JP4192017B2 - セルスタック及び燃料電池 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、セルスタック及び燃料電池に関するもので、特に複数の燃料電池セルの集電特性が良好なセルスタック及び燃料電池に関するものである。
【０００２】
【従来技術】
近年、次世代エネルギーとして、燃料電池セルのスタックを収納容器内に収納した燃料電池が種々提案されている。
【０００３】
従来の固体電解質型燃料電池は、複数の燃料電池セルを収納容器内に収納し、燃料電池セル同士を集電部材により電気的に直列又は並列に接続して構成されており、発電は燃料電池セルに酸素含有ガス及び燃料ガスを供給して１０００℃程度の高温で行われていた。
【０００４】
そして、燃料電池セル間の電気的な接続を行う集電部材は、従来、繊維状の金属が集合した金属フェルト状のものが用いられていた。このようなフェルト状の集電部材を用いた燃料電池は、複数の燃料電池セルを配列集合させ、例えば、一方の燃料電池セルのインターコネクタと、他方の燃料電池セルの外側電極との間に、フェルト状の集電部材を詰め込み燃料電池セルを直列に接続してセルスタックを形成し、このセルスタックを収納容器内に収納して構成されていた（特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開昭６３−２６１６７８号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した燃料電池では、フェルト状の集電部材が繊維状の金属から構成されているため、燃料電池セル間に空気等の酸素含有ガスが導入されて発電する場合には、繊維状金属の表面から酸化し、集電特性が低下し、また金属フェルトの弾性力が低下し、経時的に特性が低下するという問題があった。
【０００７】
本発明は、燃料電池セル間の集電特性を向上できるとともに、作製が容易なセルスタック及び燃料電池を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の燃料電池セルスタックは、内部にガス流通孔を有し、外側電極とインターコネクタとが対向して設けられ、前記外側電極及び前記インターコネクタの外面が凹凸形状である板状の燃料電池セルを複数整列させ、一方の前記燃料電池セルの前記外側電極と他方の前記燃料電池セルの前記インターコネクタとを電気的に接続してなるセルスタックであって、
一方の前記燃料電池セルの前記外側電極の凸部が、他方の前記燃料電池セルの前記インターコネクタの凹部と隙間を形成するように嵌合されているとともに、一方の前記燃料電池セルの前記外側電極の凹部が、他方の前記燃料電池セルの前記インターコネクタの凸部と隙間を形成するように嵌合されており、それぞれの前記隙間をガス流通路としてなることを特徴とする。
【０００９】
このようなセルスタックでは、一方の燃料電池セルの外側電極の凸部が、他方の燃料電池セルのインターコネクタの凹部と隙間を形成するように嵌合されているとともに、一方の燃料電池セルの外側電極の凹部が、他方の燃料電池セルのインターコネクタの凸部と隙間を形成するように嵌合されていることから、燃料電池セル間に空気等の酸素含有ガスを流通させて発電する場合でも、集電部材を用いることなく、しかも、外側電極やインターコネクタは酸素含有ガスにより変質しない材質で形成されているため、従来のような、集電部材の酸化や弾性の低下に伴う集電特性の劣化という問題をなくすことができる。さらに、凹部と凸部との嵌合により形成された隙間が、ガス流通路をなすことから、燃料電池セルの外側電極へのガスの供給も滞りなく行われる。また、それぞれの凸部と凹部とを嵌合してセルスタックを形成することから、燃料電池セルの位置決めが容易となり、セルスタックの作製が容易となる。
【００１４】
本発明の燃料電池は、上記したセルスタックを収納容器内に複数収納してなることを特徴とする。このような燃料電池では、セルスタックが良好な集電特性を有するため、優れた発電特性を長期にわたって発揮できる。
【００１５】
図１は、本発明の燃料電池の一形態を示すもので、図２は燃料電池セル３３を示している。図１において、符号３１は断熱構造を有する収納容器を示している。この収納容器３１の内部には、複数の燃料電池セル３３からなるセルスタック３５と、燃料電池セル３３の間に挿入された酸素含有ガス供給管３９と、燃料電池セル３３の上方に設けられた熱交換部４１とが設けられている。
【００１６】
収納容器３１は、耐熱性金属からなる枠体３１ａと、この枠体３１ａの内面に設けられた断熱材３１ｂとから構成されている。
【００１７】
収納容器３１内のセルスタック３５は、一方の燃料電池セル３３の外側電極３３ｄの凸部と他方の燃料電池セル３３のインターコネクタｅの凹部とが隙間をあけて嵌合され、また一方の燃料電池セル３３の外側電極３３ｄの凹部と他方の燃料電池セル３３のインターコネクタｅの凸部とが隙間をあけて嵌合されて構成され、このセルスタック３５が４列に整列しており、隣設したセルスタック３５の最外部の燃料電池セル３３の電極同士が導電部材で接続され（図示せず）、これにより４列に整列した複数の燃料電池セル３３が電気的に直列に接続されている。ここで、嵌合されたそれぞれの凹部と凸部との間に設けられた隙間が、外側電極３３ｄにガスを供給するガス流通路４３として機能する。
