JP5203569B2 - 固体電解質型燃料電池セル及び固体電解質型燃料電池スタック - Google Patents
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Description
このSOFCは、例えば板状の固体電解質体の各面に燃料極と空気極とを備えた燃料電池セルを、多数積層してスタックを形成し、燃料極に燃料ガスを供給するとともに、空気極に空気を供給し、燃料及び空気中の酸素を固体電解質体を介して化学反応させることによって電力を発生させるものである。
つまり、特許文献3の技術では、剛性のある一対の金属板を接合し、その金属板間に形成された密閉空間にガスを封入する構成であるので、セルが使用中に反ってきた場合(セルは非対象な電極構成であるので例えば最大1mm程度の反りもありえる)、金属製空気バネと電極との接触が不安定になり、発電に影響を及ぼす恐れがある。
本発明は、接点部の構成を例示したものである。ここでは、ドーム形状の接点部の外周を溶接することにより、内部に気体が封入された接点部を容易に形成することができる。
本発明は、金属プレートの好ましい厚みを例示したものである。この厚みであれば、柔軟な接点部をしっかりと支持することができる。
ここでは、接点部の壁部の厚みを例示している。
(5)請求項5の発明は、前記内部の空間に封入されている気体が、窒素ガスであることを特徴とする。
ここでは、内部の空間に封入される気体を例示している。
(6)請求項6の発明は、前記接点部の先端面に複数のディンプルが形成されていることを特徴とする。
これによって、接点部と電極が密着した際でも、十分なガス流路を確保しつつ、ディンプルの周囲の接点で電気導通を確保することができる。
(7)請求項7の発明は、前記請求項1〜6のいずれか1項に記載の固体電解質型燃料電池セルを複数積層したことを特徴とする。
(8)請求項8の発明は、前記金属プレート及び接点部は、各固体電解質型燃料電池セル間を気密して分離するとともに、各固体電解質型燃料電池セル間の電気的導通を確保するインターコネクタであることを特徴とする。
・ここで、固体電解質体は、電池の作動時に燃料極に導入される燃料ガス又は空気極に導入される支燃性ガスのうちの一方の一部をイオンとして移動させることができるイオン伝導性を有する。このイオンとしては、例えば酸素イオン及び水素イオン等が挙げられる。また、燃料極は、還元剤となる燃料ガスと接触し、セルにおける負電極として機能する。空気極は、酸化剤となる支燃性ガスと接触し、セルにおける正電極として機能する。
・接点部に封入される気体としては、窒素ガスやアルゴンガス等の不活性ガスが挙げられる。また、接点部に封入される気体の圧力は、溶接時の温度(例えば25℃)の場合には、常圧(例えば1013hPa)が考えられ、燃料電池の作動温度(例えば700℃)の場合には、例えば3308hPaの圧力が考えられる。つまり、圧力差としては、1500〜5000hPaの範囲が挙げられる。
燃料ガスとしては、水素、還元剤となる炭化水素、水素と炭化水素との混合ガス、及びこれらのガスを所定温度の水中を通過させ加湿した燃料ガス、これらのガスに水蒸気を混合させた燃料ガス等が挙げられる。炭化水素は特に限定されず、例えば、天然ガス、ナフサ、石炭ガス化ガス等が挙げられる。この燃料ガスとしては水素が好ましい。これらの燃料ガスは1種のみを用いてもよいし、2種以上を併用することもできる。また、50体積%以下の窒素及びアルゴン等の不活性ガスを含有していてもよい。
例えば図1に模式的に示す様に、固体電解質型燃料電池の基本構成である直方体形状の固体電解質型燃料電池セル1では、燃料ガス(例えば水素)に接する燃料極3と、酸素イオン導電性を有する固体電解質体5と、支燃性ガス(例えば空気(詳しくは空気中の酸素))に接触する空気極7とが、順次積層されて、積層体9が形成されている。
また、積層体9の側方の周囲には四角形の枠部11が設けられ、積層体9の上下方向には、それぞれ集電体を兼ねるインターコネクタ13、15が設けられている。
尚、図2に示す様に、金属プレート27には、同図の左右方向に燃料ガス流路35が設けられ、同図の上下方向に支燃料ガス流路37が設けられており、金属プレート27の四隅にはボルト39(図7参照)が貫通する貫通孔41が設けられている。
例えば図5及びそのB−B断面である図6に示す様に、固体電解質型燃料電池スタック51は、上述した構成を有する固体電解質型燃料電池セル1が、図6の上下方向に複数個積層されたものである。
