JP6895368B2 - 電気化学セルスタック、燃料電池および水素発生装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、電気化学セルスタック、燃料電池および水素発生装置に関する。

固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）および固体酸化物形電解セル（ＳＯＥＣ）の最小構成単位である電気化学セル（以下、単にセルという）は、少なくとも、空気極と、電解質と、燃料極を積層して形成される。例えば、平板型のセルは、燃料極、電解質、空気極を順次積層し、空気極と電解質との当接面が、電解質の上面よりも小さくなるように構成されている。このセルを複数積層した平板型の電気化学セルスタックは、各セルの空気極と燃料極とにそれぞれ異なるガスを供給すると共に、セル同士は積層方向に対して電気的に直列に接続可能な構造を有する。

隣接するセル同士の間は、導電性のセパレータによって隔てられるため、ガスの雰囲気が隔離される。一方、同一セル内の電解質の上面のうち、空気極と接触しない領域には仕切板が設けられ、燃料極と空気極のガスの雰囲気が隔離される。また、仕切板の上面にはシール材が設けられ、積層方向から加圧することによって、この間がシールされる。セパレータには、燃料極および空気極にガスを供給するためのガス供給路が形成され、このガス供給路が、各セルの燃料極と空気極のそれぞれに接続される。

特開２０１６−１２６８９３号公報

上記の構造の場合、仕切板と電解質との間にガスの漏れ流路が存在する。したがって、電気化学セルスタック内部のシール性を向上させることが必要となる。例えばＳＯＦＣの場合は、ガスの漏れ量が増加すると、発電に必要な燃料ガスの損失が大きくなり、発電効率の低下を招く。

本発明が解決しようとする課題は、ガスシール性の高い電気化学セルスタック、燃料電池、および水素発生装置を提供することである。

上記の課題を解決するために、実施形態の電気化学セルスタックは、燃料極、電解質および空気極を有し、前記電解質と前記空気極との当接面が前記電解質の上面よりも小さくなるように形成されるセルと、前記セルの一部を収容する凹部を有するセパレータと、前記セパレータの上面および前記電解質の上面の双方と当接すると共に、前記空気極の側面の周囲を囲うシール材と、を備え、前記セパレータは、前記電解質の側面が前記凹部の内側の側面に当接すると共に、前記燃料極の側面に接続される燃料供給流路および前記シール材で囲われた空間に接続される空気供給流路の少なくとも１つを内部に有する。

第一の実施形態に係る電気化学セルスタックの燃料供給路を含む断面図を示す。 図１のＡ−Ａ断面図を示す。 第一の実施形態に係る電気化学セルスタックの空気供給路を含む断面図を示す。 図３のＢ−Ｂ断面図を示す。 第二の実施形態に係る電気化学セルスタックの燃料供給路を含む断面図を示す。 第二の実施形態に係る電気化学セルスタックの空気供給路を含む断面図を示す。

以下、実施形態に係る電気化学セルスタック、燃料電池および水素発生装置について説明する。

（第一の実施形態）
第一の実施形態について、図１から図４を用いて説明する。図１は、第一の実施形態に係る電気化学セルスタックの燃料供給路を含む断面図を、図２は、図１のＡ−Ａ断面図を、第一の実施形態に係る電気化学セルスタックの空気供給路を含む断面図を、図３は、第一の実施形態に係る電気化学セルスタックの空気供給路を含む断面図を、図４は、図３のＢ−Ｂ断面図をそれぞれ示す。図１の矢印は燃料が供給されてから排出するまでの流れを、図３の矢印は空気が供給されてから排出するまでの流れをそれぞれ示す。

図１に示すように、電気化学セルスタック１は、平板型のセル１０と、セパレータ２０と、シール材３０を備え、これらを一つの単位として、この単位を複数積層する。この電気化学セルスタック１は、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）や固体酸化物形電解セル（ＳＯＥＣ）に用いられるスタックである。

平板型のセル１０は、支持体１１と、燃料極１２と、電解質１３と、空気極１４から構成される。本実施形態では、支持体１１、燃料極１２、電解質１３、および空気極１４が順次積層される。積層される方向を積層方向とする。

支持体１１は導電性を有する多孔質の部材であり、燃料極１２、電解質１３、空気極１４と比較して厚みを帯びている。支持体１１を厚くする理由は、セル１０の機械強度を向上させるためである。

