JP4304889B2 - 固体電解質型燃料電池 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体電解質型燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
酸化物イオン伝導体からなる固体電解質層を空気極層と燃料極層との間に挟んだ積層構造を持つ固体電解質型燃料電池は、第三世代の発電用燃料電池として開発が進んでいる。固体電解質型燃料電池では、空気極側に酸素（空気）が、燃料極側には燃料ガス（Ｈ₂ 、ＣＯ等）が供給される。空気極と燃料極は、ガスが固体電解質との界面に到達することができるように、いずれも多孔質とされている。
【０００３】
空気極側に供給された酸素は、空気極層内の気孔を通って固体電解質層との界面近傍に到達し、この部分で、空気極から電子を受け取って酸化物イオン（Ｏ^2-）にイオン化される。この酸化物イオンは、燃料極の方向に向かって固体電解質層内を拡散移動する。燃料極との界面近傍に到達した酸化物イオンは、この部分で、燃料ガスと反応して反応生成物（Ｈ₂ Ｏ、ＣＯ₂ 等）を生じ、燃料極に電子を放出する。
【０００４】
燃料に水素を用いた場合の電極反応は次のようになる。
空気極： １／２ Ｏ₂ ＋ ２ｅ^- → Ｏ^2-
燃料極： Ｈ₂ ＋ Ｏ^2- → Ｈ₂ Ｏ＋２ｅ^-
全体 ： Ｈ₂ ＋ １／２ Ｏ₂ → Ｈ₂ Ｏ
【０００５】
固体電解質層は、酸化物イオンの移動媒体であると同時に、燃料ガスと空気を直接接触させないための隔壁としても機能するので、ガス不透過性の緻密な構造となっている。この固体電解質層は、酸化物イオン伝導性が高く、空気極側の酸化性雰囲気から燃料極側の還元性雰囲気までの条件下で化学的に安定で、熱衝撃に強い材料から構成する必要があり、かかる要件を満たす材料として、イットリアを添加した安定化ジルコニア（ＹＳＺ）が一般的に使用されている。
【０００６】
一方、電極である空気極（カソード）層と燃料極（アノード）層はいずれも電子伝導性の高い材料から構成する必要がある。空気極材料は、７００℃前後の高温の酸化性雰囲気中で化学的に安定でなければならないため、金属は不適当であり、電子伝導性を持つペロブスカイト型酸化物材料、具体的にはＬａＭｎＯ₃ もしくはＬａＣｏＯ₃ 、または、これらのＬａの一部をＳｒ、Ｃａ等に置換した固溶体が一般に使用されている。また、燃料極材料は、Ｎｉ、Ｃｏなどの金属、或いはＮｉ−ＹＳＺ、Ｃｏ−ＹＳＺなどのサーメットが一般的である。
【０００７】
固体酸化物型燃料電池には、１０００℃前後の高温で作動させる高温作動型のものと、７００℃前後の低温で作動させる低温作動型のものとがある。低温作動型の固体酸化物型燃料電池は、例えば電解質であるイットリアを添加した安定化ジルコニア（ＹＳＺ）の厚さを１０μｍ程度まで薄膜化して、電解質の抵抗を低くして、低温でも燃料電池として発電するように改良された発電セルを使用する。
【０００８】
高温の固体酸化物型燃料電池では、セパレータには、例えばランタンクロマイト（ＬａＣｒＯ₃ ）等の電子伝導性を有するセラミックスが用いられるが、低温作動型の固体酸化物燃料電池では、ステンレス等の金属材料を使用することができる。
【０００９】
また、固体酸化物型燃料電池の構造には、円筒型、モノリス型、及び平板積層型の３種類が提案されている。それらの構造のうち、低温作動型の固体酸化物型燃料電池には、金属のセパレータを使用できることから、金属のセパレータに形状付与しやすい平板積層型の構造が適している。
【００１０】
平板積層型の固体電解質型燃料電池のスタックは、発電セル、集電体、セパレータを交互に積層した構造を持つ。一対のセパレータが発電セルを両面から挟んで、一方は空気極集電体を介して空気極と、他方は燃料極集電体を介して燃料極と接している。燃料集電体には、Ｎｉ基合金等のスポンジ状の多孔質体を使用することができ、空気極集電体には、Ａｇ基合金等の同じくスポンジ状の多孔質体を使用することができる。スポンジ状多孔質体は、集電機能、ガス透過機能、均一ガス拡散機能、クッション機能、熱膨脹差吸収機能等を兼ね備えるので、多機能の集電体材料として適している。
【００１１】
セパレータは、発電セル間を電気接続すると共に、発電セルに対してガスを供給する機能を有するもので、燃料ガスをセパレータ外周面から導入してセパレータの燃料極層に対向する面から吐出させる燃料通路と、酸化剤ガスをセパレータ外周面から導入してセパレータの酸化剤極層に対向する面から吐出させる酸化剤通路とをそれぞれ有している。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来の燃料電池では、電極層とセパレータの間に多孔質クッション材よりなる集電体を配置し、この集電体を通してセパレータから電極層にガスを分配供給しているが、特に、セパレータの中央部から集電体を介して電極層にガスを供給する場合に、電極層の周辺部にまで十分な量のガスが行き渡らないことが原因で、中央部と周辺部で発電量に差が出てしまうことがあり、発電効率をアップするため、集電体の一層の性能向上が要求されるようになってきた。
