JP6154038B1

JP6154038B1 - 電気化学セル

Info

Publication number: JP6154038B1
Application number: JP2016050651A
Authority: JP
Inventors: 玄太寺澤; 功一古賀; 匡玄難波; 雄多松野; 壮太清水; 誠大森
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2016-03-15
Filing date: 2016-03-15
Publication date: 2017-06-28
Anticipated expiration: 2036-03-15
Also published as: JP2017168245A

Abstract

【課題】マニホールドの挿入孔に固定する際に容易に位置決め可能な電気化学セルを提供する。【解決手段】燃料電池１０は、本体部１１と、本体部１１の内部に形成され、第１方向に延びるガス流路１２とを備える。第１方向に垂直な第２方向における本体部１１の幅は、中央部１１ａから第１端部１１ｂに向かって徐々に狭まっている。【選択図】図２

Description

本発明は、電気化学セルに関するものである。

従来、電気化学セルの一種である複数の燃料電池と、各燃料電池を支持するマニホールドとを備えるセルスタックが知られている（例えば、特許文献１）。各燃料電池は、平板状に形成される。各燃料電池の一端部は、マニホールドに挿入された状態で固定されている。

特開２０１５−１６４０９４号公報

ところで、燃料電池の一端部をマニホールドに挿入して固定する際、燃料電池をマニホールドに挿入した状態で位置決めすることは必ずしも容易ではない。このような問題は、燃料電池に限られるものではなく、電解セルを含む電気化学セル全般において同様に生じる。

本発明の課題は、マニホールドの挿入孔に固定する際に容易に位置決め可能な電気化学セルを提供することにある。

本発明に係る電気化学セルは、本体部と、本体部の内部に形成され、第１方向に延びるガス流路とを備える。第１方向に垂直な第２方向における本体部の幅は、中央部から第１端部に向かって徐々に狭まっている。

本発明によれば、マニホールドの挿入孔に固定する際に容易に位置決め可能な電気化学セルを提供することができる。

燃料電池スタックの斜視図燃料電池の平面図燃料電池の側面図図２のＡ−Ａ断面図

（燃料電池スタック１００の構成）
図１は、燃料電池スタック１００の斜視図である。燃料電池スタック１００は、複数の燃料電池１０と、マニホールド２０とを備える。

各燃料電池１０は、マニホールド２０によって支持される。各燃料電池１０の一端部は、マニホールド２０に形成された挿入孔２１に挿入される。各燃料電池１０の一端部は、図示しない接合材（例えば、非晶質ガラスなど）によってマニホールド２０に固定される。各燃料電池１０の他端部は自由端である。各燃料電池１０同士は、所定間隔で並べられており、図示しない集電部材（例えば、酸化物系セラミックスや金属）によって互いに電気的に接続されている。燃料電池１０の個数及び列数は、適宜変更可能である。

マニホールド２０は、各燃料電池１０を支持する。マニホールド２０は、中空状に形成される。マニホールド２０は、燃料ガスを内部に導入するための燃料導入路２２を有する。マニホールド２０の内部に導入された燃料ガスは、燃料電池１０に供給される。

燃料電池スタック１００の稼働時、高温の燃料ガス（水素など）がマニホールド２０に導入されるとともに、酸素含有ガス（空気など）が各燃料電池１０の隙間を通過する。

（燃料電池１０の構成）
次に、燃料電池１０の構成について図面を参照しながら説明する。図２は、燃料電池１０の平面図である。図３は、燃料電池１０の側面図である。

図２及び図３に示すように、燃料電池１０は、本体部１１と複数のガス流路１２とを備える。燃料電池１０は、いわゆる横縞型の固体酸化物型燃料電池である。

１．本体部１１
本体部１１は、平板状に形成される。本体部１１は、主面（板面）１１Ｓを有する。本体部１１のサイズは特に制限されないが、第１方向の長さは５ｃｍ〜５０ｃｍとすることができ、第１方向に垂直な第２方向における幅は１ｃｍ〜１０ｃｍとすることができ、第１方向及び第２方向に垂直な第３方向（図２では不図示、図４参照）における厚みは１ｍｍ〜５ｍｍとすることができる。本実施形態において、第１方向は本体部１１の長手方向であり、第２方向は本体部１１の短手方向であり、第３方向は本体部１１の厚み方向である。

