JP5011907B2

JP5011907B2 - スタック用治具及びこれを用いた単室型固体酸化物形燃料電池のスタック構造

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Publication number: JP5011907B2
Application number: JP2006259812A
Authority: JP
Inventors: 邦聡芳片; 和史小谷
Original assignee: Dai Nippon Printing Co Ltd
Current assignee: Dai Nippon Printing Co Ltd
Priority date: 2006-09-25
Filing date: 2006-09-25
Publication date: 2012-08-29
Anticipated expiration: 2026-09-25
Also published as: JP2008084551A

Description

本発明は、燃料極、空気極及び電解質を有する複数の単室型固体酸化物形燃料電池をスタック化するためのスタック用治具及びこれを用いた単室型固体酸化物形燃料電池のスタック構造に関する。

燃料電池とは外部からの燃料供給と燃焼生成物の排気とを連続的に行いながら、燃料が酸化する際に発生する化学エネルギーを電気エネルギーに直接変換できる電池である。このような燃料電池は、複数の燃料電池をスタック化することで、その出力の向上を図っている。例えば、特許文献１には、ガスケット、セパレータを介して複数の燃料電池を積層し、その両端にエンドプレートを配置して、ボルトでそのエンドプレートを締め付ける構成のスタック構造が開示されている。
特開２００６−８６０１８号公報

しかし、上記二室型のスタック構造では、各燃料電池に対してガスケットやセパレータを位置合わせしてそれぞれを積層し、ガスリークしないようにシールし、この作業を繰り返して燃料電池をスタック化するため、燃料電池スタック全体として位置合わせに精度を要し、燃料電池のスタック化に時間や手間が掛かる。このため、複数の燃料電池を簡単に接続できるようなスタック構造が要望されていた。

そこで、本発明は、複数の燃料電池を簡単に接続することが可能なスタック用治具及びそのスタック用治具を用いたスタック構造を提供することを目的とする。

本発明に係るスタック用治具は、燃料極、空気極及び電解質を有する複数の単室型固体酸化物形燃料電池をスタック化するためのスタック用治具であって、上記課題を解決するためになされたものであり、筒状に形成され、その内部空間を臨むように燃料電池が取り付けられる装着部が形成された支持部材と、前記支持部材に取り付けられ、燃料電池の空気極と接触するとともに、前記支持部材の外周面に延びる第１の導電性部材と、前記支持部材に取り付けられ、燃料電池の燃料極と接触するとともに、前記支持部材の外周面に延びる第２の導電性部材と、を備えている。

この構成によれば、筒状の支持部材に、その外周面に延びるとともに燃料電池の各電極と接触する第１及び第２間導電性部材が設けられているため、このようなスタック用治具を複数準備し、各治具に燃料電池を装着しておけば、支持部材の外周面同士を接触させるだけで、複数の燃料電池を電気的に接続してスタック化することができる。このため、複数の燃料電池を容易にスタック化することを可能とする。なお、本発明に係る筒状の支持部材の「筒状」とは、断面が矩形状の角筒や円状の円筒などの中空状の筒の形状のことをいう。

上記スタック用治具は種々の構成をとることができるが、例えば、上記第１及び第２の導電性部材が、少なくとも燃料電池の電極との接触部分においてクッション性を有していてもよい。このように、導電性部材がクッション性を有していることで、電気的接触のために燃料電池と導電性部材との接触圧を大きくしても、導電性部材が燃料電池へ掛かる荷重を吸収し、且つ、燃料電池を固定することが可能となる。よって、燃料電池が、その荷重によって損傷が発生することを防止することができる。

上記スタック用治具において、装着部は種々の構成をとることができるが、例えば、支持部材の軸方向端部から軸方向に切り欠かれた一対の凹部によって構成され、第１及び第２の導電性部材は、凹部から支持部材の外周面を巻回するように構成されていることができる。