【００１３】
本発明は、上記事情を考慮し、発電効率のアップを図れるようにした集電体を用いた固体電解質型燃料電池を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、固体電解質層の両面に燃料極層と酸化剤極層を積層し、燃料極層と酸化剤極層の外側にそれぞれ多孔質体よりなる燃料極集電体と酸化剤極集電体を積層し、燃料極集電体と酸化剤極集電体の外側にセパレータを積層して横置きすることで、前記燃料極集電体の面が垂直に立った姿勢となる燃料電池スタックを構成し、前記セパレータの中央部から前記燃料極集電体及び酸化剤極集電体を介して燃料極層及び酸化剤極層に燃料ガス及び酸化剤ガスを供給する固体電解質型燃料電池において、少なくとも前記燃料極集電体の前記セパレータと接する側の面に、該面の中央部から外周縁の近傍まで延びる放射状の複数本の溝を形成してなり、かつ高さ方向中央より下側の前記溝の本数を上側よりも多くしたことを特徴とする。
【００１５】
この集電体は、セパレータと接する側の面に放射状の溝を備えているので、セパレータの中央部から供給されるガスを、放射状の溝を通して、集電体の周辺部にまで十分に行き渡らせることができる。従って、集電体の中央部から周辺部までの広い面を透過させて、ガスを電極層に均一に分配供給することができ、中央部と周辺部での発電量の差を無くして、全体の発電効率のアップが図れる。この場合、放射状の溝は集電体の外周縁の近傍までで止まっているので、ガスが外周端から逃げる心配がなく、外周端にガスシールがないタイプにそのまま適用可能である。
【００１６】
なお、セパレータ側の面に放射状の溝を形成することでも同様の効果を期待できるが、セパレータは硬質の材料で作製されているので、溝加工を簡単に行うことはできない。これに対し、集電体は金属の多孔質体よりなるので、表面に単純な工具を押し当てて局部的に潰すだけで、簡単に溝を加工することができる。従って、セパレータに溝加工を施す場合に比して、本発明は、溝を形成する上での加工負担がほとんどないというメリットがある。ここで、集電体の微細構造としては、メッシュ、フェルト、発泡体などが考えられるが、３次元骨格構造を有する金属の発泡体で構成した場合には、溝の加工が極めて簡単にできるので、一番好ましい。
【００１８】
集電体を通してのガスの分配供給量の偏りによる問題は、主に燃料ガスの供給側で起きる。これは、燃料ガスは空気（酸化剤ガス）のように大量に流せず、規定された量だけしか流せないからである。そこで、少なくとも燃料極集電体として、放射状の溝を有した集電体を用いることにしている。この集電体を用いることにより、燃料極層の全面に対して均一な分布で燃料ガスを分配供給することができるようになるため、発電効率がアップする。
【００１９】
加えて、前記燃料電池スタックを横置きすることで、前記集電体の面が垂直に立った姿勢となる場合に、垂直に立った姿勢の集電体の高さ方向中央より下側の溝の本数を上側よりも多くした集電体を用いることを特徴とする。
【００２０】
燃料ガスとして水素を用いる場合、水素は空気より軽いから上昇しやすい。燃料電池スタックを横置きすることで、集電体の面が垂直に立った姿勢となっている場合、集電体の高さ方向中央部（集電体の中心部）に供給された燃料ガスは、上昇しやすいことから、集電体の中央部より上側には分散しやすいが、下側には分散しにくくなる。そこで、高さ方向の中央（集電体の中心部）より下側の溝の本数を上側よりも多くしている。これにより、溝を通して下側に燃料ガスが分散しやすくなり、上半分と下半分のガスの分配供給バランスがとれるようになり、発電効率が向上する。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態の前提となる参考形態を図面に基づいて説明する。
図１は集電体の構成図で、（ａ）は断面図、（ｂ）は平面図である。図２は集電体の作用説明図で、（ａ）は上記参考形態に係る集電体の作用説明図、（ｂ）は比較例の作用説明図である。また、図３は固体電解質型燃料電池の分解断面図、図４は同要部の分解斜視図である。
【００２２】
