JPWO2016189620A1 - 固体酸化物型燃料電池 - Google Patents

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Abstract

固体酸化物型燃料電池は、金属支持体(3)に燃料極(4)と固体電解質(5)と空気極(6)とを積層した構造を有する板状のセル(1)と、セル(1)の両面を挟み込むように積層された集電体(2)と、を備える。集電体(2)は、セル(1)の両面にそれぞれ接触している。セル(1)は、セル(1)の他の部分よりも変形し易い変形誘導部(10,20,30)を有し、熱膨張に伴いセル(1)が変形する際に、セル1が変形誘導部(10,20,30)を基点として変形し易くなる。

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、固体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セルは、燃料極および空気極から電子を集電する集電体で挟み込まれており、さらに、この集電体は、燃料流路および空気流路を区画形成するセパレータとして機能する。また、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、金属支持体と燃料極と固体電解質と空気極との積層構造となっているものもある。
特開2001−35514号公報
前述のような固体酸化物型燃料電池では、特に急速起動時にセルの外縁部(筐体近傍の部分)と外縁部よりも内側の領域とで温度差が生じ得る。その際、セルは熱膨張によって伸長するところ、周囲を筐体により保持されているため、板状のセルが膜厚方向に大きく湾曲変形する可能性がある。このセルの膜厚方向への湾曲変形は接触していたセルと集電体とが離れ、集電抵抗(ASR)が増加し、燃料電池の出力を低下させる虞がある。
そこで、本発明は、急速起動時におけるセルと集電体との接触性がよく、集電抵抗の増加および燃料電池の出力の低下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、セルと、集電体とが積層される。セルにセルの他の部分よりも変形し易い変形誘導部が設けられる。
熱膨張に伴いセルが変形する際に、セルが変形誘導部を基点として変形し易くなるため、集電体とセルとが離れるのを抑制することが可能になる。これにより、急速起動時におけるセルと集電体との接触性がよくなり、集電抵抗の増加および燃料電池の出力の低下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固体酸化物型燃料電池の部分断面図である。 図2は、第一実施形態に係るセルが変形した状態を示す説明図である。 図3は、第一実施形態に係るセルを製造する方法の一例を示す説明図である。 図4は、集電抵抗改善度の評価結果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固体酸化物型燃料電池の部分断面図である。 図6は、本発明の第三実施形態に係る固体酸化物型燃料電池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に示すように、燃料電池の発電部としてのセル1と、セル1の燃料極4および空気極6から電子を集電する集電体2と、これらのセル1および集電体2を収容する筐体(図示せず)と、を備えている。
セル1は、燃料極(アノード極)4と空気極(カソード極)6との間に固体電解質5を挟み込んだ三層の積層構造を有しており、さらに、これらの燃料極4と固体電解質5と空気極6とが、強度を確保するための金属支持体(メタルサポート)3に積層されている。すなわち、セル(金属支持型セル)1は、金属支持体3と燃料極4と固体電解質5と空気極6との積層体として板状に形成されている。
金属支持体3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。この金属支持体3は、高Crステンレス鋼の微粒子を焼結してなる多孔質金属基板により形成される。
燃料極4としては、例えば、ニッケル(Ni)、コバルト(Co)および白金(Pt)などの貴金属を用いることができる。また、燃料極4として、ニッケル(Ni)と固体電解質とのサーメットを用いることもできる。この燃料極4に要求される特性としては、還元雰囲気に強いこと、燃料ガスを透過すること、電気伝導度が高いこと、水素分子をプロトンに変換する触媒作用に優れていることなどが挙げられる。
