WO2009119107A1

WO2009119107A1 - 平板型の固体酸化物形燃料電池

Info

Publication number: WO2009119107A1
Application number: PCT/JP2009/001389
Authority: WO
Inventors: 宮沢隆
Original assignee: 三菱マテリアル株式会社; 関西電力株式会社
Priority date: 2008-03-28
Filing date: 2009-03-27
Publication date: 2009-10-01
Also published as: US20110091785A1; JP2009245632A

Abstract

　本発明の課題は、応力の作用によって固体電解質の外周部から亀裂が入ることを抑制できる平板型の固体酸化物形燃料電池を提供することである。かかる課題を解決するため、本発明においては、円板状の固体電解質（１１）の一方の表面に燃料極層（１２）が形成され、他方の表面に酸化剤極層（１３）が形成された発電セル（１６）を、セパレータ（２）を介して複数積層するとともに、上記セパレータと上記燃料極層との間に円板状の燃料極集電体（１４）を、上記セパレータと上記酸化剤極層との間に円板状の酸化剤極集電体（１５）をそれぞれ配設した燃料電池スタック（１０）を有する平板型の固体酸化物形燃料電池において、固体電解質（１１）は、燃料極集電体（１４）および酸化剤極集電体（１５）の外周縁から全周に亘って半径の３／１００以上２０／１００以下を外方に突き出して配置した。

Description

平板型の固体酸化物形燃料電池

　本発明は、応力の作用による固体電解質の割れなどが抑制される平板型の固体酸化物形燃料電池に関するものである。

　近年、燃料の有する化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する燃料電池は、高効率でクリーンな発電装置として注目されており、実用化された固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）の他にも、現在、第１世代としてリン酸形燃料電池（ＰＡＦＣ）、第２世代として溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）、そして第３世代として固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）の開発が期待されている。中でも、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）は、作動温度が６００℃～１０００℃と高く、排熱の効率的な利用が可能であって、大規模発電用途にも適しており、１ｋｗ～１０ｋｗの家庭用、業務用などから火力発電所の代替用までの幅広い分野での利用が可能となる。

　この固体酸化物形燃料電池としては、例えば、特許文献１に示すように、ランタンガレート系酸化物などのセラミックス製の酸化物イオン導電体から成る平板状の固体電解質層の一方の表面に酸化剤極層（カソード）、他方の表面に燃料極層（アノード）がそれぞれ形成された発電セルを、板厚方向にセパレータを介して複数積層するとともに、このセパレータと燃料極層との間に燃料極集電体を、上記セパレータと酸化剤極層との間に酸化剤極集電体をそれぞれ配設した平板積層形燃料電池スタックを複数有する平板型の固体酸化物形燃料電池が知られている。

　そして、この平板型の固体酸化物形燃料電池では、発電時に、反応用ガスとして酸化剤極層側に酸化剤ガス（酸素) が供給されるとともに、燃料極層側に燃料ガス（ＣＨ₄ 等を含有する都市ガス）を改質器によって改質した改質ガス (Ｈ₂、ＣＯ、ＣＯ₂、Ｈ₂Ｏ等）が供給される。これらの酸化剤極層および燃料極層は、反応用ガスが固体電解質層との界面に到達することができるよう、何れも多孔質の層とされている。

　これにより、発電セル内において、酸化剤極層側に供給された酸素は、酸化剤極層内の気孔を通って固体電解質層との界面近傍に到達し、この部分で酸化剤極層から電子を受け取って酸化物イオン（Ｏ^2-）にイオン化されて、燃料極層に向かって固体電解質層内を拡散移動する。燃料極層との界面近傍に到達した酸化物イオンは、この部分で改質ガスと反応して反応生成物（Ｈ₂Ｏ、ＣＯ₂等）を生じ、燃料極層に電子を放出する。これによって、電極反応で生じた電子が別ルートの外部負荷にて起電力として取り出される。