また、本発明に係る単室型固体酸化物形燃料電池のスタック構造は、上記課題を解決するためになされたものであり、複数の上記スタック用治具と、燃料極、空気極及びその間に配置された電解質を有し、前記各スタック用治具に装着される単室型固体酸化物形燃料電池と、を備え、前記複数のスタック用治具は、前記支持部材の外周面同士を当接させることで、前記各導電性部材が電気的に接続され、前記燃料電池においては、前記燃料極、電解質、及び空気極のいずれかが他を支持する支持基板として構成されている。このように、スタック用治具を隣接するスタック用治具と電気的に接続して複数の燃料電池をスタック化することで燃料電池の出力の向上を図ることができる。

また、上記スタック構造において、燃料電池は、他の構成を取ることもでき、例えば、導電性の多孔質支持基板をさらに備え、前記導電性多孔質基板の少なくとも一方の面に、上記単セルが配置されるように構成することもできる。

本発明によれば、複数の燃料電池を簡単に接続することが可能なスタック用治具及びそのスタック用治具を用いたスタック構造を提供することができる。

以下、本発明に係るスタック用治具及びこれを用いた単室型固体酸化物形燃料電池のスタック構造の実施形態を添付図面に従って説明する。図１は、本実施形態に係るスタック用治具及び単室型固体酸化物形燃料電池の斜視図、図２は本実施形態に係る燃料電池を挿入した状態のスタック用治具の斜視図である。

図１は、本実施形態に係る単室型固体酸化物形燃料電池５と、これを支持するスタック用治具１とを示している。まず、燃料電池５について説明する。燃料電池５は、導電性の多孔質支持基板５１と、その支持基板５１の上面５１１に平面視矩形状に形成された第１の単セルＣ１と、支持基板５１の下面５１２に平面視矩形状に形成された第２の単セルＣ２とを備えている。第１の単セルＣ１は、燃料極５２、電解質５３及び空気極５４で構成されており、支持基板５１の上面５１１側から燃料極５２，電解質５３、空気極５４の順で形成されている。また第２の単セルＣ２は、空気極５４、電解質５３及び燃料極５２から構成されており、支持基板５１の下面５１２側から空気極５４，電解質５３、燃料極５２の順で形成されている。各単セルＣ１，Ｃ２の左右方向の幅は、支持部材２の左右方向の幅とほぼ同じかそれよりも大きくなるように形成されている。このように構成された燃料電池５では、支持基板５１を挟んで第１及び第２の単セルＣ１，Ｃ２が直列に接続されたことになる。

次に、スタック用治具１について説明する。図１及び図２に示すように、スタック用治具１は、紙面手前側の面及び奥側の面が開口した断面矩形状の筒状の支持部材２と、この支持部材２の軸方向の端部に取り付けられた上側メッシュ部材３（第１の導電性部材）及び下側メッシュ部材４（第２の導電性部材）とを備えている。支持部材２の内部空間には、発電用の燃料ガス及び酸化剤ガスの混合ガスが供給される。また、支持部材２における軸方向の一端部には、軸方向に切り欠けられた一対の凹部によって構成される装着部２１が形成されており、この一対の装着部２１は対向する左右の壁面に軸方向に延びている。そして、この一対の装着部２１を挟んで、支持部材における上側の壁面が上側突出部２２を構成し、下側の壁面が下側突出部２３を構成している。

