JP7273694B2 - 電気化学セルスタック - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、電気化学セルスタックおよびそのシール材に関する。

平板型の電気化学セルスタック（以下ではセルスタックという）は、平板型の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セルとセパレータとを順次積層した積層体である。このセルがＳＯＦＣに搭載される場合には、燃料極に燃料ガス（水素や一酸化炭素）を、空気極に空気をそれぞれの供給ガスとして外部から供給する。その結果、セルでは電気化学反応によって電気エネルギーが生成される。一方、このセルがＳＯＥＣに搭載される場合には、外部から燃料極に供給ガスである燃料ガス（水蒸気）を供給すると共に、セルに電気エネルギーが与えられる。その結果、セルでは電気分解反応によって水蒸気から酸素と水素とが生成される。

セルおよびセパレータを一つの単位とした場合、供給ガスが隣の単位に漏洩することを防ぐ（シールする）ために、隣接する単位間にはシール材を配置する。セルスタックの積層方向に対して圧縮荷重が付加されると、シール材はこの圧縮荷重を受けてセパレータやセルに圧着し、各単位のガス雰囲気を隔離する。

特開２００７－２９４１８４号公報

固体酸化物形のセルスタックに設けられるシール材には、シール性を保つために所定の圧縮荷重を付加しても塑性変形しない程度の機械強度、セルの反応温度である６００℃から１０００℃程度の温度領域においても熱変形しない耐熱性、および各単位間の短絡を防ぐための絶縁性が求められる。しかしながら、金属材料で構成されたシール材は、機械強度および耐熱性には優れるものの、金属材料の持つ導電性によって、隣接する単位間（セル間）で短絡を生じる。また、セラミックスで構成されたシール材は、隣接する単位間（セル間）の短絡を防ぐことはできるものの、圧縮荷重に対する機械強度が金属材料よりも弱く、十分なシール性が得られない可能性がある。具体的には、シール性を高めるために所定以上の大きさの圧縮荷重をかけると、シール材の変形や破壊を引き起こす可能性がある。

そこで、本発明が解決しようとする課題は、セル間の短絡を防ぎつつ、高いシール性を備えた電気化学セルスタックおよびそのシール材を提供することである。

上記の課題を解決するために、実施形態のシール材は、電気化学セルスタックのシール材であって、金属層と、少なくとも前記金属層の上面または下面に被膜された絶縁層と、を備える。

本発明によれば、セル間の短絡を防ぎつつ、高いシール性を備えることができる。

実施形態に係るセルスタックの構成図であり、（ａ）は燃料ガス流路を結ぶ線分でセルスタックを切断した断面を、（ｂ）は空気流路を結ぶ線分でセルスタックを切断した断面をそれぞれ示す。 実施形態に係るセルスタックの断面図であって、（ａ）は図１をＰ－Ｐ断面で切断して上側から見た場合の図を、（ｂ）は図１をＱ－Ｑ断面で切断して下側から見た場合の図をそれぞれ示す。 実施形態に係るシール材の構成図であり、（ａ）はシール材の上面図を、（ｂ）はシール材、セル、およびセパレータの配置関係を示す上面図を、（ｃ）はシール材、およびセパレータの配置関係を示す下面図を、（ｄ）は図３（ａ）をＲ－Ｒ断面で切断した場合の図をそれぞれ示す。

図１は、実施形態に係るセルスタックの構成図である。以降の説明においては、電気化学セルをセル、電気化学セルスタックをセルスタックと表記して説明する。図１の（ａ）は、後述する燃料ガス流路２１、２２を結ぶ線分でセルスタックを切断した断面を表し、図１の（ｂ）は、後述の空気極ガス流路３１、３２を結ぶ線分でセルスタックを切断した断面をそれぞれ表す。

なお、以降の説明において積層方向とは、後述するセル１１およびセパレータ１３を積層する方向を示し、その方向や特定の面を表す際には、特段の指定がない限り積層方向を基準として表記する。例えば、上面とは積層方向を基準とした上面、側面とは積層方向を基準とした側面、下側とは積層方向を基準とした下側をそれぞれ示す。なお、ここでいう積層方向は、重力方向とは必ずしも一致しない。

