JP5519491B2 - 固体酸化物形燃料電池 - Google Patents
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Description
一方、セル追従変形部が反ることにより、セル追従変形部が燃料電池セルを押圧する。この押圧により、燃料電池セル内のセル内積層体または集電体を、燃料極および空気極と集電体との接触面積が大きくなるように変形させることが可能になる。したがって、セル内積層体の反りによる、燃料極および空気極と集電体との電気的導通不良の発生を抑制し、電気的接触の信頼性を向上させることができる。
一方、非発電積層体が反ることにより、非発電積層体が燃料電池セルを押圧する。この押圧により、燃料電池セル内のセル内積層体または集電体を、燃料極および空気極と集電体との接触面積が大きくなるように変形させることが可能になる。したがって、セル内積層体の反りによる、燃料極および空気極と集電体との電気的導通不良の発生を抑制することができる。
このように構成された固体酸化物形燃料電池では、燃料電池の熱サイクルが繰り返された際に、セル追従変形部を構成する非発電積層体は、第2固体電解質体が第1固体電解質体以外の材料で構成されている場合よりも、セル内積層体の変形に追従して変形し、燃料電池セルを押圧することができる。これにより、燃料電池の熱サイクルの繰り返しに起因したセル内積層体の変形による、燃料極および空気極と集電体との間での電気的導通不良の発生をさらに抑制し、燃料電池の電気的接触の信頼性をさらに向上させることができる。
このような固体酸化物形燃料電池では、燃料電池の熱サイクルが繰り返された際に、非発電積層体は、異熱膨張部材が燃料極の材料とは異なる材料で構成されている場合よりも、セル内積層体の変形に追従して変形し、燃料電池セルを押圧することができる。これにより、燃料電池の熱サイクルの繰り返しに起因したセル内積層体の変形による、燃料極および空気極と集電体との間での電気的導通不良の発生をさらに抑制し、燃料電池の電気的接触の信頼性をさらに向上させることができる。
このように構成された固体酸化物形燃料電池では、薄膜を形成するグリーンシートの積層枚数により、異熱膨張部材の厚さを変えることができる。そして、異熱膨張部材の厚さにより、異熱膨張部材を含む非発電積層体の強度と反りの大きさを変えることができる。つまり、薄膜の積層枚数を変えるという簡便な方法で、非発電積層体の強度と反りの大きさを調整することができる。さらに、異熱膨張部材が組成の異なる材料を複数組み合わせ混合して構成された混合組成の材料で、かつ薄膜を複数積層して形成されることを組み合わせて、薄膜の各層を組成の異なる材料で構成することもできる。
このように構成された固体酸化物形燃料電池では、異熱膨張部材を有する非発電積層体が、燃料極を有する燃料電池セル(セル内積層体)よりも大きく反り変形する。これにより、非発電積層体が燃料電池セルを押圧する力が増加するため、非発電積層体は、燃料極および空気極と集電体との接触面積がより大きくなるように、セル内積層体または集電体を変形させることができる。
このように構成された固体酸化物形燃料電池では、阻止部材と、第1金属板または第2金属板とが接触した状態で焼き付き、ガス室内の空洞が潰れて、第1金属板または第2金属板において、燃料電池セルの変形に追従した変形ができなくなるという状況を回避することができる。
このように構成された固体酸化物形燃料電池では、例えば、阻止部材が板形状の金属で構成されている場合よりも、発泡金属で構成されている場合の方が、阻止部材は柔軟に変形できるため、燃料電池セルの変形に対して、より確実に追従変形することができる。
このように構成された固体酸化物形燃料電池では、付勢部材で構成された阻止部材が、第1金属板と第2金属板との接触を回避しつつ、ガス室と燃料電池セルの圧力差による外力によって変形するセル追従変形部の追従変形性を補うように機能して、燃料電池セルと集電体との電気的接触の信頼性をより向上させることができる。
このように構成された固体酸化物形燃料電池では、燃料電池スタックの発電反応に利用するためのガスを補助ガスとして流用することができるので、補助ガスのために別系統のガスを用意する必要がなくなる。
以下に本発明の実施形態を図面とともに説明する。
図1は本発明が適用された固体酸化物形燃料電池1の斜視図、図2は図1の燃料電池スタック3のII−II断面部を模式的に示す図、図3は図1の燃料電池スタック3のIII−III断面部を模式的に示す図、図4は固体酸化物形燃料電池1を分解した状態を示す斜視図、図5は図1のV−V断面部を模式的に示す図、図6A−6Cは外縁保持部材(非発電積層体と板形状の導電性部材とからなるセル変形追従部)4,5を分解した状態を示す平面図である。
