JP4899387B2

JP4899387B2 - 固体酸化物形燃料電池

Info

Publication number: JP4899387B2
Application number: JP2005259587A
Authority: JP
Inventors: 尚史小谷
Original assignee: Kansai Electric Power Co Inc; Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Kansai Electric Power Co Inc; Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2005-09-07
Filing date: 2005-09-07
Publication date: 2012-03-21
Anticipated expiration: 2025-09-07
Also published as: JP2007073356A

Description

本発明は、各発電セルに対する反応用ガスの等流配を可能とした固体酸化物形燃料電池に関するものである。

近年、燃料の有する化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する燃料電池は高効率でクリーンな発電装置として注目されており、特に、固体酸化物形燃料電池は、第３世代の発電用燃料電池として研究開発が進められている。

固体酸化物形燃料電池は、酸化物イオン導電体から成る固体電解質層を両側から空気極層（カソード）と燃料極層（アノード）で挟み込んだ積層構造を有し、発電時には、反応用ガスとして空気極層側に酸化剤ガス（酸素) が、また燃料極層側に燃料ガス (Ｈ₂、ＣＯ等) が供給される。空気極層と燃料極層は、反応用ガスが固体電解質層との界面に到達することができるよう、何れも多孔質の層とされている。

発電セル内において、空気極層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、この部分で空気極層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、燃料極層に向かって固体電解質層内を拡散移動して燃料極層との界面近傍に到達し、この部分で、燃料ガスと反応して反応生成物（Ｈ₂Ｏ、ＣＯ₂等）を生じ、燃料極層に電子を放出する。電極反応で生じた電子は、別ルートの外部負荷にて起電力として取り出すことができる。

平板積層型の固体酸化物形燃料電池は、多数の発電セルを両側に集電体（燃料極集電体、空気極集電体）とセパレータを介在して積層すると共に、その両端より積層方向に荷重を加えて積層体（スタック）の各構成要素を相互に圧接・密着させることにより構成されている。
セパレータは、発電セル間を電気的に接続すると共に、発電セルに対して反応用ガスを供給する機能を有し、内部に燃料ガスを燃料極層側に誘導する燃料ガス流路と酸化剤ガスを空気極層側に誘導する酸化剤ガス流路とを備えている。
また、集電体は、集電機能、ガス透過機能、均一ガス拡散機能、クッション機能等を兼ね備えるスポンジ状の多孔質金属で構成されている。

燃料電池スタック内において安定した発電反応が継続的に行われるには、積層された多数の発電セルの各々に反応用ガスが均等に供給されること（等流配）が極めて重要であり、この反応ガスの等流配に係わる先行技術として、特許文献１、特許文献２等が開示されている。これらは、反応用ガスが流通するガス流路の圧損を調整してガス流量配分性能を向上することにより、電池性能の向上を図る技術である。
特開平６−２６７５６４号公報特開平７−１６１３６６号公報

ところで、平板積層型燃料電池では、各反応用ガスがスタック積層方向に沿って設けたマニホールドを介して各セパレータ内に分配・供給され、各セパレータのガス流路より各々集電体を通過して各発電セルに供給される流通形態を有している。
上述のように集電体は、集電機能の他、ガス透過機能、均一ガス拡散機能、クッション機能等を兼ね備えるスポンジ状の多孔質金属体であるため、集電体の空隙率や内部骨格構造等のバラ付きや、スタック組立時に集電体に加わる荷重のバラ付き等により、集電体の流路圧損にバラ付きが生じる。因みに、現状では、集電体のロットによる圧損のバラ付きは１５％程度と極めて大きいものである。

このような各集電体の圧損差により、マニホールドから各発電セルへ導入されるガスの流量配分が不均一になり、ガス供給量が不足する（ガス流路の圧損が大）発電セルにおいては電圧が低下し、スタック全体として電池性能の低下を来す結果となっている。

本発明は、このような問題に鑑み成されたもので、マニホールドより各発電セルに分配・供給される反応用ガスの量を均等化することにより、電池出力の安定化と出力効率の向上を図った固体酸化物形燃料電池を提供することを目的としている。

すなわち、請求項１に記載の本発明は、固体電解質層の一方の面に燃料極層を配置するとともに他方の面に空気極層を配置して発電セルを構成し、この発電セルの前記燃料極層および空気極層の外側に、各々スポンジ状の多孔質焼結金属板からなる燃料極集電体および空気極集電体を配置し、これら集電体の外側に反応用のガス流路を備えたセパレータを配置し、当該セパレータのガス流路より前記集電体を通して発電セルに反応用ガスを供給する固体酸化物形燃料電池において、前記セパレータに、前記ガス流路の圧損を増大する圧損制御手段を設けて、前記セパレータのガス流路における圧損を前記集電体における圧損より大きくすることにより、前記セパレータのガス流路における圧損と前記集電体における圧損とによる総圧損のバラ付きを１０％以下に抑制したことを特徴としている。

また、請求項２に記載の本発明は、請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池において、前記ガス流路の断面積にて圧損を増大する圧損制御手段を有することを特徴としている。

