JP5168865B2

JP5168865B2 - 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: JP5168865B2
Application number: JP2006258529A
Authority: JP
Inventors: 和史小谷; 邦聡芳片
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: 2013-03-27
Anticipated expiration: 2026-09-25
Also published as: JP2008078069A

Description

本発明は、燃料ガス及び酸化剤ガスの混合ガスにより動作する単室型固体酸化物形燃料電池及のスタック構造に関するものである。

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。燃料電池の種類は電解質により分類され、電解質にイオン伝導性を持つ固体酸化物を用いたものを固体酸化物形燃料電池と呼んでいる。そして、高出力を得るためには、このような固体酸化物形燃料電池を複数個スタックして用いることが多い。例えば、特許文献１には、シート状の固体電解質の両面に燃料極（アノード）及び空気極をそれぞれ形成したセルを複数準備し、これらをセパレータを介して複数個スタックしたスタック構造が提案されている。このスタック構造では、隣接するセパレータ間に絶縁性のリングをスペーサとして配置するとともに、スタックしたすべてのセパレータにボルトを貫通してネジ止めすることでセルの固定している。
特開２００６−８６０１８号公報

ところが、上記のようにセパレータの間隔がスペーサによって予め決まっていると、単セルに寸法誤差があったり、単セルが反るなど、変形している場合には、セパレータ間に装着できないという問題が生じる。

そこで、本発明は、単セルの変形または寸法誤差にかかわらず、単セルを確実に装着することが可能な単室型固体酸化物形燃料電池のスタック構造を提供することを目的とする。

本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、燃料極、空気極及びその間に配置される電解質を有する少なくとも一つの単セルと、前記単セルを収納可能な複数の凹部を有する容器本体と、前記容器本体の凹部の側壁面に配置され、前記燃料極及び空気極それぞれに対向するクッション性のある緩衝部材と、を備え、前記緩衝部材は、絶縁性を有しており、前記緩衝部材において対向する位置には、前記燃料極と接触する第１の導電性部材、及び前記空気極と接触する第２の導電性部材がそれぞれ配置されている。

この構成によれば、単セルを装着する凹部の側壁面にクッション性のある緩衝部材を設けているので、例えば、振動があったとしても吸収可能であり、また単セルが変形したり、寸法誤差により、予定外の寸法になったとしても、緩衝部材の変形によって寸法誤差を吸収することができるため、単セルを確実に装着することができる。また、単セルは、凹部内に固着されておらず、緩衝部材による押圧によって凹部内に保持されているため、単セルの取り外しが簡単である。そのため、一部の単セルが破損した場合、破損した単セルのみの交換が可能となり、すべての単セルを交換するのに比べてコストを低減することができる。

凹部に単セルが装着された後は、例えば、隣接する単セル同士を導電性の部材によって接続すれば、直列または並列に接続することができる。また、単セルに予め導電性の部材を取り付けておき、凹部に差し込んだ後に、隣接する単セルにおいて導電性部材同士を接続してもよい。

また、複数の凹部間での導電性部材を接続するように適宜配線を施しておけば、単セルを凹部に差し込むだけで、単セルの電気的な接続が可能になる。このとき、緩衝部材を、前記各凹部の底面を覆うように延長しておけば、単セルの差し込み方向の衝撃に対しても吸収することができるため、単セルの破損を防止することができる。

また、本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、燃料極、空気極及びその間に配置される電解質を有する少なくとも一つの単セルと、前記単セルを収納可能な複数の凹部を有する容器本体と、前記容器本体の凹部の側壁面に配置され、前記燃料極及び空気極それぞれに対向するクッション性のある緩衝部材と、を備えており、緩衝部材を、導電性の材料で形成しておくこともできる。この場合、緩衝部材は前記各凹部内で、燃料極および空気極のそれぞれに接触する２つの部分に分断され、互いに電気的に接触しないように構成しておく必要がある。