図１に示すように、セルスタック１は、セル１１（１１ａおよび１１ｂ）と、エンドプレート１２（１２ａおよび１２ｂ）と、セパレータ１３（１３ａから１３ｃ）と、シール材１４（１４ａから１４ｃ）とを備える。

エンドプレート１２ａと１２ｂとの間には、上側から下側に向かって、シール材１４ａ、セパレータ１３ａ、シール材１４ｂ、セパレータ１３ｂ、シール材１４ｃ、セパレータ１３ｃ、および絶縁材１５が順に配置されている。

エンドプレート１２ａおよび１２ｂ、セパレータ１３ａから１３ｃ、および絶縁材１５はボルト穴を有し、締結具（ボルト、ナット）で上下に締め付けられる。なお、ここではボルト穴や締結具を用いて締め付ける場合を例示して説明するが、例えばプレス機構を用いて、エンドプレート１２ａおよび１２ｂ、セパレータ１３ａから１３ｃ、および絶縁材１５を上下に締め付けて固定することもできる。

ここでは、３つのセパレータ１３ａから１３ｃを用いて、２つのセル１１ａおよび１１ｂを積層しているが、セル１１およびセパレータ１３の積層数はこの場合に限定されない。例えば、多数のセパレータ１３を用いて、数十のセル１１を積層できる。

エンドプレート１２ａ、シール材１４ａから１４ｃ、およびセパレータ１３ａから１３ｃは、後述する燃料ガス流路２１および２２と、空気極ガス流路３１および３２とを具備する。

セル１１（１１ａおよび１１ｂ）は、燃料極と、電解質と、空気極とを順次積層した固体酸化物形の平板セルである。ここでは、セル１１が燃料極、電解質、空気極の順に積層される場合を例示して説明するが、これらを積層する順序はこの場合に限定されず、例えば空気極、電解質、燃料極の順に積層してもよい。セル１１は、後述する燃料ガス流路２１、２３、および２４を介して燃料ガスを、後述する空気流路３１、３３、および３４を介して空気をそれぞれ供給して化学反応を引き起こす。ここでいう化学反応とは、ＳＯＦＣとして用いる場合には電気エネルギーを生成する電気化学反応、ＳＯＥＣとして用いる場合には電気分解反応をそれぞれ示す。なお、燃料ガスとは、例えばＳＯＦＣに用いる場合には水素や一酸化炭素を、ＳＯＥＣに用いる場合には水蒸気をそれぞれ示す。

セパレータ１３（１３ａから１３ｃ）は、セル１１（１１ａおよび１１ｂ）の上下側に配置され、これらを電気的に接続すると共に、各セル１１を空間的に分離するための板状の部材である。セパレータ１３の構成材料は、セル１１の反応温度（６００度から１０００度）で導電性があることが望ましい。なお、セル１１の下側に設けられるセパレータ１３ｂおよび１３ｃには、セル１１を設置するための凹部がそれぞれ設けられる。また、電気的導通を確実にするため、セル１１とセパレータ１３との間には図示していない集電材を配置する。セパレータ１３ａとセル１１ａの間、セパレータ１３ｂとセル１１ｂの間の集電材には、酸化耐性の強い材質を使用する。セル１１ａとセパレータ１３ｂの間、セル１１ｂとセパレータ１３ｃの間の集電材には、ニッケルなどの材質を使用する。しかし、セル１１とセパレータ１３の接触が十分に取れるようであれば、これらの集電材は省略してもよい。

セパレータ１３は、エンドプレート１２ａ、１２ｂとの関係で、互いに形状が異なる。すなわち、セパレータ１３は、エンドプレート１２ａ側のセパレータ１３ａと、中間のセパレータ１３ｂと、エンドプレート１２ｂ側のセパレータ１３ｃとでその形状が異なる。セパレータ１３の詳細については後述する。

