JP6512749B2

JP6512749B2 - 燃料電池

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Publication number: JP6512749B2
Application number: JP2014101395A
Authority: JP
Inventors: 杉原　真一; 真一杉原; 森島　信悟; 信悟森島
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2014-05-15
Filing date: 2014-05-15
Publication date: 2019-05-15
Anticipated expiration: 2034-05-15
Also published as: JP2015220021A

Description

本発明は、固体酸化物で構成された電解質を用いた固体酸化物型の燃料電池（ＳＯＦＣ：Solid Oxide Fuel Cell）に関するものである。

この種の燃料電池として、平板状の単セルを複数積層した平板積層型のものが知られている（例えば、特許文献１参照）。この平板状の単セルは、平板状の電解質と、電解質の一面側に設けられた平板状の空気極と、電解質の他面側に設けられた平板状の燃料極とを有するものである。

平板積層型の燃料電池では、単セルに対して単セル表面に平行に反応ガスを供給する構造となっている。具体的には、燃料極表面に対向して配置された流路形成部材によって、燃料極に燃料ガスを供給するための燃料ガス流路が、燃料極表面に面するとともに、燃料極表面に平行に延びるように形成されている。これにより、燃料ガス流路を燃料極表面に平行に流れる燃料ガスが、燃料極表面から電解質側に向かって燃料極内部を拡散し、燃料極の電解質側の反応層で電気化学反応が生じる。

特開２０１２−２２７０１１号公報

しかし、従来の平板積層型の燃料電池では、燃料ガス流路の構造が、燃料極表面に平行に燃料ガスを流す構造であるため、燃料ガス流路を流れる燃料ガスの多くは、燃料極の電解質側部分まで拡散せずに、燃料極を通過してしまう。この結果、平板積層型の燃料電池は、燃料電池に供給される燃料ガスの供給量に対する発電出力の割合（発電効率）が低いという問題がある。

なお、この問題は、平板状の単セルが複数積層された場合に限らず、平板状の単セルを１つのみ有する場合であって、単セルに対して燃料ガスを燃料極表面に平行に供給する場合においても、同様に発生する問題である。

本発明は上記点に鑑みて、平板状の単セルに対して燃料ガスを燃料極表面に平行に供給する燃料電池において、燃料極の電解質側部分まで燃料ガスを従来よりも多く供給できるようにすることを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、
固体酸化物で構成され、一面とその反対側の他面を有する平板状の電解質（２１）と、
電解質の一面側に設けられた平板状の酸化剤極（２２）と、
電解質の他面側に設けられ、電解質側とは反対側に燃料極表面（２３ａ）を有する平板状の燃料極（２３）と、
燃料極表面に平行に燃料ガスが流れる燃料ガス流路（７）を形成する流路形成部材（３、４）とを備え、
燃料極は、Ｎｉを含んでおり、
燃料ガス流路は、燃料極表面に面する表面側流路（７ａ）と、燃料極よりも燃料ガス流れ上流側に位置する上流側流路（７ｂ）と、燃料極よりも燃料ガス流れ下流側に位置する下流側流路（７ｃ）とを有し、
燃料極表面と流路形成部材との間に配置され、燃料極表面と流路形成部材との間の空間を表面側流路と下流側流路とに仕切る仕切部材をさらに備え、
表面側流路は、上流側流路と直接連通しているとともに、下流側流路と燃料極を介して連通していることを特徴としている。

これによると、表面側流路が燃料極を介して下流側流路と連通しているので、燃料ガス流路を燃料ガスが流れるとき、表面側流路内の圧力は、燃料極内および下流側流路内の圧力よりも高く保たれる。したがって、本発明によれば、燃料ガスの燃料極への拡散に加えて、上記した圧力差を利用して表面側流路から燃料極へ燃料ガスを供給でき、燃料極の電解質側部分まで燃料ガスを従来よりも多く供給できる。

なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。

第１実施形態におけるスタック構造の燃料電池を示す模式図である。図１の単セル同士の間に配置されるセパレータの下面図である。図２、図４中のIII−III線矢視断面図である。図２中のIV−IV線矢視断面図である。比較例１における単セルとセパレータの断面図である。第２実施形態におけるセパレータの下面図である。図６中のVII−VII線矢視断面図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。

