JP6521064B2 - 固体酸化物型燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、固体酸化物型燃料電池に関する。

燃料電池は、科学エネルギーを電気化学的な反応により電気エネルギーに変換する装置である（例えば、特許文献１参照）。このような燃料電池の一種である固体酸化物型燃料電池では、燃料極、電解質および空気極の各層を積層し、これを燃料電池の発電部として外部から水素や炭化水素などの燃料ガスを燃料極に供給し、かつ、空気極には空気などの酸化剤ガスを供給して電気を発生させる仕組みとなっている。

一般的に、燃料電池の発電部である発電セルは、一対のセパレータで両面から挟み込まれており、発電セルとセパレータとの間には、燃料流路および空気流路が区画形成されている。また、発電セルは、強度を確保するために金属支持体によって保持されているものもある。

特開平１０−１９９５５５号公報

前述のような固体酸化物型燃料電池では、特に急速起動時に高温の酸化剤ガスが内部に一気に流入すると、金属支持体の外縁部（シールフレーム近傍の部分）と外縁部よりも内側の発電領域とで温度差が生じ得る。その際、相対的に温度の低い発電セルの端部に過大な熱応力が発生し、この熱応力は発電セルの破損を引き起こす虞がある。

そこで、本発明は、急速起動時における過大な熱応力の発生を抑制することができ、発電セルの破損を抑制することができる固体酸化物型燃料電池を提供することを目的とする。

本発明に係る固体酸化物型燃料電池では、金属支持体は、発電領域に対して面内方向の外側に形成される緩衝領域を有し、緩衝領域における金属支持体の気孔に、金属支持体の形成材料よりも熱伝導率が低い材料が充填される。

金属支持体の緩衝領域の熱伝導性を発電領域の熱伝導性よりも低くすることにより、急速起動時に、発電領域から外側に熱が伝導され難くして、金属支持体の発電領域の端部の温度勾配を小さくすることができる。これにより、発電領域に対向する発電セルの端部の温度差が小さくなり、発電セルの端部において発生する熱応力が低減する。このため、急速起動時における過大な熱応力の発生を抑制することができ、発電セルの破損を抑制することができる。

図１は、本発明の第一実施形態に係る燃料電池セルの平面図である。 図２は、図１のＡ−Ａ線に沿う部分断面図である。 図３は、急速起動時の温度分布を示すグラフである。 図４は、急速起動時の温度分布を示すグラフである。 図５は、本発明の第二実施形態に係る燃料電池セルの部分断面図である。

以下、本発明の実施形態を図面とともに詳述する。

［第一実施形態］
本発明の第一実施形態に係る固体酸化物型燃料電池を図１から図４に基づいて説明する。

固体酸化物型燃料電池は、科学エネルギーを電気化学的な反応により電気エネルギーに変換する装置である燃料電池の一種である。本実施形態に係る固体酸化物型燃料電池は、図１および図２に示すように、板状の金属支持体１と、この金属支持体１を両面から挟み込む一対のセパレータ２，２と、を備えている。

積層された金属支持体１およびセパレータ２は、両面側（積層方向の両端側）から一対のシールフレーム３によって挟み込まれている。このシールフレーム３は、金属支持体１の外縁部（外周領域ＯＡ）を挟み込んで支持するとともに、セパレータ２の外縁部を挟み込んで支持するようになっている。金属支持体１とシールフレーム３とは、それらの間にシール材４を介在させた状態で、接着剤などからなる絶縁層５により固定されている。その一方で、金属支持体１とセパレータ２、セパレータ２とシールフレーム３とは、溶接によりそれぞれ固定されている。図２において、金属支持体１とセパレータ２との溶接部６、および、セパレータ２とシールフレーム３との溶接部７を、三角形でそれぞれ示す。