また異熱膨張部材72は、その一面が固体電解質体71の一面に接した状態で配置されている。
そして外縁保持部材4,5は、上側フレーム83が燃料電池スタック3に接するように配置される。また本実施形態の外縁保持部材4,5では、固体電解質体71が上側フレーム83に接するように積層体70が配置される。すなわち、積層体70を構成する固体電解質体71と異熱膨張部材72とが積層される積層方向SY2に沿って、異熱膨張部材72から固体電解質体71へ向かう向きを積層体積層向きSY3とすると、外縁保持部材4の積層体積層向きSY3と、外縁保持部材5の積層体積層向きSY3とは、逆向きである。
まず、固体電解質体71を形成するためのYSZグリーンシートと、異熱膨張部材72を形成するためのNiO−YSZグリーンシートを作製する。
以下に本発明の第2実施形態を図面とともに説明する。尚、第2実施形態では、第1実施形態と異なる部分のみを説明する。図8は、第2実施形態の燃料電池1の断面部を模式的に示す図である。
以下に本発明の第3実施形態を図面とともに説明する。尚、第3実施形態では、第1実施形態と異なる部分のみを説明する。図9は、第3実施形態の燃料電池1の断面部を模式的に示す図である。
以下に本発明の第4実施形態を図面とともに説明する。尚、第4実施形態では、第1実施形態と異なる部分のみを説明する。図10は、第4実施形態の燃料電池1の断面部を模式的に示す図である。
(第5実施形態)
以下に本発明の第5実施形態を図面とともに説明する。尚、第5実施形態では、第3実施形態と異なる部分のみを説明する。図11は、第5実施形態の燃料電池1の断面部を模式的に示す図、図12は、第5実施形態の異熱膨張部材72と金属製フレーム83との接触を説明するための図である。
(第6実施形態)
以下に本発明の第6実施形態を図面とともに説明する。尚、第6実施形態では、第1実施形態と異なる部分のみを説明する。
以下に本発明の第7実施形態を図面とともに説明する。尚、第7実施形態では、第6実施形態と異なる部分のみを説明する。
第7実施形態の固体酸化物形燃料電池1は、ガスバネ204,205の代わりに、ガスバネ301を備える点以外は第6実施形態と同じである。
このため、上側フレーム311および下側フレーム313は、その表面と裏面との間の圧力差により変形するように構成されている。
以下に本発明の第8実施形態を図面とともに説明する。尚、第8実施形態では、第6実施形態と異なる部分のみを説明する。
なお、ステンレス製の発泡金属の場合には、ガス室240内に空気を導入してもよいが、Niセルメット製の発泡金属の場合には、空気では酸化するため、水素を導入することが望ましい。
以下に本発明の第9実施形態を図面とともに説明する。尚、第9実施形態では、第7実施形態と異なる部分のみを説明する。
第9実施形態の固体酸化物形燃料電池1は、ガスバネ301の代わりに、ガスバネ401を備える点以外は第7実施形態と同じである。
このように構成された燃料電池1では、コイルバネ405が、ガス室と燃料電池セルの圧力差による外力によって変形する上側フレーム311や下側フレーム313の追従変形性を補うことで、ガスバネ401の追従変形性をより向上させることができる。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の形態を採ることができる。
(非発電積層体に係わる実施形態に関して)
例えば上記第1実施形態では、積層体70を構成する固体電解質体71がYSZを材料として構成されているものを示したが、固体電解質体であればYSZ(イットリア安定化ジルコニア)以外の材料で固体電解質体71を構成してもよい。固体電解質体71の材料としては、例えば、ScSZ(スカンジア安定化ジルコニア)、SDC(サマリア添加セリア)、GDC(ガドリニウム添加セリア)等が挙げられる。
また上記第1実施形態では、固体電解質体71のYSZグリーンシートと異熱膨張部材72のNiO−YSZグリーンシートの枚数により、積層体70の厚さを調整して、積層体70の強度と反りを調整するものを示した。しかし、Ni含有量が異なる、すなわちNiO−YSZ混合比の異なる複数のNiO−YSZグリーンシートを、各々所望の枚数積み重ねることにより、異熱膨張部材72のNi含有量を調整することで、積層体70の強度と反りを調整するようにしてもよい。
(ガスバネに係わる実施形態に関して)