　その際に、この発電セルを構成する固体電解質は、上述の酸化物イオンの拡散移動のために６００℃～１０００℃の高い作動温度が必要とされることから起動時には外方から加熱される。また、発電時には上述の反応生成物の生成反応が発熱を伴って生じるため、中心部が最も高温になる。すると、この固体電解質は、上述の燃料電池スタックの積層構造に組み込まれて、燃料極集電体と酸化剤極集電体とによって挟み込まれていることから、熱膨張などが抑制されて、中心部には圧縮応力が作用するとともに、外周部には周方向に向けて引っ張り応力が作用する。

　さらに、この固体電解質は、発電時には、燃料極層と酸化剤極層との熱膨張率の差などによって生じうる厚さ方向の変形も燃料極集電体や酸化剤極集電体によって阻害されて、厚さ方向にも応力が作用する。
　その結果、この固体電解質は、発電時に上記引っ張り応力や厚さ方向の応力の作用によって外周部から亀裂が入ることにより割れてしまう恐れがある。

特開２００７－４２４４２号公報

　そこで、本発明は、応力の作用によって固体電解質の外周部から亀裂が入ることを抑制できる平板型の固体酸化物形燃料電池を提供することを課題とする

　すなわち、本発明、円板状の固体電解質の一方の表面に燃料極層が形成され、他方の表面に酸化剤極層が形成された発電セルを、セパレータを介して複数積層するとともに、上記セパレータと上記燃料極層との間に円板状の燃料極集電体を、上記セパレータと上記酸化剤極層との間に円板状の酸化剤極集電体をそれぞれ配設した燃料電池スタックを有する平板型の固体酸化物形燃料電池において、上記固体電解質は、上記燃料極集電体および上記酸化剤極集電体の外周縁から全周に亘って当該固体電解質の半径の３／１００以上２０／１００以下が外方に突き出して配置されていることを特徴としている。

　本発明に係る平板型の固体酸化物形燃料電池によれば、固体電解質は、燃料極集電体および酸化剤極集電体の外周縁から全周に亘って半径の３／１００以上２０／１００以下が外方に突き出して配置されているため、この突き出し部分が燃料極集電体および酸化剤極集電体によって拘束されることなく変形することによって発電時の引っ張り応力などの応力を緩和できる。
　従って、応力の作用によって固体電解質の外周部から亀裂が入ることを抑制できる。

図１は、本発明に係る燃料電池スタック１０の構成を説明するための斜視図である。図２は、図１の発電セル１６の側面図である。図３Ａは、燃料電池スタック１０の構成を示す平面図である。図３Ｂは、燃料電池スタック１０の構成を示す側面図である。図４は、本発明に係る平板型の固体酸化物形燃料電池の縦断面図である。図５は、同固体酸化物形燃料電池の横断面図である。

符号の説明

　２セパレータ
　２ｘ吐出口
　２ｙ吐出口
１０燃料電池スタック
１１固体電解質
１１ａ突き出し部分
１２燃料極層
１３酸化剤極層
１４燃料極集電体
１５酸化剤極集電体
１６発電セル

　以下、本発明に係る平板型の固体酸化物形燃料電池の実施形態を、図１～図５を用いて説明する。

　本実施形態に係る燃料電池は、図１および図２に示すように、円板状の固体電解質１１の一方の表面に燃料極層１２が形成されるとともに、他方の表面に酸化剤極層１３が形成された発電セル１６を、板厚方向にセパレータ２を介して複数積層するとともに、このセパレータ２と燃料極層１２との間に燃料極集電体１４を、セパレータ２と酸化剤極層１３との間に酸化剤極集電体１５をそれぞれ配設した概観視略矩形柱状の平板積層形燃料電池スタック１０を有して構成されている。