【００１８】
本発明の燃料電池セル３３は、図２に示すように、全体的に見て板状の多孔質な導電性支持体３３ａの一方側主面に、多孔質な燃料側電極３３ｂ、緻密質な固体電解質３３ｃ、多孔質な導電性セラミックスからなる酸素側電極３３ｄを順次積層し、酸素側電極３３ｄと反対側の導電性支持体３３ａの他方側の主面に中間膜（図示せず）、ランタン−クロム系酸化物材料からなるインターコネクタ３３ｅを形成して構成されている。また、導電性支持体３３ａの内部には複数のガス流通孔３４が形成されている。
【００１９】
そして、燃料電池セル３３は、導電性支持体３３ａの他方側主面に複数の凹凸部が形成されており、その凹凸面に中間膜、インターコネクタ３３ｅを積層することにより、インターコネクタ３３ｅの外面が凹凸形状とされている。
【００２０】
インターコネクタ３３ｅの外面形状は、中間膜が、ほぼ一定厚みを有するため、導電性支持体３３ａの形状を反映した形状となる。なお、インターコネクタ３３ｅ表面にＰ型半導体材料からなる集電膜（図示せず）を形成してもよく、この場合には、集電膜の外面も凹凸形状となる。
【００２１】
また燃料電池セル３３は、導電性支持体３３ａの一方側主面に凹凸部が形成されており、その上に一定厚みの内側電極３３ｂ、固体電解質３３ｃ、外側電極３３ｄを形成することにより、外側電極３３ｄの外面形状を凹凸形状としている。この燃料電池セル３３は、幅方向両端に設けられた弧状部と、これらの弧状部を連結する複数の凸部が形成された面とから構成され、これらの面が略平行に配置されている。
【００２２】
燃料電池セル３３の下方には、図１に示したように、燃料ガスを燃料電池セル３３に供給するための燃料ガスタンク４５が設けられ、この燃料ガスタンク４５には、外部から燃料ガスを燃料ガスタンク４５に供給するための燃料ガス供給管５１が接続されている。
【００２３】
燃料ガスタンク４５には、燃料電池セル３３の下端部に取り付けられた取付治具５３が螺着しており、これにより、燃料電池セル３３が燃料ガスタンク４５にそれぞれ立設している。即ち、取付治具５３は、燃料電池セル３３の端部に取り付けられたセル端部側取付治具５３ａと、両端部がセル端部側取付治具５３ａ及び燃料ガスタンク４５にそれぞれ螺着する連結部材５３ｂとから構成されており、連結部材５３ｂの両端部には向きが逆のねじ部が形成され、連結部材５３ｂを一方側に回転させると、両端部がセル端部側取付治具５３ａ及び燃料ガスタンク４５にそれぞれ螺着するように形成されている。
【００２４】
セル端部側取付治具５３ａ、連結部材５３ｂには、燃料ガスタンク４５と燃料電池セル３３のガス流通孔３４に連通するように貫通孔が形成されている。
【００２５】
また、図１に示したように、酸素含有ガス供給管３９は、その先端部が燃料電池セル３３間に位置している。
【００２６】
熱交換部４１は、熱交換器４１ａと、セルスタック３５に対向して設けられた酸素含有ガス収容室４１ｂとから構成されている。
【００２７】
熱交換器４１ａは、例えば、平板と波板を交互に積層したプレートフィン型構造とされている。
【００２８】
燃焼ガスは、図１に一点鎖線で示したように熱交換器４１ａの下部側面から導入され、熱交換器４１ａの上方へ排出され、一方、酸素含有ガスは、図１に破線で示したように熱交換器４１ａの上部側面から導入され、熱交換器４１ａの下方へ導かれ、酸素含有ガス収容室４１ｂ内に導入される。
【００２９】
酸素含有ガス収容室４１ｂは、熱交換器４１ａの酸素含有ガスが導入される側の端面、即ち燃料電池セル３３側端面に設けられており、波板の各通路を通過した酸素含有ガスが一旦収容されるようになっている。
【００３０】
酸素含有ガス収容室４１ｂには、複数の酸素含有ガス供給管３９の一端が開口し、連通している。
【００３１】
また、図１に示したように、酸素含有ガス収容室４１ｂの側面と断熱材３１ｂとの間、即ち酸素含有ガス収容室４１ｂの周囲は、燃焼ガスを熱交換器４１ａに導入する燃焼ガス導入口７１とされている。この燃焼ガス導入口７１を介して燃焼ガスが熱交換器４１ａの波板の通路へ導出される。
【００３２】
ここで、燃料電池セル３３の製法について、インターコネクタ３３ｅ側に凸部を持つ燃料電池セル３３の作製方法を例に取り説明する。なお、外側電極３３ｄに凹凸部を形成する場合においては、ディッピングにより形成することができるが、本作製方法においては、外側電極３３ｄが平坦である場合を例示している。
【００３３】
先ず、Ｎｉ及び／又はＮｉＯ粉末と希土類酸化物を混合し、この混合物に、ポアー剤と、セルロース系バインダーからなる有機バインダーと、水からなる溶媒とを加え、混合した支持体材料を押出成形して、板状の支持体成形体を作製した。なお、押し出し成形用の金型の片側は、凸部を形成するような形状となっている。
【００３４】
次に、８ＹＳＺ粉末（Ｙ2Ｏ3を８モル含有するＺｒＯ2）にアクリル系バインダーとトルエンを加え、固体電解質３３ｃとなるスラリーを作製し、ドクターブレード法にてシート状の固体電解質成形体を作製した。
【００３５】
次に、Ｎｉ及び／又はＮｉＯ粉末と、８ＹＳＺ粉末（Ｙ2Ｏ3を８モル含有するＺｒＯ2）を混合し、アクリル系バインダーとトルエンを加え、燃料側電極３３ｂとなるスラリーを作製し、前記固体電解質成形体の一方の面にスクリーン印刷し、固体電解質成形体と燃料側電極成形体の積層成形体を作製した。