本発明で用いる緩衝部材は、通気性材料で形成されていることが好ましい。これにより、燃料ガス及び酸化剤ガスが、緩衝部材を介して凹部内に進入しやすくなり、単セルへのガスの供給を確実に行うことができる。緩衝部材を絶縁性の材料で形成する場合には、例えば、ガラスウールで形成することができる。一方、緩衝部材を、導電性部材で形成する場合には、例えば、ステンレスウールで形成することができる。

本発明で用いる単セルは、種々の構成をとることができるが、例えば、燃料極、電解質、及び空気極のいずれか一つを他を支持する支持基板としたものとすることができる。このとき、支持基板以外の他の部材は、薄膜状に形成することができる。或いは、いずれか一方の電極に接合された導電性の多孔質支持基板をさらに設けたものとすることができる。この場合、燃料極、電解質、及び空気極を薄膜状に形成することができる。

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によれば、単セルの変形または寸法誤差にかかわらず、単セルを確実に装着することができる。

以下、本発明に係る単室型固体酸化物形燃料電池の一実施形態について添付図面にしたがって説明する。図１は本実施形態に係る単室型固体酸化物形燃料電池のスタック構造の断面図である。

図１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は、正面視櫛形の容器本体１に、複数の単セル２が装着されたものである。まず、単セルについて説明する。各単セル２は、支持基板として機能する矩形板状の電解質２１の両面に、燃料極２２および空気極２３がそれぞれ薄膜状に形成されたものである。単セル２を構成する材料については、後述する。

次に、容器本体について説明する。容器本体１は、板状の基部１１と、その上面に所定間隔をおいて配置された複数の仕切り板１２とを備えている。この構成により、隣接する仕切り板の間には、単セルを収容する複数の凹部１３が形成され、各凹部１３は、図１の紙面に垂直な方向及び上方に開口している。また、各凹部１３には、対向する仕切り板及１２及び基部１１の上面に沿う断面Ｕ字形の緩衝部材３が取り付けられている。緩衝部材３は、クッション性を有するガラスウールで形成されており、通気性も有している。また、仕切り部材１２上の緩衝部材３の表面には、メッシュ状の導電部材４が取り付けられている。各導電部材４は、仕切り部材１２の上端を通って隣接する凹部の導電部材４と接続されており、隣接する凹部１３に装着される単セル２を接続するインターコネクターとして機能する。また、容器本体１の両端に配置されている導電部材４には、電流を取り出すための導線５がそれぞれ接続されている。

各凹部１３に取り付けられた緩衝部材３は、単セル２を固定できる程度の厚さに形成されている。すなわち、図２に示すように、仕切り部材１２上で対向する緩衝部材３間の距離Ｓ_１が単セルの厚みＳ_２よりも小さくなっている。緩衝部材３は、ガラスウールで形成され、クッション性を有していることから、この緩衝部材３間に単セル２を差し込むと、ガラスウールが押圧されて変形し、その変形の回復力によって単セル２が押圧される。これによって単セル２が凹部１３内に保持される。なお、容器本体１は、耐熱性及び絶縁性を有する材料で形成することが好ましく、例えば、アルミナを用いることができる。

次に、上記燃料電池を構成する材料について説明する。電解質２１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。なお、電解質２１は、支持基板として用いられることから、ある程度の強度を有するような厚さにしておく必要があり、例えば、０．１ｍｍ〜１ｍｍとすることができる。

燃料極２２及び空気極２３は、セラミックス粉末材料により形成することができる。このとき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。

燃料極２２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２２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またはセラミックス材料へのニッケル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２２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２３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）（Ｆｅ，Ｃｏ）Ｏ_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。

また、導電部材４は、Ｐｔ，Ａｕ，Ａｇ，Ｎｉ，Ｃｕ，ＳＵＳ等の導電性金属、或いは金属系材料，又はＬａ（Ｃｒ，Ｍｇ）Ｏ_３，（Ｌａ，Ｃａ）ＣｒＯ_３，（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｒＯ_３などのランタン・クロマイト系等の導電性セラミックス材料によって形成することができ、これらのうちの１種を単独で使用してもよいし、２種以上を混合して使用してもよい。