金属支持体１の両面のうち一方の面に、発電セル８が配置されている。この発電セル８は、燃料極（アノード極）９と、固体酸化物型の電解質１０と、空気極（カソード極）１１との積層体として形成されている。燃料極９と空気極１１とは、電解質１０を間に挟んで配置されている。本実施形態では、発電セル８は、燃料極９が金属支持体１と接するように積層され、発電セル８の空気極１１上には、集電補助層１２がさらに積層されている。このようにして金属支持体１は発電セル８を支持している。

セパレータ２は、発電セル８のうち発電に寄与するアクティブ領域に対応する部分が波形状に形成されており、金属支持体１と接触する接触部２ａと、集電補助層１２と接触する接触部２ｂとが交互に並ぶように形成される。このセパレータ２の波形状をなす部位と金属支持体１とで区画される空間、セパレータ２の波形状をなす部位と集電補助層１２とで区画される空間に、燃料ガスまたは酸化剤ガスを流すようになっている。つまり、セパレータ２は、金属支持体１、発電セル８や集電補助層１２との間に、燃料流路１３または空気流路１４を区画形成する機能を有する。また、セパレータ２は、この他にも、発電セル８で発生した電気を集電する機能を有する。

セパレータ２の金属支持体１との接触部２ａを溶接することにより、セパレータ２が金属支持体１に対して固定され、セパレータ２の集電補助層１２との接触部２ｂを溶接することにより、セパレータ２が集電補助層１２に対して固定される。図２において、セパレータ２と金属支持体１との溶接部１５、および、セパレータ２と集電補助層１２との溶接部１６を、三角形でそれぞれ示す。

前記金属支持体１は、燃料電池の単位面積当たりの出力向上を目的として、導電性を有する材料により形成されるが、電極に燃料ガスまたは酸化剤ガスを供給するためにガス透過性も要求される。金属支持体１は、例えば金属粒を焼結してなる多孔質金属基板により形成される。この金属支持体１においては、発電セル８の両側に、燃料ガスまたは空気ガスの供給排出を行うためのマニホールド部Ｍ，Ｍと、マニホールド部Ｍ，Ｍから発電セル８に至る燃料ガスまたは酸化剤ガスの流通領域であるディフューザ部Ｄと、が形成されている。また、ディフューザ部Ｄには、スペーサ１７や複数の突起１８が配設されている。

金属支持体１は、発電セル８が配置される発電領域ＧＡと、発電領域ＧＡに対して面内方向の外側の領域に形成され、発電セル８が設けられていない非発電の緩衝領域ＢＡと、緩衝領域ＢＡのさらに外側の領域に形成される外周領域ＯＡと、を有する。この金属支持体１は、発電領域ＧＡおよび緩衝領域ＢＡの厚さが外周領域ＯＡの厚さよりも小さくなるように構成されている。つまり、金属支持体１は、外周領域ＯＡの厚さが発電領域ＧＡおよび緩衝領域ＢＡの厚さよりも大きくなるように構成されている。図１においては、緩衝領域ＢＡが設けられる箇所には、ハッチングを付している。

金属支持体１の外周領域ＯＡは、シールフレーム３により両面から挟み込まれる部位であり、厚さ方向にガスが透過しない緻密層とされている。その一方で、金属支持体１の発電領域ＧＡは、厚さ方向にガスが通過し得るように多孔層とされている。外周領域ＯＡは、プレスにより緻密化してもよく、粒径が比較的大きい金属粒を焼結することにより緻密化するようにしてもよい。

金属支持体１の緩衝領域ＢＡは元々は多孔層であるが、発電領域ＧＡとは異なり、緩衝領域ＢＡにおける金属支持体１の気孔には、金属支持体１の形成材料よりも熱伝導率が低い充填材料が充填されている。このようにすることにより、緩衝領域ＢＡの熱伝導性を発電領域ＧＡの熱伝導性よりも低くして、緩衝領域ＢＡの熱容量を発電領域ＧＡの熱容量よりも大きくする。また、金属支持体１の形成材料の熱伝導率や充填材料の熱伝導率などを調整することにより、緩衝領域ＢＡの熱伝導性を外周領域ＯＡの熱伝導性よりも低くして、緩衝領域ＢＡの熱容量を外周領域ＯＡの熱容量よりも大きくする。

