JP4863657B2

JP4863657B2 - 燃料電池セル及び燃料電池スタック並びに燃料電池

Info

Publication number: JP4863657B2
Application number: JP2005187757A
Authority: JP
Inventors: 尉彦西岡; 裕明瀬野; 丈司大隈; 吉健寺師
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2005-06-28
Filing date: 2005-06-28
Publication date: 2012-01-25
Anticipated expiration: 2025-06-28
Also published as: JP2007012287A

Description

本発明は、燃料電池セル及び燃料電池スタック並びに燃料電池に関し、特に金属網を支持体として用いた燃料電池セル及び燃料電池スタック並びに燃料電池に関するものである。

従来より、燃料電池、特に固体電解質形燃料電池は発電効率が高く、第３世代の発電システムとして期待されている。一般に、固体電解質形燃料電池セルのうち平板型燃料電池セルは、平板状の固体電解質の片側に多孔性の空気極を、他側に多孔性の燃料極を設けて構成され、セル同士を接合するため、セパレータで燃料電池セルを挟持するように構成されている。

また、近年発電性能を向上すべく、中空平板型燃料電池セルが開発されており、この中空平板型燃料電池セルは、多孔性の導電性支持体に燃料極、固体電解質、空気極を順次形成し、また、支持体には電気的に接続するインターコネクタが形成されている（例えば、特許文献１参照）。

このような燃料電池セルは、燃料電池セル自体を高温に保持し、空気極側に空気を、燃料極側に燃料ガス、例えば、水素、メタン、プロパン、都市ガス等を供給することにより発電が行なわれる。
特開２００４−２９６２２８号公報

従来の固体電解質形燃料電池セルでは、燃料極や空気極の電極が金属粉末又は金属酸化物粉末を焼結して形成されたものであり、未だ電気抵抗が大きいという問題があった。

即ち、燃料極又は空気極は多孔質であるため、電気抵抗が大きく、このため、燃料電池セル同士を電気的に接続した燃料電池では、発電性能が低下するという問題があった。

また、従来の固体電解質形燃料電池セルでは、固体電解質は薄い程発電性能が大きいことが知られているが、この固体電解質を支持するため、電極を厚くして支持体とするか、又は支持体を別個に設ける必要があり、固体電解質を支持するために燃料電池セルの発電部分（発電素子）が厚くならざるを得なかった。このため、燃料電池セルの熱容量が大きくなり、セルの発電温度まで加熱する時間が長くなり、起動に要する時間が長くなるという問題があった。

本発明は、電極の電気抵抗を小さくすることができるとともに、発電素子を薄層化できる燃料電池セル及び燃料電池スタック並びに燃料電池を提供することを目的とする。

本発明の燃料電池セルは、電解質膜の片側に酸素極、他側に燃料極を設けてなる発電素子と、前記燃料極中に埋設された金属網とを備える筒状であって、前記金属網は、一部が前記燃料電池セルの外部に引き出されて、隣接する前記燃料電池セルの前記酸素極に接続するための引出部とされていることを特徴とする

このような燃料電池セルでは、金属網にて発電素子を支持することができるため、薄層の燃料電池セルを提供することができる。また、燃料極側を高導電率の金属網で支持しているため、発電素子で発電した電流は金属網を流れることにより電気抵抗が小さくなり、一方の燃料電池セルと他方の燃料電池セルを電気的に接続する際の電気抵抗を小さくでき、燃料電池の発電性能を大きくすることができる。また、熱伝導率の高い金属網を用いるため、燃料電池セルの発電温度まで容易に短時間に加熱でき、起動時間を短縮できる。さらに、燃料電池セル内に発生する応力をある程度弾性変形可能な金属網により吸収し、破損等を防止でき、長期に亘り出力の安定した発電ができる。

また、燃料極中に金属網が埋設されていることから、燃料極と金属網との接続が良好となり、金属網の燃料極からの剥離を防止するとともに、燃料極と金属網との接触面積が向上し、また金属網は金属線等が連続して形成されているため、より電気抵抗を小さくできるとともに、金属網による支持強度を向上できる。

