JP6926193B2 - 平板型電気化学セルスタック - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、平板型電気化学セルスタックに関する。

水素と酸素を電気化学的に反応させることにより、化学エネルギーを電気エネルギーに変換する燃料電池が注目されている。燃料電池は高いエネルギー利用効率を有し、大規模分散電源、家庭用電源、移動用電源として開発が進められている。

燃料電池は、温度域や使用する材料・燃料の種類に応じて、固体高分子型、リン酸型、溶融炭酸塩型、固体酸化物型、などに分けられる。これらの中で効率などの観点から、固体酸化物から成る電解質を使用して電気化学反応により電気エネルギーを得る固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）が注目されている。また、ＳＯＦＣの逆反応を利用して、固体酸化物型電解セル（ＳＯＥＣ）により水素の製造を行う、高温水蒸気電解法も近年、開発がすすめられている。

ＳＯＦＣおよびＳＯＥＣの最小構成単位であるセルは、一般的に、電解質と電極とから構成される。固体酸化物の電解質は、酸素イオン導電性を有する。固体酸化物の電解質としては、例えば、緻密な安定化ジルコニアやペロブスカイト型酸化物、セリア系固溶体の成形体などが用いられる。

電極に関しては、ＳＯＦＣを例にとると、大きく燃料極と空気極に分けられる。燃料極では、燃料ガスであるＨ_２と、電解質を移動してきた酸素イオンとが電気化学的に反応し、Ｈ_２Ｏと電子（e-）が生成する。空気極では、（空気中の）酸素が、電子（e-）を取り込み、電気化学反応により、酸素イオンが生成し、これらが電解質へと移動する。

燃料極には、一般的に金属と固体酸化物の混合焼結体（サーメット）が用いられる。たとえば、Ｎｉ−ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）、Ｎｉ−ＳｃＳＺ（スカンジア安定化ジルコニア）などが用いられる。

一方、空気極には、一般的にペロブスカイト型酸化物やこれらの一部サイトを置換した酸化物が用いられる。例えば、ＬａＳｒＭｎ酸化物、ＬａＳｒＣｏ酸化物、ＬａＳｒＣｏＦｅ酸化物、ＬａＳｒＦｅ酸化物などが挙げられる。また、電解質に用いている固体酸化物との混合体なども用いられ、例えば、ＬＳＭ−ＹＳＺ、ＬＳＭ−ＳｃＳＺ、ＬＳＣ−ＳＤＣ、ＬＳＣ−ＧＤＣなどが挙げられる。

上記のようにセルは、少なくとも、空気極と電解質と燃料極の積層体である。空気極と電解質と燃料極には、各々異なる特性の材料を用いている。空気極と燃料極は多孔質であり、空気極と燃料極には緻密な電解質を境にそれぞれ異なるガスが供給される。空気極と燃料極は電気伝導体であり、電解質は電気を通さないイオン伝導体である。

セルの形状は、平板型、円筒型、円筒平板型などがある。例えば、平板型のセルは、空気極、電解質、燃料極などを平板状に積層した形状のものである。このセルを複数、集積したものは一般的にスタックと呼ばれる。

例えば、平板型のセルの場合、スタックは複数の平板型のセルを積層したものであり、各セルの空気極と燃料極に異なるガスを供給し、かつセル同士は電気的に直列に接続可能な構造を持つ。セルとセルの間はセパレータによって隔てられ、このセパレータによってセルごとのガスが区切られる。セパレータは導電性なのでセル同士の電気的導通の役割も担う。また、各セルへのガスの供給・排出流路も一般的にセパレータ中に形成される。

スタックでは、セル部分は緻密な電解質により、燃料極と空気極が隔離されるが、それ以外の部分は緻密なセパレータにより隣接するセル同士の雰囲気を隔離する。また、同一セルの燃料極と空気極の雰囲気については、セルが設置されていない部分の隙間などを緻密な部材で塞ぎ、隔離している。

平板型のセルのスタックでは、スタック内を流れるガスのスタック外部への流出を防ぐこと、スタック内部において燃料極と空気極への供給ガスが混合することを防ぐこと、すなわち、ガスのシール性が大きな課題となっている。このようなガスのシール性を高めるためには、例えば、各種のシール材を用いる方法等が提案されている。

特開平６−３２５７７９号公報

セルは緻密な電解質を有するため、燃料極と空気極の各々の雰囲気ガスの混合を防ぐことが可能である。しかし、セル以外のスタック構成部において、ガスリークへの対策が必要である。例えば、セルとセル以外のスタック構成部材との隙間部分や、ガスをセルに供給する部分をシールする必要がある。