本体部１１は、中央部１１ａ、第１端部１１ｂ及び第２端部１１ｃを含む。中央部１１ａは、第１方向において本体部１１の中央に位置する。第１端部１１ｂは、第１方向において本体部１１の一端に位置する。第２端部１１ｃは、第１方向において本体部１１の他端に位置する。第１端部１１ｂは、第２端部１１ｃの反対側に位置する。

本体部１１は、主面１１Ｓの平面視において、中央部１１ａから第１及び第２端部１１ｂ，１１ｃそれぞれに向かってテーパ状に形成されている。すなわち、第２方向における本体部１１の幅は、中央部１１ａから第１端部１１ｂに向かって徐々に狭まっている。また、第２方向における本体部１１の幅は、中央部１１ａから第２端部１１ｃに向かって徐々に狭まっている。

中央部１１ａの幅Ｗａは、第１端部１１ｂの幅Ｗｂよりも大きい。従って、第１方向に垂直な断面において、本体部１１の断面積は、第１端部１１ｂから中央部１１ａに向かって徐々に大きくなっている。中央部１１ａの幅Ｗａに対する第１端部１１ｂの幅Ｗｂの比（Ｗｂ／Ｗａ）は１．０未満であればよく、特に制限されるものではない。燃料電池１０の位置決めを容易にすることを考慮すると、比（Ｗｂ／Ｗａ）は０．９４以下が好ましく、０．９２以下がより好ましく、０．９０以下が特に好ましい。一方、温度上昇しやすい中央部１１ａの幅を広くすると、中央部１１ａの外表面積が広がって放熱性が向上するため、本体部１１の全体的な温度分布を均一にすることができる。この点を考慮すると、比（Ｗｂ／Ｗａ）は、０．９４以上が好ましく、０．９２以上がより好ましく、０．９０以上が特に好ましい。

中央部１１ａの幅Ｗａは、第２端部１１ｃの幅Ｗｃよりも大きい。従って、第１方向に垂直な断面において、本体部１１の断面積は、中央部１１ａから第２端部１１ｃに向かって徐々に小さくなっている。中央部１１ａの幅Ｗａに対する第１端部１１ｃの幅Ｗｃの比（Ｗｃ／Ｗａ）は１．０未満であればよく、特に制限されるものではない。中央部１１ａの幅を広くすることによって本体部１１の温度分布を均一にすることを考慮すると、比（Ｗｃ／Ｗａ）は、０．９４以上が好ましく、０．９２以上がより好ましく、０．９０以上が特に好ましい。

本実施形態において、第１端部１１ｂの幅Ｗｂは、第２端部１１ｃの幅Ｗｃと同等である。ただし、第１端部１１ｂの幅Ｗｂは、第２端部１１ｃの幅Ｗｃより小さくてもよいし、第２端部１１ｃの幅Ｗｃより大きくてもよい。

また、本体部１１は、側面視においても、中央部１１ａから第１及び第２端部１１ｂ，１１ｃそれぞれに向かってテーパ状に形成されている。すなわち、第３方向における本体部１１の厚みは、中央部１１ａから第１端部１１ｂに向かって徐々に薄くなっている。また、第３方向における本体部１１の厚みは、中央部１１ａから第２端部１１ｃに向かって徐々に薄くなっている。

