JP4529393B2 - 固体酸化物形燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、固体酸化物形燃料電池に関し、詳しくは、燃料極集電体におけるガスの逆拡散現象を防止して発電効率の向上を図ったガスシールレス構造の固体酸化物形燃料電池に関する。

酸化物イオン伝導体からなる固体電解質層を空気極層（酸化剤極層）と燃料極層との間に挟んだ積層構造を持つ固体酸化物形燃料電池は、第三世代の発電用燃料電池として開発が進んでいる。固体酸化物形燃料電池では、空気極側に酸素（空気）が、燃料極側には燃料ガス（Ｈ₂ 、ＣＯ等）が供給される。空気極と燃料極は、ガスが固体電解質との界面に到達することができるように、いずれも多孔質とされている。

空気極側に供給された酸素は、空気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、空気極から電子を受け取って酸化物イオン（Ｏ^2-）にイオン化される。この酸化物イオンは、燃料極の方向に向かって固体電解質層内を拡散移動する。燃料極との界面近傍に到達した酸化物イオンは、この部分で、燃料ガスと反応して反応生成物（Ｈ₂ Ｏ、ＣＯ₂ 等）を生じ、燃料極に電子を放出する。

因みに、燃料に水素を用いた場合の電極反応は次のようになる。
空気極： １／２ Ｏ₂ ＋ ２ｅ^- → Ｏ^2-
燃料極： Ｈ₂ ＋ Ｏ^2- → Ｈ₂ Ｏ＋２ｅ^-
全体 ： Ｈ₂ ＋ １／２ Ｏ₂ → Ｈ₂ Ｏ

固体電解質層は、酸化物イオンの移動媒体であると同時に、燃料ガスと空気を直接接触させないための隔壁としても機能するため、ガス不透過性の緻密な構造となっている。この固体電解質層は、酸化物イオン伝導性が高く、空気極側の酸化性雰囲気から燃料極側の還元性雰囲気までの条件下で化学的に安定で、熱衝撃に強い材料から構成する必要があり、かかる要件を満たす材料として、イットリアを添加した安定化ジルコニア（ＹＳＺ）が一般的に使用されている。

一方、電極である空気極（カソード）層と燃料極（アノード）層はいずれも電子伝導性の高い材料から構成する必要がある。空気極材料は、７００℃前後の高温の酸化性雰囲気中で化学的に安定でなければならないため、金属は不適当であり、電子伝導性を持つペロブスカイト型酸化物材料、具体的にはＬａＭｎＯ₃ もしくはＬａＣｏＯ₃ 、または、これらのＬａの一部をＳｒ、Ｃａ等に置換した固溶体が一般に使用されている。また、燃料極材料は、Ｎｉ、Ｃｏなどの金属、或いはＮｉ−ＹＳＺ、Ｃｏ−ＹＳＺなどのサーメットが一般的である。

固体酸化物形燃料電池には、１０００℃前後の高温で作動させる高温作動型のものと、７００℃前後の低温で作動させる低温作動型のものとがある。低温作動型の固体酸化物形燃料電池は、例えば電解質であるイットリアを添加した安定化ジルコニア（ＹＳＺ）の厚さを１０μｍ程度まで薄膜化して電解質の抵抗を低くし、低温でも燃料電池として発電するように改良された発電セルを使用する。

高温の固体酸化物形燃料電池では、セパレータには、例えばランタンクロマイト（ＬａＣｒＯ₃ ）等の電子伝導性を有するセラミックスが用いられるが、低温作動型の固体酸化物形燃料電池では、ステンレス等の金属材料を使用することができる。

また、固体酸化物形燃料電池の構造には、円筒型、モノリス型、及び平板積層型の３種類が提案されている。それらの構造のうち、低温作動型の固体酸化物形燃料電池には、金属のセパレータを使用できることから、金属のセパレータに形状付与しやすい平板積層型の構造が適している。

平板積層型の固体酸化物形燃料電池のスタックは、発電セル、集電体、セパレータを交互に積層した構造を持つ。一対のセパレータが発電セルを両面から挟んで、一方は空気極集電体を介して空気極と、他方は燃料極集電体を介して燃料極と接している。燃料極集電体には、Ｎｉ基合金等のスポンジ状の多孔質体を使用することができ、空気極集電体には、Ａｇ基合金等の同じくスポンジ状の多孔質体を使用することができる。スポンジ状の多孔質体は、集電機能、ガス透過機能、均一ガス拡散機能、クッション機能、熱膨脹差吸収機能等を兼ね備えるので、多機能の集電体材料として適している。