【００３６】
次に、導電性支持体成形体に、固体電解質成形体と燃料側電極成形体の積層成形体を、支持体成形体側に燃料側電極成形体が当接し、その両端間が平坦部で所定間隔をおいて離間し、他方側の凸部を有する面の導電性支持体成形体が露出するように巻き付け、乾燥した。
【００３７】
なお、それぞれをシート状成形体とし、積層してもよい。この場合には、工程に要する時間が短縮でき、コスト低減が達成できるため望ましい。
【００３８】
この後、Ｎｉ及び／又はＮｉＯ粉末と、８ＹＳＺ粉末（Ｙ2Ｏ3を８モル含有するＺｒＯ2）を混合し、アクリル系バインダーとトルエンを加え、中間膜となるスラリーを作製し、支持体３３ａとなる成形体の凸部が形成された面に塗布した。
【００３９】
さらに、中間膜となる成形体の表面にＬａＣｒＯ3系材料と、有機バインダーと、溶媒とで調整したスラリーをディッピングにより塗布し、インターコネクタ３３ｅとなる成形体層を形成し、これを乾燥した。これにより支持体３３ａとなる成形体に燃料側電極３３ｂとなる成形体、固体電解質３３ｃとなる成形体、中間膜となる成形体、インターコネクタ３３ｅとなる成形体が積層された積層成形体を作製した。
【００４０】
次に、積層成形体を脱バインダ処理し、酸素含有雰囲気中で１３００〜１６００℃で焼成した。次に、ＬａＦｅＯ3系材料からなる導電性セラミック微粒子と、ＩＰＡ、水等の溶媒とからなるスラリーを作製し、このスラリーを噴霧装置（スプレードライ）により噴霧し、落下中に乾燥させて、平均粒径１０〜１００μｍの粗粒子を作製しながら、上記積層成形体の固体電解質表面に堆積させた。
【００４１】
固体電解質表面に堆積した粗粒子は、１０００〜１４００℃の温度で大気中で加熱処理することにより、固体電解質３３ｃ表面に形成される酸素側電極３３ｄとなる。
【００４２】
なお、燃料電池セル３３は、酸素含有雰囲気での焼成により、支持体３３ａが、例えばＮｉＯとなっているため、その後、還元処理したり、発電中に還元雰囲気に曝されるため、この時に還元されることになる。また、上記例では、導電性支持体３３ａの他方側主面に凹凸部を形成し、その主面にインターコネクタ３３ｅを形成して外面形状を凹凸としたが、外側電極３３ｄの外面形状を凹凸とするには、導電性支持体３３ａの一方側主面に凹凸部を形成し、その上に一定厚みの内側電極３３ｂ、固体電解質３３ｃ、外側電極３３ｄを形成すればよい。酸素側電極３３ｄが形成された面に凸部を設ける場合には、燃料側電極３３ｂ、固体電解質３３ｃの形成は、上記実施例のインターコネクタ３３ｅの形成部分で述べたディッピング法により成形することが出来る。
【００４３】
このようにして作製した燃料電池セル３３の凸部にＡｇペーストを塗布し、燃料電池セル３３を複数重ね合わせて、熱処理し、一方の燃料電池セル３３と他方の燃料電池セル３３とを接合した。
【００４４】
このように、燃料電池セル３３のインターコネクタ３３ｅと酸素側電極（外側電極）３３ｄとを直接接触させることで、金属製の集電材を介して接続する場合に問題となっていた金属の表面が酸化することによる集電特性の低下や、金属フェルトの弾性力が低下し、経時的に特性が低下するという問題を防止することができる。
【００４５】
上記例では、燃料電池セル３３の長手方向に連続した凸部を形成したが、凸部は長手方向に所定間隔をおいて、即ち、断続的に形成されるような構造であっても良い。
【００４６】
この場合には、凸部がとぎれた部分から外側電極３３ｄにガス導入を十分に行うことができる。さらに、例えば、凸部を燃料電池セル３３の幅方向（長手方向と直交する方向）に形成することにより、ガス導入をさらに促進できる。
【００４７】
また、このようなセルスタック３５において、一方の燃料電池セル３３のインターコネクタ３３ｅと他方の燃料電池セル３３の酸素側電極３３ｄとが接続されている部分は、Ａｇペーストを用いず当接させただけでもよいが、上記したように導電性接着剤などを用いてもよい。その場合には、接続部分の導通を確実に取ることができ、集電特性を向上できる。導電接着剤はＡｇペーストなどが好適に用いられる。また、酸素側電極３３ｄやインターコネクタ３３ｅと同じ組成のペーストを作製し、接着剤として用いても良い。
【００４８】
以上のように構成された本発明の燃料電池では、酸素含有ガス供給管３９から供給された酸素含有ガスは、一方の燃料電池セル３３の外側電極３３ｄの凸部と他方の燃料電池セル３３のインターコネクタ３３ｅの凹部との隙間、および一方の燃料電池セル３３の外側電極３３ｄの凹部と他方の燃料電池セル３３のインターコネクタ３３ｅの凸部との隙間により形成されたガス流通路４３を通り、酸素側電極３３ｄに供給される。このように凸部および凹部でガス流通路４３を形成することで、燃料電池セル３３に発電に必要な酸素含有ガスを十分に供給することができる。
【００４９】
また、このような燃料電池では、発電に寄与しなかった余剰の燃料ガスと酸素含有ガスが燃料電池セル３３の上方に導入され、燃料電池セル３３の上方で反応して燃焼し、この燃焼ガス及び外部の酸素含有ガスを熱交換器４１ａに導入し、この熱交換器４１ａで燃焼ガスと酸素含有ガスとの間で熱交換させ、起動時に酸素含有ガスを予熱することができ、また、酸素含有ガス供給管３９が燃焼部を挿通することにより、燃焼ガスにより酸素含有ガス供給管３９内の酸素含有ガスをさらに加熱することができるため、加熱した酸素含有ガスにより燃料電池セル３３を間接的に加熱して実質的に発電するまでの起動時間を短縮できる。