また上記第6実施形態では、アルミナペーストを塗布し、熱処理することにより形成されたアルミナ層234が配置されているものを示した。しかし、アルミナ層の形成方法は、ペースト塗布に限定されるものではなく、スパッタなどの一般的な成膜方法であってもよい。
(非発電積層体及びガスバネに係わる実施形態に関して)
また上記第6実施形態では、ガスバネ204,205が、燃料電池セル2の積層方向SY1の一端側、他端側に配置されるものを示した。しかし、図20に示すように、燃料電池スタック3の上端側に、ガスバネ204の代わりに外縁保持部材4を、燃料電池スタック3の下端側にガスバネ205を配置するようにしてもよい。この場合、ガスバネ205および外縁保持部材4には、空気を導入する。ガスバネ205は、燃料電池スタック下端側の燃料電池セルの燃料極と接しており、ガス室内の空気と燃料電池セル内の水素との圧力差により、その間に介在する金属板が、燃料電池セルの反り変形に追従して変形し、燃料電池セルを押圧する。一方、外縁保持部材4は、燃料電池スタック上端側の燃料電池セルの空気極と接しており、外縁保持部材4を構成する積層体が、燃料電池セルの反り変形に追従して変形し、燃料電池セルを重石のように押圧する。このように、燃料電池スタック3が上端側と下端側の両方から押圧されることにより、熱サイクルの繰り返しに起因した、燃料電池セルと集電体との電気的導通不良を回避して、燃料電池セルと集電体との電気的接触の信頼性を向上させる。
Claims (23)
- 板形状の第1固体電解質体と、該第1固体電解質体の一面に設けられて燃料ガスに接する燃料極と、前記第1固体電解質体の他面に設けられて酸化剤ガスに接する空気極とを有する燃料電池セルを備える固体酸化物形燃料電池であって、
前記燃料電池セルにおいて前記第1固体電解質体と前記燃料極と前記空気極とが積層される第1積層方向に沿った、前記燃料電池セルの両側のうち、少なくとも一方側に位置し、熱膨張率差を含む物理量に基づき前記燃料電池セルの変形に追従して変形するセル追従変形部を備え、
前記セル追従変形部は、
板形状の第2固体電解質体と、該第2固体電解質体の一面に設けられて該第2固体電解質体と熱膨張率が異なる板形状の部材である異熱膨張部材とが積層されるとともに、発電に利用されないように構成された非発電積層体と、
一面で前記燃料電池セルに接するとともに他面で前記非発電積層体に接する板形状の導電性部材とから構成される
ことを特徴とする固体酸化物形燃料電池。 - 当該固体酸化物形燃料電池は、前記燃料電池セルを複数積層した燃料電池スタックを備え、
前記非発電積層体は、
前記燃料電池スタックの前記燃料電池セルが積層される第2積層方向に沿った、前記燃料電池スタックの両側のうち、少なくとも一方側に配置される
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。 - 前記非発電積層体は、前記燃料電池スタックの両側に配置され、
前記非発電積層体を構成する前記第2固体電解質体と前記異熱膨張部材とが積層される第3積層方向に沿って、前記異熱膨張部材から前記第2固体電解質体へ向かう向きを積層体積層向きとして、
前記燃料電池スタックの両側のうち、一方側に配置された前記非発電積層体の前記積層体積層向きと、他方側に配置された前記非発電積層体の前記積層体積層向きとは、同じ向きである
ことを特徴とする請求項2に記載の固体酸化物形燃料電池。 - 前記非発電積層体は、前記燃料電池スタックの両側に配置され、
前記非発電積層体を構成する前記第2固体電解質体と前記異熱膨張部材とが積層される第3積層方向に沿って、前記異熱膨張部材から前記第2固体電解質体へ向かう向きを積層体積層向きとして、
前記燃料電池スタックの両側のうち、一方側に配置された前記非発電積層体の前記積層体積層向きと、他方側に配置された前記非発電積層体の前記積層体積層向きとは、逆向きである
ことを特徴とする請求項2に記載の固体酸化物形燃料電池。 - 前記非発電積層体を構成する前記第2固体電解質体と前記異熱膨張部材とが積層される第3積層方向に沿った、前記非発電積層体の両側のうち、少なくとも一方側に絶縁性部材が設けられる
ことを特徴とする請求項2〜請求項4の何れかに記載の固体酸化物形燃料電池。 - 前記非発電積層体は、
前記燃料電池スタックの前記燃料電池セルが積層される第2積層方向に沿った、前記燃料電池スタックの内部に配置され、
前記非発電積層体は、
前記異熱膨張部材が前記第2固体電解質体と接する、前記異熱膨張部材の面上において、前記第2固体電解質体が形成されていない領域を有する