また、セルは導電性のセパレータを介して積層されるため、セパレータ間をなんらかの形で絶縁することが必要である。そのため、シール性と絶縁性を両立させた構造が必要となる。

本発明が解決しようとする課題は、ガスシール性を高めた平板型電気化学セルスタックを提供することにある。

実施形態の平板型電気化学セルスタックは、平板状の固体酸化物型の電気化学セルと、前記電気化学セルの周囲を囲む導電性のセパレータとを含み、複数積層された単位電気化学セルと、前記単位電気化学セルの前記セパレータと、隣接する前記単位電気化学セルの前記セパレータとの間に配置され、前記電気化学セルの周囲を囲む枠状のシール部と、 前記単位電気化学セルの前記セパレータと、隣接する前記単位電気化学セルの前記セパレータとの間に配置され、少なくとも一部が前記シール部の外周側に位置し、前記シール部より厚さの薄い絶縁部とを具備している。

第１実施形態のスタックの一部の断面構成を模式的に示す図。 スタックの全体構成を模式的に示す図。 第２実施形態のスタックの一部の断面構成を模式的に示す図。 第３実施形態のスタックの一部の断面構成を模式的に示す図。 第４実施形態のスタックの一部の断面構成を模式的に示す図。 比較例のスタックの一部の断面構成を模式的に示す図。

以下、実施形態について図面を参照して説明する。図１は、実施形態の平板型電気化学セルスタック（以下、単にスタックという。）１００の一部の断面構成を模式的に示す図である。なお、図１では、各構成部品を分解した状態（部品間に間隔を開けた状態）で図示しているが（後述する図３〜６も同じ）、これらの各構成部品は、積層されて加圧状態で一体的に保持される。

本実施形態において、スタック１００を構成する平板型のセル１０１は、電極支持型平板型電気化学セルである。セル１０１は、多孔質の電極支持体１０２の上に、薄膜からなる電解質１０３を形成し、さらに電解質１０３の上に対極１０４を形成した積層構造である。ＳＯＦＣの場合、電極支持体１０２又は対極１０４のいずれか一方が燃料極であり、他方が空気極である。

セル１０１の周囲を囲むように、導電性のセパレータ１０５，１０６が設けられており、これらの中にセル１０１が収容され、支持される。電極支持体１０２とセパレータ１０６との間には、これらを電気的に接続する図示しない集電体などが配設される。また、対極１０４と隣接するセパレータ１０６との間にも、これらを電気的に接続する図示しない集電体などが配設される。

セパレータ１０５，１０６の材料は、緻密で、かつ、動作温度である６００〜１０００℃の温度域でも導電性がある材料、例えば金属やセラミックスを用いる。また、この材料としては、セル１０１と熱膨張係数が近いものが望ましい。なお、本実施形態では、セパレータを、別部材である２つのセパレータ１０５，１０６によって構成した例について説明する。しかし、セパレータ１０５，１０６が一体となった１つの部材から構成してもよい。

平板型のセル１０１の外形は、例えば、四角形状とされている。また、セパレータ１０５は、セル１０１の周囲を囲むように、矩形の枠状に構成されている。セパレータ１０５の中央部には、四角形の開口１０５ａが形成され、セル１０１は、開口１０５ａの中に配置される。

セパレータ１０６の外形は、例えば、四角形の板状とされている。また、セパレータ１０５と、セパレータ１０６には、夫々対応する位置に貫通孔が形成され、これらの貫通孔によって、ガスを積層方向に流通させるためのガス流路１０９が形成されている。

セパレータ１０５とセパレータ１０６とによって、開口１０５ａ内にセル１０１を収容して支持する支持体が構成される。そして、これらのセパレータ１０５，１０６、セル１０１によって１つの単位化学セル１１０が構成される。図２に示すように、これらの単位化学セル１１０が複数積層され、積層方向の両側端部（図２における上側端部と下側端部）には、エンドプレート１２０などが配置される。そして、これらが、締結手段、例えば、複数のボルト１１１とナット１１２等によって締め付けられて固定される。なお、図２中、同一構造の単位化学セル１１０が配置される部分の一部の図示を省略している。

図１に示すように、セパレータ１０５と、隣接する単位化学セル１１０のセパレータ１０６との間には、枠状に形成されたシート状の絶縁部材１０７が設けられている。絶縁部材１０７は、セパレータ１０５と隣接するセル１０１のセパレータ１０６との間での電気的な短絡を防止するために設けられている。この絶縁部材１０７によって、絶縁部が構成されている。