シール材１４（１４ａから１４ｃ）は、絶縁性とガスシール性とを備える板状の部材である。具体的には、シール材１４ａはエンドプレート１２ａとセパレータ１３ａとの間、シール材１４ｂはセパレータ１３ａとセパレータ１３ｂとの間、シール材１４ｃはセパレータ１３ｂとセパレータ１３ｃとの間にそれぞれ配置され、これらの間でのガスシールおよび絶縁の機能を備える。なお、シール材１４の詳細な説明は後述する。

ここで、図１と図２とを用いてセパレータ１３ｂについて説明する。図２は、セルスタックの断面図である。図２の（ａ）は、図１（ａ）のＰ－Ｐ断面で切断して上側から見た場合の図を、図２の（ｂ）は、図２（ｂ）のＱ－Ｑ断面で切断して下側から見た場合の図をそれぞれ表す。

図１または図２に示すように、セパレータ１３ｂは、燃料ガス流路２１および２２と、空気流路３１および３２と、燃料ガス流路２３、２４、および２５と、空気流路３３、３４、および３５と、セル１１ａを設置するための凹部１３１と、を備える。ここでは、燃料ガス流路２１および２２と、空気流路３１および３２とがセパレータ１３ｂ上に上下左右対称に配置されているが、その配置位置は限定されず、例えば非対称に配置することも可能である。

凹部１３１は、セパレータ１３ｂの上面に設けられ、セル１１ａを設置する。具体的には、セル１１ａを構成する燃料極が凹部１３１側を向くように、凹部１３１にセル１１ａを設置する。このとき、セル１１ａの上面とセパレータ１３ｂの上面とが同一の高さであることが好ましい。また、図２（ａ）に示すように、この凹部１３１には、後述する燃料ガス流路２３、２４、および２５が設けられる。一方、図２（ｂ）に示すように、セパレータ１３ｂの下面には、後述する空気流路３３、３４、および３５が設けられる。

燃料ガス流路２３は、凹部１３１（セパレータ１３ｂの上面）に設けられ、燃料ガス流路２１に連結される。ここでは、燃料ガス流路２１が、燃料ガス流路２３を経てセル１１ａに供給される燃料ガスＧ１の入口側を構成する。

燃料ガス流路２４は、凹部１３１（セパレータ１３ｂの上面）に設けられ、燃料ガス流路２３と、後述する燃料ガス流路２５とを連結する、例えば複数の溝である。燃料ガス流路２４は、セル１１ａの下面（つまりは燃料極）と対向し、セル１１ａに燃料ガスＧ１を供給する。

燃料ガス流路２５は、凹部１３１（セパレータ１３ｂの上面）に設けられ、燃料ガス流路２２に連結される。ここでは、燃料ガス流路２５が、燃料ガス流路２２へ燃料ガスＧ１を排出する出口側を構成する。

空気流路３３は、セパレータ１３ｂの下面に設けられ、空気流路３１に連結される。ここでは、空気流路３１が、空気流路３３を経て、下側のセル１１ｂに供給される空気Ｇ２の入口側を構成する。

空気流路３４は、セパレータ１３ｂの下面に設けられ、空気流路３３と、後述する空気流路３５とを連結する、例えば複数の溝である。空気流路３４は、セル１１ｂの上面（つまりは空気極）と対向し、セル１１ｂに空気Ｇ２を供給する。

空気流路３５は、セパレータ１３ｂの下面に設けられ、空気流路３２に連結される。ここでは、空気流路３５が、空気流路３２へ空気Ｇ２を排出する出口側を構成する。

次に、セパレータ１３ａおよびセパレータ１３ｃについて説明する。

セパレータ１３ａは、燃料ガス流路２１および２２と、空気流路３１および３２と、空気流路３３から３５とを備える。この空気流路３３から３５は、セパレータ１３ａの下面に設けられる。なお、セパレータ１３ａは、その上面にセル１１が配置されないことから、凹部１３１、燃料ガス流路２３から２５は不要となる。

セパレータ１３ｃは、凹部１３１と、燃料ガス流路２３、２４、および２５を備える。セパレータ１３ｃよりも下側にはセル１１が配置されないことから、燃料ガス流路２１および２２と、空気流路３１から３５は不要となる。

