JP5063070B2 - 平板型燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、燃料側電極、固体電解質、酸素側電極を順次設けてなる平板状の燃料電池セルと、燃料側電極に接続する燃料側インターコネクタと、酸素側電極に接続する酸素側インターコネクタとの積層体を、隔離板を介して複数積層してなる平板型燃料電池に関するものである。

従来の燃料電池として、燃料側電極、固体電解質、酸素側電極を順次設けてなる平板状の燃料電池セルと、インターコネクタとを交互に複数積層してなる平板型燃料電池が知られている（例えば特許文献１参照）。

図５、６は、従来の平板型燃料電池を示すもので、燃料側電極３３ａ、固体電解質３３ｂ、酸素側電極３３ｃを順次積層して円板状の燃料電池セル３３が形成されており、この燃料電池セル３３と隣設する燃料電池セル３３との間には、インターコネクタ３５、３６、隔離板（セパレータ）３７、３８が配置され、これらの燃料電池セル３３、インターコネクタ３５、３６、隔離板（セパレータ）３７、３８を順次複数積層することにより、平板型燃料電池が構成されている。

燃料側電極３３ａには燃料側インターコネクタ３６が、酸素側電極３３ｃには、酸素側インターコネクタ３５が当接している。

このような平板型燃料電池は、燃料側電極３３ａ及び酸素側電極３３ｃの中央部の円形状の空間Ａに、マニホールド４１に連結されたガス供給管３４により、それぞれ燃料ガス又は酸素含有ガスが供給され、燃料側電極３３ａ、酸素側電極３３ｃの外周部に向けて流れ、燃料電池セル３３の外周部から余剰の燃料ガス、酸素含有ガスが放出される。燃料電池セル３３の外周部から放出された余剰の燃料ガスは、燃焼される。

そして、特許文献１には、燃料側インターコネクタ３６と、酸素側インターコネクタ３５の周囲には、ガスバリヤーリングを設置することにより、ガスの逆流を防止できることが記載されている。
特表２００４−５０７０６０号公報

しかしながら、特許文献１に記載された平板型燃料電池では、ガスバリヤーリングにより燃料側インターコネクタ３６と、酸素側インターコネクタ３５の周囲からのガスの逆流は防止できるものの、燃料側電極３３ａの周囲から直接ガスが逆流してきて、燃料側電極３３ａの酸化等が生じ、燃料電池セル３３に悪影響を与えるという問題があった。

即ち、従来、固体電解質３３ｂに形成された燃料側電極３３ａは厚みが薄いため、その外周面には、機械的なカバーを設置することができないため、隣設する燃料側インターコネクタ３６にガスバリヤーリングを設置することが行われていた。

しかしながら、ガスは気体であるため、薄い燃料側電極３３ａの周囲からも浸入してくる。しかも、燃料ガスは、燃料利用率を高めるべく少量流し、さらに燃料電池セル３３の全周囲から放出されるため、その燃料電池周囲からの燃料ガスの放出速度は著しく小さくなり、比較的大量に放出される酸素含有ガスが燃料側電極３３ａの周囲から入ってきやすく、燃料側電極３３ａの酸化等が生じ、燃料電池セル３３に悪影響を与えるという問題があった。

本発明は、燃料側電極からの酸素含有ガスの浸入を抑制できる平板型料電池を提供することを目的とする。

本発明の平板型燃料電池は、燃料側電極、固体電解質、酸素側電極を順次設けてなる平
板状の燃料電池セルと、前記燃料側電極に接続する燃料側インターコネクタと、前記酸素側電極に接続する酸素側インターコネクタとの積層体を隔離板を介して複数積層してなり、前記燃料側電極及び前記酸素側電極の中央部にそれぞれ燃料ガス及び酸素含有ガスが供給されて前記燃料側電極及び前記酸素側電極の外周部に向けて流れ、前記燃料電池セルの外周部から余剰の燃料ガス及び酸素含有ガスが放出される平板型燃料電池であって、前記燃料側電極の外周面の一部に、又は前記燃料側電極の外周面の一部及び前記燃料側インターコネクタの外周面の一部に、ガス浸入阻止体を設け、前記酸素側電極の外周面の一部に、又は前記酸素側電極の外周面の一部及び前記酸素側インターコネクタの外周面の一部に、ガス放出阻止体を設けるとともに、前記ガス浸入阻止体と前記ガス放出阻止体とは、前記燃料電池セルの積層方向から見て形成位置がずれていることを特徴とする。