（第１実施形態）
本実施形態の燃料電池１は、固体酸化物型の燃料電池（ＳＯＦＣ）である。図１に示すように、燃料電池１は、燃料ガスと酸化剤ガス（本実施形態では空気）との電気化学反応により電気エネルギを出力する平板状の単セル２を上下方向に複数積層した平板積層型のスタック構造で構成されている。なお、単セル２は、図２に示すセパレータ３を介して複数積層される。

図３、４に示すように、単セル２は、一面（本実施形態では上面）２１ａと他面（本実施形態では下面２１ｂ）を有する平板状の電解質２１と、電解質２１の一面２１ａ側に設けられた平板状の酸化剤極（本実施形態では空気極）２２と、電解質２１の他面２１ｂ側に設けられた平板状の燃料極２３とを備えている。なお、空気極２２がカソード電極であり、燃料極２３がアノード電極である。

電解質２１は、酸化物イオンを空気極２２側から燃料極２３側へ伝導する機能を有する酸化物イオン伝導体で構成されている。電解質２１としては、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）等の固体酸化物（セラミックス）で構成されたものを採用できる。電解質２１の一面２１ａおよび他面２１ｂが、電解質２１の平行な２つの主表面である。

空気極２２は、反応ガス（酸化剤ガス）を電解質２１まで通すことが可能な導電性を有する多孔質体で構成されている。空気極２２としては、ランタンストロンチウムコバルト鉄酸化物（ＬＳＣＦ）等で構成されたものを採用できる。

燃料極２３は、反応ガス（燃料ガス）を電解質２１まで通すことが可能な導電性を有する多孔質体で構成されている。燃料極２３としては、例えば、ニッケル（Ｎｉ）とイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）のサーメット（Ｎｉ−ＹＳＺ）等で構成されたものを採用できる。燃料極２３は、電解質側とは反対側に、電解質２１の他面２１ｂに平行な燃料極表面２３ａを有している。なお、図示しないが、燃料極２３は、一般的なＳＯＦＣと同様に、電解質２１側に空隙率が比較的小さな反応層を有し、電解質２１から離れた側に反応層よりも空隙率が比較的大きな拡散層を有する構成となっている。

単セル２は、平板状のフレーム４によって支持されている。フレーム４は、単セル２の外周縁部にガラスシール材５を介して接合されている。本実施形態では、フレーム４は、後述する一対のセパレータ３の間の空間を空気流路６と燃料ガス流路７とに分け隔てている。フレーム４は、ステンレス等の金属材料で構成されている。なお、フレーム４は、導電性セラミックス等の金属材料以外の導電性材料で構成されていてもよい。

セパレータ３は、図４に示すように、単セル２の表面に平行に反応ガスが流れる反応ガス流路６、７を単セル２毎に形成するとともに、隣り合う単セル２のそれぞれの反応ガス流路６、７を分け隔てるものである。また、本実施形態のセパレータ３は、ステンレス等の金属材料で構成されており、隣り合う単セル２の電極同士を電気的に接続している。なお、セパレータ３は、導電性セラミックス等の金属材料以外の導電性材料で構成されていてもよい。

具体的には、図３、４に示すように、セパレータ３は、１つの単セル２を１対のセパレータ３１、３２が挟むように配置されている。そして、単セル２の下側に位置する下側セパレータ３２と単セル２の燃料極２３およびフレーム４との間に燃料ガスが流れる燃料ガス流路７が形成されている。したがって、本実施形態では、セパレータ３とフレーム４が、燃料ガス流路７を形成する流路形成部材を構成している。

燃料ガス流路７は、図３に示すように、燃料極表面２３ａに面する表面側流路７ａと、表面側流路７ａおよび燃料極２３よりも燃料ガス流れ上流側に位置する上流側流路７ｂと、表面側流路７ａおよび燃料極２３よりも燃料ガス流れ下流側に位置する下流側流路７ｃとを有して構成される。上流側流路７ｂ、表面側流路７ａおよび下流側流路７ｃは、いずれも、燃料極表面２３ａに平行に延びており、各流路内部を燃料極表面２３ａに平行に燃料ガスが流れるようになっている。