この上側突出部２２には、その全体を覆うようにシート状の上側メッシュ部材３が巻かれている。すなわち、上側メッシュ部材３は、一対の装着部２１間を直線状に結ぶとともに、支持部材２の上側外周面に沿って巻回されている。同様に、下側突出部２３には、一対の装着部２１間を直線状に結ぶとともに、支持部材２の下側外周面に沿うように、シート状の下側メッシュ部材４が巻かれている。いずれのメッシュ部材３，４も後述するように導電性の材料で形成されている。そして、各メッシュ部材３，４は、メッシュ状であるために、クッション性を有している。このメッシュ部材３，４を突出部２２，２３に巻いた後の装着部２１の幅ｗは、上述した燃料電池５の厚さよりも小さくなっている。そのため、メッシュ部材３，４が巻回された両突出部２２，２３の間に上記燃料電池５を挿入すると、メッシュ部材３，４は、そのクッション性のために、そのメッシュ部材３，４それぞれが巻かれている突出部２２，２３側に押し縮められる。このため、メッシュ部材３，４を巻いた後の装着部２１の幅ｗが燃料電池５の厚さよりも小さくても、燃料電池５を装着部２１に挿入することができ、またその押し縮められた反力によって、燃料電池５との電気的接続を確実にし、また燃料電池５を支持部材２に強固に固定することもできる。こうして、装着された燃料電池５は、その上下の面がメッシュ部材３，４に押圧されるとともに、面方向の両端部が装着部２１によって支持された状態となる。

次に上記のように構成されたスタック用治具１を用いた単室型固体酸化物形燃料電池５のスタック構造について図面を参照しつつ説明する。図３は、本実施形態に係る単室型固体酸化物形燃料電池のスタック構造の正面図であり、図４は、その側面図である。

図３及び図４に示すように、本実施形態に係る単室型固体酸化物形燃料電池のスタック構造１０は、複数の上記単室型固体酸化物形燃料電池５と、各燃料電池５を支持する複数の上記スタック用治具１とを備えている。スタック用治具１は、図３に示すように上下方向に３つ積層されており、ここでは、上から第１のスタック用治具１ａ、第２のスタック用治具１ｂ、第３のスタック用治具１ｃと称することとする。第２のスタック用治具１ｂにおける上側メッシュ部材３は、第１のスタック用治具１ａの下側メッシュ部材４と接触している。また、第２のスタック用治具１ｂにおける下側メッシュ部材４は、第３のスタック用治具１ｃにおける上側メッシュ部材３と接触している。これにより、３つのスタック用治具に取り付けられた３つの燃料電池が直列に接続される。そして、このように積層された３つのスタック用治具１からなる積層体が所定間隔をおいて左右方向に３列配置されている。また、この３列に配置されたスタック用治具１の積層体の上下に一対の集電体６が配置され、この集電体６が３列の積層体を上下から挟んでいる。上側の集電体６ａには、第１のスタック用治具の上側メッシュ部材が接触し、下側の集電体６ｂには第３のスタック用治具の下側メッシュ部材が接触しているため、これら集電体６ａ、６ｂによって、直列に接続された燃料電池群を並列に接続し、各燃料電池群から電気を取り出している。

続いて、上記燃料電池のスタック構造を構成する材料について説明する。

まず、支持部材２は、例えば耐熱性の観点から、アルミナ、ジルコニア等の絶縁性材料からなる。また、メッシュ部材３，４の材料としては、例えばＰｔ、Ａｕ、Ａｇ、Ｎｉ等の導電性金属材料を用いることができる。

次に燃料電池５を構成する各部材の材料について説明する。基板５１は、例えば、耐熱性の観点から、ステンレス鋼やインコネルなどのニッケル系耐熱合金等の導電性金属材料からなる。

電解質５３の材料としては、固体酸化物形燃料電池の電解質として公知のものを使用することができ、例えば、サマリウムやガドリニウム等をドープしたセリア系酸化物、ストロンチウムやマグネシウムをドープしたランタン・ガレード系酸化物、スカンジウムやイットリウムを含むジルコニア系酸化物などの酸素イオン伝導性セラミックス材料を用いることができる。

