(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
燃料電池スタックが運転と停止とを繰り返すと、各燃料電池スタックを構成する部材のそれぞれが熱膨張と収縮とを繰り返す。各部材は互いに熱膨張係数が異なるため、熱膨張と収縮との繰り返しによって、各燃料電池セルに熱応力が生じる。この結果、各燃料電池セルが破損するおそれがある。
【0005】
本発明の課題は、燃料電池セルの破損を抑制することにある。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本発明のある側面に係る燃料電池スタックは、燃料電池セルと、複数の集電部と、を備えている。燃料電池セルは、固体電解質層、空気極、及び燃料極を有する。各集電部は、燃料電池セルに電気的に接続される。複数の集電部は、第1集電部と第2集電部とを有する。第1集電部は、燃料電池セルに接合される。第2集電部は、第1集電部と比べてより小さい力で燃料電池セルから離間する。
【0007】
この構成によれば、第2集電部が第1集電部よりも容易に燃料電池セルから離間するため、熱膨張と収縮との繰り返しによって燃料電池セルに熱応力が生じた場合に、第2集電部が燃料電池セルから離間する。この結果、燃料電池セルに生じる熱応力を逃がすことができ、燃料電池セルの破損を抑制することができる。
【0008】
第2集電部は、燃料電池セルに非接合であってもよい。この構成によれば、第2集電部は、第1集電部よりも容易に燃料電池セルから離間することができる。この結果、上述したように、燃料電池セルの破損を抑制することができる。なお、第2集電部は、燃料電池セルと接触していることが好ましい。
【0009】
第2集電部は、燃料電池セルに接合されていてもよい。この場合、第2集電部と燃料電池セルとの接合面積は、第1集電部と前記燃料電池セルとの接合面積よりも小さい。この構成によれば、第2集電部は、第1集電部よりも容易に燃料電池セルから離間することができる。この結果、上述したように、燃料電池セルの破損を抑制することができる。
【0010】
第2集電部は、燃料電池セルに接合されていてもよい。この場合、第2集電部と燃料電池セルとの接合強度は、前記第1集電部と前記燃料電池セルとの接合強度よりも低い。この構成によれば、第2集電部は、第1集電部よりも容易に燃料電池セルから離間することができる。この結果、上述したように、燃料電池セルの破損を抑制することができる。
【0011】
第2集電部は、第1集電部に比べて、気孔率が大きくてもよい。この構成によれば、第2集電部は、第1集電部よりも容易に燃料電池セルから離間することができる。この結果、上述したように、燃料電池セルの破損を抑制することができる。
【0012】
複数の第2集電部を含む第2領域における第2集電部の形成密度は、少なくとも1つの第1集電部を含む第1領域における第1集電部の形成密度よりも低くてもよい。
【0013】
各第1集電部は、外周部に配置されていてもよい。各第2集電部は、第1集電部に囲まれるように配置される。従来、燃料電池セルの中央部は、外周部に比べて高温になりやすいため、外周部に比べて電気抵抗が下がる。この結果、燃料電池セルの中央部に電流が集中し、燃料電池の中央部がさらに高温となる可能性がある。これに対して、第1集電部よりも小さい力で燃料電池セルから離間する第2集電部を中央部に配置することで、電流集中を外周部に分散して中央部の温度が高くなることを抑制することができる。
【0014】
燃料電池セルは、長手方向と、幅方向とを有していてもよい。この場合、第1及び第2集電部は、幅方向に沿って配置されていてもよい。第1集電部は、幅方向の外側に配置され、第2集電部は、幅方向の内側に配置される。従来、燃料電池セルの幅方向の内側は、幅方向の外側に比べて高温になりやすいため、幅方向の外側に比べて電気抵抗が下がる。この結果、燃料電池セルの幅方向の内側に電流が集中し、燃料電池セルの幅方向の内側がさらに高温となる可能性がある。これに対して、第1集電部よりも小さい力で燃料電池セルから離間する第2集電部を幅方向の内側に配置することで、電流集中を幅方向の外側に分散して幅方向の内側の温度が高くなることを抑制することができる。