【００５０】
さらに、燃料電池セル３３の上部に燃焼部、酸素含有ガス収容室４１ｂ、熱交換器４１ａが隣接して形成されているため、燃焼部で燃焼した高温の燃焼ガスを、配管等を用いることなく熱交換器４１ａに直接導入でき、簡単な構造で酸素含有ガスの予熱効率を大きくできる。
【００５１】
また、収納容器３１内で、燃焼ガスと酸素含有ガスとを熱交換できるため、酸素含有ガスの予熱を行うためのバーナーを収納容器３１内に別途設ける必要がなく、小型にでき、しかも燃焼ガスを有効利用できる。
【００５２】
さらに、熱交換器４１ａに酸素含有ガス収容室４１ｂを設けたので、熱交換器４１ａと酸素含有ガス供給管３９との接続を酸素含有ガス収容室４１ｂを介して行うことができ、熱交換器４１ａからの酸素含有ガスを燃料電池セル３３に確実に供給できる。
【００５３】
また、セルスタックの組み立てにおいて、一方の燃料電池セル３３の酸素側電極（外側電極）３３ｄ側の凸部間の凹部と、他方の燃料電池セル３３のインターコネクタ３３ｅ側の凸部とを隙間を空けて嵌合するため、インターコネクタ３３ｅの凸部の高さよりも、酸素側電極（外側電極）３３ｄ側の凸部間の凹部の深さの方が深い方がよく、その差がガス流通路４３を形成する。このような場合には、燃料電池セル３３の位置決めが容易となり、セルスタック３５の作製が容易となる。
【００５４】
また、参考例として図３に示すように、平坦な導電性支持体３３ａの外面に、凸部を有するインターコネクタ３３ｅを積層して複数の凸部を形成するように作製しても良い。この場合には、例えば、複雑な形状のインターコネクタ３３ｅをシート状成形体の積層体から容易に作製することができる。
【００５６】
また、他の参考例として図４に示すように、導電性支持体３３ａに凹部を形成し、その主面に一定厚みのインターコネクタ３３ｅを積層することにより、インターコネクタ３３ｅの外面形状を凹凸としてもよい。
【００５７】
なお、本発明は上記形態に限定されるものではなく、発明の要旨を変更しない範囲で種々の変更が可能である。例えば、導電性支持体３３ａに凹部を形成することにより、燃料電池セル３３の一方側主面および他方側主面の外面形状を凹凸としてもよい。また、例えば、内側電極３３ｂを酸素側電極３３ｂから形成してもよい。また、酸素側電極３３ｄと固体電解質３３ｃとの間に、反応防止層を形成してもよい。また、導電性支持体３３ａと内側電極３３ｂを同じ組成で形成してもよく、例えば、ＮｉとＹ２Ｏ３を固溶したＺｒＯ２を用いてもよい。
【００５８】
即ち、導電性支持体３３ａが内側電極３３ｂを兼ねる場合であってもよい。
【００５９】
また、酸素側電極３３ｄ、集電膜の成形法も種々の方法を用いてもよいことは勿論である。
【００６２】
【発明の効果】
本発明の燃料電池では、内部にガス流通孔を有し、外側電極とインターコネクタとが対向して設けられ、前記外側電極及び前記インターコネクタの外面が凹凸形状である板状の燃料電池セルを複数整列させ、一方の前記燃料電池セルの前記外側電極と他方の前記燃料電池セルの前記インターコネクタとを電気的に接続してなるセルスタックであって、一方の前記燃料電池セルの前記外側電極の凸部が、他方の前記燃料電池セルの前記インターコネクタの凹部と隙間を形成するように嵌合されているとともに、一方の前記燃料電池セルの前記外側電極の凹部が、他方の前記燃料電池セルの前記インターコネクタの凸部と隙間を形成するように嵌合されており、それぞれの前記隙間をガス流通路としてなることから、燃料電池セル間に空気等の酸素含有ガスが導入されて発電する場合でも、従来のように金属の表面が酸化することによる集電特性の低下や、金属フェルトの弾性力が低下し、経時的に特性が低下することなく発電することできる。
を特徴とするセルスタック。
【００６３】
また、燃料電池セルの内側電極へガスを十分に供給できるため、燃料電池セルの発電性能を向上でき、燃料電池の性能を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池を示す縦断面図である。
【図２】本発明のセルスタックに用いる燃料電池セルの一部を抜粋して示した斜視図である。
【図３】参考例として示す燃料電池セルの一部を抜粋して示した斜視図であり、インターコネクタの厚みを変えて、凸部を形成したものである。
【図４】参考例として示す燃料電池セルの一部を抜粋して示した斜視図であり、インターコネクタ側に凹部を設けたものである。
【符号の説明】
３３・・・燃料電池セル
３３ａ・・・導電性支持体
３３ｂ・・・内側電極、燃料側電極
３３ｃ・・・固体電解質
３３ｄ・・・外側電極、酸素側電極
３３ｅ・・・インターコネクタ
３４・・・ガス流通孔
３５・・・セルスタック
【発明の属する技術分野】
本発明は、セルスタック及び燃料電池に関するもので、特に複数の燃料電池セルの集電特性が良好なセルスタック及び燃料電池に関するものである。
【０００２】
【従来技術】
近年、次世代エネルギーとして、燃料電池セルのスタックを収納容器内に収納した燃料電池が種々提案されている。
【０００３】