表面側流路７ａは、燃料極表面２３ａと下側セパレータ３２との間に形成された空間によって構成される流路である。また、燃料極表面２３ａに面するとは、燃料極表面２３ａに向き合って接することを意味する。上流側流路７ｂは、セパレータ３の図示しない燃料ガス入口側（図３中左側）において、フレーム４と下側セパレータ３２との間に形成された空間によって構成される流路である。下流側流路７ｃは、セパレータ３の図示しない燃料ガス出口側（図３中右側）において、フレーム４と下側セパレータ３２との間に形成された空間によって構成される流路である。

本実施形態では、表面側流路７ａは、その上流側流路７ｂ側の端部が上流側流路７ｂと連通しているが、その下流側流路７ｃ側の端部が閉塞されている。そして、下流側流路７ｃは、その燃料ガス流れ上流側端部が燃料極２３の側面（燃料極２３の２つの主表面に連なる端面）につながっている。換言すると、表面側流路７ａは、上流側流路７ｂと直接連通しているが、下流側流路７ｃと直接連通しておらず、燃料極２３を介して下流側流路７ｃと連通している。

また、図３、４に示すように、セパレータ３は凹凸形状を有しており、この凹凸形状によって燃料ガス流路７が構成されるとともに、燃料極表面２３ａと電気的に接続される集電部８が構成されている。

具体的には、図２に示すように、セパレータ３には、下面３ａから突出した凸部３ｂが形成されている。凸部３ｂは、一方向（図２中の左右方向）に長く延びた平面形状であり、その延伸方向に垂直な方向（図２中の上下方向）に複数並んでいる。凸部３ｂは、セパレータ３の上面３ｃでは凹部３ｄを構成している（図３、４参照）。凹部３ｄは、セパレータ３のうち燃料極２３に対向する領域に形成されている（図３、４参照）。

図４に示すように、セパレータ３（下側セパレータ３２）の上面３ｃが燃料極表面２３ａに接しており、セパレータ３の上面３ｃに対して設けられた複数の凹部３ｄと燃料極表面２３ａとによって、一方向に平行に延びる複数の表面側流路７ａが形成されている。なお、セパレータ３のうち燃料極表面２３ａと接触している部分が集電部８である。

そして、図３に示すように、凹部３ｄの延伸方向一端部（図３中の左側端部）３ｄ１が、燃料極２３のガス流れ上流側端部（図３中の左側端部）２３ｃ１よりも燃料極２３の外側（図３中の左側）に位置している。これにより、表面側流路７ａが上流側流路７ｂと直接連通している。なお、表面側流路７ａと上流側流路７ｂの連通部７ｄの流路断面積は、表面側流路７ａ内の圧力が上流側流路７ｂ内の圧力よりも下がらないように、すなわち、圧力降下が生じないように、設定することが好ましい。

また、凹部３ｄの延伸方向他端部（図３中の右側端部）３ｄ２が、燃料極２３のガス流れ下流側端部（図３中の右側端部）２３ｃ２よりも燃料極２３の内側（図３中の左側）に位置している。すなわち、凹部３ｄの延伸方向他端部３ｄ２が、燃料極表面２３ａ上に位置している。このため、燃料極２３の燃料ガス流れ方向終端２３ｃ２以前で、表面側流路７ａが閉塞している。なお、本実施形態では、凹部３ｄの延伸方向他端部３ｄ２は、燃料極２３のガス流れ下流側端部２３ｃ２の近傍に位置しているが、燃料極表面２３ａの中央部に位置していてもよい。

このため、燃料ガス流路７に燃料ガスが供給されると、図３中の矢印のように、燃料ガスは、上流側流路７ｂから複数の表面側流路７ａに分配される。そして、表面側流路７ａへ流入した燃料ガスは、燃料極表面２３ａに対して略垂直な方向に流れるように、燃料極２３に流入する。その後、未反応ガスが燃料極２３から下流側流路７ｃへ流出する。

また、図４に示すように、単セル２の上側に位置する上側セパレータ３１と単セル２の空気極２２およびフレーム４との間に空気が流れる空気流路６が形成されている。なお、図４では、上側セパレータ３１と空気極２２との間に形成された空気流路６を示している。

空気流路６は、空気極２２の表面に面する表面側流路が、表面側流路よりも空気流れ上流側の上流側流路と、表面側流路よりも空気流れ下流側の下流側流路の両方と直接連通する構造である。