【発明の効果】
【0015】
本発明によれば、燃料電池セルの破損を抑制することができる。
【発明を実施するための形態】
【0017】
以下、本発明に係る燃料電池スタックの実施形態について図面を参照しつつ説明する。なお、本実施形態に係る燃料電池は、固体酸化物型燃料電池(SOFC)である。具体的には、本実施形態に係る燃料電池は、平板型の燃料電池である。
【0018】
[燃料電池スタック]
図1及び
図2に示すように、燃料電池スタック100は、複数の燃料電池セル1と、複数の集電部2とを備えている。また、燃料電池スタック100は、複数のセパレータ3なども備えている。
【0019】
[燃料電池セル]
図2に示すように、燃料電池セル1は、燃料極11、固体電解質層12、及び空気極13を備える。燃料電池セル1は、セラミック材料によって構成される薄板である。燃料電池セル1は、例えば、厚み0.2〜10mm程度の板状の部材である。また、平面視(z軸方向視)において、燃料電池セル1は、矩形状又は円形状である。
【0020】
燃料極11は、燃料電池セル1のアノードとして機能する。燃料極11は、固体電解質層12及び空気極13を支持する基板としての機能を有してもよい。すなわち、燃料極11は、支持体としての機能を有してもよい。燃料極11の厚みは、例えば、10μm〜5mmとすることができる。燃料極11が支持体として機能する場合、燃料極11の厚みは、固体電解質層12及び空気極13の厚みよりも大きくすることが好ましい。燃料極11は、燃料極集電層と、燃料極活性層とを有している。
【0021】
燃料極集電層は、ガス透過性に優れる多孔質体である。燃料極集電層を構成する材料としては、従来のSOFCの燃料極集電層に用いられてきた材料を用いることができる。例えば、燃料極集電層の材料として、NiO(酸化ニッケル)−8YSZ(8mol%のイットリアで安定化されたジルコニア)、及びNiO‐Y
2O
3(イットリア)が挙げられる。燃料極集電層がNiOを含んでいる場合、燃料電池スタック100の作動中においてNiOの少なくとも一部はNiに還元されていてもよい。燃料極集電層の厚みは、例えば0.1mm〜5.0mm程度とすることができる。
【0022】
燃料極活性層は、燃料極集電層上に配置される。具体的には、燃料極活性層は、燃料極集電層と固体電解質層12との間に配置される。燃料極活性層は、燃料極集電層より緻密な多孔質体である。燃料極活性層を構成する材料としては、従来SOFCの燃料極活性層に用いられてきた材料を用いることができ、例えばNiO‐8YSZが挙げられる。燃料極活性層がNiOを含んでいる場合、燃料電池スタック100の作動中においてNiOの少なくとも一部はNiに還元されていてもよい。燃料極活性層の厚みは、例えば5.0μm〜30μm程度とすることができる。
【0023】
固体電解質層12は、燃料極11と空気極13との間に配置される。固体電解質層12は、空気極13で生成される酸素イオンを透過させる機能を有する。固体電解質層12は、燃料極11や空気極13よりも緻密質である。
【0024】
固体電解質層12は、ZrO
2(ジルコニア)を主成分として含んでいてもよい。固体電解質層12は、ジルコニアの他に、Y
2O
3(イットリア)及びSc
2O
3(酸化スカンジウム)等の添加剤を少なくとも1種含んでいてもよい。これらの添加剤は、安定化剤として機能する。固体電解質層12において、安定化剤のジルコニアに対するmol組成比(安定化剤:ジルコニア)は、3:97〜20:80程度とすることができる。従って、固体電解質層12の材料としては、例えば、3YSZ、8YSZ、10YSZ、或いはScSZ(スカンジアで安定化されたジルコニア)などが挙げられる。固体電解質層12の厚みは、例えば3μm〜30μm程度とすることができる。
【0025】
なお、本実施形態において、組成物Xが物質Yを「主成分として含む」とは、組成物X全体のうち、物質Yが70重量%以上を占め、より好ましくは90重量%以上を占めることを意味する。