従来の固体電解質型燃料電池は、複数の燃料電池セルを収納容器内に収納し、燃料電池セル同士を集電部材により電気的に直列又は並列に接続して構成されており、発電は燃料電池セルに酸素含有ガス及び燃料ガスを供給して１０００℃程度の高温で行われていた。
【０００４】
そして、燃料電池セル間の電気的な接続を行う集電部材は、従来、繊維状の金属が集合した金属フェルト状のものが用いられていた。このようなフェルト状の集電部材を用いた燃料電池は、複数の燃料電池セルを配列集合させ、例えば、一方の燃料電池セルのインターコネクタと、他方の燃料電池セルの外側電極との間に、フェルト状の集電部材を詰め込み燃料電池セルを直列に接続してセルスタックを形成し、このセルスタックを収納容器内に収納して構成されていた（特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開昭６３−２６１６７８号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した燃料電池では、フェルト状の集電部材が繊維状の金属から構成されているため、燃料電池セル間に空気等の酸素含有ガスが導入されて発電する場合には、繊維状金属の表面から酸化し、集電特性が低下し、また金属フェルトの弾性力が低下し、経時的に特性が低下するという問題があった。
【０００７】
本発明は、燃料電池セル間の集電特性を向上できるとともに、作製が容易なセルスタック及び燃料電池を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の燃料電池セルスタックは、内部にガス流通孔を有し、外側電極とインターコネクタとが対向して設けられ、前記外側電極及び前記インターコネクタの外面が凹凸形状である板状の燃料電池セルを複数整列させ、一方の前記燃料電池セルの前記外側電極と他方の前記燃料電池セルの前記インターコネクタとを電気的に接続してなるセルスタックであって、
一方の前記燃料電池セルの前記外側電極の凸部が、他方の前記燃料電池セルの前記インターコネクタの凹部と隙間を形成するように嵌合されているとともに、一方の前記燃料電池セルの前記外側電極の凹部が、他方の前記燃料電池セルの前記インターコネクタの凸部と隙間を形成するように嵌合されており、それぞれの前記隙間をガス流通路としてなることを特徴とする。
【０００９】
このようなセルスタックでは、一方の燃料電池セルの外側電極の凸部が、他方の燃料電池セルのインターコネクタの凹部と隙間を形成するように嵌合されているとともに、一方の燃料電池セルの外側電極の凹部が、他方の燃料電池セルのインターコネクタの凸部と隙間を形成するように嵌合されていることから、燃料電池セル間に空気等の酸素含有ガスを流通させて発電する場合でも、集電部材を用いることなく、しかも、外側電極やインターコネクタは酸素含有ガスにより変質しない材質で形成されているため、従来のような、集電部材の酸化や弾性の低下に伴う集電特性の劣化という問題をなくすことができる。さらに、凹部と凸部との嵌合により形成された隙間が、ガス流通路をなすことから、燃料電池セルの外側電極へのガスの供給も滞りなく行われる。また、それぞれの凸部と凹部とを嵌合してセルスタックを形成することから、燃料電池セルの位置決めが容易となり、セルスタックの作製が容易となる。
【００１４】
本発明の燃料電池は、上記したセルスタックを収納容器内に複数収納してなることを特徴とする。このような燃料電池では、セルスタックが良好な集電特性を有するため、優れた発電特性を長期にわたって発揮できる。
【００１５】
図１は、本発明の燃料電池の一形態を示すもので、図２は燃料電池セル３３を示している。図１において、符号３１は断熱構造を有する収納容器を示している。この収納容器３１の内部には、複数の燃料電池セル３３からなるセルスタック３５と、燃料電池セル３３の間に挿入された酸素含有ガス供給管３９と、燃料電池セル３３の上方に設けられた熱交換部４１とが設けられている。
【００１６】
収納容器３１は、耐熱性金属からなる枠体３１ａと、この枠体３１ａの内面に設けられた断熱材３１ｂとから構成されている。
【００１７】
収納容器３１内のセルスタック３５は、一方の燃料電池セル３３の外側電極３３ｄの凸部と他方の燃料電池セル３３のインターコネクタｅの凹部とが隙間をあけて嵌合され、また一方の燃料電池セル３３の外側電極３３ｄの凹部と他方の燃料電池セル３３のインターコネクタｅの凸部とが隙間をあけて嵌合されて構成され、このセルスタック３５が４列に整列しており、隣設したセルスタック３５の最外部の燃料電池セル３３の電極同士が導電部材で接続され（図示せず）、これにより４列に整列した複数の燃料電池セル３３が電気的に直列に接続されている。ここで、嵌合されたそれぞれの凹部と凸部との間に設けられた隙間が、外側電極３３ｄにガスを供給するガス流通路４３として機能する。
【００１８】
本発明の燃料電池セル３３は、図２に示すように、全体的に見て板状の多孔質な導電性支持体３３ａの一方側主面に、多孔質な燃料側電極３３ｂ、緻密質な固体電解質３３ｃ、多孔質な導電性セラミックスからなる酸素側電極３３ｄを順次積層し、酸素側電極３３ｄと反対側の導電性支持体３３ａの他方側の主面に中間膜（図示せず）、ランタン−クロム系酸化物材料からなるインターコネクタ３３ｅを形成して構成されている。また、導電性支持体３３ａの内部には複数のガス流通孔３４が形成されている。