まず、参考形態の固体電解質型燃料電池の全体構成を、図３、図４を用いて説明する。図３において、１は積層方向を縦にして置かれた燃料電池スタックである。この燃料電池スタック１は、固体電解質層２の両面に燃料極層３及び空気極層（酸化剤極層）４を配した発電セル（発電部）５と、燃料極層３の外側の燃料極集電体６と、空気極層４の外側の空気極集電体（酸化剤極集電体）７と、各集電体６、７の外側のセパレータ８とを順番に積層した構造を持つ。
【００２３】
ここで、固体電解質層２はイットリアを添加した安定化ジルコニア（ＹＳＺ）等で構成され、燃料極層３はＮｉ、Ｃｏ等の金属あるいはＮｉ−ＹＳＺ、Ｃｏ−ＹＳＺ等のサーメットで構成され、空気極層４はＬａＭｎＯ₃ 、ＬａＣｏＯ₃ 等で構成され、燃料極集電体６はＮｉ基合金等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成され、空気極集電体７はＡｇ基合金等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成され、セパレータ８はステンレス等で構成されている。
【００２４】
集電体６、７を構成する多孔質金属板は、次の工程を経ることで作製したものである。工程の順番は、スラリー調製工程→成形工程→発泡工程→乾燥工程→脱脂工程→焼結工程である。
【００２５】
まず、スラリー調製工程において、金属粉末、有機溶剤（ｎ−ヘキサン等）、界面活性剤（ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム等）、水溶性樹脂結合剤（ヒドロキシプロピルメチルセルロース等）、可塑剤（グリセリン等）、水、を混ぜて発泡スラリーを調製する。これを成形工程において、ドクターブレード法によりキャリヤシート上に薄板状に成形してグリーンシートを得る。次に発泡工程において、このグリーンシートを高温高湿環境下で、揮発性有機溶剤の蒸気圧及び界面活性剤の起泡性を利用してスポンジ状に発泡させた後、乾燥工程、脱脂工程、焼成工程を経て多孔質金属板を得る。
【００２６】
この場合、発泡工程において、グリーンシートの内部に発生した気泡は、全方向からほぼ等価な圧力を受けて略球状の形状で成長する。気泡が内部から拡散して大気との界面に近づくと、気泡は、気泡と大気の間のスラリーの薄い部分へと成長していき、やがて気泡は破れて、気泡内部の気体は、できた小孔から大気中へ拡散していく。よって、表面に開口した連続気孔を有する多孔質金属板が得られる。
【００２７】
集電体６、７は、このように作製した３次元骨格構造を有する多孔質金属板を円形にカットすることで構成されている。特に、Ｎｉ基合金等の多孔質焼結金属板で構成された燃料極集電体６は、図１（ａ）、（ｂ）に詳細を示すように、セパレータ（図３参照）に接触する側の面に、該面の中央部から外周縁の近傍まで延びる放射状の溝６ａを有するものとして構成されている。ここで、放射状の溝６ａは、集電体材料自体が金属の発泡体よりなるので、単純な工具を押し付けて局部的に潰すことにより、簡単に形成することができる。
【００２８】
また、図３、図４に示すように、セパレータ８は、発電セル５間を電気接続すると共に、発電セル５に対してガスを供給する機能を有するもので、燃料ガスをセパレータ８の外周面から導入してセパレータ８の燃料極集電体６に対向する面のほぼ中央部から吐出させる燃料通路１１と、酸化剤ガスをセパレータ８の外周面から導入してセパレータ８の空気極集電体７に対向する面から吐出させる酸化剤通路１２とをそれぞれ有している。ただし、両端のセパレータ８（８Ａ、８Ｂ）は、いずれかの通路１１、１２のみを有する。
【００２９】
一方、図３に示すように、燃料電池スタック１の側方には、各セパレータ８の燃料通路１１に接続管１３を通して燃料ガスを供給する燃料用マニホールド１５と、各セパレータ８の酸化剤通路１２に接続管１４を通して酸化剤ガスを供給する酸化剤用マニホールド１６とが、発電セル５の積層方向に延在して設けられている。
【００３０】
以上の構成の燃料電池では、燃料極集電体６として図１に示したものを用い、放射状の溝６ａのある側をセパレータ８に接するようにして、セパレータ８と発電セル５の燃料極層３との間に挟んでいるので、セパレータ８の中心部から供給する燃料ガスを、燃料極集電体６を通して燃料極層３の全面に良好な分布で行き渡らせることができる。
【００３１】
即ち、図２（ｂ）に示すように、放射状の溝を持たない場合は、セパレータ８の中心部から供給される燃料ガス（ガスの流れを矢印で示す）が、周辺部にまで十分に行き渡らない可能性があったが、この燃料極集電体６は、図２（ａ）に示すように、セパレータ８と接する側の面に放射状の溝６ａを備えているので、セパレータ８の中央部から供給される燃料ガス（ガスの流れを矢印で示す）を、放射状の溝６ａを通して、集電体６の周辺部にまで十分に行き渡らせることができる。従って、集電体６の中央部から周辺部までの広い面を透過させて、燃料ガスを燃料極層３に均一に分配供給することができ、中央部と周辺部での発電量の差を無くして、全体の発電効率をアップさせることができる。