【0026】
空気極13は、固体電解質層12上に配置される。空気極13は、燃料電池セル1のカソードとして機能する。空気極13は、多孔質体である。空気極13は、一般式ABO
3で表されるペロブスカイト型複合酸化物を主成分として含むことができる。このようなペロブスカイト型複合酸化物としては、LSCF((La,Sr)(Co,Fe)O
3:ランタンストロンチウムコバルトフェライト)、LSF((La,Sr)FeO
3:ランタンストロンチウムフェライト)、LSC((La,Sr)CoO
3:ランタンストロンチウムコバルタイト)、LNF(La(Ni,Fe)O
3:ランタンニッケルフェライト)、LSM((La,Sr)MnO
3:ランタンストロンチウムマンガネート)などが挙げられるが、これに限られるものではない。
【0027】
[集電部]
集電部2は、燃料極11に電気的に接続される集電部2と、空気極13に電気的に接続される集電部2がある。以下では、空気極13に電気的に接続される集電部2について説明する。燃料極11に電気的に接続される集電部2は、接続対象が異なることを除き、空気極13に電気的に接続される集電部2と同じ構成であるため、その詳細な説明を省略する。
【0028】
各集電部2は、空気極13上に配置され、空気極13に電気的に接続されている。また、各集電部2は、セパレータ3と電気的に接続されている。このため、各集電部2は、各燃料電池セル1とセパレータ3とを電気的に接続している。
【0029】
詳細には、各集電部2は、ベース部25から空気極13に向かって突出している。各集電部2は、ベース部25と一体的に構成されている。ベース部25は、平板状であって、セパレータ3と接触している。なお、この集電部2とベース部25とが一体的に構成されている部材を集電部材20と称する。
【0030】
各集電部2は、導電性を有する材料によって構成される。各集電部2は、金属材料、又はセラミックス材料によって構成される。具体的には、集電部2は、フェライト系ステンレス鋼、ニッケル系合金、白金系合金、銀系合金、及び導電性セラミックス(ペロブスカイト型、スピネル型等)よりなる群から選ばれる少なくとも1種によって構成される。なお、ベース部25は、各集電部2と同様の材料によって構成される。
【0031】
各集電部2は、コーティングされていてもよい。各集電部2は、全体がコーティングされていてもよいし、空気極13と対向する面のみがコーティングされていてもよい。各集電部2がCrを含む場合、集電部2をコーティングすることによって、導電部2からCrが放出されることを抑えて、空気極13のいわゆるCr被毒を抑制する。
【0032】
各集電部2は、第1集電部2aと、第2集電部2bとを有している。第1集電部2aは、燃料電池セル1の空気極13に接合されている。例えば、第1集電部2aは、導電性の接合材によって空気極13に接合されている。より具体的には、第1集電部2aは、メタル系材料(例えば、銀系材料など)、又は導電性セラミック材料(例えば、LSCFなど)などを用いて、空気極13に接合される。導電性セラミック材料には、遷移金属酸化物が含まれていてもよい。
【0033】
これに対して、第2集電部2bは、燃料電池セル1の空気極13に接合されていない。すなわち、第2集電部2bは、第1集電部2aに比べてより小さい力で燃料電池セル1の空気極13から離間する。このように燃料電池セル1は第2集電部2bによって拘束されていないため、燃料電池スタック100の運転中において、燃料電池セル1が熱膨張及び収縮しても熱応力の発生を抑制することができる。この結果、燃料電池セル1の破損を抑制することができる。
【0034】
第2集電部2bは、燃料電池セル1の空気極13に接触していてもよいし、空気極13に接触していなくてもよい。例えば、燃料電池スタック100の運転中において、第2集電部2bは、空気極13から離間したり、空気極13に接触したりすることができる。また、燃料電池スタック100の停止中において第2集電部2bは空気極13に接触していなくてもよい。
