JP6741218B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池に関する。

従来、セルフレームを形成しないため、工程が簡単であり経済性に優れた金属支持体型固体酸化物燃料電池スタックが提案されている。この燃料電池スタックは、複数の単位電池と、二つ以上の単位電池の間に配置されて直列連結する分離板と、単位電池と分離板の間に形成される密封材と、を含むものである。そして、この単位電池は、金属支持体と、金属支持体の一面に形成された第１の電極と、第１の電極の一面に形成される電解質と、電解質の一面に形成され第１の電極と異なる極性を有する第２の電極と、を含んでなる。また、金属支持体、第１の電極、電解質及び第２の電極に流体通路であるマニホールドが形成されている（特許文献１参照。）。

日本国特表２０１４−５０４７７８号公報

ところで、特許文献１に記載された燃料電池スタックにあっては、クロスリークを防止するために電解質が金属支持体の端部まで形成されている。そのため、熱応力などによって、密封材にクラックが発生し、発生したクラックが電解質にまで伝搬した場合や、密封材に接する電解質にクラックが発生し、発生したクラックが電解質の面方向中心側に伝搬した場合に、クロスリークが発生するおそれがあるという問題点があった。

本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものである。そして、本発明は、より確実にクロスリークを防止し得る燃料電池を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記目的を達成するため鋭意検討を重ねた。その結果、金属支持板とガラスシール部材との間に、所定の被覆層を配置し、前記セル構造体と前記被覆層との間に、クラックの伝搬を防止する所定の間隔を設けることにより、上記目的が達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。

本発明によれば、クラックが電解質にまで伝搬することを防止して、より確実にクロスリークを防止し得る燃料電池を提供することができる。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池の分解した状態を示す模式的な説明図である。 図２は、図１に示した金属支持板の一方の主面側を示す説明図である。 図３は、図１に示した金属支持板の他方の主面側を示す説明図である。 図４は、図１に示した燃料電池の組み立てた状態を示す模式的な説明図である。 図５は、図４に示した燃料電池のＶ−Ｖ’線に沿った模式的な断面図である。 図６は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池の模式的な断面図である。

以下、本発明の一実施形態に係る燃料電池について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下で引用する図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。

（第１の実施形態）
まず、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池について詳細に説明する。図１は、第１の実施形態に係る燃料電池の分解した状態を示す模式的な説明図である。また、図２は、図１に示した金属支持板の一方の主面側を示す説明図である。ここで、一方の主面側とは、図１におけるセパレータ２１が配置される側を意味する。なお、図２においては、ガラスシール部材が設けられた状態を示している。さらに、図３は、図１に示した金属支持板の他方の主面側を示す説明図である。ここで、他方の主面側とは、図１におけるセパレータ２２が配置される側を意味する。なお、図３においては、シール部が形成された状態を示している。また、図４は、図１に示した燃料電池の組み立てた状態を示す模式的な説明図である。さらに、図５は、図４に示した燃料電池のＶ−Ｖ’線に沿った模式的な断面図である。

図１〜図５に示すように、本実施形態の燃料電池１は、金属支持板１０と、セル構造体２０と、セパレータ３１と、ガラスシール部材４０と、被覆層５０とを備えている。なお、図示例においては、燃料電池１は、セパレータ３１と同様のセパレータ３２を備えている。セパレータ３１とセパレータ３２とは、部品の種類数の低減や、燃料電池を複数積層して燃料電池スタックを組み立てし易いという観点からは、同一であることが好ましいが、異なっていてもよい。また、図示例においては、燃料電池１は、多孔質集電部材６１を備えている。詳しくは後述する空気極層における集電性を向上させる観点からは、多孔質集電部材を備えていることが好ましいが、多孔質集電部材を備えていなくてもよい。さらに、図示例においては、燃料電池１は、セパレータ３２側に、セパレータ３１側と同様に多孔質集電部材６２を備えている。多孔質集電部材６１と多孔質集電部材６２とは、部品の種類数の低減という観点からは、同一であることが好ましいが、異なっていてもよい。また、図示例においては、金属支持板１０の他方の主面側には、シール部７０が形成されている。