【００１９】
そして、燃料電池セル３３は、導電性支持体３３ａの他方側主面に複数の凹凸部が形成されており、その凹凸面に中間膜、インターコネクタ３３ｅを積層することにより、インターコネクタ３３ｅの外面が凹凸形状とされている。
【００２０】
インターコネクタ３３ｅの外面形状は、中間膜が、ほぼ一定厚みを有するため、導電性支持体３３ａの形状を反映した形状となる。なお、インターコネクタ３３ｅ表面にＰ型半導体材料からなる集電膜（図示せず）を形成してもよく、この場合には、集電膜の外面も凹凸形状となる。
【００２１】
また燃料電池セル３３は、導電性支持体３３ａの一方側主面に凹凸部が形成されており、その上に一定厚みの内側電極３３ｂ、固体電解質３３ｃ、外側電極３３ｄを形成することにより、外側電極３３ｄの外面形状を凹凸形状としている。この燃料電池セル３３は、幅方向両端に設けられた弧状部と、これらの弧状部を連結する複数の凸部が形成された面とから構成され、これらの面が略平行に配置されている。
【００２２】
燃料電池セル３３の下方には、図１に示したように、燃料ガスを燃料電池セル３３に供給するための燃料ガスタンク４５が設けられ、この燃料ガスタンク４５には、外部から燃料ガスを燃料ガスタンク４５に供給するための燃料ガス供給管５１が接続されている。
【００２３】
燃料ガスタンク４５には、燃料電池セル３３の下端部に取り付けられた取付治具５３が螺着しており、これにより、燃料電池セル３３が燃料ガスタンク４５にそれぞれ立設している。即ち、取付治具５３は、燃料電池セル３３の端部に取り付けられたセル端部側取付治具５３ａと、両端部がセル端部側取付治具５３ａ及び燃料ガスタンク４５にそれぞれ螺着する連結部材５３ｂとから構成されており、連結部材５３ｂの両端部には向きが逆のねじ部が形成され、連結部材５３ｂを一方側に回転させると、両端部がセル端部側取付治具５３ａ及び燃料ガスタンク４５にそれぞれ螺着するように形成されている。
【００２４】
セル端部側取付治具５３ａ、連結部材５３ｂには、燃料ガスタンク４５と燃料電池セル３３のガス流通孔３４に連通するように貫通孔が形成されている。
【００２５】
また、図１に示したように、酸素含有ガス供給管３９は、その先端部が燃料電池セル３３間に位置している。
【００２６】
熱交換部４１は、熱交換器４１ａと、セルスタック３５に対向して設けられた酸素含有ガス収容室４１ｂとから構成されている。
【００２７】
熱交換器４１ａは、例えば、平板と波板を交互に積層したプレートフィン型構造とされている。
【００２８】
燃焼ガスは、図１に一点鎖線で示したように熱交換器４１ａの下部側面から導入され、熱交換器４１ａの上方へ排出され、一方、酸素含有ガスは、図１に破線で示したように熱交換器４１ａの上部側面から導入され、熱交換器４１ａの下方へ導かれ、酸素含有ガス収容室４１ｂ内に導入される。
【００２９】
酸素含有ガス収容室４１ｂは、熱交換器４１ａの酸素含有ガスが導入される側の端面、即ち燃料電池セル３３側端面に設けられており、波板の各通路を通過した酸素含有ガスが一旦収容されるようになっている。
【００３０】
酸素含有ガス収容室４１ｂには、複数の酸素含有ガス供給管３９の一端が開口し、連通している。
【００３１】
また、図１に示したように、酸素含有ガス収容室４１ｂの側面と断熱材３１ｂとの間、即ち酸素含有ガス収容室４１ｂの周囲は、燃焼ガスを熱交換器４１ａに導入する燃焼ガス導入口７１とされている。この燃焼ガス導入口７１を介して燃焼ガスが熱交換器４１ａの波板の通路へ導出される。
【００３２】
ここで、燃料電池セル３３の製法について、インターコネクタ３３ｅ側に凸部を持つ燃料電池セル３３の作製方法を例に取り説明する。なお、外側電極３３ｄに凹凸部を形成する場合においては、ディッピングにより形成することができるが、本作製方法においては、外側電極３３ｄが平坦である場合を例示している。
【００３３】
先ず、Ｎｉ及び／又はＮｉＯ粉末と希土類酸化物を混合し、この混合物に、ポアー剤と、セルロース系バインダーからなる有機バインダーと、水からなる溶媒とを加え、混合した支持体材料を押出成形して、板状の支持体成形体を作製した。なお、押し出し成形用の金型の片側は、凸部を形成するような形状となっている。
【００３４】
次に、８ＹＳＺ粉末（Ｙ2Ｏ3を８モル含有するＺｒＯ2）にアクリル系バインダーとトルエンを加え、固体電解質３３ｃとなるスラリーを作製し、ドクターブレード法にてシート状の固体電解質成形体を作製した。
【００３５】
次に、Ｎｉ及び／又はＮｉＯ粉末と、８ＹＳＺ粉末（Ｙ2Ｏ3を８モル含有するＺｒＯ2）を混合し、アクリル系バインダーとトルエンを加え、燃料側電極３３ｂとなるスラリーを作製し、前記固体電解質成形体の一方の面にスクリーン印刷し、固体電解質成形体と燃料側電極成形体の積層成形体を作製した。
【００３６】
次に、導電性支持体成形体に、固体電解質成形体と燃料側電極成形体の積層成形体を、支持体成形体側に燃料側電極成形体が当接し、その両端間が平坦部で所定間隔をおいて離間し、他方側の凸部を有する面の導電性支持体成形体が露出するように巻き付け、乾燥した。
【００３７】
なお、それぞれをシート状成形体とし、積層してもよい。この場合には、工程に要する時間が短縮でき、コスト低減が達成できるため望ましい。
【００３８】