前記充填材料としては、例えば、イットリア安定化ジルコニア（YSZ）、ランタンストロンチウムマグネシウムガレード（LSGM）、サマリウムド−プトセリア（SDC）、ガドリウムド−プトセリア（GDC）、スカンジウム安定化ジルコニア（SSZ）などのセラミック材料を用いることができる。

例えば、緩衝領域ＢＡにおける金属支持体１の気孔にペースト状の充填材料を含浸させたのちに、その充填材料を焼き固めることにより、金属支持体１の気孔を埋めるようにする。このようにすることにより、本実施形態では、金属支持体１の緩衝領域ＢＡは、厚さ方向にガスが透過しない緻密層とされる。また、発電セル８の電解質１０の端部を緩衝領域ＢＡまで延在させることにより、電解質１０にエッジシール構造を形成する。

さらに、金属支持体１の緩衝領域ＢＡと隣接する空間に流路空間１９を形成し、この流路空間１９に、発電領域ＧＡと隣接する流路空間（つまり、燃料流路１３または空気流路１４）に流すガスと同等の温度のガスが流れるように配流するようにしてもよい。

このような固体酸化物型燃料電池においては、水素や炭化水素などの燃料ガスを燃料極９（燃料流路１３）に供給し、その一方で、空気や酸素などの酸化剤ガスを空気極１１（空気流路１４）に供給して、電気を発生させる仕組みとなっている。前述の金属支持体１およびセパレータ２を多層に積層したものを、スタック構造を有する固体酸化物型燃料電池としている。

以下、本実施形態に係る固体酸化物型燃料電池の効果を確認するために行った温度分布のシミュレーションの結果を、図３および図４を参照して説明する。

［方法］
金属支持体の形状、形成材料の物性値、燃料電池内部を流れる高温のガスの温度、燃料電池外部の温度などの各データに基づき、計算機により金属支持体の温度分布のシミュレーションを行った。

［条件］
急速起動条件（加熱条件）を１０．７８℃／秒として、急速起動から７０秒経過した後の金属支持体の温度分布をシミュレーションした。

実施例１では、緩衝領域と隣接する流路空間に高温のガスを流さない場合をシミュレーションし、実施例２では、緩衝領域と隣接する流路空間に高温のガスを流す場合をシミュレーションした。

［結果］
実施例１および実施例２において、金属支持体の最高温度Ｔｍａｘは９００℃であり、最大温度差ＭａｘΔｔは６９０℃であった。

実施例１の結果（図３）より、発電領域における温度勾配が、緩衝領域を設けない場合と比較して小さくなり、発電セルの端部における温度差Δｔが、緩衝領域を設けない場合と比較して小さくなることが分かった。また、実施例２の結果（図４）より、発電領域における温度勾配が、ゼロになり、発電セルの端部における温度差Δｔがゼロになることが分かった。

以下に、本実施形態による作用効果を説明する。

（１）本実施形態に係る固体酸化物型燃料電池は、多孔質金属基板により形成され、発電セルを支持する金属支持体１を備える。金属支持体１は、発電セル８が配置される発電領域ＧＡと、発電領域ＧＡに対して面内方向の外側に形成される緩衝領域ＢＡと、を有する。緩衝領域ＢＡにおける金属支持体１の気孔には、金属支持体１の形成材料よりも熱伝導率が低い材料が充填されている。

緩衝領域ＢＡの熱伝導性を発電領域ＧＡの熱伝導性よりも低くすることにより、急速起動時に、発電領域ＧＡから外側に熱が伝導され難くして、発電領域ＧＡの端部の温度勾配を小さくすることができる。これにより、発電領域ＧＡに対向する発電セル８の端部における温度差Δｔが小さくなり、発電セル８の端部において発生する熱応力が低減する。このため、急速起動時における過大な熱応力の発生を抑制することができ、発電セル８の破損を抑制することができる。