セルスタック１をＳＯＦＣとして動作させる場合には、外部から燃料ガス流路２１に燃料ガスＧ１として水素を、空気流路３１に空気Ｇ２をそれぞれ導入する。水素は、燃料ガス流路２１、２３、および２４を順次経てセル１１ａおよび１１ｂの燃料極にそれぞれ供給され、空気Ｇ２は、空気流路３１、３３、および３４を順次経てセル１１ａおよび１１ｂの空気極にそれぞれ供給される。セル１１ａおよび１１ｂでは、反応物としてこの水素（燃料ガスＧ１）と空気Ｇ２とを用いて電気化学反応（電気エネルギーを生成する電気化学反応）させる。電気化学反応の反応物として用いられなかった水素は燃料ガス流路２４、２５、および２２を順次経て、空気は空気流路３４、３５、および３２を順次経て、それぞれ外部へ排出される。

一方、セルスタック１をＳＯＥＣとして動作させる場合には、外部から燃料ガス流路２１に燃料ガスＧ１として水蒸気を導入する。この水蒸気は、燃料ガス流路２１、２３、および２４を順次経てセル１１ａおよび１１ｂの燃料極にそれぞれ供給され、セル１１での電気分解反応の反応物として用いられる。電気分解反応の反応物として用いられなかった水蒸気は、燃料ガス流路２４、２５、および２２を順次経て外部へ排出される。

ここで、図１に示したシール材１４（１４ａから１４ｃ）について、図３を用いてより詳細に説明する。図３は、実施形態に係るシール材の構成図である。図３の（ａ）はシール材の上面図を、図３の（ｂ）はシール材、セル、およびセパレータの配置関係を示す上面図を、図３の（ｃ）はシール材、およびセパレータの配置関係を示す下面図を、図３の（ｄ）は図３（ａ）をＲ－Ｒ断面で切断した場合の図をそれぞれ示す。なお、図３（ｂ）は、シール材１４ｂ、セル１１ａ、およびセパレータ１３ｂの配置関係を示す上面図であり、図３（ｃ）は、このシール材１４ｂの下面図をセパレータ１３ａとの配置関係と共に示している。

図３（ａ）または図３（ｄ）に示すように、シール材１４は、金属層１４１と、絶縁層１４２と、開口１４３から１４７とを備える。ここでは、シール材１４がセパレータ１３よりも小さく、かつボルト穴を設けない場合を例示して説明しているが、例えばシール材１４にもセパレータ１３と同様のボルト穴を設け、上面から見てセパレータ１３とシール材１４とが同じ大きさになるような構成としてもよい。また、シール材１４の形状を正方形、開口１４４から１４７の形状を長方形として例示しているが、これらの形状に限定されない。開口１４３の形状は、セル１１の形状に合わせて決める。

以降では、シール材１４ａから１４ｃのそれぞれに共通する内容を説明する場合にはシール材１４、金属層１４１、絶縁層１４２、開口１４３などと表記することとし、それぞれのシール材に関する内容を説明する場合には、例えばシール材１４ａの金属層を金属層１４１ａ、シール材１４ａの絶縁層を絶縁層１４２ａ、シール材１４ａの開口を開口１４３ａなどと表記する。

金属層１４１は、機械強度および耐熱性を備えたシール材１４の母材であり、その厚さ（積層方向の厚さ）は例えば０．１ミリメートルから１ミリメートル程度である。ここでいう機械強度および耐熱性を備えたとは、セル１１の反応温度域（６００℃から１０００℃程度）において、セルスタック１に圧縮荷重を付加しても塑性変形や破壊を引き起こさない程度の機械強度を有すると共に、この反応温度域における機械強度等の特性が、それよりも低い温度域と比べて急激に低下しないことを示す。金属層１４１の上面および下面は、セルスタック１に圧縮荷重を付加した場合に、そのシール性を確保できる程度に平坦である。金属層１４１は、セパレータ１３やエンドプレート１２と同じ材質を用いることが望ましい。こうすることで、金属層１４１、セパレータ１３、エンドプレート１２の熱膨張率を合わせることができ、セルスタック１の温度変化に対する変形を抑えることができる。