燃料極１２は、多孔質の固体酸化物を含む平板型の薄膜電極である。燃料極１２の積層方向に対する側面１２ａ（以降の説明では、単に側面とする）は、後述する燃料供給路２２の燃料分岐路２２ａと接続する。ここでいう燃料とは、例えばＳＯＦＣに用いる場合は水素や一酸化炭素などの気体であり、ＳＯＥＣに用いる場合は主に水蒸気である。

電解質１３は、酸素イオン導電性を有し、固体酸化物を含む平板型の薄膜であり、ガスが通過しないよう緻密な構造を有する。

空気極１４は多孔質であって、固体酸化物を含む平板型の薄膜電極であり、積層方向からみた空気極１４の断面が、積層方向からみた電解質１３の断面よりも小さくなる。ただし、空気極１４は、少なくとも電解質１３との当接面が、電解質の上面よりも小さくなるように構成されていればよい。空気極１４の上面は、後述する空隙２１ａに露出されている。ここでいう上面とは、空気極１４と電解質１３との当接面と対向する面のことを指す。

セパレータ２０は、導電性を有する矩形の部材であり、凹部２１と、燃料供給路２２と、空気供給路２３から構成される。なお、本実施形態では、セパレータ２０が矩形の場合を説明したが、セパレータ２０は矩形に限定されず、例えば円板であってもよい。

凹部２１は、セル１０のうち、支持体１１、燃料極１２、および電解質１３を収容し、凹部２１の側面が少なくとも電解質１３の側面と当接すると共に、凹部２１の底面が支持体１１の下面と当接する。凹部２１の側面が電解質１３の側面と当接しているため、この当接面におけるシール性が向上する。なお、ここでいう当接は、燃料または空気が漏洩しない程度に凹部２１との間隙を狭めていればよく、例えば燃料極１２上面の１辺の長さに対して０．５％以下の間隙を設けていてもよい。また、凹部２１の深さは、セパレータ２０の上面および電解質１３の上面が、同じ高さとなるように設定されることが好ましい。また、本実施形態では、セパレータ２０の上面および電解質の上面の高さを同じにする方法として凹部２１の深さを調整することを説明したが、支持体１１、燃料極１２、および電解質１３の少なくとも１つの厚さを調整してもよい。さらに、空気極１４の周囲には、空気を導入するための空隙２１ａが設けられ、空気極１４がこの空隙２１ａに露出されるようにする。この空隙２１ａは、空気極１４と後述するシール材３０との間に設けられた空間である。以降の説明では、この中央の中心を通る積層方向の軸を中心軸とする。

燃料供給路２２は、セパレータ２０の内部に設けられた流路である。燃料供給路２２は、中心軸からみてセル１０よりも外側に設けられ、積層方向に延びている。セル１０、セパレータ２０、シール材３０からなる単位を複数積層した際には、燃料導入路２２は、これらの単位を貫通するように積層方向に延びた構成となる。

また、燃料供給路２２は、分岐した燃料分岐路２２ａを有し、この燃料分岐路２２ａが、燃料極１２の側面１２ａと接続する。

ここで、図２を用いて燃料分岐路２２ａについて説明する。図２に示すように、燃料分岐路２２ａは、セパレータ２０の内側に複数設けられた流路である。ここでいうセパレータ２０の内側とは、セパレータ２０の上面と、後述するシール材３０の下面との当接面よりも内側のことを指し、セパレータ２０の上面は含まない。図１のＡ−Ａ断面から見た場合に、燃料分岐路２２ａは、所定の間隔を開けて燃料極１２の側面１２ａと複数箇所で接続する。このような構成とすることにより、燃料は、Ａ−Ａ断面から見て燃料極１２へ均一に供給される。

なお、本実施形態では、１つの燃料供給路２２に対して、複数の燃料分岐路２２ａが分岐されているが、例えば燃料供給路２２が複数あり、かつそれらの燃料供給路２２と燃料分岐路２２ａとが１対１に対応して分岐されてもよい。また、燃料供給路２２が複数あり、その一部の燃料供給路２２が燃料分岐路２２ａと１対１に対応して分岐され、残りの燃料供給路２２のそれぞれが、複数の燃料分岐路２２ａに分岐されてもよい。さらに、燃料供給路２２が複数あり、その全ての燃料供給路２２が、それぞれ複数の燃料分岐路２２ａに分岐されてもよい。

上記の構成により、燃料供給路２２に導入される燃料は、燃料分岐路２２ａを通ってそれぞれのセル１０の燃料極１２に供給される。

次に、図３を用いて空気供給路２３について説明する。図３に示すように、空気供給路２３は、セパレータ２０の内部であって、積層方向に対して燃料供給路２２から離間した位置に設けられた流路である。空気供給路２３は、燃料供給路２２と同様に中心軸からみてセル１０よりも外側に設けられ、積層方向に延びている。セル１０、セパレータ２０、シール材３０からなる単位を複数積層した際には、空気導入路２３は、これらの単位を貫通するように積層方向に延びた構成となる。