この後、Ｎｉ及び／又はＮｉＯ粉末と、８ＹＳＺ粉末（Ｙ2Ｏ3を８モル含有するＺｒＯ2）を混合し、アクリル系バインダーとトルエンを加え、中間膜となるスラリーを作製し、支持体３３ａとなる成形体の凸部が形成された面に塗布した。
【００３９】
さらに、中間膜となる成形体の表面にＬａＣｒＯ3系材料と、有機バインダーと、溶媒とで調整したスラリーをディッピングにより塗布し、インターコネクタ３３ｅとなる成形体層を形成し、これを乾燥した。これにより支持体３３ａとなる成形体に燃料側電極３３ｂとなる成形体、固体電解質３３ｃとなる成形体、中間膜となる成形体、インターコネクタ３３ｅとなる成形体が積層された積層成形体を作製した。
【００４０】
次に、積層成形体を脱バインダ処理し、酸素含有雰囲気中で１３００〜１６００℃で焼成した。次に、ＬａＦｅＯ3系材料からなる導電性セラミック微粒子と、ＩＰＡ、水等の溶媒とからなるスラリーを作製し、このスラリーを噴霧装置（スプレードライ）により噴霧し、落下中に乾燥させて、平均粒径１０〜１００μｍの粗粒子を作製しながら、上記積層成形体の固体電解質表面に堆積させた。
【００４１】
固体電解質表面に堆積した粗粒子は、１０００〜１４００℃の温度で大気中で加熱処理することにより、固体電解質３３ｃ表面に形成される酸素側電極３３ｄとなる。
【００４２】
なお、燃料電池セル３３は、酸素含有雰囲気での焼成により、支持体３３ａが、例えばＮｉＯとなっているため、その後、還元処理したり、発電中に還元雰囲気に曝されるため、この時に還元されることになる。また、上記例では、導電性支持体３３ａの他方側主面に凹凸部を形成し、その主面にインターコネクタ３３ｅを形成して外面形状を凹凸としたが、外側電極３３ｄの外面形状を凹凸とするには、導電性支持体３３ａの一方側主面に凹凸部を形成し、その上に一定厚みの内側電極３３ｂ、固体電解質３３ｃ、外側電極３３ｄを形成すればよい。酸素側電極３３ｄが形成された面に凸部を設ける場合には、燃料側電極３３ｂ、固体電解質３３ｃの形成は、上記実施例のインターコネクタ３３ｅの形成部分で述べたディッピング法により成形することが出来る。
【００４３】
このようにして作製した燃料電池セル３３の凸部にＡｇペーストを塗布し、燃料電池セル３３を複数重ね合わせて、熱処理し、一方の燃料電池セル３３と他方の燃料電池セル３３とを接合した。
【００４４】
このように、燃料電池セル３３のインターコネクタ３３ｅと酸素側電極（外側電極）３３ｄとを直接接触させることで、金属製の集電材を介して接続する場合に問題となっていた金属の表面が酸化することによる集電特性の低下や、金属フェルトの弾性力が低下し、経時的に特性が低下するという問題を防止することができる。
【００４５】
上記例では、燃料電池セル３３の長手方向に連続した凸部を形成したが、凸部は長手方向に所定間隔をおいて、即ち、断続的に形成されるような構造であっても良い。
【００４６】
この場合には、凸部がとぎれた部分から外側電極３３ｄにガス導入を十分に行うことができる。さらに、例えば、凸部を燃料電池セル３３の幅方向（長手方向と直交する方向）に形成することにより、ガス導入をさらに促進できる。
【００４７】
また、このようなセルスタック３５において、一方の燃料電池セル３３のインターコネクタ３３ｅと他方の燃料電池セル３３の酸素側電極３３ｄとが接続されている部分は、Ａｇペーストを用いず当接させただけでもよいが、上記したように導電性接着剤などを用いてもよい。その場合には、接続部分の導通を確実に取ることができ、集電特性を向上できる。導電接着剤はＡｇペーストなどが好適に用いられる。また、酸素側電極３３ｄやインターコネクタ３３ｅと同じ組成のペーストを作製し、接着剤として用いても良い。
【００４８】
以上のように構成された本発明の燃料電池では、酸素含有ガス供給管３９から供給された酸素含有ガスは、一方の燃料電池セル３３の外側電極３３ｄの凸部と他方の燃料電池セル３３のインターコネクタ３３ｅの凹部との隙間、および一方の燃料電池セル３３の外側電極３３ｄの凹部と他方の燃料電池セル３３のインターコネクタ３３ｅの凸部との隙間により形成されたガス流通路４３を通り、酸素側電極３３ｄに供給される。このように凸部および凹部でガス流通路４３を形成することで、燃料電池セル３３に発電に必要な酸素含有ガスを十分に供給することができる。
【００４９】
また、このような燃料電池では、発電に寄与しなかった余剰の燃料ガスと酸素含有ガスが燃料電池セル３３の上方に導入され、燃料電池セル３３の上方で反応して燃焼し、この燃焼ガス及び外部の酸素含有ガスを熱交換器４１ａに導入し、この熱交換器４１ａで燃焼ガスと酸素含有ガスとの間で熱交換させ、起動時に酸素含有ガスを予熱することができ、また、酸素含有ガス供給管３９が燃焼部を挿通することにより、燃焼ガスにより酸素含有ガス供給管３９内の酸素含有ガスをさらに加熱することができるため、加熱した酸素含有ガスにより燃料電池セル３３を間接的に加熱して実質的に発電するまでの起動時間を短縮できる。
【００５０】
さらに、燃料電池セル３３の上部に燃焼部、酸素含有ガス収容室４１ｂ、熱交換器４１ａが隣接して形成されているため、燃焼部で燃焼した高温の燃焼ガスを、配管等を用いることなく熱交換器４１ａに直接導入でき、簡単な構造で酸素含有ガスの予熱効率を大きくできる。
【００５１】