絶縁層１４２は、金属層１４１の上面に被覆された絶縁材であり、その厚さは、例えば１０ナノメートルから１０マイクロメートル程度である。ただし、絶縁層１４２の厚さは上述の場合に限定されず、セルスタック１に印加される電圧や、絶縁層１４２の材料に応じて適宜設計することができる。本実施形態における絶縁材１４２の材料は無機物であり、例えばアルミナ、シリカ、ジルコニア、ガラスなどの酸化物、窒化ケイ素、窒化アルミニウムなどの窒化物などである。また、金属層１４１への絶縁層１４２の被覆は、例えばスパッタリング、化学気相成長法、真空蒸着法などの方法によりコーティングしてもよいし、例えば絶縁層１４２の材料を塗布材として用意し、金属層１４１の上面に塗布してもよい。

開口１４３は、セル１１ａおよび１１ｂの電極エリア（セル１１がセパレータ１３と電気的に導通する領域）に対応し、開口１４４は燃料ガス流路２１および２３、開口１４５は燃料ガス流路２２および２５、開口１４６は空気流路３１および３３、開口１４７は空気流路３２および３５にそれぞれ対応する。

シール材１４のシール機能について説明する。図１に示すように、シール材１４ｂは、上下のセパレータ１３ａおよび１３ｂと、セル１１ａの外周部と完全に密着しており、燃料ガス流路と空気流路の間、燃料ガス流路と外気との間、および空気流路と外気との間のガスリークを防止する。

図３（ｂ）に示すように、シール材１４ｂは、上面から見て、開口１４３ｂによってセル１１ａの外周部を覆うとともにセル１１ａの中央部を露出する。開口１４４ｂおよび１４５ｂは、それぞれセパレータ１３ｂの燃料ガス流路２３および２５の外周と、セル１１ａとの間を覆い、それらの開口部を露出させる。これらによって、燃料ガス流路と外気との間、およびセル１１ａの下（燃料ガス流路）と上（空気流路）との間のリークを防止する。また、図３（ｃ）に示すように、シール材１４ｂは、下面から見てセパレータ１３ａの空気流路３３および３５の外周と、燃料ガス流路２１および２２との外周を覆い、燃料ガス流路と外気との間、燃料ガス流路と空気流路の間、および空気流路と外気の間のリークを防止する。

シール材１４ｃは、上面から見て、開口１４３ｃによってセル１１ｂの外周部を覆うとともにセル１１ｂの中央部を露出する。開口１４４ｃおよび１４５ｃは、それぞれセパレータ１３ｃの燃料ガス流路２３および２５の外周と、セル１１ｂとの間を覆い、それらの開口部を露出させる。これらによって、燃料ガス流路と外気との間、およびセル１１ｂの下（燃料ガス流路）と上（空気流路）との間のリークを防止する。また、シール材１４ｃは、下面から見てセパレータ１３ｂの空気流路３３および３５の外周と、燃料ガス流路２１および２２との外周を覆い、燃料ガス流路と外気との間、燃料ガス流路と空気流路の間、および空気流路と外気の間のリークを防止する。

一方、シール材１４ａは、下方のシール材１４ｂおよび１４ｃと略同一形状を有し、略同一位置に配置される。シール材１４ａから１４ｃを略同一位置に配置することで、シール材１４ａから１４ｃに均一に圧力がかかるようになり、ガスのリークをより抑えることができる。

セルスタック１の積層方向に圧縮荷重が付加されると、金属層１４１ａの下面（シール材１４ａの下面）は、セパレータ１３ａの上面に圧着する。金属層１４１ａは機械強度および耐熱性を備えるため、所定の圧縮荷重を受けても変形または破壊することなく、均一に圧力がかかり、ガスのリークを防止することができる。同様に、金属層１４１ｂの下面（シール材１４ｂの下面）はセパレータ１３ｂの上面に、金属層１４１ｃの下面（シール材１４ｃの下面）はセパレータ１３ｃの上面にそれぞれ圧着し、ガスのリークを防止することができる。