また、請求項３に記載の本発明は、請求項１または請求項２の何れかに記載の固体酸化物形燃料電池において、前記ガス流路の長さにて圧損を増大する圧損制御手段を有することを特徴としている。

また、請求項４に記載の本発明は、請求項１から請求項３までの何れかに記載の固体酸化物形燃料電池において、前記ガス流路の入口部のガス流絞り機構にて圧損を増大する圧損制御手段を有することを特徴としている。

本発明によれば、圧損制御手段によりセパレータ流路圧損を大きくして集電体流路圧損のバラ付きを吸収することにより、セパレータ流路圧損と集電体流路圧損とによる総圧損のバラ付きを１０％以下に抑制することができる。これにより、各発電セルへに対する反応用ガスの等流配が可能となり、各発電セルの発電性能が均一化され、電池出力の安定化と出力効率の向上を図ることができる。

以下、図面に基づいて本発明の実施形態を説明する。
図１は本発明が適用された平板積層型の固体酸化物形燃料電池を示し、図２は本発明に係る単セルの構成を示し、図３はセパレータの一例を示し、図４はセパレータのガス導入部分の構造を示し、図５はセパレータ流路圧損に対するセパレータ流路圧損と集電体流路圧損とによる総圧損のバラ付きの割合を示している。

図２に示すように、単セル１０は、固体電解質層２の両面に燃料極層３と空気極層４を配した発電セル５と、燃料極層３の外側に配した燃料極集電体６と、空気極層４の外側に配した空気極集電体７と、各集電体６、７の外側に配したセパレータ８とで構成されている。

これら構成要素の内、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等の金属、あるいはＮｉ−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等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成される。
上記多孔質金属は、集電機能、ガス透過機能、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ている。

セパレータ８は、厚さ２〜３ｍｍの角形ステンレス板等で構成され、発電セル５間を電気的に接続すると共に、発電セル５に対して反応用ガスを供給する機能を有し、内部に燃料ガスをセパレータ８の縁部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１１ａから吐出する燃料ガス流路１１と、酸化剤ガスをセパレータ８の縁部から導入してセパレータ８の空気極集電体７に対向する面のほぼ中央１２ａから吐出する酸化剤ガス流路１２とを有する。
燃料ガス流路１１と酸化剤ガス流路１２は、流路断面が３×１．５ｍｍ程度の断面長方形であって、それぞれが渦巻状に形成されている（図３参照）。

また、図２、図３によれば、セパレータ８の左右縁部には、板厚方向に貫通する一対のガス孔１３、１４が設けてあり、一方のガス孔１３は燃料ガス流路１１に、他方のガス孔１４は酸化剤ガス流路１２に連通し、各々のガス孔１３、１４からこれらのガス流路１１、１２を通して各発電セル５の各電極面に燃料ガスおよび酸化剤ガスが供給されるようなっている。

本実施形態の固体酸化物形燃料電池（燃料電池スタック１）は、図１に示すように、上述の単セル１０を間に、リング状の絶縁性ガスケット１５、１６を介在して多数積層し、その上下両端に締付板２０、２０を配して周縁部をボルト２１にて締め付けすることにより各構成要素を密着させた一体的構造としている。
スタックに荷重を加えることにより、多孔質金属で成る燃料極集電体６と空気極集電体７が幾分弾性変形し、上下セパレータ８の間にある程度の弾力を持って圧接・挟持された状態となると共に、各々のガスケット１５、１６は、セパレータ８の各ガス孔１３、１４と機械的に密着・固定された状態で多数積層方向に連結されて、スタック内部を縦方向に延びる燃料ガス用の内部マニホールド１７と酸化剤ガス用の内部マニホールド１８が形成される。

運転時、各内部マニホールド１７、１８に外部から供給される燃料ガスと酸化剤ガス（空気）が流通し、各ガスが各セパレータ８のガス孔１３、１４より各ガス流路１１、１２を介して燃料極集電体６側と空気極集電体７側に噴出し、噴出ガスはこれら集電体６、７の内部を透過・拡散して各発電セル５の各電極面に分配・誘導される。

ところで、平板積層型の燃料電池スタック１では、集電体における圧損のバラ付きにより、各発電セルに対して反応用ガスの好ましい等流配が行われないという電池性能に係わる問題があった。
これは、集電体の構造上、集電体流路圧損のバラ付きがセパレータ流路圧損のバラ付きに比べて大きいため、集電体流路圧損のバラ付きがセパレータ流路圧損と集電体流路圧損とによる総圧損のバラ付きに大いに影響するためである。反応ガスの等流配は、発電反応に直接影響する燃料ガスの流路系において特に重要である。
発明者らの調査・実験により、この総圧損のバラ付きが１０％以下であれば、各発電セルに対して良好な等流配性能が得られることが確認されている。