このような平板型燃料電池では、燃料側電極の外周面の一部に、ガス浸入阻止体を設けたことにより、燃料電池セルの外周部から放出された酸素含有ガスが、燃料側電極に直接浸入することを抑制できるため、容易に燃料側電極の酸化膨張を抑制できる。また、一般に、燃料側電極よりも厚く形成される燃料側インターコネクタの外周面にも、ガス浸入阻止体を設けることにより、燃料電池セルの外周部から放出された酸素含有ガスが、燃料側電極に浸入することをさらに抑制できる。これにより、燃料電池セルに悪影響を与えることがない。

また、このような平板型燃料電池では、酸素含有ガスが放出される位置（ガス放出阻止体が形成されていない酸素側電極の露出位置）と、ガス浸入阻止体が形成されておらず露出している燃料側電極、燃料側インターコネクタの位置が異なるため、酸素含有ガスが、露出している燃料側電極、燃料側インターコネクタから浸入しにくくなる。

さらに、本発明の平板型燃料電池は、前記酸素側電極は前記固体電解質の上面に形成され、前記燃料側電極は前記固体電解質の下面に形成されていることを特徴とする。このような平板型燃料電池では、高温のガスは一般に下方から上方に流れるが、酸素側電極が固体電解質の上面に形成されているため、高温の酸素含有ガスは、固体電解質の上方に流れていき、固体電解質の下面に形成された燃料側電極、燃料側インターコネクタへの酸素含有ガスの浸入をさらに抑制できる。

また、本発明の平板型燃料電池は、前記ガス浸入阻止体及び前記ガス放出阻止体は、固体電解質材料膜により形成されていることを特徴とする。このような平板型燃料電池では、ガス浸入阻止体及びガス放出阻止体を緻密な絶縁膜とすることができるため、酸素含有
ガスの浸入をさらに抑制できるとともに、隣設する部材と接触しても、燃料側電極と導通することがない。

また、本発明の平板型燃料電池は、前記燃料電池セルの外周部から放出された余剰の燃料ガスは燃焼することを特徴とする。余剰の燃料ガスが燃焼する場合には、燃料電池セルの周囲が過酷な環境となるため、本発明を用いる意義が大きい。

さらに、本発明の平板形燃料電池は、前記ガス浸入阻止体及び前記ガス放出阻止体は、セラミック材料を含有するスラリーを塗布して形成されることを特徴とする。このような平板型燃料電池では、ガス浸入阻止体及びガス放出阻止体を所望の位置に容易に形成することができ、厚みの薄い燃料側電極の周囲にも形成することができる。

本発明の平板形燃料電池では、燃料側電極の外周面の一部に、ガス浸入阻止体を設けたことにより、燃料電池セルの外周部から放出された酸素含有ガスが、燃料側電極に直接浸入することを抑制できるため、容易に燃料側電極の酸化膨張を抑制できる。また、一般に、燃料側電極よりも厚く形成される燃料側インターコネクタの外周面にも、ガス浸入阻止体を設けることにより、燃料電池セルの外周部から放出された酸素含有ガスが、燃料側電極に浸入することをさらに抑制でき、燃料側電極への酸素含有ガスの接触を阻止することができ、燃料側電極の酸化膨張等を防止することができる。