セパレータは、発電セル間を電気接続すると共に、発電セルに対してガスを供給する機能を有するもので、燃料ガスをセパレータ外周面から導入してセパレータの燃料極層に対向する面から吐出させる燃料ガス通路と、酸化剤ガスをセパレータ外周面から導入してセパレータの酸化剤極層に対向する面から吐出させる酸化剤ガス通路を備えている。

ところで、この種の固体酸化物形燃料電池では、発電セルの外周部のガスシール機構を備えていないシールレス構造の固体酸化物形燃料電池がある。
従来は、発電セルの外周部にガスシール機構を施した構造が一般的であり、そのガスシール機構として、特許文献１が開示されているが、シールレス構造の固体酸化物形燃料電池は、発電セルの外周部のシール機構を無くすことで構造を単純化し、生産性の向上が図れると共に、構成部材間の熱膨脹差に基づくトラブルを無くすことができるというメリットを有する。
特開平９−１１５５３０号公報

しかしながら、シールレス構造の固体酸化物形燃料電池は、上記したようなメリットの他、シールレス構造が故の問題点も有していた。

即ち、シールレス構造では、運転時に発電セル内に燃料ガスと酸化剤ガスを供給して発電反応を生じさせると共に、発電反応に使用されなかった残余のガス（排ガス）を発電セルの外周部からセル外部に放出するようになっている。
従って、発電セル周部における流通ガスと外周部を流れる空気の線速度の相違から、発電セル外の空気を逆に燃料極側に巻き込む、所謂、逆拡散現象が生じ易い構造であり、運転時に、この逆拡散空気と発電セル内の燃料ガスが燃焼反応して電極反応に使用可能な燃料ガスを消費し、発電性能が低下するという問題や、この燃焼反応による局部的な温度上昇で発電セル内の熱応力分布が不均一となり、燃料電池スタックの寿命を極度に短縮させるという問題等を有していた。

本発明は、このようなシールレス構造特有の問題点に鑑み、燃料極集電体の外周部におけるガスの逆拡散現象を防止して、発電効率の向上を図った固体酸化物形燃料電池を提供することを目的としている。

すなわち、請求項１に記載の本発明は、固体電解質層の両面に燃料極層と酸化剤極層を配置し、当該燃料極層と酸化剤極層の外側にそれぞれ多孔質金属体で成る燃料極集電体と酸化剤極集電体を配置し、当該燃料極集電体と酸化剤極集電体の外側にセパレータを配置し、当該セパレータの前記燃料極集電体および酸化剤極集電体と対向する面の略中心部から、各々燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給して外周方向に拡散させながら前記燃料極層および酸化剤極層に行き渡らせるシールレス構造の固体酸化物形燃料電池において、前記燃料極層および前記燃料極集電体の外周部を覆うように、ガス排出孔を有する絶縁性カバーを配設し、外周部から排出される余剰ガスの排出箇所を制限する構成とした。

本構成では、燃料極集電体の外周部からの燃料ガスの無駄な排出や、燃料極側へのガスの逆拡散現象を防止することができ、発電効率を向上し、燃料電池の高出力密度化が図れる。

また、請求項２に記載の本発明は、請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池において、前記カバーは、内側に前記燃料極層および前記燃料極集電体が収まる輪状の扁平体で成り、前記セパレータと前記固体電解質層の間に介在されると共に、当該扁平体の端面に凹溝が形成されている。
本構成では、溝加工により、カバーとセパレータおよび／または固体電解質層との当接部分にガス排出孔を形成することができる。このように、扁平体への孔加工を無くして溝加工とすることで、カバーの加工性、生産性を向上することができる。

また、請求項３に記載の本発明は、請求項１または請求項２の何れかに記載の固体酸化物形燃料電池において、前記カバーを複数の分割構造とした。
本構成では、分割したカバーの各々を突き合わせて組み立てる構造にすることにより、積層時におけるカバーの配設が容易となり、燃料電池スタックの組み立て性が向上する。

また、請求項４に記載の本発明は、請求項１から請求項３までの何れかに記載の固体酸化物形燃料電池において、前記カバーは、アルミナ、ジルコニア等のセラミックスで構成されている。
カバーとして、このような耐熱性に優れる絶縁性材料を用いることにより、発電セル間の短絡を防止し、信頼性を確保できる。