また、空気供給路２３は、分岐した空気分岐路２３ａを有し、この空気分岐路２３ａが、空隙２１ａと接続する。空気分岐路２３ａは、積層方向に対して燃料分岐路２２ａから離間した位置に設けられる。

ここで、図４を用いて空気分岐路２３ａについて説明する。図４に示すように、空気分岐路２３ａは、空気供給路２３と同様にセパレータ２０の内部に設けられた流路である。図２のＢ−Ｂ断面から見た場合に、空気分岐路２３ａは、所定の間隔を開けて空隙２１ａと複数箇所で接続する。このような構成とすることにより、空気は、Ｂ−Ｂ断面からみて空気極１４へ均一に供給される。

なお、本実施形態では、１つの空気供給路２３に対して、複数の空気分岐路２３ａが分岐されているが、例えば空気供給路２３が複数あり、かつそれらの空気供給路２３と空気分岐路２３ａとが１対１に対応して分岐されてもよい。また、空気供給路２３が複数あり、その一部の空気供給路２３が空気分岐路２３ａと１対１に対応して分岐され、残りの空気供給路２３のそれぞれが、複数の空気分岐路２３ａに分岐されてもよい。さらに、空気供給路２３が複数あり、その全ての空気供給路２３が、それぞれ複数の空気分岐路２３ａに分岐されてもよい。

上記の構成により、空気供給路２３に導入される空気は、空気分岐路２３ａを通ってそれぞれのセル１０の空気極１４に供給される。

なお、燃料供給路２２および燃料分岐路２２ａからなる燃料の流路と、空気供給路２３および空気分岐路２３ａからなる空気の流路は、互いに干渉しないように設けられていれば、その位置は限定されない。

シール材３０は、電気的な絶縁性を有する部材であり、空気極１４の側面から離間してその周囲を囲う。ここでいう周囲とは、中心軸を基準とした空気極１４の周方向を指す。この際に、空気極１４の周りに設けられる空間、言い換えるとシール材３０によって囲まれた内側の空間が、空隙２１ａとなる。なお、本実施形態では、シール材３０は空気極１４の側面から離間して空気極１４を囲っている場合を例として説明するが、シール材７０は、空気極１４の側面と当接してもよい。シール材３０の下面は、同じ単位内のセパレータ２０の上面およびセル１０の電解質１３の上面の双方と当接し、この状態で圧着される。シール材３０は、燃料極に供給される燃料がこの圧着面を通過して空気極１４へ漏洩するのを抑制すると共に、空気極１４に供給される空気がこの圧着面を通過して燃料極１２へ漏洩するのを抑制する。

上述した第一の実施形態によれば、凹部２１の側面が電解質１３の側面と当接した状態で、シール材３０の下面と、セパレータ２０の上面および電解質１３の上面の双方とを圧着させることで、高いガスシール性を保つことができる。

なお、第一の実施形態において、支持体１１は、燃料極１２と同一の材料を用いて、燃料極１２と共に積層してもよい。また、燃料供給路２２および燃料分岐路２２ａからなる燃料の流路と、空気供給路２３および空気分岐路２３ａからなる空気の流路は、セパレータ２０を切削加工して作製されることが好ましいが、例えば溶接や接合などの方法を用いて作製してもよい。

さらに、第一の実施形態では、燃料供給路２２および燃料分岐路２２ａからなる燃料の流路と、空気供給路２３および空気分岐路２３ａからなる空気の流路の双方が設けられた場合を説明したが、この燃料の流路および空気の流路は、少なくとも一方を設けていればよい。

（第二の実施形態）
次に、第二の実施形態について、図５および図６を用いて説明する。図５は、第二の実施形態に係る電気化学セルスタックの燃料供給路を含む断面図を、図６は、第二の実施形態に係る電気化学セルスタックの空気供給路を含む断面図をそれぞれ示す。第一の実施形態に係る電気化学セルスタックとの違いは、同じ単位内のセル１０とセパレータ５０との間、および同じ単位内のセパレータ５０とシール材７０との間に仕切板６０を設けたことである。なお、第一の実施形態と類似する箇所については、説明を省略する。