中央部１１ａの厚みＴａは、第１端部１１ｂの厚みＴｂよりも大きい。従って、第１方向に垂直な断面において、本体部１１の断面積は、第１端部１１ｂから中央部１１ａに向かって徐々に大きくなっている。中央部１１ａの厚みＴａに対する第１端部１１ｂの厚みＴｂの比（Ｔｂ／Ｔａ）は１．０未満であればよく、特に制限されるものではない。燃料電池１０の位置決めを容易にすることを考慮すると、比（Ｔｂ／Ｔａ）は０．９５以下が好ましく、０．９０以下がより好ましく、０．８５以下が特に好ましい。一方、中央部１１ａの厚みを厚くして燃料電池１０どうしの隙間を狭くすると、燃料電池１０どうしの隙間を通過する空気の流速が速まるため、各燃料電池１０の冷却効率を向上させることができる。この点を考慮すると、比（Ｔｂ／Ｔａ）は０．９５以上が好ましく、０．９０以上がより好ましく、０．８５以上が特に好ましい。

中央部１１ａの厚みＴａは、第２端部１１ｃの厚みＴｃよりも大きい。従って、第１方向に垂直な断面において、本体部１１の断面積は、中央部１１ａから第２端部１１ｃに向かって徐々に小さくなっている。中央部１１ａの厚みＴａに対する第１端部１１ｃの厚みＴｃの比（Ｔｃ／Ｔａ）は１．０未満であればよく、特に制限されるものではない。中央部１１ａの厚みを厚くすることによって燃料電池１０の冷却効率を向上させることを考慮すると、中央部１１ａの厚みＴａに対する第１端部１１ｃの厚みＴｃの比は、０．９５以上が好ましく、０．９０以上がより好ましく、０．８５以上が特に好ましい。

本実施形態において、第１端部１１ｂの厚みＴｂは、第２端部１１ｃの厚みＴｃと同等である。ただし、第１端部１１ｂの厚みＴｂは、第２端部１１ｃの厚みＴｃより小さくてもよいし、第２端部１１ｃの厚みＴｃより大きくてもよい。

２．複数のガス流路１２
複数のガス流路１２は、本体部１１の内部に形成される。各ガス流路１２は、第１方向に沿って延びる。各ガス流路１２は、第２方向に並べられている。

各ガス流路１２は、本体部１１の第１端部１１ｂと第２端部１１ｃに開口する。燃料ガスは、第１端部１１ｂ側の開口から流入し、第２端部１１ｃ側の開口から流出する。

本実施形態では、図２に示すように、５本のガス流路１２が本体部１１に設けられているが、ガス流路１２の本数、サイズ及び位置は適宜変更可能である。

（燃料電池１０の内部構造）
次に、燃料電池１０の内部構造について図面を参照しながら説明する。図４は、図２のＡ−Ａ断面図である。

燃料電池１０は、支持基板２、燃料極３、固体電解質層４、反応防止層５、空気極６、空気極集電層７及びインターコネクタ８を備える。燃料極３、固体電解質層４、反応防止層５、空気極６、空気極集電層７及びインターコネクタ８は、発電部１３を構成する。固体電解質層４は、支持基板２のうち発電部１３以外の領域全体を覆っている。支持基板２と固体電解質層４は、本体部１１を構成する。

支持基板２は、平板状に形成される。支持基板２は、本体部１１の主体部である。従って、第２方向における支持基板２の幅は、中央部から両端部に向かって徐々に狭まっている。支持基板２の内部には、ガス流路１２が設けられる。ガス流路１２を流れる燃料ガスは、支持基板２内部を通って燃料極３に供給される。支持基板２の厚さは特に制限されないが、１ｍｍ〜５ｍｍとすることができる。支持基板２の気孔率は特に制限されないが、還元雰囲気において２０％〜６０％とすることができる。

支持基板２は、電気絶縁性の多孔質材料を主成分として含有する。支持基板２を構成する材料としては、ＭｇＯ（酸化マグネシウム）、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４（マグネシアアルミナスピネル）とＭｇＯ（酸化マグネシウム）の混合物、ＣＳＺ（カルシア安定化ジルコニア）、８ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）、Ｙ_２Ｏ_３（イットリア）、ＣＺＯ（カルシウムジルコネート）などの絶縁性セラミックスを用いることができる。なお、本明細書において、「主成分として含有する」とは、対象成分を８０重量％以上含有することを意味する。