図１〜３は本発明の平板形燃料電池を示すもので、燃料側電極３３ａ、固体電解質３３ｂ、酸素側電極３３ｃを順次設けて円板状の燃料電池セル３３が形成されており、この燃料電池セル３３と隣設する燃料電池セル３３との間には、インターコネクタ３５、３６、隔離板（セパレータ）３７、３８が形成され、これらの燃料電池セル３３、インターコネクタ３５、３６、隔離板（セパレータ）３７、３８を順次複数積層することにより、平板型燃料電池が構成されている。燃料側電極３３ａには燃料側インターコネクタ３６が、酸素側電極３３ｃには、酸素側インターコネクタ３５が当接している。酸素側電極３３ｃは固体電解質３３ｂの上面に形成され、燃料側電極３３ａは固体電解質３３ｂの下面に形成されている。

燃料側電極３３ａには燃料側インターコネクタ３６が、酸素側電極３３ｃには酸素側インターコネクタ３５が当接している。

即ち、図１で説明すると、隔離板３８の上面に燃料側インターコネクタ３６、燃料側電極３３ａ、固体電解質３３ｂ、酸素側電極３３ｃが積層され、この酸素側電極３３ｃ上に、酸素側インターコネクタ３５、隔離板３７が積層されている。

このような平板型燃料電池は、燃料側電極３３ａ及び酸素側電極３３ｃの中央部の円形状の空間Ａ内に、マニホールド４１に連結されたガス供給管３４により、それぞれ燃料ガス及び酸素含有ガスが供給され、燃料側電極３３ａ及び酸素側電極３３ｃの外周部に向けて流れ、燃料電池セル３３の外周部から余剰の燃料ガス及び酸素含有ガスが放出される。燃料電池セル３３の外周部から放出された余剰の燃料ガスは、燃焼される。

インターコネクタ３５、３６は導電性の多孔質体から構成されており、また、隔離板３７、３８は導電性の緻密質体から構成されており、インターコネクタ３５、３６、隔離板３７、３８により、複数の燃料電池セル３同士を直列に電気的に接続している。また、緻密体からなる隔離板３７、３８により、燃料ガスと酸素含有ガスが分離されている。

燃料側電極３３ａは、例えば、Ｎｉ及び希土類元素を含有するＺｒＯ_２とから構成され、固体電解質３３ｂは、例えば、希土類元素を含有するＺｒＯ_２とから構成され、酸素側電極３３ｃは、例えば、遷移金属ペロブスカイト型酸化物のランタン−マンガン系酸化物、ランタン−鉄系酸化物、ランタン−コバルト系酸化物、又は、それらの複合酸化物の少なくとも一種の多孔質の導電性セラミックスから構成されている。

また、インターコネクタ３５、３６は、金属、又は金属酸化物から構成され、隔離板３７、３８はステンレス等の金属板から構成されている。

このような平板型燃料電池は、燃料側電極３３ａ及び酸素側電極３３ｃの中央部の空間Ａに、マニホールド４１に連結されたガス供給管３４により、それぞれ燃料ガス、酸素含有ガスが供給され、燃料側電極３３ａ、酸素側電極３３ｃの外周部に向けて流れ、燃料電池セル３３の外周部から余剰の燃料ガス、酸素含有ガスが放出されるシールレス構造である。

そして、本発明では、図１に示すように、燃料側電極３３ａの外周面に、所定間隔をおいてガス浸入阻止体（以下、酸素含有ガス浸入阻止体ということがある）５１が複数設けられている。また、酸素側電極３３ｃの外周面にも、ガス放出阻止体５３が所定間隔を置いて複数設けられており、図３に示すように、酸素含有ガス浸入阻止体５１とガス放出阻止体５３とは、燃料電池セル３３の積層方向Ｂから見て形成位置がずれている。言い換えれば、酸素含有ガス浸入阻止体５１、ガス放出阻止体５３は、固体電解質３３ｂを挟んで、交互に千鳥状に形成されており、酸素含有ガス浸入阻止体５１により被覆されていない、燃料側電極３３ａの外周面が露出した部分の上方には、ガス放出阻止体５３が形成されており、酸素含有ガス浸入阻止体５１の上方には、酸素側電極３３ｃの外周面が露出している。