電気化学セルスタック４１は、平板型のセル１０と、セパレータ５０と、シール材７０と、仕切板６０を備え、これらを一つの単位として、この単位を複数積層する。

図５に示すように、燃料供給路５２は、セパレータ５０の内部に設けられた流路である。燃料供給路５２は、分岐した燃料分岐路５２ａを有し、この燃料分岐路５２ａが燃料極１２の側面と接続する。

図６に示すように、空気供給路５３は、セパレータ５０の内部に設けられた流路である。空気供給路５３は、分岐した空気分岐路５３ａを有し、この空気分岐路５３ａが、空隙５１ａと接続する。

仕切板６０は、導電性を有する薄膜部材であり、凹部５１の側面および底面と当接すると共に内側の側面が電解質１３の側面と当接する溝部６１と、セパレータ５０の上面と当接する側部６２を備える。

溝部６１は、支持体１１、燃料極１２、および電解質１３を収容し、溝部６１の内側の側面が少なくとも電解質１３の側面と当接すると共に、溝部６１の底面が支持体１１の下面と当接する。溝部６１の内側の側面には、燃料分岐路５２ａを貫通させる孔が設けられ、溝部６１が燃料分岐路５２ａを塞がないように設置される。

側部６２には、燃料供給路５２および空気供給路５３を貫通させる孔がそれぞれ設けられる。側部６２は、積層方向から見た場合に、これらの孔と燃料供給路５２および空気供給路５３とが合うように、すなわち側部６２が燃料供給路５２および空気供給路５３を塞がないように設置される。

シール材７０は、電気的な絶縁性を有する部材であり、空気極１４の側面から離間してその周囲を囲う。ここでいう周囲とは、中心軸を基準とした空気極１４の周方向を指す。この際に、空気極１４の周りに設けられる空間、言い換えるとシール材７０によって囲まれた内側の空間が、空隙５１ａとなる。なお、本実施形態では、シール材７０は空気極１４の側面から離間して空気極１４を囲っている場合を例として説明するが、シール材７０は、空気極１４の側面と当接してもよい。シール材７０の下面は、側部６２の上面および電解質１３の上面の双方と当接し、この状態で圧着される。この際に、溝部６１の内側の側面が電解質１３の側面と当接しているため、この当接面におけるシール性が向上する。さらに、側部６２とシール材７０の下面を当接させるため、セパレータの上面とシール材の下面とを直接当接させる場合と比較して側部６２と当接する領域でのシール材７０の機械強度が向上する。

上述した第二の実施形態によれば、仕切板６０の溝部６１の側面が電解質１３の側面と当接した状態で、シール材３０の下面と、セパレータ２０の上面および電解質１３の上面の双方とを圧着させることで、高いガスシール性を保つことができる。また、側部６２とシール材７０の下面を当接させることで、この当接面におけるシール材７０の機械強度が向上する。

以上、説明した少なくとも一つの実施形態によれば、ガスシール性を高くすることができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の趣旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１、４１．電気化学セルスタック、１０．セル、１１．支持体、１２．燃料極、１２ａ．側面、１３．電解質、１４．空気極、２０、５０．セパレータ、２１．凹部、２１ａ、５１ａ．空隙、２２、５２．燃料供給路、２２ａ、５２ａ．燃料分岐路、２３、５３．空気供給路、２３ａ、５３ａ．空気分岐路、３０、７０．シール材、６０．仕切板、６１．溝部、６２．側部

Claims (4)

1. 燃料極、電解質および空気極を有し、前記電解質と前記空気極との当接面が前記電解質の上面よりも小さくなるように形成されるセルと、
   前記セルの一部を収容する溝部および前記溝部に連結された側部を有する仕切板と、前記溝部の底面および外側の側面と当接する凹部を有するセパレータと、
   前記仕切板の上面および前記電解質の上面の双方と当接すると共に、前記空気極の周囲を囲うシール材と、
   を備え、
   前記仕切板は、前記側部が前記セパレータの上面と当接すると共に、前記溝部の内側の側面が少なくとも前記電解質の側面に当接し、
   前記セパレータは、前記溝部を貫通して前記燃料極の側面に接続される燃料供給流路および前記シール材で囲われた空間に接続される空気供給流路の少なくとも１つを内部に有する電気化学セルスタック。
2. 前記燃料供給流路は、前記燃料極の側面と複数箇所で接続され、前記空気供給流路は、前記空隙と複数箇所で接続される請求項１に記載の電気化学セルスタック。
3. 請求項１または２に記載の電気化学セルスタックを備える燃料電池。
4. 請求項１または２に記載の電気化学セルスタックを備える水素発生装置。

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