燃料極５２は、例えば、金属触媒と酸化物イオン導電体からなるセラミックス粉末材料との混合物を用いることができる。このとき用いられる金属触媒としては、ニッケル、鉄、コバルトや、貴金属（白金、ルテニウム、パラジウム等）等の還元性雰囲気中で安定で、水素酸化活性を有する材料を用いることができる。また、酸化物イオン導電体としては、蛍石型構造又はペロブスカイト型構造を有するものを好ましく用いることができる。蛍石型構造を有するものとしては、例えばサマリウムやガドリニウム等をドープしたセリア系酸化物、スカンジウムやイットリウムを含むジルコニア系酸化物などを挙げることができる。また、ペロブスカイト型構造を有するものとしてはストロンチウムやマグネシウムをドープしたランタン・ガレード系酸化物を挙げることができる。上記材料の中では、酸化物イオン導電体とニッケルとの混合物で、燃料極５２を形成することが好ましい。なお、酸化物イオン導電体からなるセラミックス材料とニッケルとの混合形態は、物理的な混合形態であってもよいし、ニッケルへの粉末修飾などの形態であってもよい。また、上述したセラミックス材料は、１種類を単独で、或いは２種類以上を混合して使用することができる。また、燃料極５２は、金属触媒を単体で用いて構成することもできる。

空気極５４を形成するセラミックス粉末材料としては、例えば、ペロブスカイト型構造等を有するＣｏ，Ｆｅ，Ｎｉ，Ｃｒ又はＭｎ等からなる金属酸化物を用いることができる。具体的には（Ｓｍ，Ｓｒ）ＣｏＯ_３，（Ｌａ，Ｓｒ）ＭｎＯ_３，（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｏＯ_３，（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｆｅ，Ｃｏ）Ｏ_３，（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ）Ｏ_３などの酸化物が挙げられ、好ましくは、（Ｌａ，Ｓｒ）ＭｎＯ_３である。上述したセラミックス材料は、１種を単独で、或いは２種以上を混合して使用することができる。

燃料極５２、電解質５３及び空気極５４を、セラミックス粉末材料から形成する場合、用いられる粉末の平均粒径は、好ましくは１０ｎｍ〜１００μｍであり、さらに好ましくは５０ｎｍ〜５０μｍであり、特に好ましくは１００ｎｍ〜１０μｍである。なお、平均粒径は、例えば、ＪＩＳＺ８９０１にしたがって計測することができる。

上記燃料極５２、及び空気極５４、上述した材料を主成分として、さらにバインダー樹脂、有機溶媒などが適量加えられることにより形成される。より詳細には、上記主成分とバインダー樹脂との混合において、上記主成分が５０〜９５重量％となるように、バインダー樹脂等を加えることが好ましい。また、電解質５３も、上記燃料極５２及び空気極５４と同様に、上述した材料を主成分として、バインダー樹脂、有機溶媒などが適量加えられることにより成型されるが、上記主成分とバインダーとの混合において、上記主成分の割合が８０重量％以上となるように混合されることが好ましい。

以上のように、本実施形態によれば、筒状の支持部材２に、その外周面に延びるとともに燃料電池５の各電極と接触する上側メッシュ部材３及び下側メッシュ部材４が設けられているため、このようなスタック用治具１を複数準備し、各治具１に燃料電池５を装着しておけば、支持部材２の外周面同士を接触させるだけで、複数の燃料電池５を電気的に接続してスタック化することができる。このため、複数の燃料電池５を容易にスタック化することを可能とする。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。例えば、上記実施形態では、支持部材２側にのみメッシュ部材３，４を設けているが、これを燃料電池５側にも設けることができる。なお、この場合は、短絡防止のため、各単セルの燃料極と空気極とに一つのメッシュ部材が同時に接触しないようにメッシュ部材を設ける必要がある。

また、上記実施形態では、支持部材２を角筒状に形成しているが、図５に示すように、支持部材２を円筒状に形成することもできる。

また、上記実施形態では、単室型固体酸化物形燃料電池５は、基板５１の両面に単セルＣ１，Ｃ２が形成されたものとしていたが、図６に示すように、支持基板５１を別途設けずに、電解質５３を支持基板として、その電解質５３の上面に空気極５４、下面に燃料極５２を形成することもできる。また、空気極５４と燃料極５２との位置を入れ替えることもできる。この他にも、燃料極５２や空気極５４を支持基板とすることもできる。さらには、図７に示すように、基板５１の一方面にのみ単セルＣ１を形成したものとすることもできる。この場合は、基板５１と下側メッシュ部材４とが接触することで電気的接続を確保している。