　この固体電解質１１は、組成式Ｌａ_1-xＳｒ_xＧａ_1-yＭｇ_yＯ₃（Ｘ＝０．０５～０．３、Ｙ＝０．０２５～０．３）、またはＬａ_1-xＳｒ_xＧａ_1-y-zＭｇ_yＣｏ_zＯ₃（Ｘ＝０．０５～０．３、Ｙ＝０～０．２９、Ｚ＝０．０１～０．３、Ｙ＋Ｚ＝０．０２５～０．３）で表される円形平板状のランタンガレート系セラミックスからなる。

　上記燃料極層１２は、Ｎｉ等の金属あるいはＮｉ－ＹＳＺ、Ｎｉ－ＳＤＣ、Ｎｉ－ＧＤＣ等のサーメットによって形成され、酸化剤極層１３は、ＬａＭｎＯ₃、ＬａＣｏＯ₃、ＳｒＣｏＯ₃等によって形成されている。

　また、燃料極集電体１４は、Ｎｉなどのスポンジ状の多孔質焼結金属板で円形平板状に構成され、酸化剤極集電体１５はＡｇ等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で円形平板状に構成されている。これらの集電体１４および１５は、それぞれ固体電解質１１よりも一回り小さく形成されている。

　このようにして、固体電解質１１は、燃料極集電体１４と酸化剤極集電体１５とによって挟まれて配置されるとともに、集電体１４および１５の外周縁から全周に亘って半径の３／１００以上２０／１００以下が外方に突き出して配置されている。

　これは、この突き出し部分１１ａが固体電解質１１の半径の３／１００未満では、固体電解質１１の外周部が変形することによって亀裂の入らない程度に熱応力を緩和させることができないためであり、突き出し部分１１ａが固体電解質１１の半径の２０／１００を超えると、発電セル１６と集電体１４および１５との電気的接触面が必要以上に狭くなって酸化剤ガスと燃料ガスとの反応により得られる電力量が著しく低下してしまうためである。

　上記セパレータ２は、厚さ数ｍｍの略方形状のステンレス製の板材で構成されており、上述した発電セル１６および各集電体１４、１５が積層される中央部のセパレータ本体２０と、このセパレータ本体２０より面方向に延設されて、当セパレータ本体２０の対向縁部を２箇所で支持する一対のセパレータアーム２１、２２とで構成されている。

　そして、セパレータ本体２０は、集電体１４、１５を介して発電セル１６間を電気的に接続するとともに、発電セル１６に対して反応用ガスを供給する機能を有し、その内部に燃料ガスをセパレータ２の縁部から導入してセパレータ２の燃料極集電体１４に対向する面の中心部の吐出口２ｘから噴出させる燃料ガス通路２３と、酸化剤ガスをセパレータ２の縁部から導入してセパレータ２の酸化剤極集電体１５に対向する面の中心部の吐出口２ｙから噴出させる酸化剤ガス通路２４とを有する。

　また、各セパレータアーム２１、２２は、それぞれセパレータ本体２０の外周辺に沿って僅かな隙間を持って対向角隅部に延設される細長帯状として積層方向に可撓性を持たせた構造とされると共に、これらセパレータアーム２１、２２の端部２６、２７に板厚方向に貫通する一対のガス孔２８ｘ、２８ｙが設けてある。
　一方のガス孔２８ｘはセパレータ２の燃料ガス通路２３に連通し、他方のガス孔２８ｙはセパレータ２の酸化剤ガス通路２４に連通し、各々のガス孔２８ｘ、２８ｙからこれらのガス通路２３、２４を通して各発電セル１６の各電極１２、１３面に燃料ガスや酸化剤ガスを供給するようになっている。

　そして、各セパレータ２の本体２０間にそれぞれ発電セル１６および集電体１４、１５を介在させるとともに、各セパレータ２のガス孔２８ｘ、２８ｙ間に各々絶縁性のマニホールドリング２９ｘ、２９ｙを介在させることによって、ガス孔２８ｘおよびマニホールドリング２９ｘによって構成された燃料ガスマニホールドと、ガス孔２８ｙおよびマニホールドリング２９ｙによって構成された空気マニホールドとを有する外観視略矩形柱状の燃料電池スタック１０が構成される。