その一方で、空気極6としては、例えば、銀(Ag)や白金(Pt)などの金属系粉末粒子を用いることができる。また、空気極6として、ランタンストロンチウムマンガナイト(LSM:LaSrMnO)やランタンストロンチウムコバルタイト(LSC:LaSrCoO)に代表されるペロブスカイト構造の酸化物粉末粒子を用いることもできる。この空気極6に要求される特性としては、酸化に強いこと、酸化剤ガスを透過すること、電気伝導度が高いこと、酸素分子を酸素イオンに変換する触媒作用に優れていることなどが挙げられる。
空気極6では活性点となる三相界面において酸素ガス分子が酸素イオンと電子とに分解し、酸素イオンは固体電解質5を通り燃料極4に伝導する。さらに、燃料極4では、同じく活性点となる三相界面において、固体電解質5より伝導してきた酸素イオンと燃料ガス分子とが反応し、その際に電子が放出される。
前記固体電解質5としては、例えば、例えば、イットリア(Y2O3)、ネオジム(Nd2O3)、サマリア(Sm2O3)、ガドリア(Gd2O3)やスカンジア(Sc2O3)などを固溶した安定化ジルコニアを用いることができる。また、固体電解質5として、酸化セリウム(CeO2)系固溶体、酸化ビスマス(Bi2O3)やランタンガリウム酸化物(LaGaO3)などの酸化物粉末粒子を用いることもできる。
集電体2は、セル1の両面を挟み込むように積層されて、セル1の両面にそれぞれ接触している。この集電体2は、さらに、セル1との間に燃料流路および空気流路を区画形成するセパレータとして機能する。集電体2は、耐酸化性に優れ、かつ、導電性を有する材料(例えば、Fe合金やSUS)により形成される。
集電体2は、セル1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板状に形成されており、金属支持体3と接触する接触部7と、空気極6と接触する接触部8とが交互に並ぶように形成される。また、集電体2の積層は、金属支持体3との接触部7と、空気極6との接触部8とがセル1を間に挟んで同位置である対称積層とされている。そして、集電体2の金属支持体3との接触部7を溶接することにより、集電体2がセル1に対して固定される。溶接部9を、楕円形で示す。
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4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6に供給して、電気を発生させる仕組みとなっている。前述のセル1および集電体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。
そして、本実施形態に係る固体酸化物型燃料電池では、セル1に変形誘導部10が設けられており、この変形誘導部10は、セル1の他の部分よりも変形し易いような構成とされ、熱膨張に伴いセル1が変形する際に、セル1が変形誘導部10を基点として変形し易くなる。
変形誘導部10は、金属支持体3上に集電体2のセル1との接触部7,8に沿って、すなわち燃料流路または空気流路の流れ方向(図1の紙面に直交する方向)に沿って線状に延在している。変形誘導部10は、セル1を折り紙に例えると予め折り皺を付けておくことなどのように、変形誘導部10を基点としてセル1を変形し易くするための構造である。この変形誘導部10は、燃料極4、固体電解質5および空気極6に設けることが一般的に難しいため、金属支持体3に設けている。
変形誘導部10は、金属支持体3上に集電体2の金属支持体3との接触部7を間に挟んで一対に配設されている。さらに、変形誘導部10は、金属支持体3上において互いに隣接する接触部7,7間の中間部位に配設されている。第一実施形態の変形誘導部10は、金属支持体3の膜厚が他の部分よりも薄い薄膜部11である。この薄膜部11は、図示はしないが、燃料流路または空気流路の流れ方向(図1の紙面に直交する方向)に断続的に配設されている。
次に、第一実施形態に係るセル1を製造する方法の一例を図3に基づいて説明する。
まず、高Crステンレス鋼の微粒子を焼結させて板状の金属支持体3を作成する(図3(a))。
次いで、金属支持体3の両面のうち、いずれか一方の面に、薄膜部11を研削加工やエッチング加工などを用いて形成する(図3(b))。この際、薄膜部11を、集電体2と接触する接触部位の外側部位に形成し、さらに、別の薄膜部11を、集電体2と接触する接触部位と隣接する接触部位間の中間部位に形成した。
次いで、金属支持体3の両面のうち、薄膜部11を形成した面とは反対側の面に、燃料極4と固体電解質5と空気極6とを成膜する(図3(c))。この際、固体電解質5はスパッタ法を用いて成膜し、空気極6は塗布法を用いて成膜した。