上記燃料極２２、及び空気極２３は、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２１、上記燃料極２２及び空気極２３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。さらに、導電部材４も、上述した材料に上記添加物を加えることにより形成される。そして、燃料極２２及び空気極２３の膜厚は５〜１００μｍとなるように形成するが、２０〜５０μｍとすることが好ましい。

次に、上述した単セルの製造方法について参照しつつ説明する。まず、上述した材料からなる板状の電解質２１を準備する。続いて、上述した燃料極２２、及び空気極２３用の粉末材料を主成分として、これらそれぞれにバインダー樹脂、有機溶媒などを適量加えて混練し、燃料極ペースト、空気極ペーストをそれぞれ作製する。各ペーストの粘度は、１０^３〜１０^６ｍＰａ・ｓ程度であることが好ましい。

次に、燃料極ペーストを、電解質２１の一方面に塗布した後、所定時間、所定温度にて乾燥・焼結し、燃料極２２を形成する。続いて、空気極ペーストを電解質２１の他方面に塗布し、乾燥・焼結して空気極２３を形成する。これにより、単セル２が完成する。なお、燃料極２２及び空気極２３は、種々の方法で形成することができる。例えば、溶射法、スクリーン印刷法、転写法、リソグラフィー法、電気泳動法、ドクターブレード法、ディスペンサーコート法、ＣＶＤ，ＥＶＤ，スプレーコート法、ディップコート法、スパッタリングや、或いは、いわゆるグリーン体を用いた方法で形成することができる。なお、燃料極２２および空気極２３を多孔質として形成するには、例えば溶射法等による低温焼成手法で形成することができる。

上記のように構成されたスタック構造では、次のように発電が行われる。まず、容器本体１に対して水素、又はメタン、エタンなどの炭化水素からなる燃料ガスと空気等の酸化剤ガスとの混合ガスを高温の状態（例えば、４００〜１０００℃）で供給する。このとき混合ガスは、図１の紙面に垂直な方向から容器本体１に対して供給する。これにより、各凹部１３に混合ガスが流入し、装着されている単セル２に混合ガスが供給される。単セル２の燃料極２２および空気極２３は、導電部材４及び緩衝部材３に接触しているが、導電部材４はメッシュ状に形成され、さらに緩衝部材３はガラスウールで通気性があるため、混合ガスは、これらを介して単セル２の各電極２２，２３に接触する。このように、各単セル２の燃料極２２及び空気極２３がそれぞれ混合ガスと接触するため、各単セル２における燃料極２２と空気極２３との間で、電解質２１を介した酸素イオン伝導が起こり、発電が行われる。

以上のように、本実施形態によれば、単セル２を装着する凹部１３の側壁面にクッション性のある緩衝部材３を設けているので、例えば、図３に示すように、単セル２が変形したり、予定外の寸法になったとしても、緩衝部材３によって寸法誤差を吸収することができる。その結果、単セル２を確実に装着することができる。また、各単セル２は、緩衝部材３による押圧によって凹部１３内に保持されており、固着されていないため、単セル２の取り外しが簡単である。そのため、一部の単セルが破損した場合、破損した単セルのみの交換が可能となり、経済的である。

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、容器本体１に導電部材４を設けているが、図４に示すように、導電部材を設けず、単セル２を装着した後に、導線などの導電部材６で適宜配線することもできる。また、単セル２に予め導電部材を取り付けておくこともできる。例えば、図５に示すように、燃料極２２および空気極２３の端部に板状の導電部材７を取り付けておき、単セル２を凹部１３に差し込んだ後に、隣接する導電部材７を折り曲げるなどして接続することもできる。

また、緩衝部材を、例えばステンレスウールなどの導電性の材料で形成することもできる。図６に示すように、この例では、各凹部１３内に収納されている緩衝部材８を、２つに分断している。すなわち、対向する仕切り部材１２上にある緩衝部材８が接触しないように分断し、凹部１３の底面に緩衝部材が配置されないようにする。さらに、隣接する凹部１３において仕切り部材１２の両面に配置された緩衝部材８同士を、仕切り部材１２の上端部を介して接続しておく。このような構成により、単セル２を各凹部１３に差し込めば、直列に接続される。