酸素含有ガス浸入阻止体５１、ガス放出阻止体５３は、耐熱性の金属板より形成することもできるが、無機材料膜により形成することが望ましい。無機材料膜としては、ＺｒＯ_２を主成分、即ちＺｒＯ_２を５０モル％以上含有して構成されている。この無機成分は、ガラスやアルミナ、シリカ、ジルコンでも良いが、他の構成部材との熱膨張係数を一致させるという点から、固体電解質３３ｂと類似する組成が望ましく、特には、固体電解質３３ｂと同一材料からなることが望ましい。

特に、固体電解質と同一材料より形成することが、材料種を少なくすることができるため、また、絶縁体とでき、さらに緻密な膜を形成することができるため、特に望ましい。このような無機材料膜は、例えば、無機材料を含有するスラリーを、燃料側電極３３ａ、酸素側電極３３ｃの外周面に塗布して形成することができる。具体的には、酸素含有ガス浸入阻止体５１、ガス放出阻止体５３を形成する部分以外は、マスクしてスラリーを塗布し、乾燥させた後、熱処理して形成することができる。わざわざ熱処理工程も設けなくても、発電中の熱により熱処理しても良い。スラリーを塗布するには、直接塗布する以外に、スプレー法、浸漬法等がある。

尚、酸素含有ガス浸入阻止体５１、ガス放出阻止体５３は、燃料側電極３３ａ、酸素側電極３３ｃの外周面の外周面のみならず、固体電解質３３ｂの外周面にも形成しても特に支障はない。さらに、インターコネクタ３５、３６の外周面の一部にも形成しても特に支障はない。スラリー塗布が容易という点では、燃料側電極３３ａ、酸素側電極３３ｃの外周面の外周面のみならず、固体電解質３３ｂの外周面の一部、インターコネクタ３５、３６の外周面の一部に塗布するようにすることが望ましい。

このような平板形燃料電池では、燃料側電極３３ａの外周面に、酸素含有ガス浸入阻止体５１を設けたことにより、燃料電池セル３３の外周部から放出された酸素含有ガスが、燃料側電極に３３ａに直接浸入することを抑制できるため、容易に燃料側電極３３ａの酸化膨張を抑制できる。

また、図１では、酸素側電極３３ｃの外周面にも、ガス放出阻止体５３を設けたため、酸素側電極３３ｃに燃料ガスが浸入することを抑制できるとともに、図３に示すように、ガス放出阻止体５３により酸素含有ガスが放出される位置と、露出している燃料側電極３３ａの位置が異なるため、また、ガスは高温となっているため上方に流れるため、酸素含有ガスが、露出している燃料側電極３３ａから浸入しにくくなり、燃料電池に悪影響を与えることがない。

尚、図１、２では、酸素側電極３３ｃの外周面にもガス放出阻止体５３を設けた例について説明したが、本発明では、燃料側電極３３ａの外周面だけに酸素含有ガス浸入阻止体５１を設けた場合、さらに、燃料側電極３３ａの外周面と、この燃料側電極３３ａに当接する燃料側インターコネクタ３６の外周面に、酸素含有ガス浸入阻止体５１を設けた場合であってもある程度の効果を有する。

図４（ａ）は、本発明の他の形態を示すもので、この形態では、燃料側電極３３ａが露出する面積は、酸素側電極３３ｃが露出する面積よりも小さくなるように、酸素含有ガス浸入阻止体５１、ガス放出阻止体５３が燃料側電極３３ａ、酸素側電極３３ｃに形成されている。このような形態では、燃料側電極３３ａが露出する面積が小さいため、燃料ガスの放出速度が大きくなり、酸素含有ガスが燃料側電極３３ａに浸入しにくくなる。

図４（ｂ）は、本発明のさらに他の形態を示すもので、この形態では、燃料側電極３３ａに酸素含有ガス浸入阻止体５１が形成されるのみならず、この燃料側電極３３ａが接触する燃料側インターコネクタ３６の外周面にも、酸素含有ガス浸入阻止体５５が形成されている。また、酸素側電極３３ｃにガス放出阻止体５３が形成されるのみならず、酸素側電極３３ｃが当接する酸素側インターコネクタ３５の外周面にも、ガス放出阻止体５７が形成されている。酸素含有ガス浸入阻止体５１、５５とガス放出阻止体５３、５７とは、燃料電池セル３３の積層方向から見て形成位置がずれている。