次いで、集電体2の金属支持体3との接触部7と、集電体2の空気極6との接触部8とが、金属支持体3を間に挟んで同位置で対向するように、集電体2を積層する(図3(d))。
そして、最後に、集電体2の金属支持体3との接触部7を溶接する(図3(e))。
以下、本実施形態の効果を確認するために行った集電抵抗測定試験について説明する。
[供試体]
供試体のセパレータピッチは4mm、セルの膜厚は300μmである。また、当然のことながら、供試体は、図1に示すような、セルおよび集電体が多層に積層されたスタック構造を有しており、セルの外縁面は筐体によって保持される。実施例の供試体は、金属支持体に変形誘導部(薄膜部)を設けたものとし、比較例の供試体は、金属支持体に変形誘導部(薄膜部)を設けないものとした。
[集電抵抗測定試験]
急速昇温によって筐体とセルとの温度差が300℃になった時点で、集電抵抗の測定を開始した。急速昇温は、空気流路に加熱ガスを流すことにより行った。
[比較結果]
実施例に係る供試体の集電抵抗値と、比較例に係る供試体の集電抵抗値との比較によって効果を確認した。図4に示すように、実施例に係る供試体の集電抵抗値は、比較例に係る供試体の集電抵抗値に対して15%低減したことが分かった。
[考察]
集電抵抗測定試験後に、比較例に係る供試体を観察した結果、集電体の空気極との接触部が空気極から離れていることが確認され、最大250μmの隙間があることが分かった。これに対して、同様に、集電抵抗測定試験後に、実施例に係る供試体を観察した結果、集電体の空気極との接触部が空気極から離れることは確認されなかった(図2参照)。すなわち、集電体とセルとが離れるのを抑制することによって、集電抵抗の増加を抑制することが可能になった。
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、金属支持体3に燃料極4と固体電解質5と空気極6とを積層した構造を有する板状のセル1と、セル1の両面を挟み込むように積層された集電体2と、を備える。集電体2は、セル1の両面にそれぞれ接触している。セル1は、セル1の他の部分よりも変形し易い変形誘導部10を有する。
熱膨張に伴いセル1が変形する際に、セル1が変形誘導部10を基点として変形し易くなるため、集電体2とセル1とが離れるのを抑制することが可能になる。これにより、急速起動時におけるセル1と集電体2との接触性がよくなり、集電抵抗の増加および燃料電池の出力の低下を抑制することができる。
(2)変形誘導部10は、線状に延在している。
変形誘導部10が、線状に延在していることにより、熱膨張に伴いセル1が変形する際に、図2に示されるように、セル1が変形誘導部10を基点として変形し易くなる。よって、熱膨張に伴いセル1が変形する際に、集電体2とセル1とが離れるのをより確実に抑制することが可能になる。
(3)変形誘導部10は、集電体2のセル1(金属支持体3)との接触部7を間に挟んで一対に配設されている。
変形誘導部10は、接触部7を間に挟んで一対に配設されていることにより、熱膨張に伴いセル1が変形する際に、図2に示されるように、集電体2のセル1との接触部7,8を支点として撓み易くなる。よって、熱膨張に伴いセル1が変形する際に、集電体2とセル1とが離れるのをより確実に抑制することが可能になる。
(4)変形誘導部10は、互いに隣接する接触部7,7間の中間部位に配設されている。
変形誘導部10が、互いに隣接する接触部7,7間の中間部位に配設されていることにより、熱膨張に伴いセル1が変形する際に、図2に示されるように、集電体2のセル1との接触部7,8を支点として撓み易くなる。よって、熱膨張に伴いセル1が変形する際に、集電体2とセル1とが離れるのをより確実に抑制することが可能になる。
(5)変形誘導部10は、金属支持体3の膜厚が他の部分よりも薄い薄膜部11である。
変形誘導部10は、金属支持体3の膜厚が他の部分よりも薄い薄膜部11であることにより、図2に示されるように、セル1が薄膜部11を基点として変形し易くなる。よって、熱膨張に伴いセル1が変形する際に、集電体2とセル1とが離れるのをより確実に抑制することが可能になる。
[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、セル1に変形誘導部20が設けられており、この変形誘導部20は、セル1の他の部分よりも変形し易いような構成とされ、熱膨張に伴いセル1が変形する際に、セル1が変形誘導部20を基点として変形し易くなる。