そして、金属支持板１０は、例えば、厚み方向に対して垂直な方向である面方向において内側に多孔質部１０１を有し、かつ、外側に緻密質部１０２を有することが好ましい。ここで、「多孔質」とは、燃料ガスや酸化剤ガスを透過し得るガス透過性を有することを意味する。また、「緻密質」とは、燃料ガスや酸化剤ガスを透過し得えないガス不透過性を有することを意味する。なお、図示例においては、金属支持板１０における緻密質部１０２は、ガス透過を遮断するフレームを形成している。一方で、緻密質部１０２で形成されたフレームは、燃料ガスや酸化剤ガスが流通する貫通孔Ｈ１〜Ｈ４を有する。また、図示例においては、金属支持板１０は、一方の主面が平坦である構造を有している。詳しくは後述する電解質層及び電解質層と同一の材料からなる被覆層をパターンニングにより形成し易いという観点からは、一方の主面が平坦である構造を有していることが好ましいが、これに限定されるものではない。さらに、特に限定されるものではないが、金属支持板１０としては、耐熱性が高いなどの観点から、例えば、ステンレス鋼からなるものを適用することが好ましい。また、特に限定されるものではないが、金属支持板１０として、多孔質板の周囲を適宜加圧圧縮して緻密質にし、所定の多孔質部と緻密質部を形成したものを適用することも可能である。なお、貫通孔に関しては、加圧圧縮後に機械加工によって形成してもよいが、これに限定されるものではない。

また、セル構造体２０は、電解質層２０１を有する。また、電解質層２０１は、金属支持板１０上に配置されている。さらに、図示例においては、電解質層２０１の面方向における大きさは、金属支持板１０における多孔質部１０１の面方向における大きさよりも大きい関係を有している。このような関係を有していると、クロスリークを防止するために電解質層２０１以外の他の部材でさらにガスシールする必要がないため好ましいが、これに限定されるものではない。また、図示例においては、セル構造体２０は、空気極層２０２と燃料極層２０３とを有し、電解質層２０１が空気極層２０２と燃料極層２０３とで挟持された構造を有する。さらに、図示例においては、セル構造体２０は、金属支持板１０と電解質層２０１との間に配置された燃料極層２０３を有する。なお、このような構造を有していると、優れた発電性能を発揮することができるが、これに限定されるものではない。例えば、図示しないが、金属支持板の多孔質部の材質を調製することにより、多孔質部の一部又は全部に燃料極層としての機能を担わせることが可能である。また、図示例においては、電解質層２０１の面方向における大きさは、燃料極層２０３の面方向における大きさよりも大きい関係を有している。このような関係を有していると、クロスリークを防止するために電解質層２０１以外の他の部材でさらにガスシールする必要がないため好ましいが、これに限定されるものではない。さらに、電解質層２０１としては、固体酸化物形燃料電池の電解質層に適用される従来公知の電解質材料からなるものを適用することができる。また、特に限定されるものではないが、電解質層２０１としては、イットリウム安定化ジルコニア等の酸化物イオン伝導体で構成されるものを好適例として挙げることができる。さらに、空気極層２０２としては、固体酸化物形燃料電池の空気極層に適用される従来公知の空気極材料からなるものを適用することができる。また、燃料極層２０３としては、固体酸化物形燃料電池の燃料極層に適用される従来公知の燃料極材料からなるものを適用することができる。なお、金属支持板１０に対して、燃料極層２０３、電解質層２０１及び空気極層２０２をこの順に積層してなるセル構造体を形成したものは、一般に、メタルサポートセルと呼ばれる。