以上説明したように、本発明によれば、燃料極層および燃料極集電体の外周部を覆うように、ガス排出孔を設けたカバーを配設し、外周部から排出される余剰ガスの排出箇所を制限するように構成したので、燃料極集電体の外周部からの無駄なガスの放出や、外部から燃料極側へのガスの逆拡散現象が防止される。これにより、発電効率が向上し、燃料電池の高出力密度化が図れると共に、燃料電池の高寿命化が図れる。

以下、図１〜図３に基づいて本発明の一実施形態を説明する。
図１は本発明が適用された固体酸化物形燃料電池スタックの断面図、図２は固体酸化物形燃料電池スタックの要部を示す分解斜視図、図３は運転時のガスの流れを示す説明図である。

図１、図２に示すように、燃料電池スタック１は、固体電解質層２の両面に燃料極層３と空気極層（酸化剤極層）４を配した発電セル５と、燃料極層３の外側の燃料極集電体６と、空気極層４の外側の空気極集電体（酸化剤極集電体）７と、各集電体６、７の外側のセパレータ８を順番に積層した構造を有する。

ここで、固体電解質層２は、イットリアを添加した安定化ジルコニア（ＹＳＺ）等で構成され、燃料極層３は、Ｎｉ、Ｃｏ等の金属あるいはＮｉ−ＹＳＺ、Ｃｏ−ＹＳＺ等のサーメットで構成され、空気極層４は、ＬａＭｎＯ₃ 、ＬａＣｏＯ³ 等で構成され、燃料極集電体６は、Ｎｉ基合金等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成され、空気極集電体７は、Ａｇ基合金等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成され、セパレータ８は、ステンレス等で構成されている。

セパレータ８は、発電セル５間を電気接続すると共に、発電セル５に対してガスを供給する機能を有するもので、内部に燃料ガスをセパレータ８の外周面から導入してセパレータ８の燃料極集電体６に対向する面のほぼ中央部から吐出させる燃料ガス通路１１と、酸化剤ガスをセパレータ８の外周面から導入してセパレータ８の空気極集電体７に対向する面から吐出させる酸化剤ガス通路１２を有している。但し、両端のセパレータ８（８Ａ、８Ｂ）は、ガス通路１１、１２の何れか一方のみを有する。

また 各セパレータ８の燃料ガス通路１１には、外部から供給される燃料ガスを導入するための接続管１３が、また、酸化剤ガス通路１２には、酸化剤ガス（空気）を導入するための接続管１４が接続されている。

ところで、この固体酸化物形燃料電池は、発電セル５の外周部にガス漏れ防止シールを設けないシールレス構造とされており、運転時には、図３に示すように、燃料ガス通路１１および酸化剤ガス通路１２を通してセパレータ８の略中心部から発電セル５に向けて供給される燃料ガスおよび酸化剤ガス（空気）を発電セル５の外周方向に拡散させながら燃料極層３および空気極層４の全面に行き渡らせて発電反応を生じさせると共に、発電反応で消費されなかった残余の高温ガスを、発電セル５の外周部から外に自由に排出するようになっている。また、各集電体６、７内を拡散するガスの一部は発電セル側に供給されないまま、集電体６、７の空孔を通して外周部の全面より排出されている。

そして、このようなシールレス構造において、本実施形態では、特に、図１、図２に示すように、燃料極層３および燃料極集電体６の外周部を覆うように、セパレータ８と固体電解質層２の間に輪状の扁平体で成るカバー２０が配設される構成としている。カバー２０は、扁平体の内側に燃料極層３および燃料極集電体６を収納した状態で介在されており、これらの外周面に密着するように配設されるのが好ましい。

また、このカバー２０は、例えば、アルミナ、ジルコニア等の耐熱性、絶縁性に優れるセラミックスで構成されており、図２に示すように、固体電解質層２に当接するカバー２０の端面には、全周に多数の凹溝２１が所定の間隔でほぼ均一に形成されており、係るカバー２０を介在してセパレータ８、燃料極集電体６、発電セル５を順に積層すると、燃料極層３および燃料極集電体６の外周部にガス排出孔２２が形成される。カバー２０に絶縁性材料を用いることにより、発電セル５間の短絡を防止し、信頼性を確保できる。

このように、燃料極集電体６の外周面をカバー２０で覆う構造にすることにより、燃料極集電体６の外周部より排出されるガスの排出箇所をガス排出孔２２部分のみに制限することができ、その結果、燃料極集電体６内を拡散する燃料ガスが、その外周部全体より排出されることが回避されて、発電反応に寄与しない燃料ガスの外周部からの排出量を抑えると共に、その分、燃料ガスを効率的に発電セル５側に供給することができるようになる。