支持基板２は、燃料ガスの改質反応を促す触媒として機能する遷移金属又は当該遷移金属の酸化物を含んでいてもよい。遷移金属としては、Ｎｉ（ニッケル）が好適である。

燃料極３は、アノードとして機能する。燃料極３は、燃料極集電層３１と燃料極活性層３２とを有する。

燃料極集電層３１は、支持基板２上に配置される。燃料極集電層３１は、ＮｉＯを含み、電子伝導性を有する物質によって構成される。燃料極集電部３１は、酸素イオン伝導性を有する物質を含んでいてもよい。燃料極集電層３１は、例えば、ＮｉＯ−８ＹＳＺ、ＮｉＯ−Ｙ_２Ｏ_３、ＮｉＯ−ＣＳＺなどによって構成することができる。燃料極集電部３１の厚さは特に制限されないが、５０μｍ〜５００μｍとすることができる。燃料極集電部３１は多孔質であればよく、その気孔率は特に制限されないが、２５％〜５０％とすることができる。

燃料極活性層３２は、燃料極集電層３１上に配置される。燃料極活性層３２は、電子伝導性を有する物質と酸素イオン伝導性を有する物質とによって構成される。燃料極活性層３２は、例えば、ＮｉＯ−８ＹＳＺやＮｉＯ−ＧＤＣ（ガドリニウムドープセリア）などによって構成することができる。燃料極活性層３２における酸素イオン伝導性を有する物質の体積割合は、燃料極集電部３１における酸素イオン伝導性を有する物質の体積割合よりも大きいことが好ましい。燃料極活性層３２の厚さは特に制限されないが、５μｍ〜３０μｍとすることができる。燃料極活性層３２の気孔率は特に制限されないが、２５％〜５０％とすることができる。

固体電解質層４は、燃料極３と空気極６の間に配置される。本実施形態において、固体電解質層４は、支持基板２のうち発電部１３以外の領域全体を覆っている。固体電解質層４は、インターコネクタ８とともに、燃料極３に供給される燃料ガスと空気極６に供給される空気との混合を防止するためのシール膜を構成する。

固体電解質層４は、ジルコニアを主成分として含むことができる。固体電解質層４を構成する材料としては、例えば、３ＹＳＺ、８ＹＳＺ、ＳｃＳＺ（スカンジア安定化ジルコニア）などを用いることができる。固体電解質層４の厚さは特に制限されないが、３μｍ〜５０μｍとすることができる。

反応防止層５は、固体電解質層４上に配置される。反応防止層５を構成する材料としては、例えば、セリア及びセリアに固溶した希土類金属酸化物を含むセリア系材料を用いることができる。このようなセリア系材料としては、ＧＤＣ、ＳＤＣ（サマリウムドープセリア）などが挙げられる。反応防止膜５の厚さは特に制限されないが、３μｍ〜５０μｍとすることができる。

空気極６は、反応防止層５上に配置される。空気極６を構成する材料としては、例えば、（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｃｏ，Ｆｅ）Ｏ_３（ＬＳＣＦ、ランタンストロンチウムコバルトフェライト）、（Ｌａ，Ｓｒ）ＦｅＯ_３（ＬＳＦ、ランタンストロンチウムフェライト）、Ｌａ（Ｎｉ，Ｆｅ）Ｏ_３（ＬＮＦ、ランタンニッケルフェライト）、（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｏＯ_３（ＬＳＣ、ランタンストロンチウムコバルタイト）などが挙げられる。空気極６の厚さは特に制限されないが、１０〜１００μｍとすることができる。