【００３２】
この場合、放射状の溝６ａの先端は、燃料極集電体６の外周縁の近傍までで止まっているので、燃料ガスが燃料極集電体６の外周端から逃げる心配はない。そのために、外周端にガスシールがないタイプ（シールレスタイプ）にもそのまま適用できる。
【００３３】
なお、空気極集電体７にも、同様の放射状の溝を有する集電体を使用することができる。また、集電体６、７の多孔質構造としては、発泡体の他に、メッシュやフェルトなども使用することができる。
【００３４】
以上の参考形態を前提にして、本発明の実施形態について説明する。
発電セルの積層枚数が多くなる場合には、図５に示すように、燃料電池スタック１を横置きすることが行われる。その場合、集電体の面が垂直に立った姿勢となる。従って、燃料ガスとして空気より軽い水素を用いる場合、集電体の中心部に供給された燃料ガスは、集電体の上半分に分散しやすくなり、下半分に分散しにくくなる傾向がある。
【００３５】
そこで、そのような場合には、図６に示すような集電体２６を使用するのが望ましい。この集電体２６は、垂直に立った姿勢の集電体２６の高さ方向中央より下側の溝６ａの本数を上側よりも多くしたものである。これにより、本数の多い溝６ａを通して集電体２６の下側に燃料ガスが分散しやすくなり、上半分と下半分のガスの分配供給バランスがとれるようになって、発電効率が向上する。
【００３６】
また、上述した実施形態では、発電セルの電解質にイットリアを添加した安定化ジルコニア（ＹＳＺ）を用いる固体酸化物型燃料電池を示したが、本発明は、その他の固体酸化物型燃料電池、例えばセリア系電解質、ガレート型電解質を用いる固体酸化物型燃料電池にも適用することができる。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１の発明によれば、少なくとも燃料極集電体のセパレータと接する側の面に放射状の溝を備えているので、セパレータの中央部から供給されるガスを、放射状の溝を通して、集電体の周辺部にまで十分に行き渡らせることができる。従って、集電体の中央部から周辺部までの広い面を透過させて、ガスを電極層に均一に分配供給することができ、中央部と周辺部での発電量の差を無くして、全体の発電効率をアップすることができる。また、電極層への均一なガスの分配供給に貢献する放射状の溝を集電体自体に設けているので、セパレータに同様の機能を果たす溝を形成するのと違って、溝形成の加工負担を軽くすることができ、実現が極めて容易である。
【００３９】
加えて、燃料電池スタックを横置きする場合に、集電体の放射状の溝の本数を下側が上側よりも多くなるように設定しているので、燃料ガスとして空気よりも軽い水素を用いる場合にも、上半分と下半分のガスの分配供給バランスがとれるようにすることができ、発電効率のアップが図れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施形態の前提となる参考形態の集電体の構成図で、（ａ）は断面図、（ｂ）は平面図である。
【図２】 集電体の作用説明図で、（ａ）は参考形態に係る集電体の作用説明図、（ｂ）は比較例の作用説明図である。
【図３】 上記参考形態の固体電解質型燃料電池の要部構成を示す分解断面図である。
【図４】 同燃料電池の要部構成を示す分解斜視図である。
【図５】 本発明の実施形態である燃料電池スタックを横置きするタイプの燃料電池の外観図である。
【図６】 図５の燃料電池に使用する燃料極集電体の平面図である。
【符号の説明】
１ 燃料電池スタック
２ 固体電解質層
３ 燃料極層
４ 空気極層（酸化剤極層）
６ 燃料極集電体
６ａ 放射状の溝
７ 空気極集電体
８ セパレータ

Claims (1)

1. 固体電解質層の両面に燃料極層と酸化剤極層を積層し、燃料極層と酸化剤極層の外側にそれぞれ多孔質体よりなる燃料極集電体と酸化剤極集電体を積層し、燃料極集電体と酸化剤極集電体の外側にセパレータを積層して横置きすることで、前記燃料極集電体の面が垂直に立った姿勢となる燃料電池スタックを構成し、前記セパレータの中央部から前記燃料極集電体及び酸化剤極集電体を介して燃料極層及び酸化剤極層に燃料ガス及び酸化剤ガスを供給する固体電解質型燃料電池において、
   少なくとも前記燃料極集電体の前記セパレータと接する側の面に、該面の中央部から外周縁の近傍まで延びる放射状の複数本の溝を形成してなり、かつ高さ方向中央より下側の前記溝の本数を上側よりも多くしたことを特徴とする固体電解質型燃料電池。

Images