　この燃料電池スタック１０の上部および下部には、図３Ａおよび図３Ｂに示すように、セパレータ２より外法の大きいフランジ３が設けられており、これらのフランジ３のマニホールドに対応する２箇所には、それぞれ２本ずつボルト３１が挿通されて、その両端部にナット３２が螺合されている。このフランジ３と、両端部にナット３２を螺合したボルト３１とによって、上述のマニホールドリング２９ｘ、２９ｙを介装したマニホールドのガスシール性が担保されている。

　そして、上部のフランジ３には、中央部に発電セル１６の外法より大きい穴３０が設けられており、この穴３０には、最上段のセパレータ２上に載置された発電セル１６と略同一の大きさの錘３９が配置されている。この錘３９により、集電体１４、１５に挟まれた発電セル１６とセパレータ２との相互密着性が担保されている。

　このようにして構成された燃料電池スタック１０は、４枚の側板からなる矩形筒体と天板と底板とを有する内部缶体５内の中央部に、架台５１に載置された状態で、平面的に縦横方向に複数行（本実施形態においては２行）複数列（本実施形態においては２列）に並べて多数配置され、上下高さ方向にも複数（本実施形態においては４個）配置されている。また、各燃料電池スタック１０は、燃料ガスマニホールドに燃料ガスを改質した改質ガスを供給する燃料ガス供給ラインが接続されるとともに、空気マニホールドに酸素などの酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給ラインが接続されて、発電時に酸化剤ガスと改質ガスとの反応によって生成される反応生成ガスや未反応ガスをそのまま外部に放出するシールレス構造が採用されており、これらの放出された未反応ガスの燃焼熱等で内部缶体５内は発電に必要な温度を保てるようになっている。

　さらに、この内部缶体５は、その外周が断熱材５０で覆われており、内部缶体５内あるいはその近傍には、上述の燃料ガス供給ラインに介装された水蒸気発生器（図示を略す）、燃料熱交換器６２や改質器６１が配設されているとともに、酸化剤ガス供給ラインに介装された空気熱交換器７２が配設されている。そして、内部缶体５の各側板には、それぞれ起動時に内部温度を上昇させる赤外線バーナ５５が配置されている。これによって、燃料電池は、燃料ガスマニホールドに供給された改質ガスが各スタック１０の発電セル１６の燃料極層１２に、空気マニホールドに供給された酸化剤ガスが各スタック１の発電セル１６の酸化剤極層１３にそれぞれ供給されるようになっている。

　本実施形態の平板型の固体酸化物形燃料電池によれば、固体電解質１１は、燃料極集電体１４および酸化剤極集電体１５の外周縁から全周に亘って半径の３／１００以上２０／１００以下が外方に突き出して配置されているため、この突き出し部分１１ａが集電体１４および１５により拘束されることなく変形することによって発電時の引っ張り応力などの応力を緩和できる。従って、これら応力の作用によって固体電解質１１の外周部から亀裂が入ることを抑制できる。

Claims

　円板状の固体電解質の一方の表面に燃料極層が形成され、他方の表面に酸化剤極層が形成された発電セルを、セパレータを介して複数積層するとともに、上記セパレータと上記燃料極層との間に円板状の燃料極集電体を、上記セパレータと上記酸化剤極層との間に円板状の酸化剤極集電体をそれぞれ配設した燃料電池スタックを有する平板型の固体酸化物形燃料電池において、
　上記固体電解質は、上記燃料極集電体および上記酸化剤極集電体の外周縁から全周に亘って当該固体電解質の半径の３／１００以上２０／１００以下が外方に突き出して配置されていることを特徴とする平板型の固体酸化物形燃料電池。