（２）緩衝領域ＢＡにおける金属支持体１は、厚さ方向にガスが透過しない緻密層とされる。

このようにすることにより、緩衝領域ＢＡを間に挟んで対向する燃料流路１３と空気流路１４との間でガスが相互にリークすることを防ぐことができる。

（３）緩衝領域ＢＡと隣接する流路空間１９に、発電領域ＧＡと隣接する流路空間（燃料流路１３または空気流路１４）に流すガスと同等の温度のガスを流す。

緩衝領域ＢＡと隣接する流路空間１９の温度と発電領域ＧＡと隣接する流路空間（燃料流路１３または空気流路１４）の温度とが同等の温度になるため、発電領域ＧＡの端部の温度と中央部分の温度とが同等の温度になる。これにより、発電領域ＧＡに対向する発電セル８の端部における温度差Δｔがより小さくなり、発電セル８の端部において発生する熱応力がさらに低減する。

［第二実施形態］
本発明の第二実施形態に係る固体酸化物型燃料電池を図５に基づいて説明する。なお、前述の第一実施形態と同一の部分は同一符号を付することによってその説明を省略する。

図５に示すように、第二実施形態に係る固体酸化物型燃料電池においては、緩衝領域ＢＡの発電領域ＧＡとの境界近傍部分２０における金属支持体１の気孔径は、発電領域ＧＡにおける金属支持体１の気孔径よりも小さくなるように構成される。また、発電セル８の電解質１０の端部を前記境界近傍部分２０まで延在させることにより、電解質１０にエッジシール構造を形成する。

以下に、第二実施形態による作用効果を説明する。

第二実施形態に係る固体酸化物型燃料電池では、緩衝領域ＢＡの発電領域ＧＡとの境界近傍部分２０における金属支持体１の気孔径は、発電領域ＧＡにおける金属支持体１の気孔径よりも小さい。

このようにすることにより、焼成後に前記境界近傍部分２０における密度が高くなり、緩衝領域ＢＡにおける金属支持体１の気孔に充填した充填材料が発電領域ＧＡにおける金属支持体１の気孔に流入することを防ぐことができる。

以上、実施形態に沿って本発明の内容を説明したが、本発明はこれらの記載に限定されるものではなく、種々の変形及び改良が可能であることは、当業者には自明である。

１ 金属支持体
２ セパレータ
８ 発電セル
１９ 緩衝領域と隣接する流路空間
２０ 境界近傍部分
ＯＡ 外周領域
ＧＡ 発電領域
ＢＡ 緩衝領域

Claims (4)

1. 多孔質金属基板により形成され、発電セルを支持する金属支持体を備え、
   前記金属支持体は、発電セルが配置される発電領域と、前記発電領域に対して面内方向の外側に形成される緩衝領域と、を有し、
   前記緩衝領域における前記金属支持体の気孔に、前記金属支持体の形成材料よりも熱伝導率が低い材料が充填されていることにより、前記金属支持体の前記緩衝領域の熱伝導性が前記発電領域の熱伝導性よりも低い
   ことを特徴とする固体酸化物型燃料電池。
2. 前記緩衝領域における前記金属支持体は、厚さ方向にガスが透過しない緻密層とされることを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物型燃料電池。
3. 前記緩衝領域と隣接する流路空間に、前記発電領域と隣接する流路空間に流すガスと同等の温度のガスを流すことを特徴とする請求項２に記載の固体酸化物型燃料電池。
4. 前記緩衝領域の前記発電領域との境界近傍部分における前記金属支持体の気孔径は、前記発電領域における前記金属支持体の気孔径よりも小さいことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の固体酸化物型燃料電池。

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