さらに、セパレータ１０５と、隣接する単位化学セル１１０のセパレータ１０６との間で、絶縁部材１０７の内側には、枠状に形成されたシート状のシール部材１０８が設けられている。シール部材１０８は、セル１０１の周縁部に沿って配設されている。シール部材１０８は、セル１０１の外周縁部とセパレータ１０５の内周縁部との間に跨って配設されている。また、シール部材１０８は、ガス流路１０９の周囲を囲むように配設されている。すなわち、シール部材１０８は、シート状であり、上面又は下面側から見たときに、外形が略四角形状とされ、中央部にセル１０１の外形より小さな略四角形状の開口を有する形状（枠状）となっている。そして、ガス流路１０９に対応する部位に、ガス流路１０９の形状に応じた開口が設けられている。このシール部材１０８によって、シール部が構成されている。

シール部材１０８は、セル１０１、セパレータ１０５，１０６の間の隙間などからのガスのリークを防止するために設けられている。また、シール部材１０８は、セパレータ１０５と隣接する単位化学セル１１０のセパレータ１０６との間を絶縁するために設けられている。

絶縁部材１０７の材料は、特に限定されないが、電気的な絶縁性が高い（電気抵抗が高い）ものが望ましい。この材料としては、例えば、アルミナ、ジルコニア、シリカ、少なくともこれらが含まれる材料、などが挙げられる。密度については、緻密なものが望ましいが、多孔質のものでもよい。

シール部材１０８の材料は、特に限定されないが、電気的な絶縁性が高いものが望ましい。この材料としては、例えば、アルミナ、ジルコニア、シリカ、少なくともこれらが含まれる材料、などが挙げられる。密度については、緻密なものが望ましい。シール部材１０８の材料は、絶縁部材１０７の材料と同じものを用いてもよい。

本実施形態では、同一面内に配置される、絶縁部材１０７とシール部材１０８の厚みを異なる厚みとしている。すなわち、絶縁部材１０７の厚みが、シール部材１０８の厚みよりも薄くなっている。

このように、本実施形態では、絶縁部分とシール部分を分離し、厚さの厚いシール部材１０８と厚さの薄い絶縁部材１０７としたことにより、単純な構造でシール部分の面圧を高めることができ、シール性を向上させることができる。

平板型のスタックの場合、積層方向に圧力をかけて、シール部の面圧を上げてシールをするが、広い面積への面圧を高めるには非常に大きな圧力をかける必要がある。例えば図６に示す比較例のスタック５００のように、絶縁機能とシール機能を一つの部材に持たせ、表面積の大きな絶縁シール部材５０８を、セパレータ１０５と、隣接する単位化学セル１１０のセパレータ１０６との間に配置した場合、面圧を高めるには非常に大きな圧力をかける必要がある。このため、面圧を十分に高めることができず、シール性が低下する場合がある。

これに対して、絶縁部分とシール部分を分離し、厚さの厚いシール部材１０８と厚さの薄い絶縁部材１０７とした本実施形態では、図６に示した絶縁シール部材５０８の場合に比べて、シール部材１０８の表面積を小さくすることができ、容易に面圧を高めることができる。これにより、シール性を向上させることができる。

なお、シール部材１０８の材料として、室温で多孔質であり、圧縮された状態で高温暴露することにより、緻密になる材料を用いることができる。室温で多孔質なものは圧縮性が高く、例えば、セル端部で段差などがある場合に、スタック積層方向に圧力をかけてシール部分に面圧をかけた場合、その段差を吸収することが可能となる。そして、圧縮された状態で高温暴露することにより、緻密になり、シール性が向上する。

上記のような材料を使用して、シール部材１０８を構成した場合、積層して圧縮する前と、積層して圧縮した後のシール部材１０８の厚さが変化する。すなわち、積層して圧縮した後のシール部材１０８の厚さは、圧縮前より薄くなる。したがって、シール部材１０８の厚さと絶縁部材１０７の厚さの差も減少する。この場合、圧縮後において僅かにシール部材１０８の厚さが絶縁部材１０７の厚さよりも厚ければよい。

図３は、第２実施形態に係るスタック２００の一部の断面構成を模式的に示す図である。なお、図３において、図１と対応する部分には同一の符号が付してある。

図３に示すように、スタック２００では、絶縁部として、セパレータ１０６の一方の面（図３において下側の面）に予め絶縁材料をコーティングして形成したコーティング膜２０７を用いている。コーティング膜２０７は、シール部材１０８の周囲を囲むように枠状に形成されている。