また、セル形状が筒状であることから、例えば、金属網が埋設された燃料極成形体上に電解質膜成形体が形成されたものを、燃料極成形体が内側になるように、断面円形、楕円形、多角形、星形形状等の筒状に変形させて焼成し、この後、外側面に酸素極を形成することにより燃料電池セルを作製できるが、燃料極成形体中には金属網が埋設されているため、変形が容易であり、様々な形状、特に筒状に成形することができ、筒状の燃料電池セルを作製できる。これにより、酸素含有ガス、例えば、空気と燃料ガス、例えば水素とを遮断することが可能となるとともに、発電素子の形成面積を増加させる形状にしたり、強度の大きい形状にすることができる。
さらに、金属網は、一部が燃料電池セルの外部に引き出されて、隣接する燃料電池セルの酸素極に接続するための引出部とされていることから、隣接する燃料電池セルを電気的に接続する際の電気抵抗を小さくすることができる。

また、本発明の燃料電池スタックは、上記燃料電池セルを複数電気的に接続してなることを特徴とする。このような燃料電池スタックでは、電極の電気抵抗が小さいため、複数の燃料電池セルを電気的に接続した燃料電池スタックにおける電気抵抗が小さく、発電性能を大きくすることができる。
さらに、本発明の燃料電池スタックは、前記燃料電池セルに燃料ガスを供給するとともに、空気を供給するための空気導入管が貫通して設けられたマニホールドを備えており、前記燃料電池セルは前記金属網の一部が露出した露出部を有し、該露出部が前記空気導入管に当接されている構成とすることもできる。このような燃料電池スタックでは、加熱された金属網により空気導入管内を通過して燃料電池セルに供給される空気を加熱することができる。

さらに、本発明の燃料電池は、上記燃料電池スタックを筐体内に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、燃料電池スタックの電気抵抗が小さいため、発電性能を向上できる。

本発明の燃料電池セルでは、金属網にて発電素子を支持することができるため、発電素子を薄層化できるとともに、熱伝導率の高い金属網を用いているため、起動時間を短縮でき、燃料極側を金属網で支持しているため、発電素子で発電した電流は金属網を流れることにより電気抵抗が小さくなり、一方の燃料電池セルと他方の燃料電池セルを電気的に接
続する際の電気抵抗を小さくでき、さらに、燃料電池セル内に発生する応力を金属網により吸収し、破損等を防止でき、長期に亘り出力の安定した発電性能を提供できる。
また、燃料極中に金属網が埋設されていることから、燃料極と金属網との接続が良好となり、金属網の燃料極からの剥離を防止でき、また燃料極と金属網との接触面積が向上し、より電気抵抗を小さくできるとともに、金属網による支持強度を向上できる。
また、セル形状を筒状とすることで、発電素子の形成面積を増加させることができるとともに、強度の大きい燃料電池セルとすることができる。
さらに、金属網は、一部が燃料電池セルの外部に引き出されて、隣接する燃料電池セルの酸素極に接続するための引出部とされていることから、隣接する燃料電池セルを電気的に接続する際の電気抵抗を小さくすることができる。

燃料電池セルは、図１（ａ）に示すように、波板形状をしており、一方の燃料電池セル１ａと他方の燃料電池セル１ｂとが電気的に接続されて燃料電池スタックが構成されている。

燃料電池セル１ａ、１ｂは、図１（ｂ）に示すように、燃料極３ａ、電解質膜３ｂ、酸素極３ｃからなる発電素子３を金属網５により支持固定して構成されている。

金属網５は、燃料極３ａ中に埋設されており、この金属網５は、例えば、金属線を編み込んだものや金属板に貫通孔を多数形成したもの（例えば、パンチングメタル）があるが、少なくとも機械的（パンチ等）や化学的（エッチング等）に形成された大きな貫通孔（少なくとも燃料極材料を充填できる程度の径）を有しているもので、焼結により多数の小さい気孔が形成されたもの（多孔質焼結体）は除かれる。金属線を編み込んだ金属網は、変形がし易いという点から好適に用いられ、貫通孔が形成された金属板は、金属網５の厚みを薄くするという点から好適に用いることができる。

図１の燃料電池セルは、多数の貫通孔が形成された金属板からなる金属網５を用いて作製したもので、例えば、図２（ａ）に示すように、中央部に多数の円形状の貫通孔６からなる貫通孔形成領域５ａの両端部に貫通孔６が形成されていない金属板部５ｂが形成された金属板からなる金属網５を用い、図２（ｂ）に示すように、この金属網５の貫通孔６形成領域５ａに燃料極スラリーを塗布し、貫通孔６内に燃料極材料を充填するとともに、金属網５上に燃料極材料を塗布して燃料極成形体３ａ１を形成し、この燃料極成形体３ａ１を覆うように電解質材料を塗布して電解質膜成形体３ｂ１を形成し、さらにこの電解質膜成形体３ｂ１上に酸素極材料を塗布して酸素極成形体３ｃ１を形成し、図２（ｃ）に示すように、これを発電素子３部分が波板形状に成形され、かつ燃料極成形体３ａ１が内側となるような筒状とし、金属網５の金属板部５ｂの両端同士を当接し、その部分を溶接８等により接合し、燃料極成形体３ａ１、電解質膜成形体３ｂ１、酸素極成形体３ｃ１を焼成して作製される。尚、酸素極３ｃは、燃料極成形体３ａ１、電解質膜成形体３ｂ１、金属網５の積層体を焼成後に熱処理にて形成することもできる。