さらに、セパレータ３１は、セル構造体２０上に配置されている。なお、図示例においては、セル構造体２０とセパレータ３１との間には多孔質集電部材６１が配置されている。また、図示例においては、セパレータ３２は、金属支持板１０のセル構造体２０が配置されていない側に配置されている。さらに、図示例においては、セパレータ３１は、平板部３１１と、連続する凸部３１２を有する。また、図示例においては、セパレータ３２も、平板部３２１と、連続する凸部３２２を有する。さらに、図示例においては、セル構造体２０が配置される発電領域に対向する位置に連続する凸部３１２，３２２が形成されている。そして、連続する凸部３１２，３２２は、燃料ガスや酸化剤ガスが流通する流路を形成する。また、図示例においては、セパレータ３１，３２は、金属支持板１０における貫通孔Ｈ１〜Ｈ４と同様の位置に貫通孔Ｈ１〜Ｈ４を有する。さらに、特に限定されるものではないが、セパレータ３１，３２としては、耐熱性が高いなどの観点から、例えば、ステンレス鋼からなるものを適用することが好ましい。なお、図示しないが、セパレータ３１，３２は、セル構造体２０が配置される発電領域に対向する位置に連続する表裏反転した凹凸部を有し、これらが、燃料ガスや酸化剤ガスが流通する流路を形成していてもよい。

また、ガラスシール部材４０は、金属支持板１０とセパレータ３１との間で、かつ、セル構造体２０よりも外側に配置されている。さらに、図示例においては、ガラスシール部材４０は、金属支持板１０やセパレータ３１の外周縁部や貫通孔Ｈ１，Ｈ３の周囲に配置されている。また、ガラスシール部材４０としては、固体酸化物形燃料電池のガラスシール部材に適用される従来公知のガラスシール材からなるものを適用することができる。

さらに、被覆層５０は、金属支持板１０とガラスシール部材４０との間に配置されている。また、被覆層５０は、金属支持板１０とガラスシール部材４０とに接している。ガスシール性の十分な確保という観点からは、セパレータ３１側からのガラスシール部材４０の投影面全体に被覆層５０が配置されていることが好ましい。さらに、セル構造体２０と被覆層５０との間には、所定の間隔Ｇが設けられている。また、図示例においては、所定の間隔Ｇは、金属支持板１０における緻密質部１０２上に位置する。所定の間隔Ｇを金属支持板１０における緻密質部１０２上に位置させると、クロスリークを防止するために他の部材でガスシールする必要がないため好ましい。さらに、図示例においては、所定の間隔Ｇの面方向における幅は、金属支持板１０における多孔質部１０１の外端１０１ｏｅとガラスシール部材４０の内端４０ｉｅの面方向における距離よりも小さい関係を有している。このような関係を有していると、ガラスシール部材と金属支持板との間に確実に被覆層が配置されることとなり、より確実にクロスリークを防止できるだけでなく、ガスシール性を十分に確保することができる。また、図示例においては、被覆層５０は、貫通孔Ｈ１，Ｈ３の周囲及び緻密質部１０２のほぼ全面に配置されている。これにより、発電性能を維持しやすいという利点がある。しかしながら、これに限定ものではなく、図示しないが、貫通孔Ｈ１，Ｈ３の周囲及び緻密質部１０２の外周縁部にのみ配置してもよい。さらに、特に限定されるものではないが、被覆層５０としては、構造の自由度が高いなどの観点から、例えば、絶縁性を有するものを適用することが好ましい。また、特に限定されるものではないが、被覆層５０としては、例えば、電解質層を構成する材料と同じ材料を含むものを適用することが好ましく、より具体的には、電解質層と同じものであることが好ましい。

また、図示例において、多孔質集電部材６１は、セパレータ３１と空気極層２０２との間に配置されている。さらに、多孔質集電部材６１は、空気極層２０２における集電性と空気極層２０２側における酸化剤ガスを透過し得るガス透過性を適切に確保することができれば、特に限定されるものではない。多孔質集電部材６１としては、エキスパンドメタルからなるものを好適例として挙げることができる。なお、多孔質集電部材６２は、多孔質集電部材６１と同様のものである。多孔質集電部材６１と多孔質集電部材６２とは、部品の種類数の低減や、燃料電池を複数積層して燃料電池スタックを組み立てし易いという観点からは、同一であることが好ましいが、異なっていてもよい。