空気極集電層７は、空気極６上に形成される。空気極集電層７は、隣接する他の発電部１３のインターコネクタ８に接続される。空気極集電層７は、電子伝導性を有する多孔質材料によって構成される。空気極集電層７は、例えば、ＬＳＣＦ、ＬＳＣ、Ａｇ（銀）、Ａｇ−Ｐｄ（銀パラジウム合金）などによって構成することができる。空気極集電層７の厚さは特に制限されないが、５０μｍ〜５００μｍとすることができる。

インターコネクタ８は、燃料極３上に配置される。インターコネクタ８は、隣接する他の発電部１３の空気極集電層７に接続される。インターコネクタ８は、支持基板２や燃料極３に比べて緻密な層である。インターコネクタ８は、例えば、ＬａＣｒＯ_３（ランタンクロマイト）、（Ｓｒ，Ｌａ）ＴｉＯ_３（ストロンチウムチタネート）などによって構成することができる。インターコネクタ８は燃料極３よりも緻密であればよく、その気孔率は特に制限されないが、２０％以下が好ましく、１０％以下がより好ましい。インターコネクタ８の厚さは特に制限されないが、１０μｍ〜１００μｍとすることができる。

（燃料電池スタック１００の製造方法）
次に、燃料電池スタック１００の製造方法の一例について説明する。

まず、上述の支持基板材料を押出成形、圧粉成形、或いはテープ成形することによって、複数のガス流路１２を有する支持基板２の成形体を形成する。この際、支持基板２の成形体の幅が中央部から両端部に向かって徐々に狭まるように成形する。押出成形によって支持基板２の成形体を形成する場合には、押出成形によって直方体の成形体を形成した後に所望の太鼓形状に切削加工すればよい。

次に、上述の燃料極材料をペースト化して支持基板２の成形体上にスクリーン印刷することによって、燃料極３の成形体を形成する。

次に、インターコネクタ材料をペースト化して燃料極３の成形体上にスクリーン印刷することによって、インターコネクタ８の成形体を形成する。

次に、支持基板２及び燃料極３の成形体上に固体電解質材料をディップ成形することによって、固体電解質層４の成形体を形成する。次に、固体電解質層４の成形体上に反応防止層材料をディップ成形することによって、反応防止層５の成形体を形成する。

次に、支持基板２、燃料極３、固体電解質層４、反応防止層５及びインターコネクタ８それぞれの成形体を共焼成（１３００〜１６００℃、２〜２０時間）する。

次に、空気極材料をペースト化して反応防止層５上にスクリーン印刷することによって、空気極６の成形体を形成する。次に、空気極集電層材料をペースト化して空気極６の成形体上にスクリーン印刷することによって、空気極集電層７の成形体を形成する。次に、空気極６及び空気極集電層７の成形体を焼成（９００〜１１００℃、１〜２０時間）する。以上によって、燃料電池１０が作製される。

次に、マニホールド２０を準備し、治具を用いて複数の燃料電池１０それぞれを挿入孔２１に挿入する。この際、燃料電池１０の本体部１１の幅が、中央部１１ａから第１端部１１ｂに向かって徐々に狭まっているため、第１端部１１ｂを挿入孔２１に差し込むだけで燃料電池１０を容易に位置決めすることができる。

次に、例えば非晶質材料（例えば、非晶質ガラスなど）のペーストを第１端部１１ｂの周りに塗布する。次に、塗布されたペーストを熱処理（８００℃〜１０５０℃、１時間〜１０時間）することによって固化する。

（作用及び効果）
（１）本実施形態に係る燃料電池１０において、本体部１１の第２方向における幅が、中央部１１ａから第１端部１１ｂに向かって徐々に狭まっている。
従って、第１端部１１ｂを挿入孔２１に差し込むことによって、挿入孔２１に第１端部１１ｂを嵌め込むことができるため、燃料電池１０を容易に位置決めすることができる。
また、中央部１１ａの断面積が第１端部１１ｂの断面積よりも大きいため、第１端部１１ｂから中央部１１ａに向かう燃料ガスの流速が低減される。そのため、燃料ガスを発電部１３に効率的に供給することによって、燃料電池１０の発電効率を向上させることができる。さらに、温度上昇しやすい中央部１１ａの幅を広くして、中央部１１ａの放熱性を向上させることによって、本体部１１の全体的な温度分布を均一化することができる。