筒状の燃料電池セルの内外は、金属網５の貫通孔６が形成されていない金属板部５ｂ、及び貫通孔６形成領域５ａを塞ぐように形成された緻密な電解質膜３ｂにより気密に遮断され、内部の燃料ガスが外部に漏出しないように構成されている。金属網５は、図１（ｂ）に示すように、電解質膜３ｂに当接せずに、その間に燃料極材料が介在することが、発電性能を向上するという点から望ましい。

この金属網５は、燃料電池セル作製時に大気雰囲気下での高温熱処理（焼成）が施されるため、スケール剥離等形状劣化がなく導電性を保持しうる金属又は合金、例えば、熱膨張率が電解質膜３ｂに近いフェライト系Ｆｅ−Ｃｒ耐熱合金等からなることが好ましい。

燃料極３ａは、例えば、Ｎｉ等の金属粉末及び／又はＮｉ等の金属酸化物粉末、若しくはこれに安定化ジルコニア、Ｃｅ系酸化物等のイオン伝導性酸化物粉末を添加して形成され、多孔質とされている。また、酸素極３ｃは、ＳｍＳｒＣｏＯ_３系やＬａＳｒＣｏＯ_３系、ＬａＳｒＣｏＦｅＯ_３系等の多孔質導電性セラミックスから構成されている。

電解質膜３ｂは、（ＧｄＣｅ）Ｏ_２系、（ＳｍＣｅ）Ｏ_２系、ＬａＳｒＧａＭｇＯ_３系等の複合酸化物（固体電解質）から構成され、６００℃以下の低温で発電しうるもので、緻密体とされている。

そして、燃料電池スタックは、図１に示したように、上記燃料電池セル１ａ、１ｂが、導電部材７により燃料電池セル１ａの燃料極３ａと燃料電池セル１ｂの酸素極３ｃとを電気的に接続して構成されている。導電部材７としては、例えば、繊維状金属の集合体からなる金属フェルトが用いられている。

このような固体電解質形燃料電池セルでは、燃料電池セル自体を高温に保持しながら、燃料電池セル内部の燃料極３ａ側に水素（Ｈ_２）を、外部の酸素極側に酸素（Ｏ_２）を含有する空気を供給することにより発電素子３にて発電する。発生した電流は、金属網５を介して流れ、一方の燃料電池セル１ａと他方の燃料電池セル１ｂとを導電部材７を介して電気的に直列に接続された燃料電池セル１ａ、１ｂから集電することができる。

従来、燃料極３ａ、酸素極３ｃは多孔質であり、電解質膜３ｂは薄層であってため、強度が小さかったが、本発明の燃料電池セルでは、金属網５にて発電素子３を支持することができるため、燃料極３ａ、固体電解質膜３ｂ、酸素極３ｃの厚みを薄くしても、発電素子３を金属網５にて支持できるため、薄層の燃料電池セルを提供することができる。このため、燃料電池セルの熱容量が小さく、起動に要する時間を短くできる。また、発電素子３で発電した電流は金属網５を流れることにより電気抵抗が小さくなり、燃料電池セル間を接続する際の電気抵抗を小さくでき、発電性能を大きくすることができる。さらに、例えば、発電中等に燃料電池セル内に発生する応力を金属網５により吸収することができるため、燃料電池セル１ａ、１ｂを金属網５で補強でき、破損等を防止でき、長期に亘り出力の安定した発電ができる。さらに、燃料電池セルの内外を金属板部５ｂ、及び貫通孔６形成領域５ａを塞ぐように形成された緻密な電解質膜３ｂにより気密にシールできる。

尚、上記例では、燃料極３ａ中に金属網５を埋設した例について説明したが、表面が一部露出するように金属網５を燃料極中に埋設しても良い。金属網５と燃料極３ａとの接合強度を向上するという点からは、金属網５を完全に埋設することが望ましい。