本発明で用いられる単セルは、上記実施形態に限らず、他の形態を取ることもできる。すなわち、図７（ａ）に示すように、空気極２３を板状に形成して支持基板とし、電解質２１及び燃料極２２をその上に薄膜状に形成することもできる。また、燃料極を支持基板とすることができるのは勿論である。或いは、図７（ｂ）に示すように、多孔質の導電性支持基板２４を準備し、この上に、空気極２３、電解質２１、及び燃料極２２をこの順で薄膜状に形成することもできる。多孔質支持基板２４を構成する材料は、例えば、Ｐｔ，Ａｕ，Ａｇ，Ｎｉ，Ｔｉ，Ｃｕ，Ｆｅ，Ｃｒ等の導電性金属、又はＬａ（Ｃｒ，Ｍｇ）Ｏ_３，（Ｌａ，Ｃａ）ＣｒＯ_３，（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｒＯ_３などのランタン・クロマイト系等の導電性セラミックス材料によって形成することができ、これらのうちの１種を単独で使用してもよいし、２種以上を混合して使用してもよい。

また、上記実施形態では、容器本体１を平面視櫛形に形成し、凹部１３が紙面の垂直な方向に開口するように構成しているが、凹部を穴とすることができる。この場合の凹部は、上部が外部に開口しているが、これ以外に凹部に外部から混合ガスを供給できるような孔を設けておけば、凹部内に十分なガスを供給することができる。

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断面図である。図１のスタック構造において、単セルの装着を説明する正面図である。図１のスタック構造における単セルの装着の例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他の例を示す断面図である。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例を示す断面図である。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例を示す断面図である。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に用いられる単セルの他の例を示す断面図である。

符号の説明

１容器本体
２単セル
２１電解質
２２燃料極
２３空気極
３緩衝部材
４導電部材

Claims

燃料極、空気極及びその間に配置される電解質を有する少なくとも一つの単セルと、
前記単セルを収納可能な複数の凹部を有する容器本体と、
前記容器本体の凹部の側壁面に配置され、前記燃料極及び空気極それぞれに対向するクッション性のある緩衝部材と、を備え、
前記緩衝部材は、絶縁性を有しており、
前記緩衝部材において対向する位置には、前記燃料極と接触する第１の導電性部材、及び前記空気極と接触する第２の導電性部材がそれぞれ配置されている、単室型固体酸化物形燃料電池のスタック構造。
前記緩衝部材は、前記各凹部の底面を覆うように延長されている、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構造。
燃料極、空気極及びその間に配置される電解質を有する少なくとも一つの単セルと、
前記単セルを収納可能な複数の凹部を有する容器本体と、
前記容器本体の凹部の側壁面に配置され、前記燃料極及び空気極それぞれに対向するクッション性のある緩衝部材と、を備え、
前記緩衝部材は、導電性を有し、前記各凹部内で前記燃料極および空気極のそれぞれに対向する２つの部分に分断されている、単室型固体酸化物形燃料電池のスタック構造。
前記緩衝部材は、通気性材料で形成されている、請求項１から３のいずれかに記載の単室型固体酸化物形燃料電池のスタック構造。
前記緩衝部材は、ガラスウールで形成されている、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構造。
前記緩衝部材は、ステンレスウールで形成されている、請求項３に記載の単室型固体酸化物形燃料電池のスタック構造。
前記燃料極、電解質、及び空気極のいずれか一つが他を支持する支持基板である、請求項１から６のいずれかに記載の単室型固体酸化物形燃料電池のスタック構造。
前記単セルは、いずれか一方の電極に接合された導電性の多孔質支持基板をさらに備えている、請求項１から６のいずれかにに記載の単室型固体酸化物形燃料電池のスタック構造。