本実施形態では、上側セパレータ３１と下側セパレータ３２は同じ形状であり、セパレータ３として１種類の形状のものを採用している。このため、下側セパレータ３２と同様に、上側セパレータ３１も凹凸形状を有しており、この凹凸形状によって、空気流路６の表面側流路が複数形成されているとともに、空気極表面と電気的に接続される集電部が複数形成されている。このため、空気流路６の上流側流路を流れる空気は、上流側流路から複数の表面側流路に分配され、複数の表面側流路６ａを通過した空気は、下流側流路に流入して合流するようになっている。

本実施形態では、各単セル２への燃料ガスの供給方向と空気の供給方向、すなわち、燃料ガス流路７内の燃料ガスの流れ方向と空気流路６内の空気の流れ方向は反対方向であるなお、各単セル２への燃料ガスの供給方向と空気の供給方向を同じ方向としてもよい。

このように構成される本実施形態の燃料電池１では、空気流路６を空気が流れることで単セル２の空気極２２に空気中の酸素が供給され、燃料ガス流路７を燃料ガスが流れることで単セル２の燃料極２３に燃料ガスが供給される。

燃料ガスとして水素が供給されることで、以下の反応式（１）、（２）に示す電気化学反応により、電気エネルギが出力される。
〈燃料極（アノード）〉
２Ｈ_２＋２Ｏ_２ ⁻→２Ｈ_２Ｏ＋４ｅ⁻・・・（１）
〈空気極（カソード）〉
Ｏ_２＋４ｅ⁻→２Ｏ^２−・・・（２）
また、燃料ガスとして一酸化炭素（ＣＯ）が供給されることで、以下の反応式（３）、（４）に示す電気化学反応により、電気エネルギが出力される。
〈燃料極（アノード）〉
２ＣＯ＋２Ｏ^２−→２ＣＯ_２＋４ｅ⁻・・・（３）
〈空気極（カソード）〉
Ｏ_２＋４ｅ⁻→２Ｏ^２−・・・（４）
ここで、本実施形態の燃料電池１と図５に示す比較例１の燃料電池とを比較する。

比較例１の燃料電池１は、本実施形態と異なり、燃料ガス流路７の表面側流路７ａが、上流側流路７ｂと下流側流路７ｃの両方と直接連通している。なお、その他の構成は、本実施形態と同じである。

このため、比較例１では、図５中の矢印で示すように、表面側流路７ａを燃料ガスが流れるとき、燃料ガスは燃料極表面２３ａに対して平行に流れやすい。この結果、表面側流路７ａに流入した燃料ガスの一部のみが、燃料極２３を拡散して電解質２１側に位置する反応層に到達して上記した反応に寄与し、表面側流路７ａに流入した燃料ガスの残部は、反応に寄与せずに、燃料極２３を通過してしまう。

これに対して、本実施形態の燃料電池１では、燃料ガス流路７の表面側流路７ａが、上流側流路７ｂと直接連通するとともに、下流側流路７ｃと燃料極２３を介して連通している。これによると、表面側流路７ａが燃料極２３を介して下流側流路７ｃと連通しているので、表面側流路７ａから下流側流路７ｃへ至る燃料ガスの流れ抵抗は、比較例１よりも大きくなる。このため、燃料ガス流路７を燃料ガスが流れるとき、表面側流路７ａ内の圧力は、燃料極２３内および下流側流路７ｃ内の圧力よりも高く保たれる。

したがって、本実施形態によれば、表面側流路７ａ内の燃料ガスの圧力(静圧)を、燃料極２３の反応層へのガス供給動力に変換できる。すなわち、本実施形態によれば、燃料ガスの燃料極２３への拡散に加えて、上記した圧力差を利用して表面側流路７ａから燃料極２３の反応層へ燃料ガスを供給できる。このため、比較例１と比較して、燃料ガスを燃料極２３の反応層へ多く供給できる。

ちなみに、円盤状のコインセルに対して反応ガスをセル表面に垂直に当てることにより、反応ガスの「動圧」を活用して燃料極の反応層まで反応ガスをより多く供給できることがわかっている。したがって、本実施形態によれば、コインセルにおけるガス流れに近づけることができ、燃料ガスを燃料極２３の反応層へ多く供給できる。