c)次に、固体電解質型燃料電池スタック51の製造方法について説明する。
次に、この積層体7に金属フレーム21をろう付けする。
次に、金属プレート27、43の表面の中央に、接点部29、45の開口側を金属プレート27、43側にして、常温及び窒素ガス雰囲気下で、接点部29、45の外周をレーザ溶接する。これにより、接点部29、45の内部空間31、47内に窒素ガスが封入される。尚、同様にして、両金属エンドプレート63、67の表面にも接点部71、73(図6参照)をレーザ溶接する。
これにより、固体電解質型燃料電池スタック51が完成する。
上述した様に、本実施例の固体電解質型燃料電池セル1(従って固体電解質型燃料電池スタック51)は、インターコネクタ13、15に、各電極3、7に接するドーム形状の金属箔製の接点部29、45を備えている。この接点部29、45の内部の空間31、47には気体が封入されており、気体が温度上昇によって膨張すると、接点部29、45が各電極3、7側に風船状に膨らんで、所定の押圧力で各電極3、7に接触する。
また、封入ガスの熱膨張で接点部29、45が風船状に膨らむので、セル1の反りや凹凸に関係なく、一定の圧力で均一に電極を押すため、その点からも、電気導通の信頼性が高いという効果がある。特に、セル1が大きく反った場合でも、接点部29、45は柔軟に変形して電極3、7に密着するので、確実に電気導通を得ることができる。
図8に示す様に、本実施例では、インターコネクタの接点部81の形状が、前記実施例1とは異なる。
具体的には、直径3.9mmで円盤状に内側に凹む凹部(詳しくは半径4mmの球の形状にて凹む凹部が、縦20列×横20列にて配列されている。これによって、接点部81の先端面83の全面の48%がディンプル85で形成されている。
本実施例によれば、接点部81と電極が密着した際でも、十分なガス流路を確保しつつ、ディンプル85の周囲の接点で電気導通を確保することができる。
図9に示す様に、本実施例では、固体電解質型燃料電池スタック91は、前記実施例1と同様にボルト93及びナット95により固定されるが、固体電解質型燃料電池スタック91をその積層方向(図9(b)の上下方向)に押圧するために、前記インターコネクタと同様に、金属プレート97とドーム形状のバネ部99とを備えている。
3…燃料極
5…固体電解質体
7…空気極
13、15…インターコネクタ
27、43、97…金属プレート
29、45…接点部
51、81…固体電解質型燃料電池スタック
Claims (8)
- 燃料ガスに接する燃料極と支燃性ガスに接する空気極とを有する固体電解質体を備えた固体電解質型燃料電池セルにおいて、
前記燃料極及び前記空気極に対して電気的に接続される、金属プレートと該金属プレートの表面に形成されて前記電極に接触する接点部とを備え、
前記接点部は、各電極に対して1個設けられており、前記金属プレートより柔軟な、ASTM D747に規定される曲げ剛性率が100〜600kg/mm
2 の範囲である金属箔からなるとともに、その内部の空間は単一の空間で、該内部の空間に気体が封入されており、
該気体の熱膨張によって前記電極側に風船状に膨らんで、前記接点部の先端面が前記電極の外縁部を除いて全面にわたり前記電極と接触する構成を有する
ことを特徴とする固体電解質型燃料電池セル。 - 前記接点部の外周が、溶接により接合されたことを特徴とする前記請求項1に記載の固体電解質型燃料電池セル。
- 前記金属プレートの厚みが、0.4mm以上であることを特徴とする前記請求項1又は2に記載の固体電解質型燃料電池セル。
- 前記接点部の壁部の厚みが、0.02〜0.09mmであることを特徴とする前記請求項1〜3のいずれか1項に記載の固体電解質型燃料電池セル。
- 前記内部の空間に封入されている気体が、窒素ガスであることを特徴とする前記請求項1〜4のいずれか1項に記載の固体電解質型燃料電池セル。
- 前記接点部の先端面に複数のディンプルが形成されていることを特徴とする前記請求項1〜5のいずれか1項に記載の固体電解質型燃料電池セル。
- 前記請求項1〜6のいずれか1項に記載の固体電解質型燃料電池セルを複数積層したことを特徴とする固体電解質型燃料電池スタック。
- 前記金属プレート及び接点部は、各固体電解質型燃料電池セル間を気密して分離するとともに、各固体電解質型燃料電池セル間の電気的導通を確保するインターコネクタであることを特徴とする前記請求項7に記載の固体電解質型燃料電池スタック。
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