本発明の燃料電池は、上記燃料電池スタックを筐体内に収納して構成されるもので、この筐体には、燃料極３ａへ水素を供給する供給手段、酸素極３ｃへ空気を供給する供給手段が設けられている。このような燃料電池では、燃料電池セルの作動（発電）温度を６００℃以下、特に４００〜６００℃、更には４００〜５００℃であることが好ましい。このような低温で作動することにより、起動や冷却機構が簡便になるので、より安全な運転操作が可能となり、小型化や装置の信頼性向上にも寄与できる。

また、６００℃以下の低温においては金属材料の酸化・腐食過程が大幅に緩和できるため、インターコネクタやセパレータ、その他シール材の用途に金属を使用することが容易となる。金属網５の両端部の金属板部５ｂ同士を金属溶接した燃料電池セルは振動による破損の心配がないため、移動体への搭載、例えば飛行機、電車や自動車等の移動車両への搭載も容易になる。

図３は、断面が楕円形状の筒状の燃料電池セルを複数用いて形成された燃料電池スタックを示すもので、これらの燃料電池セルは、燃料極３ａ中に金属網５が埋設されており、燃料極３ａ上に固体電解質膜３ｂ、酸素極３ｃを形成して構成されている。尚、図３（ａ）では、燃料極３ａ中に埋設された金属網５の記載は省略した。

燃料電池セルには、セル内部の燃料極３ａ中の金属網５が外部に引き出された、引出部４１を有している。この引出部４１が、下方の隣設する燃料電池セルの外側に形成された酸素極３ｃに当接して電気的に接続され、また、左右に隣設する燃料電池セル同士は、外側の酸素極３ｃ間に金属フェルト４３を介して電気的に接続され、これにより燃料電池スタックが構成されている。

これらの燃料電池セルは、例えば、図４（ａ）に示すような金属線を編み込んだ金属網５の中央部に、図４（ｂ）に示すように、金属粉末とイオン伝導性酸化物粉末に分散剤等の有機成分を添加して作製された燃料極ペーストを塗布し、金属網５の金属線間に充填させ、燃料極成形体３ａ１を作製する。この後、固体電解質膜材料と分散剤等の有機成分を添加して作製された固体電解質ペーストを、燃料極成形体３ａ１を覆うように塗布し、電解質膜成形体３ｂ１を形成し、この電解質膜成形体３ｂ１上に酸素極成形体３ｃ１を形成する。次に、図４（ｃ）に示すように、燃料極成形体、固体電解質膜成形体、酸素極成形体の積層体が形成された金属網５を、燃料極３ａが内側となるように楕円形状に、さらに、上記積層体の成形体が形成されていない金属網５が外側に引き出されるように、成形した後、焼成して、金属網５、燃料極３ａ、固体電解質膜３ｂ、酸素極３ｃの共焼結体を作製することにより、本発明の燃料電池セルを作製できる。

以上のように構成された燃料電池セルは、上記図１の燃料電池セルとほぼ同様の効果を得ることができるが、さらにセル形状が断面楕円形であり、筒状であるため発電素子３の形成面積を増加でき、発電面積を向上できる。

尚、上記図３の例では、燃料電池セルの長径方向に引出部４１を形成した例について説明したが、本発明では、図５に示すように、短径方向に引出部４１を形成しても良い。

図６は、断面が菱形形状の筒状の燃料電池セルを用いて形成された燃料電池スタックを示すもので、この燃料電池セルでも、上記形態と同様に、燃料極３ａ中に金属網５が埋設されており、燃料極３ａ上に固体電解質膜３ｂ、酸素極３ｃを形成して構成されている。この燃料電池セルは、図３の燃料電池セルと同様に形成され、内部の燃料極中の金属網５が外部に引き出された、引出部４１を有している。この引出部４１は、下方の隣設する燃料電池セルの外側に形成された酸素極と電気的に接続され、また、左右に隣設する燃料電池セル同士は、外側の酸素極間に金属フェルト４３を介して電気的に接続され、これにより燃料電池スタックが構成されている。

このような燃料電池セルでも、図３に示す燃料電池セルとほぼ同様の効果を得ることができる。

また、図７は、セルの断面形状が星形の筒状の燃料電池セルを用いて燃料電池スタックを形成したもので、図３と同様にして形成され、図３とほぼ同様の作用効果を有するが、この場合には、さらに、単セルの電極面積を増大させ出力密度を向上すると同時に、あらゆる方向からの応力に対して変形し難いという効果がある。