そこで、本発明では、セパレータ８にガス流路の圧損を増大する圧損制御手段を設けて、セパレータ流路圧損ｈ１と集電体流路圧損ｈ２とによる総圧損（ｈ１＋ｈ２）のバラ付きを１０％以下に抑制するようにした。
即ち、図５に示すように、圧損制御手段によりセパレータ流路圧損ｈ１を大きくすることで（望ましくは、セパレータ流路圧損ｈ１を集電体流路圧損ｈ２より大きくする）、集電体流路圧損ｈ２自体の有する大きなバラ付きを吸収して総圧損（ｈ１＋ｈ２）のバラ付きを１０％以下に抑制することができる。バラ付きを１０％以下にするには、セパレータ流路圧損ｈ１を１２０Ｐａ以上にすれば良い。因みに、定格流量における集電体流路圧損ｈ２は２３０Ｐａ程度であり、ロットによる圧損ｈ２のバラ付きは約１５％である。
尚、セパレータ流路圧損ｈ１を大きくすると、燃料ガス流路１１において定格流量を得るため、その分、燃料ガスマニホールド１７内の燃料ガスの流圧を高くする必要があるため闇雲に大きくすることはできず、また、運転中の流路への目詰まりを防ぐためには、断面積は大きく長さは短くすることが好ましい。このようなことから、総圧損（ｈ１＋ｈ２）のバラ付きの下限は１０％（セパレータ流路圧損ｈ１＝１２０Ｐａ）としている。

次ぎに、上述した圧損制御手段の具体例について説明する。
セパレータ流路圧損ｈ１は、
セパレータ入口部圧損：（Ｖ２²−Ｖ１²）／２ｇ・・（Ｉ）と
流路圧損：λｌ／ｄ×Ｖ２²／２ｇ・・（II）とにより生じる。
ここで、λはガス流路の摩擦係数、ｌはガス流路長、ｄはガス流路径（等価直径）、Ｖ１はマニホールド内のガスの流速、Ｖ２はガス流路内のガスの流速、ｇは重力加速度である。

そこで、本実施形態では、上述の式（Ｉ）、（II）に基づき、圧損制御手段として、（１）セパレータ８の燃料ガス流路１１の断面積（すなわち、流路径ｄ）を小さくして圧損を増大する方法（II式）、（２）セパレータ８の燃料ガス流路１１のガス流路長ｌを長くして圧損を増大する方法（II式）、（３）図４に示すように、燃料ガスマニホールド１７（ガス流速Ｖ１）からセパレータ８の燃料ガス流路１１に分岐・連通する流路部分をオリフィス絞り１９としてガス流量を制限する（ガス流速Ｖ２）ことにより圧損を増大する方法（Ｉ式）を採用した。
これら（１）〜（３）の圧損制御手段により、各発電セル５の発電性能が均一化され、燃料電池スタック１の出力安定と出力効率の向上を図ることができる。

これら（１）〜（３）の圧損制御手段は、それぞれ個々に用いても良いが、それぞれを併用することも勿論可能である。
尚、上述の圧損制御手段の内、（１）および（２）は、作製時の加工公差の影響を受け難いため容易に作製可能であるが、（３）のオリフィス絞り１９による圧損制御は、長期使用時の酸化スケールによる流路の目詰まりや、複雑で高精度な構造による加工性の悪さ等のデメリットを有することから、（１）（２）の圧損制御手段を用いるのが望ましい。

本発明が適用された固体酸化物形燃料電池の外観を示す図。本発明に係る単セルの構成を示す図。セパレータの一例を示す平面図。セパレータのガス導入部分を示す図。セパレータ流路圧損に対するセパレータ流路圧損と集電体流路圧損とによる総圧損のバラ付きの割合を示す図。

符号の説明

１固体酸化物形燃料電池（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
５発電セル
６燃料極集電体
７空気極集電体
８セパレータ
１１、１２ガス流路
１９ガス流絞り機構（オリフィス絞り）

Claims

固体電解質層の一方の面に燃料極層を配置するとともに他方の面に空気極層を配置して発電セルを構成し、この発電セルの前記燃料極層および空気極層の外側に、各々スポンジ状の多孔質焼結金属板からなる燃料極集電体および空気極集電体を配置し、これら集電体の外側に反応用のガス流路を備えたセパレータを配置し、当該セパレータのガス流路より前記集電体を通して発電セルに反応用ガスを供給する固体酸化物形燃料電池において、
前記セパレータに、前記ガス流路の圧損を増大する圧損制御手段を設けて、前記セパレータのガス流路における圧損を前記集電体における圧損より大きくすることにより、前記セパレータのガス流路における圧損と前記集電体における圧損とによる総圧損のバラ付きを１０％以下に抑制したことを特徴とする固体酸化物形燃料電池。
前記ガス流路の断面積にて圧損を増大する圧損制御手段を有することを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池。
前記ガス流路の長さにて圧損を増大する圧損制御手段を有することを特徴とする請求項１または請求項２の何れかに記載の固体酸化物形燃料電池。
前記ガス流路の入口部のガス流絞り機構にて圧損を増大する圧損制御手段を有することを特徴とする請求項１から請求項３までの何れかに記載の固体酸化物形燃料電池。