変形誘導部20は、金属支持体3上に集電体2のセル1との接触部7,8に沿って、すなわち燃料流路または空気流路の流れ方向(図5の紙面に直交する方向)に沿って線状に延在している。変形誘導部20は、セル1を折り紙に例えると予め折り皺を付けておくことなどのように、変形誘導部20を基点としてセル1を変形し易くするための構造である。この変形誘導部20は、燃料極4、固体電解質5および空気極6に設けることが一般的に難しいため、金属支持体3に設けている。
変形誘導部20は、金属支持体3上に集電体2の金属支持体3との接触部7を間に挟んで一対に配設されている。さらに、変形誘導部20は、金属支持体3上において互いに隣接する接触部7,7間の中間部位に配設されている。第二実施形態の変形誘導部20は、金属支持体3を構成する多孔質金属基板の気孔率が他の部分よりも高い疎構造部21である。この疎構造部21は、図示はしないが、燃料流路または空気流路の流れ方向(図5の紙面に直交する方向)に断続的に配設されている。前記疎構造部21は、燃料流路または空気流路の流れ方向(図5の紙面に直交する方向)に連続的に配設するようにしてもよい。
次に、第二実施形態に係るセル1を製造する方法の一例を基づいて説明する。なお、第二実施形態に係るセル1を製造する方法は、第一実施形態とは途中の工程が異なるのみであるので図示は省略する。
まず、高Crステンレス鋼の微粒子を焼結させて板状の金属支持体3を作成する。
次いで、金属支持体3の両面のうち、いずれか一方の面に、溝を研削加工やエッチング加工を用いて形成する。この際、溝を、集電体2と接触する接触部位の外側部位に形成し、さらに、別の溝を、集電体2と接触する接触部位と隣接する接触部位間の中間部位に形成した。
さらに、金属支持体3よりも粒子径が大きい高Crステンレス鋼の粒子を粘性がある有機バインダー溶液中に分散させて、粘性があるスラリーをとしたもの前記溝に充填した後に、焼結処理を行う。このような工程によって、疎構造部21を金属支持体3上に形成した。
次いで、金属支持体3の両面のうち、疎構造部21を形成した面とは反対側の面に、燃料極4と固体電解質5と空気極6とを成膜する。この際、固体電解質5はスパッタ法を用いて成膜し、空気極6は塗布法を用いて成膜した。
次いで、集電体2の金属支持体3との接触部7と、集電体2の空気極6との接触部8とが、金属支持体3を間に挟んで同位置で対向するように、集電体2を積層する。
そして、最後に、集電体2の金属支持体3との接触部7を溶接する。
以下に、第二実施形態による作用効果を説明する。
第二実施形態の変形誘導部20は、金属支持体3を構成する多孔質金属基板の気孔率が他の部分よりも高い疎構造部21である。
変形誘導部20が、金属支持体3を構成する多孔質金属基板の気孔率が他の部分よりも高い疎構造部21であることにより、セル1が疎構造部21を基点として変形し易くなる。よって、熱膨張に伴いセル1が変形する際に、集電体2とセル1とが離れるのを抑制することが可能になる。また、変形誘導部20が疎構造部21であることにより、変形誘導部20が切欠きや溝などである場合と比較して、電極面内方向の電子パスを向上することができる。
[第三実施形態]
本発明の第三実施形態に係る固体酸化物型燃料電池を図6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6に示すように、第三実施形態に係る固体酸化物型燃料電池においては、セル1に変形誘導部30が設けられており、この変形誘導部30は、セル1の他の部分よりも変形し易いような構成とされ、熱膨張に伴いセル1が変形する際に、セル1が変形誘導部30を基点として変形し易くなる。
変形誘導部30は、金属支持体3上に集電体2のセル1との接触部7,8に沿って、すなわち燃料流路または空気流路の流れ方向(図6の紙面に直交する方向)に沿って線状に延在している。変形誘導部30は、セル1を折り紙に例えると予め折り皺を付けておくことなどのように、変形誘導部20を基点としてセル1を変形し易くするための構造である。この変形誘導部30は、燃料極4、固体電解質5および空気極6に設けることが一般的に難しいため、金属支持体3に設けている。
変形誘導部30は、金属支持体3上に集電体2の金属支持体3との接触部7を間に挟んで一対に配設されている。さらに、変形誘導部30は、金属支持体3上において互いに隣接する接触部7,7間の中間部位に配設されている。第三実施形態の変形誘導部30は、金属支持体3の表面に設けられた溝部31である。この溝部31は、図示はしないが、燃料流路または空気流路の流れ方向(図6の紙面に直交する方向)に連続的に延在している。
第三実施形態に係るセル1を製造する方法は、第一実施形態とほぼ同様であるので説明は省略する。
以下に、第三実施形態による作用効果を説明する。