【0035】
図3に示すように、各第1集電部2aは、外周部に配置されている。また、各第2集電部2bは、各第1集電部2aに囲まれるように配置されている。なお、各第1集電部2aは、最外周部のみに配置されていてもよいし、最外周部のみでなく最外周部の内側にも配置されていてもよい。すなわち、最外周部において環状に配置された各第1集電部2aと、中央部に配置された第2集電部2bとの間の各集電部2は、第1集電部2aであってもよいし、第2集電部2bであってもよい。
【0036】
[セパレータ3]
図2に示すように、セパレータ3は、燃料電池セル1の燃料極11又は空気極13と対向するように配置されている。セパレータ3は、集電部2を介して燃料電池セル1の燃料極11又は空気極13と電気的に接続している。
【0037】
セパレータ3は、燃料ガス又は酸素を含むガスを流すための流路31を有している。この流路31内に、集電部2が配置されている。セパレータ3は、例えば、フェライト系ステンレス鋼、ジルコニア系セラミックスよりなる群から選ばれる少なくとも1種によって構成することができる。
【0038】
[燃料電池スタックの製造方法]
次に、燃料電池スタック100の製造方法の一例について説明する。
【0039】
まず、金型プレス成形法で燃料極集電層用材料粉末を成形することによって、燃料極集電層の成形体を形成する。
【0040】
次に、燃料極活性層用材料粉末と造孔剤(例えばPMMA)との混合物にバインダーとしてPVA(ポリビニルブチラール)を添加して燃料極活性層用スラリーを作製する。そして、印刷法などによって燃料極活性層用スラリーを燃料極集電層の成形体上に印刷することによって、燃料極活性層の成形体を形成する。以上により燃料極11の成形体が形成される。
【0041】
次に、固体電解質層用材料粉末にテルピネオールとバインダーを混合して固体電解質層用スラリーを作製する。そして、印刷法などによって固体電解質層用スラリーを燃料極活性層の成形体上に塗布することによって、固体電解質層12の成形体を形成する。
【0042】
次に、燃料極11、及び固体電解質層12それぞれの成形体を焼成(1350℃〜1450℃、1時間〜20時間)することによって、燃料極11及び固体電解質層12を形成する。
【0043】
次に、空気極材料粉末にテルピネオールとバインダーを混合して空気極用スラリーを作製する。そして、印刷法などで空気極用スラリーを固体電解質層12上に塗布することによって、空気極13の成形体を形成する。
【0044】
次に、空気極13の成形体を焼成(1000〜1100℃、1〜10時間)することによって空気極13を形成する。
【0045】
次に、上述したような材料からなる一対の集電部材20を準備する。そして、一方の集電部材20を空気極13と対向するように配置し、他方の集電部材20を燃料極11と対向するように配置する。詳細には、一方の集電部材20の各集電部2のうち、外周部に配置される第1集電部2aを燃料電池セル1の空気極13に接合する。同様に、他方の集電部材20の各集電部2のうち、外周部に配置される第1集電部2aを燃料極11に接合する。
【0046】
次に、集電部材20を介して一対のセパレータ3によって燃料電池セル1を挟み込む。以上の手順で、複数の燃料電池セル1をセパレータ3を介して積層することによって、燃料電池スタック100が完成する。
【0047】
[変形例]
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。
【0048】
変形例1
上記実施形態では、第2集電部2bは燃料電池セル1に接合されていないが、第2集電部2bは燃料電池セル1に接合されていてもよい。この場合、例えば、
図4に示すように、第2集電部2bと燃料電池セル1との接合面積は、第1集電部2aと燃料電池セル1との接合面積よりも小さくすることができる。この構成によれば、第2集電部2bは、第1集電部2aよりも小さい力で燃料電池セル1から離間することができる。
【0049】
変形例2