また、図８は、セルの断面形状が正六角形状の筒状の燃料電池セルを用いて燃料電池スタックを形成したもので、図３と同様にして形成され、図３とほぼ同様の作用効果を有するが、この場合には、さらに、セル間の接触が安定化し、スタック全体の機械的強度を向上することができるという効果がある。

また、図９は、本発明の円筒状の燃料電池セルをマニホールド５１に立設して設け、燃料ガスをマニホールド５１内に供給してセル内部に供給し、外部に空気を供給し、発電する燃料電池スタックを示すもので、燃料電池セルの下端部には金属網５が露出している。尚、図９では、理解を容易にするために、マニホールド５１を波線で記載した。

そして、マニホールド５１には、セル外部に空気を供給するための空気導入管５３が貫通して設けられ、マニホールド５１内部にて、燃料電池セルの金属網５の部分が空気導入管５３に当接し、加熱した金属網５により空気導入管５３内を通過する空気を加熱して、燃料電池セル間に供給することができる。

また、図１０は、セルの断面形状が楕円形状の筒状の燃料電池セルで、燃料極３ａが固体電界質３ｂの外側に形成されており、空気をセル内部に供給するようになっている。このような燃料電池セルでは、燃料極３ａ中の金属網５が引き出されて引出部４１が形成され、該引出部４１が上下に隣設するセルの外側に形成された燃料極に接続され、また、左右に隣設するセル内部の酸素極と外部の燃料極が集電材５３により接続されて燃料電池スタックが構成されている。このような燃料電池セルでは、図３とほぼ同様の作用効果を有するが、この場合には、セル外側に形成された金属網５によってセルを保護できる。

尚、上記形態では、（ＧｄＣｅ）Ｏ_２系等からなる固体電解質膜を用いた燃料電池セルについて説明したが、本発明は高分子からなる電解質膜を用いた燃料電池であっても好適に用いることができる。この場合には、発電温度が低いため、金属網として用いる金属材料も多種のものから選択できる。

また、図３〜図１０の燃料電池セルでは、金属線を編み込んだ金属網だけではなく、図１で用いた金属板に多数の貫通孔を形成した金属網を用いることもできる。

さらに、電極材料、電解質膜材料を含有するスラリーを塗布し、焼成して燃料極３ａ、固体電解質膜３ｂ、酸素極３ｃを形成した形態について説明したが、燃料極、固体電解質膜、酸素極を蒸着等の薄膜形成法により形成することができ、この場合には、金属網の高温化を防止できるため、金属網材料の選択幅を広げることができる。

波型形状の燃料電池セルを用いた燃料電池スタックを示すもので、（ａ）は断面図、（ｂ）は（ａ）の一部を拡大して示す拡大断面図である。図１の燃料電池セルの製法を説明するための工程図である。本発明の断面が楕円形状の燃料電池セルを用いた燃料電池スタックを示すもので、（ａ）は断面図、（ｂ）は（ａ）の一部を拡大して示す拡大断面図である。図３の燃料電池セルの製法を説明するための工程図である。短径方向に引出部を形成した燃料電池セルを用いた燃料電池スタックを示す断面図である。本発明の断面が菱形形状の燃料電池セルを用いた燃料電池スタックを示す断面図である。本発明の断面が星形状の燃料電池セルを用いた燃料電池スタックを示す断面図である。本発明の断面六角形状の燃料電池セルを用いた燃料電池スタックを示す断面図である。本発明の燃料電池セルを用いた熱交換構造を示す概念斜視図である。本発明の酸素極が内側の燃料電池セルを用いた燃料電池スタックを示す断面図である。

符号の説明

３ａ・・・燃料極
３ｂ・・・電解質膜
３ｃ・・・酸素極
３・・・発電素子
５・・・金属網

Claims

電解質膜の片側に酸素極、他側に燃料極を設けてなる発電素子と、前記燃料極中に埋設された金属網とを備える筒状の燃料電池セルであって、
前記金属網は、一部が前記燃料電池セルの外部に引き出されて、隣接する前記燃料電池セルの前記酸素極に接続するための引出部とされていることを特徴とする燃料電池セル。
請求項１に記載の燃料電池セルを複数電気的に接続してなることを特徴とする燃料電池スタック。
前記燃料電池スタックは、前記燃料電池セルに燃料ガスを供給するとともに、空気を供給するための空気導入管が貫通して設けられたマニホールドを備えており、前記燃料電池セルは前記金属網の一部が露出した露出部を有し、該露出部が前記空気導入管に当接されていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池スタック。
請求項２または３に記載の燃料電池スタックを筐体内に収納してなることを特徴とする燃料電池。