さらに、図示例において、シール部７０は、金属支持板１０やセパレータ３２の外周縁部や貫通孔Ｈ２，Ｈ４の周囲に形成されている。また、シール部７０は、例えば、ガラスシール材やロウ材からシール部材を配置して形成することができる。なお、ガラスシール材としては、上述したものと同様のものを適用することができる。また、ロウ材としては、固体酸化物形燃料電池において適用されている従来公知のロウ材を適用することができる。しかしながら、これらに限定されるものではなく、例えば、シール部７０は、金属支持板１０とセパレータ３２とを溶接して形成することもできる。さらに、シール部７０は、導電性を確保できるという観点から、ロウ材の配置や溶接によって形成することが好ましい。また、シール部７０は、部品点数の低減という観点からは、溶接によって形成することが好ましい。

そして、燃料電池１が組み立てられた状態となると、金属支持体１０上の被覆層５０とセパレータ３１との間がガラスシール部材４０でガスシールされ、金属支持体１０とセパレータ３２との間がシール部７０でガスシールされる。なお、図２及び図３に示すように、燃料電池においては、貫通孔Ｈ４から図中矢印Ｚで示すように空気極層側に酸化剤ガスが供給され、貫通孔Ｈ１から図中矢印Ｙで示すように燃料極層側に燃料ガスが供給されることにより、発電が行われる。なお、貫通孔Ｈ２から未利用の酸化剤ガスが排出され、貫通孔Ｈ３から未利用の燃料ガスや反応生成ガス、水蒸気などが排出される。ここで、酸化剤ガスとしては、例えば、酸素、空気などを適用することができる。また、燃料ガスとしては、例えば、水素、ガソリン等の炭化水素燃料、アルコール等の炭化水素系燃料などを適用することができ、必要に応じて水を混合させてもよい。

また、特に限定されるものではないが、燃料電池１をさらに複数積層して燃料電池スタックを組み立てる場合には、金属支持板１０上にセル構造体２０と被覆層５０とを形成し、セル構造体２０を形成しない側にセパレータ３２と多孔質集電部材６２を接合して構成されたセルユニットを用いることができる。金属支持板１０とセパレータ３２との間の接合やセパレータ３２と多孔質集電部材６２との間の接合は、特に限定されるものではないが、導電性を確保できるという観点から、ロウ材の配置や溶接によって行うことが好ましい。このようなセルユニットを用いて積層する場合には、セパレータ３１と多孔質集電部材６１は他のセルユニットを構成するものとなる。そして、セルユニット間の接合及びガスシールをガラスシール部材４０によって行うこととなる。なお、このようなセルユニットを用いると、燃料電池スタックを組み立てる場合には、セルユニットにガラスシール材を塗布して、積層するだけであるため、製造工程を簡素化することができる。

上述したように、燃料電池は、以下の（１）〜（６）の構成を有することにより、より確実にクロスリークを防止し得るものとなる。

（１）金属支持板と、セル構造体と、セパレータと、ガラスシール部材と、被覆層とを備えている。
（２）セル構造体は、金属支持板上に配置された電解質層を有する。
（３）セパレータは、セル構造体上に配置されている。
（４）ガラスシール部材は、金属支持板とセパレータとの間で、かつ、セル構造体よりも外側に配置されている。
（５）被覆層は、金属支持板とガラスシール部材との間に配置され、かつ、金属支持板及びガラスシール部材に接している。
（６）セル構造体と被覆層との間に、所定の間隔を設けている。

つまり、ガラスシール部材や被覆層で形成されたシール部には、熱応力などによってクラックが生じることがある。しかしながら、セル構造体と被覆層との間に、所定の間隔を設けることにより、ガラスシール部材や被覆層で発生したクラックが、セル構造体、ひいては電解質層に伝搬することを防止することができる。これにより、より確実にクロスリークを防止することができる。