また、収納容器３１内で、燃焼ガスと酸素含有ガスとを熱交換できるため、酸素含有ガスの予熱を行うためのバーナーを収納容器３１内に別途設ける必要がなく、小型にでき、しかも燃焼ガスを有効利用できる。
【００５２】
さらに、熱交換器４１ａに酸素含有ガス収容室４１ｂを設けたので、熱交換器４１ａと酸素含有ガス供給管３９との接続を酸素含有ガス収容室４１ｂを介して行うことができ、熱交換器４１ａからの酸素含有ガスを燃料電池セル３３に確実に供給できる。
【００５３】
また、セルスタックの組み立てにおいて、一方の燃料電池セル３３の酸素側電極（外側電極）３３ｄ側の凸部間の凹部と、他方の燃料電池セル３３のインターコネクタ３３ｅ側の凸部とを隙間を空けて嵌合するため、インターコネクタ３３ｅの凸部の高さよりも、酸素側電極（外側電極）３３ｄ側の凸部間の凹部の深さの方が深い方がよく、その差がガス流通路４３を形成する。このような場合には、燃料電池セル３３の位置決めが容易となり、セルスタック３５の作製が容易となる。
【００５４】
また、参考例として図３に示すように、平坦な導電性支持体３３ａの外面に、凸部を有するインターコネクタ３３ｅを積層して複数の凸部を形成するように作製しても良い。この場合には、例えば、複雑な形状のインターコネクタ３３ｅをシート状成形体の積層体から容易に作製することができる。
【００５６】
また、他の参考例として図４に示すように、導電性支持体３３ａに凹部を形成し、その主面に一定厚みのインターコネクタ３３ｅを積層することにより、インターコネクタ３３ｅの外面形状を凹凸としてもよい。
【００５７】
なお、本発明は上記形態に限定されるものではなく、発明の要旨を変更しない範囲で種々の変更が可能である。例えば、導電性支持体３３ａに凹部を形成することにより、燃料電池セル３３の一方側主面および他方側主面の外面形状を凹凸としてもよい。また、例えば、内側電極３３ｂを酸素側電極３３ｂから形成してもよい。また、酸素側電極３３ｄと固体電解質３３ｃとの間に、反応防止層を形成してもよい。また、導電性支持体３３ａと内側電極３３ｂを同じ組成で形成してもよく、例えば、ＮｉとＹ２Ｏ３を固溶したＺｒＯ２を用いてもよい。
【００５８】
即ち、導電性支持体３３ａが内側電極３３ｂを兼ねる場合であってもよい。
【００５９】
また、酸素側電極３３ｄ、集電膜の成形法も種々の方法を用いてもよいことは勿論である。
【００６２】
【発明の効果】
本発明の燃料電池では、内部にガス流通孔を有し、外側電極とインターコネクタとが対向して設けられ、前記外側電極及び前記インターコネクタの外面が凹凸形状である板状の燃料電池セルを複数整列させ、一方の前記燃料電池セルの前記外側電極と他方の前記燃料電池セルの前記インターコネクタとを電気的に接続してなるセルスタックであって、一方の前記燃料電池セルの前記外側電極の凸部が、他方の前記燃料電池セルの前記インターコネクタの凹部と隙間を形成するように嵌合されているとともに、一方の前記燃料電池セルの前記外側電極の凹部が、他方の前記燃料電池セルの前記インターコネクタの凸部と隙間を形成するように嵌合されており、それぞれの前記隙間をガス流通路としてなることから、燃料電池セル間に空気等の酸素含有ガスが導入されて発電する場合でも、従来のように金属の表面が酸化することによる集電特性の低下や、金属フェルトの弾性力が低下し、経時的に特性が低下することなく発電することできる。
を特徴とするセルスタック。
【００６３】
また、燃料電池セルの内側電極へガスを十分に供給できるため、燃料電池セルの発電性能を向上でき、燃料電池の性能を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池を示す縦断面図である。
【図２】本発明のセルスタックに用いる燃料電池セルの一部を抜粋して示した斜視図である。
【図３】参考例として示す燃料電池セルの一部を抜粋して示した斜視図であり、インターコネクタの厚みを変えて、凸部を形成したものである。
【図４】参考例として示す燃料電池セルの一部を抜粋して示した斜視図であり、インターコネクタ側に凹部を設けたものである。
【符号の説明】
３３・・・燃料電池セル
３３ａ・・・導電性支持体
３３ｂ・・・内側電極、燃料側電極
３３ｃ・・・固体電解質
３３ｄ・・・外側電極、酸素側電極
３３ｅ・・・インターコネクタ
３４・・・ガス流通孔
３５・・・セルスタック
Claims (2)
- 内部にガス流通孔を有し、外側電極とインターコネクタとが対向して設けられ、前記外側電極及び前記インターコネクタの外面が凹凸形状である板状の燃料電池セルを複数整列させ、一方の前記燃料電池セルの前記外側電極と他方の前記燃料電池セルの前記インターコネクタとを電気的に接続してなるセルスタックであって、
一方の前記燃料電池セルの前記外側電極の凸部が、他方の前記燃料電池セルの前記インターコネクタの凹部と隙間を形成するように嵌合されているとともに、一方の前記燃料電池セルの前記外側電極の凹部が、他方の前記燃料電池セルの前記インターコネクタの凸部と隙間を形成するように嵌合されており、それぞれの前記隙間をガス流通路としてなることを特徴とするセルスタック。 - 請求項１に記載のセルスタックを収納容器内に複数収納してなることを特徴とする燃料電池。
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