このような平板形燃料電池では、酸素含有ガスが燃料側電極３３ａに浸入することをさらに抑制できる。

尚、上記形態では、燃料電池セル３３の外周部から放出された余剰の燃料ガスが、燃焼される場合について説明したが、燃焼させない場合であっても本発明を効果的に用いることができる。そして、燃焼させる場合には、燃料電池セル３３の周囲が過酷な環境となるため、本発明を用いる意義が大きい。

尚、上記形態では、インターコネクタ３５、３６中に、ガス供給管３４を配置した形態について説明したが、隔離板３７、３８にガス供給路を形成し、このガス供給路により、燃料側電極３３ａ及び酸素側電極３３ｃの中央部にそれぞれ燃料ガス、酸素含有ガスを供給する形態においても、本発明を有効に用いることができる。

本発明の平板形燃料電池を示すもので、（ａ）は断面図、（ｂ）は側面図である。 図１のｘ−ｘ線に沿う断面図である。 酸素含有ガス浸入阻止体、ガス放出阻止体の形成位置、及びガス流れを説明するための説明図である。 本発明の他の形態を示すもので、（ａ）は燃料側電極が露出する面積を酸素側電極が露出する面積よりも小さくなるように酸素含有ガス浸入阻止体とガス放出阻止体を形成した状態を示す側面図、（ｂ）は燃料側インターコネクタの外周面に酸素含有ガス浸入阻止体を、酸素側インターコネクタの外周面にガス放出阻止体を形成した状態を示す側面図である。 従来の燃料電池を示すもので、（ａ）は断面図、（ｂ）は断面分解図である。 図５の断面図である。

符号の説明

３３・・・燃料電池セル
３３ａ・・・燃料側電極
３３ｂ・・・固体電解質
３３ｃ・・・酸素側電極
３５・・・酸素側インターコネクタ
３６・・・燃料側インターコネクタ
３７、３８・・・隔離板
５１、５５・・・酸素含有ガス浸入阻止体
５３、５５・・・ガス放出阻止体

Claims (5)

1. 燃料側電極、固体電解質、酸素側電極を順次設けてなる平板状の燃料電池セルと、前記燃料側電極に接続する燃料側インターコネクタと、前記酸素側電極に接続する酸素側インターコネクタとの積層体を隔離板を介して複数積層してなり、前記燃料側電極及び前記酸素側電極の中央部にそれぞれ燃料ガス及び酸素含有ガスが供給されて前記燃料側電極及び前記酸素側電極の外周部に向けて流れ、前記燃料電池セルの外周部から余剰の燃料ガス及び酸素含有ガスが放出される平板型燃料電池であって、前記燃料側電極の外周面の一部に、又は前記燃料側電極の外周面の一部及び前記燃料側インターコネクタの外周面の一部に、ガス浸入阻止体を設け、前記酸素側電極の外周面の一部に、又は前記酸素側電極の外周面の一部及び前記酸素側インターコネクタの外周面の一部に、ガス放出阻止体を設けるとともに、前記ガス浸入阻止体と前記ガス放出阻止体とは、前記燃料電池セルの積層方向から見て形成位置がずれていることを特徴とする平板型燃料電池。
2. 前記酸素側電極は前記固体電解質の上面に形成され、前記燃料側電極は前記固体電解質の下面に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の平板型燃料電池。
3. 前記ガス浸入阻止体及び前記ガス放出阻止体は、固体電解質材料膜により形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の平板型燃料電池。
4. 前記燃料電池セルの外周部から放出された余剰の燃料ガスは燃焼することを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれかに記載の平板型燃料電池。
5. 前記ガス浸入阻止体及び前記ガス放出阻止体は、セラミック材料を含有するスラリーを塗布して形成されることを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれかに記載の平板型燃料電池。

Images