また、金属支持板とガラスシール部材との間に、金属支持板及びガラスシール部材に接した被覆層を配置することにより、被覆層とガラスシール部材との間やガラスシール材自体におけるガスシール性の低下を抑制ないし防止することができるという副次的な利点もある。より具体的には、被覆層を配置することにより、例えば、被覆層が電解質層と同様に酸化物であれば、ガラスシール部材も酸化物であるため、被覆層とガラスシール部材との接合性が優れる。これにより、被覆層とガラスシール部材との間におけるガスシール性の低下を抑制ないし防止することができる。また、被覆層を配置することにより、例えば、ステンレス鋼などクロムを含む金属支持板とガラスシール部材との直接接触を避けることができる。これにより、高温でのクロムの蒸発や拡散によるガラスシール部材自体の劣化を抑制することができる。その結果、ガラスシール部材自体におけるガスシール性の低下を抑制ないし防止することができる。

また、上述したように、燃料電池は、以下の（７）の構成を有することが好ましい。これにより、より確実にクロスリークを防止することができ、優れたガスシール性を有するものとなる。

（７）被覆層は、電解質層を構成する材料と同じ材料を含む。

つまり、既に燃料極層と空気極層との間のクロスリークを防止し得ることが分かっている電解質層と同じ材料で被覆層を形成することにより、より確実にクロスリークを防止することができ、ガスシール性を十分に確保することができる。

さらに、上述したように、燃料電池は、以下の（８）〜（１０）の構成を有することが好ましい。これにより、より確実にクロスリークを防止することができる。

（８）金属支持板は、厚み方向に対して垂直な方向である面方向において内側に多孔質部を有し、かつ、外側に緻密質部を有する。
（９）所定の間隔は、緻密質部上に位置する。
（１０）所定の間隔の面方向における幅は、多孔質部の外端とガラスシール部材の内端の面方向における距離よりも小さい。

つまり、緻密質部上に所定の間隔を配置することにより、例えば、クロスリークを防止するために多孔質部の一部をガスシールするような他のシール部材を配置する必要がなく、また、ガスシール性の低下要因となる部材同士の接合界面を少なくすることができる。その結果、より確実にクロスリークを防止することができる。

また、上述したように、燃料電池は、以下の（１１）の構成を有することが好ましい。これにより、より確実にクロスリークを防止することができる。

（１１）電解質層の面方向における大きさは、多孔質部の面方向における大きさよりも大きい。

つまり、電解質層の面方向における大きさを、多孔質部の面方向における大きさよりも大きくすることにより、例えば、クロスリークを防止するために多孔質部の一部をガスシールするような他のシール部材を配置する必要がなく、また、ガスシール性の低下要因となる部材同士の接合界面を少なくすることができる。その結果、より確実にクロスリークを防止することができる。

さらに、上述したように、燃料電池は、以下の（１２）及び（１３）の構成を有することが好ましい。これにより、より確実にクロスリークを防止することができ、優れた発電性能を有するものとなる。

（１２）セル構造体は、金属支持板と電解質層との間に配置された燃料極層を有する。
（１３）電解質層の面方向における大きさは、燃料極層の面方向における大きさよりも大きい。

つまり、セル構造体を、金属支持板と電解質層との間に配置された燃料極層を有するものとし、電解質層の面方向における大きさを、燃料極層の面方向における大きさよりも大きくすることにより、例えば、燃料極層の一部をガスシールするような他のシール部材を配置する必要がなく、また、ガスシール性の低下要因となる部材同士の接合界面を少なくすることができる。その結果、より確実にクロスリークを防止することができる。また、燃料極層を設けたため、優れた発電性能を発揮することができる。

また、上述したように、燃料電池は、以下の（１４）の構成を有することが好ましい。これにより、より確実にクロスリークを防止することができる。

（１４）緻密質部は、ガス透過を遮断するフレームを形成している。

つまり、緻密質部によってガス透過を遮断するフレームを形成することにより、例えば、金属支持板の周囲に貫通孔を形成した別の部材を配置する必要がなく、また、ガスシール性の低下要因となる部材同士の接合界面を少なくすることができる。その結果、より確実にクロスリークを防止することができる。