（２）燃料電池１０において、本体部１１の第２方向における幅が、中央部１１ａから第２端部１１ｃに向かって徐々に狭まっている。
従って、中央部１１ａの幅を広くすることによって、本体部１１の温度分布を均一化することができる。

（３）燃料電池１０において、本体部１１の第３方向における厚みが、中央部１１ａから第１端部１１ｂに向かって徐々に薄くなっている。
従って、第１端部１１ｂを挿入孔２１に差し込むことによって、挿入孔２１に第１端部１１ｂを嵌め込むことができるため、燃料電池１０をより容易に位置決めすることができる。また、中央部１１ａの厚みを厚くして燃料電池１０どうしの隙間を狭くして、燃料電池１０どうしの隙間を通過する空気の流速を速めることによって、燃料電池１０の冷却効率を向上させることができる。

（４）燃料電池１０において、本体部１１の第３方向における厚みが、中央部１１ａから第２端部１１ｃに向かって徐々に薄くなっている。従って、中央部１１ａの厚みを厚くして燃料電池１０どうしの隙間を狭くすることによって、燃料電池１０の冷却効率を向上させることができる。

（他の実施形態）
本発明は以上のような実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱しない範囲で種々の変形又は変更が可能である。

上記実施形態では、本発明に係る本体部を固体酸化物型燃料電池に適用した場合について説明したが、本発明に係る本体部は、固体酸化物型燃料電池のほか、固体酸化物型電解セルを含む固体酸化物型電気化学セルに適用可能である。

上記実施形態では、本体部１１の第２方向における幅が、中央部１１ａから第２端部１１ｃに向かって徐々に狭まっていることとしたが、中央部１１ａから第２端部１１ｃに向かって一定であってもよい。

上記実施形態では、固体電解質層４が、支持基板２の外面を覆うシール膜であることとしたが、これに限られるものではない。支持基板２の外面を覆うシール膜は、固体電解質材料以外の緻密質材料によって構成されていてもよい。この場合、シール膜は、固体電解質層４と一体的に連結されていればよい。

上記実施形態では特に触れていないが、本体部１１の内部に形成されたガス流路１２は、第１端部１１ｂから中央部１１ａに近づくにつれて徐々に太くなっていてもよい。これによって、燃料ガスの流速をさらに低減させることができる。

２支持基板
３燃料極
４固体電解質層
５反応防止層
６空気極
７空気極集電層
８インターコネクタ
１０燃料電池
１１本体部
１１ａ中央部
１１ｂ第１端部
１１ｃ第２端部
１１Ｓ主面
１２ガス流路
１３発電部
１３ａ中央発電部
１３ｂ第１末端発電部
１３ｃ第２末端発電部
２０マニホールド
２１挿入孔
１００燃料電池スタック

Claims

本体部と、
前記本体部の内部に形成され、第１方向に延びるガス流路と、
を備え、
前記第１方向に垂直な第２方向における前記本体部の幅は、前記本体部の中央部から前記第１方向の一端である第１端部に向かって徐々に狭まっている、
電気化学セル。
前記第２方向における前記本体部の幅は、前記本体部の前記中央部から前記第１方向の他端である第２端部に向かって徐々に狭まっている、
請求項１に記載の電気化学セル。
本体部と、
前記本体部の内部に形成され、第１方向に延びるガス流路と、
を備え、
前記第１方向及び前記第１方向に垂直な第２方向それぞれに垂直な第３方向における前記本体部の厚みは、前記本体部の中央部から前記第１方向の一端である第１端部に向かって徐々に薄くなっている、
電気化学セル。
前記第３方向における前記本体部の厚みは、前記本体部の前記中央部から前記第１方向の他端である第２端部に向かって徐々に薄くなっている、
請求項３に記載の電気化学セル。