JP5591743B2 - 固体酸化物形燃料電池 - Google Patents
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Description
ここで,燃料電池セルが温度変化等により変形した際に,燃料電池セル本体とインターコネクタの電気的接続が解除される可能性がある。例えば,集電体が塑性変形することで(例えば,座屈),集電体−燃料電池セル本体間,または集電体−インターコネクタ間の接触が断たれ,燃料電池セル本体とインターコネクタの電気的接続が解除される可能性がある。
集電体が変形した場合でも,導電性部材,導電性セパレータ,および導電性フレームによって,空気極層,燃料極層の一方と,コネクタの間での電気的導通が確保される。
なお,「板状の」コネクタ,燃料電池セル本体,導電性セパレータまたは導電性フレームは,その表面にガス流路を形成する凹凸状を有するものも含む。
導電性セパレータ,導電性フレーム,およびコネクタの電気的接続の確実性を向上できる。
なお,金属層を導電性フレームの貫通孔の全周に形成することで,導電性フレームの内部を気密に封止することが可能となる。
このような金属材料を用いることで,導電性セパレータ,前記導電性フレーム,および前記コネクタの導電性と耐久性の両立が可能である。例えば,溶接により金属層を形成することが容易となる。
以下,図面を参照して,本発明の実施の形態を詳細に説明する。
図1は,本発明の第1の実施形態に係る固体酸化物形燃料電池(燃料電池スタック)10を表す斜視図である。固体酸化物形燃料電池10は,燃料ガスと酸化剤ガスの供給を受けて発電する装置である。
図2に示すように,前記燃料電池セル100は,いわゆる燃料極支持形タイプの燃料電池セルであり,上下一対の金属製のインターコネクタ110(1),110(2)の間に,燃料電池セル本体140が配置される。燃料電池セル本体140とインターコネクタ110(1),110(2)の間に,空気流路101,燃料ガス流路102が配置される。
燃料極機能層144,燃料極基板層145の構成材料は同一でもよく,同一でなくても良い。燃料極機能層144,燃料極基板層145の構成材料を同一とする場合,これらの熱膨張係数が同程度となり,熱処理時や高温での作動時にこれらの間での剥離を抑制する効果がより大きい。
金属としては,Pt,Au,Ag,Pd,Ir,Ru,Ni及びRh等の金属又は2種以上の金属を含有する合金が挙げられる。
更に金属の酸化物としては,固体電解質層143と同等の材料で,例えばZrO2系セラミック,LaGaO3系セラミック,BaCeO3系セラミック,SrCeO3系セラミック,SrZrO3系セラミック,及びCaZrO3系セラミック等が挙げられる。
金属と金属の酸化物の混合物として,例えば,Ni金属とZrO2系セラミックの混合物が挙げられる。なお,この場合,NiOとZrO2系セラミックの混合物を初期材料(燃料電池セル100動作開始前の構成材料)として用いることができる。燃料極側では還元雰囲気に曝されるために,還元反応が進行した結果,NiOとZrO2系セラミックの混合物が,Ni金属とZrO2系セラミックの混合物に変化するからである。
一方,集電体147は,非多孔質(多孔質でない)の金属(例えばステンレス)から構成され,座屈等の塑性変形は事実上無視できる。なお,集電体147を多孔質とすることも可能である。
なお,各部材の平面形状は,「正方形」に限らず,他の平面形状とすることも可能である。例えば,長方形,円形などが挙げられる。他の平面形状とした場合では,燃料電池セル本体140面内の荷重をある程度均一にすることができる。
金属層182は,セパレータ130の下面と燃料極フレーム160の上面を電気的に接続する。金属層183は,燃料極フレーム160の下面とインターコネクト110(2)の上面を電気的に接続する。
(1)燃料極基板層145および集電体181を経由する経路(電流I1)
(2)燃料極基板層145,導電性部材184,セパレータ130,金属層182,燃料極フレーム160,金属層183を経由する経路(電流I2)
図5,図6は,本発明の比較例に係る燃料電池セル100xの断面図であり,それぞれ図2,図4に対応する。
燃料電池セル100xは,金属層182,183,導電性部材184を有せず,インターコネクタ110(1),110(2)間の電気的接続は,燃料極基板層145および集電体181を経由する経路(電流I1)のみに限定される。
このため,図6に示すように,集電体181による燃料極基板層145,インターコネクタ110(2)間の電気的接続が遮断された場合,インターコネクタ110(1),110(2)間の導通が確保されない。
図7,図8は,本発明の第1の実施形態の変形例に係る燃料電池セル100aの断面図であり,それぞれ図2,図4に対応する。
燃料電池セル100aは,導電性部材184に替えて,導電性部材185(第1の導電性部材)を有する。
(1)燃料極基板層145および集電体181を経由する経路1(電流I1)
(2)燃料極基板層145,燃料極機能層144,導電性部材185,セパレータ130,金属層182,燃料極フレーム160,金属層183を経由する経路3(電流I3)
本発明の実施形態は上記の実施形態に限られず拡張,変更可能であり,拡張,変更した実施形態も本発明の技術的範囲に含まれる。
これに対して,空気極側に金属層182,183,導電性部材184を配置しても良い。この場合,集電体147が変形した場合でも,燃料電池セル本体140の空気極側とインターコネクタ110(1)間の電気的導通の確保が可能となる。
インターコネクタ110は,燃料電池セル100間での電気的導通を確保するために,燃料電池セル100間に配置される。このインターコネクタ110(2)を,固体酸化物形燃料電池10の上端または下端の端末コネクタとしてもよい。即ち,インターコネクタ110(2)に替えて,コネクタ一般への適用が可能である。
11 上面
12 底面
21-28 貫通孔
41-48 ボルト
51-58 ナット
60 部材
61 導入管
62 部材
100 燃料電池セル
101 空気流路
102 燃料ガス流路
110 インターコネクタ
120 ガスシール部
121-124 貫通孔
125 開口部
127 切り欠き
130 セパレータ
131-134 貫通孔
135 開口部
140 燃料電池セル本体
141 空気極機能層
142 反応防止層
143 固体電解質層
144 燃料極機能層
145 燃料極基板層
147 集電体
160 燃料極フレーム
161-164 貫通孔
165 開口部
167 切り欠き
181 集電体
182,183 金属層
184,185 導電性部材
Claims (2)
- 空気極層,固体電解質層,燃料極層を有する板状の燃料電池セル本体と,
前記空気極層,前記燃料極層の一方と面的に接触して電気的に接続される第1の主面と,前記第1の主面の反対側に位置する第2の主面とを有する集電体と,
前記集電体の第2の主面と面的に接触して電気的に接続される,板状のコネクタと,
前記燃料電池セル本体の前記固体電解質層に接続し,前記燃料電池セル本体と共に対向する二つの前記コネクタで挟まれた内部空間を空気極層側,燃料極層側の空間に分画する,板状の導電性セパレータと,
前記空気極層,前記燃料極層の前記一方と,前記導電性セパレータとを電気的に接続する導電性部材と,
前記導電性セパレータと前記コネクタとの間に配置されて,前記導電性セパレータと前記コネクタとを電気的に接続し,前記空気極層,前記燃料極層の前記一方の少なくとも一部が収容される貫通孔を有する,板状の導電性フレームと,
前記導電性セパレータと前記導電性フレーム,および前記導電性フレームと前記コネクタをそれぞれ電気的に接続する金属層と,
を具備することを特徴とする固体酸化物形燃料電池。 - 前記導電性セパレータ,前記導電性フレーム,および前記コネクタが,FeおよびNiの少なくとも何れかを含む金属から構成される
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。
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