また、絶縁層１４２ａは金属層１４１ａ上に設けられるため、絶縁層１４２ａの上面は、所定の圧縮荷重を受けても変形または破壊することなく、均一に圧力がかかり、ガスのリークを防止できる。同様に、絶縁層１４２ｂは金属層１４１ｂ上に、絶縁層１４２ｃは金属層１４１ｃ上にそれぞれ設けられるため、絶縁層１４２ｂの上面はセパレータ１３ａの下面に、絶縁層１４２ｃの上面はセパレータ１３ｂの下面にそれぞれ圧着し、ガスのリークを防止できる。

絶縁層１４２ａの上面（シール材１４ａの上面）は、エンドプレート１２ａの下面に圧着する。これによって、エンドプレート１２ａとセパレータ１３ａとの間を絶縁する。

一方、絶縁層１４２ｂの上面（シール材１４ｂの上面）はセパレータ１３ａの下面に圧着する。絶縁層１４２ｂによって、セパレータ１３ａと、セル１１ａおよびセパレータ１３ｂとが絶縁されるため、ＳＯＦＣおよびＳＯＥＣのいずれで動作させた場合でも、これらの間の短絡を防ぐことができる。同様に、絶縁層１４２ｃの上面（シール材１４ｃの上面）はセパレータ１３ｂの下面に圧着する。絶縁層１４２ｃによって、セパレータ１３ｂと、セル１１ｂおよびセパレータ１３ｃとが絶縁されるため、これらの間の短絡を防ぐことができる。

上述した実施形態によれば、シール材１４の母材である金属層１４１上に絶縁層１４２を被覆することによって、セル間での短絡を防ぎつつ、高いシール性を備えることができる。被覆は、金属層１４１の上面（シール材１４の上面）を絶縁層１４２でコーティングすれば良いので、容易にシール材１４を製造できる。

なお、本実施形態では金属層１４１の上面に絶縁層１４２を被覆する場合を例示して説明したが、この絶縁層１４２は隣接する単位のセル間における短絡を防ぐことができればよく、必ずしも金属層１４１の上面に絶縁層１４２を被覆する必要はない。例えば金属層１４１の上面ではなく下面に絶縁層１４２を被覆してもよいし、上下両面に絶縁層１４２を被覆してもよい。また、金属層１４１の上面および下面の少なくとも一方に加えて、絶縁層１４２を金属層１４１の側面、前面、および背面の少なくともいずれかに被覆してもよい。

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．セルスタック、１１．セル、１２．エンドプレート、１３．セパレータ、１４．シール材、１５．絶縁材、２１、２２、２３、２４、２５．燃料ガス流路、３１、３２、３３、３４、３５．空気流路、１３１．凹部、１４１．金属層、１４２．絶縁層、１４３、１４４、１４５、１４６、１４７．開口、Ｇ１．燃料ガス、Ｇ２．空気

Claims (4)

1. 第１セパレータと、
   前記第１セパレータに積層された第２セパレータと、
   前記第１セパレータと前記第２セパレータとの間に配置されたセルと、
   前記第１セパレータと前記第２セパレータとの間に配置されたシール材と、
   を備え、
   前記第２セパレータは、前記第１セパレータ側に設けられた、前記セルが設置された凹部を含み、
   前記第１セパレータの前記第２セパレータ側の面に、前記セルに対向する空気流路が設けられ、
   前記凹部において、前記第２セパレータの前記第１セパレータ側の面に、前記セルに対向する燃料ガス流路が設けられ、
   前記シール材は、
   金属層と、
   少なくとも前記金属層の上面または下面に被膜された絶縁層と、
   を備え、
   前記シール材は、前記第１セパレータおよび前記第２セパレータに接するとともに、前記凹部に設置された前記セルの外周部に接する、電気化学セルスタック。
2. 前記絶縁層は、無機物で構成される請求項１に記載された電気化学セルスタック。
3. 前記絶縁層は、アルミナ、シリカ、ジルコニア、ガラス、窒化ケイ素、および窒化アルミニウムの少なくとも一つを含む請求項１または２に記載された電気化学セルスタック。
4. 前記金属層は、セパレータまたはエンドプレートと同一材料で構成される請求項１から３のいずれかに記載された電気化学セルスタック。

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