コーティング膜２０７の材料は、特に限定されないが、電気的な絶縁性が高いものが望ましい。この材料としては例えば、アルミナ、ジルコニア、シリカ、少なくともこれらが含まれる材料、などが挙げられる。密度については、緻密なものが望ましいが、多孔質なものでもよい。また、コーティング方法は、特に限定されないが、例えば、湿式法、乾式法、物理的手法、化学的手法、などが挙げられる。コーティング膜２０７の形状については、特に限定されないが、絶縁する必要のある部分に最低限設けられていればよい。

上記のように、絶縁部をコーティング膜２０７によって構成した場合、部品点数が減り、スタック２００を積層して組み立てる際の工程が減り、また、施工時に絶縁部材とシール部材の重なりが生じるなどの不具合が生じることを防止できる。さらに、局所的な電気のリークの発生を抑制することができる。

図４は、第３実施形態に係るスタック３００の一部の断面構成を模式的に示す図である。なお、図４において、図１と対応する部分には同一の符号が付してある。

スタック３００の積層方向端部には、スタック３００の強度などを確保するため、エンドプレート１２０などが設置される。この場合、エンドプレート１２０とセパレータ１０６との間の絶縁やガスシールを行う必要がある。このため、スタック３００では、絶縁部材１０７とシール部材１０８が、上側のエンドプレート１２０とセパレータ１０６との間に配置されている。

上記のスタック３００では、エンドプレート１２０とセパレータ１０６との間に、セパレータ１０５，１０６の間に配置するものと同様な形状の絶縁部材１０７とシール部材１０８を設けている。これにより、スタック３００の同じ個所に面圧がかかるようになり、積層方向において各シール部材１０８に均一に面圧がかかり、シール性を向上させることができる。

図５は、第４実施形態に係るスタック４００の一部の断面構成を模式的に示す図である。なお、図５において、図１と対応する部分には同一の符号が付してある。

スタック４００では、セパレータ１０６のシール部材１０８が接する部分に、シール部材１０８より面積が小さい凸部４０１が設けられている。この凸部４０１は、シール部材１０８の形状に沿って枠状に形成されている。凸部４０１の形状としては、シール部材１０８の破断などが発生しないように鋭利な部分がない形状のものが望ましい。上記構成のスタック４００では、シール部材１０８への面圧がさらに高まり、シール性が向上する。

以上説明した少なくともひとつの実施形態によれば、ガスシール性を高めることができる。

以上、本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、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。この新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要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、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。

１００，２００，３００，４００，５００…スタック、１０１…セル、１０２…電極支持体、１０３…電解質、１０４…対極、１０５…セパレータ、１０５ａ…開口、１０６…セパレータ、１０７…絶縁部材、１０８…シール部材、１０９…ガス流路、１１０…単位化学セル、１１１…ボルト、１１２…ナット、１２０…エンドプレート、２０７…コーティング膜、４０１…凸部。

Claims (6)

1. 平板状の固体酸化物型の電気化学セルと、前記電気化学セルの周囲を囲む導電性のセパレータとを含み、複数積層された単位電気化学セルと、
   前記単位電気化学セルの前記セパレータと、隣接する前記単位電気化学セルの前記セパレータとの間に配置され、前記電気化学セルの周囲を囲む枠状のシール部と、
   前記単位電気化学セルの前記セパレータと、隣接する前記単位電気化学セルの前記セパレータとの間に配置され、少なくとも一部が前記シール部の外周側に位置し、前記シール部より厚さの薄い絶縁部と、
   を具備し、
   前記セパレータに、ガスを流通させるためのガス流路が形成され、前記シール部は、前記ガス流路の周囲を囲む形状とされている、
   平板型電気化学セルスタック。
2. 前記電気化学セルの周縁部に沿って、前記シール部が配設されている、請求項１記載の平板型電気化学セルスタック。
3. 前記シール部と、前記絶縁部が同一の材料からなる、請求項１又は２に記載の平板型電気化学セルスタック。
4. 複数積層された前記単位電気化学セルの積層方向端部に配置されたエンドプレートを具備し、
   前記エンドプレートと前記セパレータとの間に、前記シール部と前記絶縁部が配設されている、請求項１〜３いずれか１項記載の平板型電気化学セルスタック。
5. 前記シール部と接する前記セパレータの面に、前記シール部より面積が小さい凸部が形成されている、請求項１〜４いずれか１項記載の平板型電気化学セルスタック。
6. 前記絶縁部が、前記セパレータの表面にコーティングされたコーティング膜からなる、請求項１〜５いずれか１項記載の平板型電気化学セルスタック。

Images