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池について詳細に説明する。図６は、第２の実施形態に係る燃料電池の模式的な断面図であり、具体的には、図４に示したＶ−Ｖ’線と同じ位置の線に沿った断面図である。なお、上述した実施形態と同一の構成については、同一の符号を付すことにより重複する説明を省略する。

図６に示すように、本実施形態の燃料電池２は、所定の間隔Ｇに凸部１０３が設けられている点が、上述した実施形態の燃料電池１と相違する。なお、図示しない部分については、凸部１０３以外については、図１〜図５に示した構成と同様である。また、図示例においては、凸部１０３は、金属支持板１０によって、さらに言えば、緻密質部１０２によって形成されているが、これに限定されるものではない。例えば、緻密質部１０２上に別部材を配置して形成してもよい。また、凸部１０３は、必ずしも緻密質部１０２と同様に緻密質である必要はない。

上述したように、燃料電池は、（１）〜（６）の構成を有することにより、より確実にクロスリークを防止することができる。また、ガスシール性の低下を抑制ないし防止することができるという副次的な利点もある。さらに、上述したように、燃料電池は、（７）〜（１４）の構成を適宜有することが好ましい。これにより、より確実にクロスリークを防止することができ、優れたガスシール性や発電性能を有するものとなる。そして、上述したように、所定の凸部１０３を設けることにより、被覆層やガラスシール部材がセル構造体と接することを確実に避けることができる。これにより、ガラスシール部材や被覆層で発生したクラックが、セル構造体、ひいては電解質層に伝搬することをより確実に防止することができる。その結果、より確実にクロスリークを防止することができる。

以上、本発明を若干の実施形態によって説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形が可能である。

例えば、上述した燃料電池の好適形態における構成は、適宜組み合わせて採用することができる。

１，２ 燃料電池
１０ 金属支持板
１０１ 多孔質部
１０１ｏｅ 外端
１０２ 緻密質部
１０３ 凸部
２０ セル構造体
２０１ 電解質層
２０２ 空極極層
２０３ 燃料極層
３１，３２ セパレータ
３１１，３２１ 平板部
３１２，３２２ 凸部
４０ ガラスシール部材
４０ｉｅ 内端
５０ 被覆層
６１，６２ 多孔質集電部材
７０ シール部
Ｇ 間隔
Ｈ１〜Ｈ４ 貫通孔

Claims (6)

1. 金属支持板と、
   前記金属支持板上に配置された電解質層を有するセル構造体と、
   前記セル構造体上に配置されたセパレータと、
   前記金属支持板と前記セパレータとの間で、かつ、前記セル構造体よりも外側に配置されたガラスシール部材と、を備える燃料電池であって、
   前記金属支持板と前記ガラスシール部材との間に配置され、かつ、前記金属支持板及び前記ガラスシール部材に接している被覆層を備え、
   前記セル構造体と前記被覆層との間に、クラックの伝搬を防止する所定の間隔を設けた
   ことを特徴とする燃料電池。
2. 前記被覆層は、前記電解質層を構成する材料と同じ材料を含むことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記金属支持板は、厚み方向に対して垂直な方向である面方向において内側に多孔質部を有し、かつ、外側に緻密質部を有し、
   前記所定の間隔は、前記緻密質部上に位置し、
   前記所定の間隔の前記面方向における幅は、前記多孔質部の外端と前記ガラスシール部材の内端の前記面方向における距離よりも小さい
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池。
4. 前記電解質層の前記面方向における大きさは、前記多孔質部の前記面方向における大きさよりも大きいことを特徴とする請求項３に記載の燃料電池。
5. 前記セル構造体は、前記金属支持板と前記電解質層との間に配置された燃料極層を有し、
   前記電解質層の厚み方向に対して垂直な方向である面方向における大きさは、前記燃料極層の厚み方向に対して垂直な方向である面方向における大きさよりも大きい
   ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つの項に記載の燃料電池。
6. 前記緻密質部は、ガス透過を遮断するフレームを形成していることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池。

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