変形例1と同様に、第2集電部2bが燃料電池セル1に接合されている場合において、第2集電部2bと燃料電池セル1との接合強度は、第1集電部2aと燃料電池セル1との接合強度よりも低くしてもよい。この構成によれば、第2集電部2bは、第1集電部2aよりも小さい力で燃料電池セル1から離間することができる。
【0050】
変形例3
図5に示すように、第2領域A2における第2集電部2bの形成密度が、第1領域A1における第1集電部2aの形成密度よりも低くしてもよい。なお、変形例1と同様に、第2集電部2bは、燃料電池セル1に接合されていることが好ましい。この構成によれば、第2集電部2bは、第1集電部2aよりも小さい力で燃料電池セル1から離間することができる。なお、形成密度は、所定領域の面積に対する集電部2が形成される面積の割合で示すことができる。第2領域A2は、複数の第2集電部2bが含まれる領域である。第1領域A1は、少なくとも1つの第1集電部1aが含まれる領域である。好ましくは、第1領域A1は、複数の第1集電部1aが含まれる領域である。第1領域A1と第2領域A2とは、互いに同じ面積とすることが好ましい。
【0051】
変形例4
上記実施形態では、いわゆる平板型の燃料電池スタックについて説明したが、本発明は、円筒型、筒状平板縦縞型、及び筒状平板横縞型など、他のタイプの燃料電池スタックにも適用可能である。以下、筒状平板横縞型の燃料電池スタックについて説明する。
【0052】
図6及び
図7に示すように、燃料電池スタック100は、筒状平板横縞型の燃料電池スタックである。燃料電池スタック100は、複数の燃料電池セル1と、複数の集電部2と、マニホールド4とを備えている。
【0053】
各燃料電池セル1は、複数の発電素子部10を有している。すなわち、各燃料電池セル1は、いわゆる横縞型の燃料電池セルである。燃料電池セル1は、マニホールド4から上方に延びている。各集電部2は、各燃料電池セル1間に配置されている。なお、集電部2は、マニホールド4側に形成されていることが好ましい。
【0054】
各集電部2は燃料電池セル1の面の全体に形成されるのではなく、燃料電池セル1の幅方向に沿って配置されることが好ましい。詳細には、燃料電池セル1は、長手方向(x軸方向)と幅方向(y軸方向)とを有している。そして、各集電部2は、燃料電池セル1の幅方向に沿って配置されている。第1集電部2aは幅方向の外側に配置され、第2集電部2bは幅方向の内側に配置される。すなわち、第2集電部2bは、燃料電池セル1の幅方向において第1集電部2aに挟まれるように配置される。なお、中央の第2集電部2bと最も外側の第1集電部2aとの間の集電部2は、第1集電部2aであってもよいし、第2集電部2bであってもよい。
【0055】
変形例5
上記実施形態では、各集電部2はベース部25を介して互いに一体的に構成されていたが、各集電部2の構成はこれに限定されない。例えば、
図8に示すように、各集電部2は、互いに独立して構成されていてもよい。すなわち、集電部材20は、ベース部25を有していなくてもよい。
【0056】
変形例6
上記実施形態では、各集電部2は、空気極又は燃料極に直接接続されていたが、各集電部2は、空気極または燃料極に電気的に接続されていれば、特にこれに限定されない。例えば、各集電部2と空気極13又は燃料極11との間に導電性の部材が配置されていてもよい。
【0057】
変形例7
上記実施形態において、第1集電部2aの気孔率と第2集電部2bの気孔率とは、同じであってもよいし、違っていてもよい。例えば、第1集電部2aの気孔率よりも、第2集電部2bの気孔率を大きくしてもよい。
【解決手段】燃料電池スタック100は、燃料電池セル1と、複数の集電部2と、を備えている。燃料電池セル1は、固体電解質層12、空気極13、及び燃料極11を有する。各集電部2は、燃料電池セル1に電気的に接続される。複数の集電部2は、第1集電部2aと第2集電部2bとを有する。第1集電部2aは、燃料電池セル1に接合される。第2集電部2bは、第1集電部2aと比べてより小さい力で燃料電池セル1から離間する。