（第２実施形態）
本実施形態の燃料電池１は、図６、７に示すように、第１実施形態の燃料電池１に対して、燃料ガス流路７の表面側流路７ａ内に突起３ｅを追加したものであり、その他の構成は、第１実施形態と同じである。

突起３ｅは、図７に示すように、セパレータ３の上面（燃料極２３に対向する表面）に設けられており、セパレータ３の表面から燃料極２３に向かって突出している。突起３ｅは、表面側流路７ａ内の燃料ガス流れを燃料極表面２３ａに導くためのガイド部を構成している。

また、突起３ｅは、図６に示すように、表面側流路７ａ内に千鳥状に複数設けられている。これにより、突起３ｅによって表面側流路７ａ内での燃料ガス流れが阻害されないようになっている。

本実施形態によれば、セパレータ３に突起３ｅが設けられていない場合と比較して、燃料ガスの流れを燃料極２３に導きやすくなり、燃料ガスを燃料極２３の反応層へより多く供給できる。なお、本実施形態では、複数の突起３ｅを千鳥状に配置したが、燃料ガス流れが阻害されなければ、千鳥状でなくてもよい。

（他の実施形態）
本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、下記のように、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。

（１）上記各実施形態では、図３、４に示すように、複数の表面側流路７ａをセパレータ３の凹凸形状によって形成していたが、セパレータ３の形状ではなく、セパレータ３とは別の部材によって複数の表面側流路７ａを形成してもよい。例えば、セパレータ３を平面形状として、燃料極表面２３ａとの間に空間を形成するように、セパレータ３を配置する。そして、燃料極表面２３ａとセパレータ３との間に、両者の間の空間を複数の流路に仕切る仕切部材を配置することで、複数の表面側流路７ａを形成してもよい。さらに、この場合では、燃料極表面２３ａとセパレータ３との間に、両者の間の空間を表面側流路７ａと下流側流路７ｃとに仕切る仕切部材を配置することで、表面側流路７ａを閉塞させてもよい。

（２）上記各実施形態では、図４に示すように、燃料ガス流路７の表面側流路７ａは、１つの単セル２に対して複数設けられていたが、１つの単セル２に対して１つでもよい。換言すると、燃料ガス流路７の表面側流路７ａは、複数に分割されていたが、分割されていなくてもよい。

（３）上記各実施形態では、平板状の単セルが複数積層された燃料電池１に本発明を適用したが、平板状の単セルを１つのみ有する燃料電池においても、本発明の適用が可能である。

（４）上記各実施形態は、互いに無関係なものではなく、組み合わせが明らかに不可な場合を除き、適宜組み合わせが可能である。また、上記各実施形態において、実施形態を構成する要素は、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。

２単セル
２１電解質
２２空気極（酸化剤極）
２３燃料極
２３ａ燃料極表面
３セパレータ
３ｅ突起（ガイド部）
４プレート
７燃料ガス流路
７ａ表面側流路
７ｂ上流側流路
７ｃ下流側流路

Claims

固体酸化物で構成され、一面とその反対側の他面を有する平板状の電解質（２１）と、
前記電解質の前記一面側に設けられた平板状の酸化剤極（２２）と、
前記電解質の前記他面側に設けられ、前記電解質側とは反対側に燃料極表面（２３ａ）を有する平板状の燃料極（２３）と、
前記燃料極表面に平行に燃料ガスが流れる燃料ガス流路（７）を形成する流路形成部材（３、４）とを備え、
前記燃料極は、Ｎｉを含んでおり、
前記燃料ガス流路は、前記燃料極表面に面する表面側流路（７ａ）と、前記燃料極よりも燃料ガス流れ上流側に位置する上流側流路（７ｂ）と、前記燃料極よりも燃料ガス流れ下流側に位置する下流側流路（７ｃ）とを有し、
前記燃料極表面と前記流路形成部材との間に配置され、前記燃料極表面と前記流路形成部材との間の空間を前記表面側流路と前記下流側流路とに仕切る仕切部材をさらに備え、
前記表面側流路は、前記上流側流路と直接連通しているとともに、前記下流側流路と前記燃料極を介して連通していることを特徴とする燃料電池。
前記流路形成部材は、前記表面側流路内の燃料ガス流れを前記燃料極表面に導くためのガイド部（３ｅ）を有することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。