（ｂ）は、スライド機構９４ｃを備えた流量制御部材９４を用いた例を示す。
【符号の説明】
１保持部材９電気化学セル１１一方の電極
１２固体電解質層１３他方の電極１５インターコネクター
２０保持構造２４電気化学装置３０導電性接続部材３１A 凸部分３１B 凹部分３２空間部分３３網状体
３４目潰し材３６ガス遮断部３８本体部分５０流量制御部材５１薄板５４接合部分５６ガス排出孔
５７貫通孔６０流量制御部材６４接合部分６６ガス排出孔７０流量制御部材８０流量制御部材９０ガス排出路９２ガス排出部

Claims

電気化学セル、インターコネクター、および前記電気化学セルと前記インターコネクターとの間に設けられたガス排出路を有する電気化学装置であって、
前記ガス排出路の下流側に設けられたガス排出部に、加圧下で変形可能な流量制御部材を備えており、前記流量制御部材が薄板からなり、前記薄板にガス排出孔が設けられており、前記ガス排出路内に導電性接続部材をさらに備えており、前記薄板が前記導電性接続部材の末端部に接合されていることを特徴とする、電気化学装置。
電気化学セル、インターコネクター、および前記電気化学セルと前記インターコネクターとの間に設けられたガス排出路を有する電気化学装置であって、
前記ガス排出路の下流側に設けられたガス排出部に、加圧下で変形可能な流量制御部材を備えており、前記流量制御部材が薄板からなり、前記薄板にガス排出孔が設けられており、前記薄板が前記電気化学セルの主面に接合されていることを特徴とする、電気化学装置。