加えて、カバー２０により、燃料極側への空気の逆拡散現象が防止され、発電セル内部において発生した燃焼反応により電極反応に使用可能な燃料ガスが消費され発電性能を低下させるという問題や、燃焼による局部的な温度上昇で発電セル内の熱応力分布が不均一となり、燃料電池スタック１の寿命を短縮させるというシールレス構造特有の問題を極力無くすことができる。これにより、発電効率を向上し、燃料電池の高出力密度化が図れると共に、燃料電池スタック１の高寿命化が図れるようになる。

また、発電セル５、集電体６、７、セパレータ８の積層過程において、このカバー２０が積層方向の加重に対するガイド板の役目を果たすことから、積層時の圧力により多孔質金属体で成る燃料極集電体６が過度に押し潰されることはなく、積層後も燃料極集電体６の内部には略球状の空孔が確保されることになり、当集電体６内において均一で良好なガスの流れを確保することができる。

因みに、通常、集電体としては、厚み約２ｍｍ程度の多孔質金属体が使用されており、カバー２０を有しない空気極集電体７の場合は、積層時の圧力で多孔質金属体が厚さ０．７ｍｍ程度に押し潰されてしまうが、当空気極集電体７には、元来、必要反応量の約２倍程の多量の空気が供給されるため、集電体内でのガス拡散性や発電セル側へのガス供給量等に問題は生じない。

このように、燃料極集電体６の外周面をカバー２０で覆うことにより、積層後の燃料極集電体６の厚みをより厚く維持することができ、多孔質金属体の厚みが増せば内部を拡散する燃料ガスの流量を多くすることができる。集電体内に供給された多量の燃料ガスは、このカバー２０の配設により、外周部からの無駄な排出が制限されており、よって、集電体内に拡散したガスは効率良く発電セル５側に供給されるようになる。

以上、本実施形態では、カバー２０にガス排出孔２２を形成するため、カバー２０の端部に凹溝２１を形成したが、このような溝加工ではなく、カバー２０の外周に孔加工により直接ガス排出孔２２を設けても勿論構わない。但し、セラミックスの場合、加工性は孔加工より溝加工の方が優れているため、生産性の面より溝加工の方が好ましい。
尚、凹溝２１は、カバー２０の片端面だけでなく両端面に形成しても良いが、全周に亘って均一に設けることが好ましい。

また、カバー２０を輪状の扁平体としたが、例えば、この輪状体を２分割、４分割等し、それらを組み合わせて輪状にするようにしても良い。カバー２０を分割構造とすることにより、積層時にカバーを配設し易くなり、燃料電池スタックの組み立て性を向上することかできる。

本発明の実施形態による燃料電池スタックの断面図。 同、燃料電池スタックの要部を示す分解斜視図。 運転時のガスの流れを示す説明図。

符号の説明

２ 固体電解質層
３ 燃料極層
４ 酸化剤極層（空気極層）
６ 燃料極集電体
７ 酸化剤極集電体（空気極集電体）
８ セパレータ
２０ カバー
２１ 凹溝
２２ ガス排出孔

Claims (4)

1. 固体電解質層の両面に燃料極層と酸化剤極層を配置して発電セルを構成し、当該燃料極層と酸化剤極層の外側にそれぞれ多孔質金属体で成る燃料極集電体と酸化剤極集電体を配置し、当該燃料極集電体と酸化剤極集電体の外側にセパレータを配置し、当該セパレータの前記燃料極集電体および酸化剤極集電体と対向する面の略中心部から、各々燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給して外周方向に拡散させながら前記燃料極層および酸化剤極層に行き渡らせるシールレス構造の固体酸化物形燃料電池において、
   前記燃料極層および前記燃料極集電体の外周部を覆うように、ガス排出孔を有する絶縁性カバーを配設し、外周部から排出される余剰ガスの排出箇所を制限したことを特徴とする固体酸化物形燃料電池。
2. 前記カバーは、内側に前記燃料極層および前記燃料極集電体が収まる輪状の扁平体で成り、前記セパレータと前記固体電解質層の間に介在されると共に、当該扁平体の端面に凹溝を形成して成ることを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池。
3. 前記カバーが複数に分割されていることを特徴とする請求項１または請求項２の何れかに記載の固体酸化物形燃料電池。
4. 前記カバーは、アルミナ、ジルコニア等のセラミックスで構成されることを特徴とする請求項１から請求項３までの何れかに記載の固体酸化物形燃料電池。

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