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。 - 前記第2固体電解質体は、前記第1固体電解質体と同じ材料で構成される
ことを特徴とする請求項1〜請求項6の何れかに記載の固体酸化物形燃料電池。 - 前記非発電積層体は、
前記第1固体電解質体と前記燃料極とが積層された積層体と同じ形状である
ことを特徴とする請求項1〜請求項7の何れかに記載の固体酸化物形燃料電池。 - 前記異熱膨張部材は、前記燃料極と同じ材料で構成される
ことを特徴とする請求項1〜請求項8の何れかに記載の固体酸化物形燃料電池。 - 前記異熱膨張部材は、単一組成の材料で構成される
ことを特徴とする請求項1〜請求項9の何れかに記載の固体酸化物形燃料電池。 - 前記異熱膨張部材は、混合組成の材料で構成される
ことを特徴とする請求項1〜請求項9の何れかに記載の固体酸化物形燃料電池。 - 前記異熱膨張部材は、薄膜を複数積層して形成される
ことを特徴とする請求項1〜請求項11の何れかに記載の固体酸化物形燃料電池。 - 前記異熱膨張部材は、前記燃料極よりも熱膨張時の反りが大きい
ことを特徴とする請求項1〜請求項12の何れかに記載の固体酸化物形燃料電池。 - 板形状の第1固体電解質体と、該第1固体電解質体の一面に設けられて燃料ガスに接する燃料極と、前記第1固体電解質体の他面に設けられて酸化剤ガスに接する空気極とを有する燃料電池セルを備える固体酸化物形燃料電池であって、
前記燃料電池セルにおいて前記第1固体電解質体と前記燃料極と前記空気極とが積層される第1積層方向に沿った、前記燃料電池セルの両側のうち、少なくとも一方側に位置し、圧力差を含む物理量に基づき前記燃料電池セルの変形に追従して変形するセル追従変形部を備え、
前記セル追従変形部は、
金属製の板状部材である第1金属板と、
前記第1金属板に対向して配置された金属製の板状部材である第2金属板と、
前記第1金属板と前記第2金属板の間において、補助ガスが導入可能に構成されたガス室と、
前記ガス室の内部において、前記第1金属板と、前記第2金属板との間に配置され、前記第1金属板と前記第2金属板とが接触することを阻止する阻止部材とから構成される
ことを特徴とする固体酸化物形燃料電池。 - 当該固体酸化物形燃料電池は、前記燃料電池セルを複数積層した燃料電池スタックを備え、
前記セル追従変形部は、
前記燃料電池スタックの前記燃料電池セルが積層される第2積層方向に沿った、前記燃料電池スタックの両側のうち、少なくとも一方側に配置される
ことを特徴とする請求項14に記載の固体酸化物形燃料電池。 - 前記阻止部材は、絶縁材料で構成されている
ことを特徴とする請求項14または請求項15に記載の固体酸化物形燃料電池。 - 前記阻止部材は、発泡金属で構成されている
ことを特徴とする請求項14または請求項15に記載の固体酸化物形燃料電池。 - 前記発泡金属は、前記第1金属板および前記第2金属板との接触面において絶縁材料が設けられている
ことを特徴とする請求項17に記載の固体酸化物形燃料電池。 - 前記第1金属板と前記阻止部材との間、および前記第2金属板と前記阻止部材との間の少なくとも一方において付勢部材が設けられる
ことを特徴とする請求項14〜請求項18の何れかに記載の固体酸化物形燃料電池。 - 前記阻止部材は、付勢部材で構成される
ことを特徴とする請求項14〜請求項16の何れかに記載の固体酸化物形燃料電池。 - 当該固体酸化物形燃料電池は、前記燃料電池セルを複数積層した燃料電池スタックを備え、
前記セル追従変形部は、
前記燃料電池スタックの前記燃料電池セルが積層される第2積層方向に沿った、前記燃料電池スタックの内部に配置され、
さらに、前記セル追従変形部は、
前記ガス室を前記補助ガスが流通可能に構成されている
ことを特徴とする請求項14〜請求項20の何れかに記載の固体酸化物形燃料電池。 - 当該固体酸化物形燃料電池は、前記燃料電池セルを複数積層した燃料電池スタックを備え、
前記セル追従変形部は、
前記燃料電池スタックの前記燃料電池セルが積層される第2積層方向に沿った、前記燃料電池スタックの両側のうち、少なくとも一方側に配置され、
さらに、前記セル追従変形部は、
前記ガス室を前記補助ガスが流通不可能に構成されている
ことを特徴とする請求項14〜請求項20の何れかに記載の固体酸化物形燃料電池。 - 前記補助ガスは、前記酸化剤ガス若しくは前記燃料ガスである
ことを特徴とする請求項14〜請求項22の何れかに記載の固体酸化物形燃料電池。
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