また、上記実施形態では、導電性部材をメッシュ部材３，４によって構成しているが、導電性を有しているものであれば特に限定されるものではなく、例えば、シート状の薄膜金属板等を使用することもできる。また、メッシュ部材３，４は、上記実施形態のように各突出部に巻かれている必要はなく、各電極に接触しつつそこから支持部材２の外周面に延びていればよい。

また、上記実施形態では、支持部材２に切欠部を形成することで、装着部２１を構成しているが、装着部は、燃料電池５を支持部材２の内部空間を臨むように取り付けられるものであれば、特に限定されるものではなく、例えば、図８に示すように、支持部材の対向する内壁面に溝を形成し、この溝を到着部２１とすることもできる。

本発明に係るスタック用治具の一実施形態を示す斜視図である。本実施形態に係る燃料電池が挿入されたスタック用治具を示す斜視図である。本発明に係る単室型固体酸化物形燃料電池のスタック構造の一実施形態を示す正面図である。本発明に係る単室型固体酸化物形燃料電池のスタック構造の一実施形態を示す側面図である。本発明に係る単室型固体酸化物形燃料電池のスタック構造の他の実施形態を示す正面図である。本実施形態に係る燃料電池の他の実施形態を示す正面図である。本実施形態に係る燃料電池の他の実施形態を示す正面図である。本発明に係るスタック用治具の他の実施形態を示す正面図である。

符号の説明

１スタック用治具
２支持部材
２１装着部
３上側メッシュ部材（第１の導電性部材）
４下側メッシュ部材（第２の導電性部材）
５単室型固体酸化物形燃料電池
１０単室型固体酸化物形燃料電池のスタック構造

Claims

燃料極、空気極及び電解質を有する複数の単室型固体酸化物形燃料電池をスタック化するためのスタック用治具であって、
筒状に形成され、その内部空間を臨むように燃料電池が取り付けられる装着部が形成された支持部材と、
前記支持部材に取り付けられ、燃料電池の空気極と接触するとともに、前記支持部材の外周面に延びる第１の導電性部材と、
前記支持部材に取り付けられ、燃料電池の燃料極と接触するとともに、前記支持部材の外周面に延びる第２の導電性部材と、
を備えている、単室型固体酸化物形燃料電池のスタック用治具。
前記第１及び第２の導電性部材は、少なくとも燃料電池の電極との接触部分においてクッション性を有する、請求項１に記載の単室型固体酸化物形燃料電池のスタック用治具。
前記装着部は、前記支持部材の端部に軸方向に切り欠かれた一対の凹部によって構成され、前記第１及び第２の導電性部材は、前記一対の凹部から前記支持部材の外周面に延びるように構成されている、請求項１または２に記載の単室型固体酸化物形燃料電池のスタック用治具。
複数の請求項１から３のいずれかに記載のスタック用治具と、
燃料極、空気極及びその間に配置された電解質を有し、前記各スタック用治具に装着される単室型固体酸化物形燃料電池と、を備え、
前記複数のスタック用治具は、前記支持部材の外周面同士を当接させることで、前記各導電性部材が電気的に接続され、
前記燃料電池においては、前記燃料極、電解質、及び空気極のいずれかが他を支持する支持基板として構成されている、単室型固体酸化物形燃料電池のスタック構造。
複数の請求項１から３のいずれかに記載のスタック用治具と、
少なくとも一組の燃料極、空気極及びその間に配置される電解質からなる単セルを有し、前記各スタック用治具に挿入される単室型固体酸化物形燃料電池と、を備え、
前記複数のスタック用治具は、前記支持部材の外周面同士を当接させることで、前記各導電性部材が電気的に接続され、
前記燃料電池は、導電性の多孔質支持基板をさらに備えており、前記導電性多孔質基板の少なくとも一方の面に、前記単セルが配置されている、単室型固体酸化物形燃料電池のスタック構造。