第三実施形態の変形誘導部30は、金属支持体3の表面に設けられた溝部31である。
変形誘導部30が、金属支持体3の表面に設けられた溝部31であることにより、セル1が溝部31を基点として変形し易くなる。よって、熱膨張に伴いセル1が変形する際に、集電体2とセル1とが離れるのを抑制することが可能になる。
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。
例えば、前述の実施形態では、燃料極4と固体電解質5と空気極6との三層の積層構造のうち、燃料極4が金属支持体3と接するように積層されているが、これに限定されず、空気極6が金属支持体3と接するように積層されていてもよい。また、第一実施形態の変形誘導部10(薄膜部11)、第二実施形態の変形誘導部20(疎構造部21)および第三実施形態の変形誘導部30(溝部31)は、相互に組み合わせて用いることが可能である。
1 セル
2 集電体
3 金属支持体
4 燃料極
5 固体電解質
6 空気極
7 接触部
8 接触部
10 変形誘導部
11 薄膜部
20 変形誘導部
21 疎構造部
30 変形誘導部
31 溝部
燃料電池は、化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、固体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。
固体酸化物型燃料電池は、化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に示すように、燃料電池の発電部としてのセル1と、セル1の燃料極4および空気極6から電子を集電する集電体2と、これらのセル1および集電体2を収容する筐体(図示せず)と、を備えている。
前記固体電解質5としては、例えば、例えば、イットリア(Y2O3)、酸化ネオジム(Nd2O3)、サマリア(Sm2O3)、ガドリア(Gd2O3)やスカンジア(Sc2O3)などを固溶した安定化ジルコニアを用いることができる。また、固体電解質5として、酸化セリウム(CeO2)系固溶体、酸化ビスマス(Bi2O3)やランタンガリウム酸化物(LaGaO3)などの酸化物粉末粒子を用いることもできる。
次に、第二実施形態に係るセル1を製造する方法の一例を説明する。なお、第二実施形態に係るセル1を製造する方法は、第一実施形態とは途中の工程が異なるのみであるので図示は省略する。
変形誘導部30は、金属支持体3上に集電体2のセル1との接触部7,8に沿って、すなわち燃料流路または空気流路の流れ方向(図6の紙面に直交する方向)に沿って線状に延在している。変形誘導部30は、セル1を折り紙に例えると予め折り皺を付けておくことなどのように、変形誘導部0を基点としてセル1を変形し易くするための構造である。この変形誘導部30は、燃料極4、固体電解質5および空気極6に設けることが一般的に難しいため、金属支持体3に設けている。

Claims (7)

  1. 金属支持体に燃料極と固体電解質と空気極とを積層した構造を有する板状のセルと、前記セルの両面を挟み込むように積層された集電体と、を備え、
    前記集電体は、前記セルの両面にそれぞれ接触しており、
    前記セルは、前記セルの他の部分よりも変形し易い変形誘導部を有する
    ことを特徴とする固体酸化物型燃料電池。
  2. 前記変形誘導部は、線状に延在してい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. 前記変形誘導部は、前記集電体の前記セルとの接触部を間に挟んで一対に配設されている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. 前記変形誘導部は、互いに隣接する前記接触部間の中間部位に配設されていることを特徴とする請求項3に記載の固体酸化物型燃料電池。
  5. 前記変形誘導部は、前記金属支持体の膜厚が他の部分よりも薄い薄膜部を有する請求項1から4のいずれか一項に記載の固体酸化物型燃料電池。
  6. 前記金属支持体は、多孔質金属基板により形成されており、
    前記変形誘導部は、前記多孔質金属基板の気孔率が他の部分よりも高い疎構造部を有する請求項1から4のいずれか一項に記載の固体酸化物型燃料電池。
  7. 前記変形誘導部は、前記金属支持体の表面に設けられた溝部を有する請求項1から4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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