(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
【発明を実施するための形態】
【0009】
(燃料電池スタック100の構成)
図1は、燃料電池スタック100の斜視図である。燃料電池スタック100は、複数の燃料電池10と、マニホールド20とを備える。
【0010】
各燃料電池10は、マニホールド20によって支持される。各燃料電池10の一端部は、マニホールド20に形成された挿入孔21に挿入される。各燃料電池10の一端部は、図示しない接合材(例えば、非晶質ガラスなど)によってマニホールド20に固定される。各燃料電池10の他端部は自由端である。各燃料電池10同士は、所定間隔で並べられており、図示しない集電部材(例えば、酸化物系セラミックスや金属)によって互いに電気的に接続されている。燃料電池10の個数及び列数は、適宜変更可能である。
【0011】
マニホールド20は、各燃料電池10を支持する。マニホールド20は、中空状に形成される。マニホールド20は、燃料ガスを内部に導入するための燃料導入路22を有する。マニホールド20の内部に導入された燃料ガスは、燃料電池10に供給される。
【0012】
燃料電池スタック100の稼働時、高温の燃料ガス(水素など)がマニホールド20に導入されるとともに、酸素含有ガス(空気など)が各燃料電池10の隙間を通過する。
【0013】
(燃料電池10の構成)
次に、燃料電池10の構成について図面を参照しながら説明する。
図2は、燃料電池10の平面図である。
図3は、燃料電池10の側面図である。
【0014】
図2及び
図3に示すように、燃料電池10は、本体部11と複数のガス流路12とを備える。燃料電池10は、いわゆる横縞型の固体酸化物型燃料電池である。
【0015】
1.本体部11
本体部11は、平板状に形成される。本体部11は、主面(板面)11Sを有する。本体部11のサイズは特に制限されないが、第1方向の長さは5cm〜50cmとすることができ、第1方向に垂直な第2方向における幅は1cm〜10cmとすることができ、第1方向及び第2方向に垂直な第3方向(
図2では不図示、
図4参照)における厚みは1mm〜5mmとすることができる。本実施形態において、第1方向は本体部11の長手方向であり、第2方向は本体部11の短手方向であり、第3方向は本体部11の厚み方向である。
【0016】
本体部11は、中央部11a、第1端部11b及び第2端部11cを含む。中央部11aは、第1方向において本体部11の中央に位置する。第1端部11bは、第1方向において本体部11の一端に位置する。第2端部11cは、第1方向において本体部11の他端に位置する。第1端部11bは、第2端部11cの反対側に位置する。
【0017】
本体部11は、主面11Sの平面視において、中央部11aから第1及び第2端部11b,11cそれぞれに向かってテーパ状に形成されている。すなわち、第2方向における本体部11の幅は、中央部11aから第1端部11bに向かって徐々に狭まっている。また、第2方向における本体部11の幅は、中央部11aから第2端部11cに向かって徐々に狭まっている。
【0018】
中央部11aの幅Waは、第1端部11bの幅Wbよりも大きい。従って、第1方向に垂直な断面において、本体部11の断面積は、第1端部11bから中央部11aに向かって徐々に大きくなっている。中央部11aの幅Waに対する第1端部11bの幅Wbの比(Wb/Wa)は1.0未満であればよく、特に制限されるものではない。燃料電池10の位置決めを容易にすることを考慮すると、比(Wb/Wa)は0.94以下が好ましく、0.92以下がより好ましく、0.90以下が特に好ましい。一方、温度上昇しやすい中央部11aの幅を広くすると、中央部11aの外表面積が広がって放熱性が向上するため、本体部11の全体的な温度分布を均一にすることができる。この点を考慮すると、比(Wb/Wa)は、0.94以上が好ましく、0.92以上がより好ましく、0.90以上が特に好ましい。
【0019】
中央部11aの幅Waは、第2端部11cの幅Wcよりも大きい。従って、第1方向に垂直な断面において、本体部11の断面積は、中央部11aから第2端部11cに向かって徐々に小さくなっている。中央部11aの幅Waに対する第1端部11cの幅Wcの比(Wc/Wa)は1.0未満であればよく、特に制限されるものではない。中央部11aの幅を広くすることによって本体部11の温度分布を均一にすることを考慮すると、比(Wc/Wa)は、0.94以上が好ましく、0.92以上がより好ましく、0.90以上が特に好ましい。
【0020】
本実施形態において、第1端部11bの幅Wbは、第2端部11cの幅Wcと同等である。ただし、第1端部11bの幅Wbは、第2端部11cの幅Wcより小さくてもよいし、第2端部11cの幅Wcより大きくてもよい。
【0021】
また、本体部11は、側面視においても、中央部11aから第1及び第2端部11b,11cそれぞれに向かってテーパ状に形成されている。すなわち、第3方向における本体部11の厚みは、中央部11aから第1端部11bに向かって徐々に薄くなっている。また、第3方向における本体部11の厚みは、中央部11aから第2端部11cに向かって徐々に薄くなっている。
【0022】
中央部11aの厚みTaは、第1端部11bの厚みTbよりも大きい。従って、第1方向に垂直な断面において、本体部11の断面積は、第1端部11bから中央部11aに向かって徐々に大きくなっている。中央部11aの厚みTaに対する第1端部11bの厚みTbの比(Tb/Ta)は1.0未満であればよく、特に制限されるものではない。燃料電池10の位置決めを容易にすることを考慮すると、比(Tb/Ta)は0.95以下が好ましく、0.90以下がより好ましく、0.85以下が特に好ましい。一方、中央部11aの厚みを厚くして燃料電池10どうしの隙間を狭くすると、燃料電池10どうしの隙間を通過する空気の流速が速まるため、各燃料電池10の冷却効率を向上させることができる。この点を考慮すると、比(Tb/Ta)は0.95以上が好ましく、0.90以上がより好ましく、0.85以上が特に好ましい。
【0023】
中央部11aの厚みTaは、第2端部11cの厚みTcよりも大きい。従って、第1方向に垂直な断面において、本体部11の断面積は、中央部11aから第2端部11cに向かって徐々に小さくなっている。中央部11aの厚みTaに対する第1端部11cの厚みTcの比(Tc/Ta)は1.0未満であればよく、特に制限されるものではない。中央部11aの厚みを厚くすることによって燃料電池10の冷却効率を向上させることを考慮すると、中央部11aの厚みTaに対する第1端部11cの厚みTcの比は、0.95以上が好ましく、0.90以上がより好ましく、0.85以上が特に好ましい。
【0024】
本実施形態において、第1端部11bの厚みTbは、第2端部11cの厚みTcと同等である。ただし、第1端部11bの厚みTbは、第2端部11cの厚みTcより小さくてもよいし、第2端部11cの厚みTcより大きくてもよい。
【0025】
2.複数のガス流路12
複数のガス流路12は、本体部11の内部に形成される。各ガス流路12は、第1方向に沿って延びる。各ガス流路12は、第2方向に並べられている。
【0026】
各ガス流路12は、本体部11の第1端部11bと第2端部11cに開口する。燃料ガスは、第1端部11b側の開口から流入し、第2端部11c側の開口から流出する。
【0027】
本実施形態では、
図2に示すように、5本のガス流路12が本体部11に設けられているが、ガス流路12の本数、サイズ及び位置は適宜変更可能である。
【0028】
(燃料電池10の内部構造)
次に、燃料電池10の内部構造について図面を参照しながら説明する。
図4は、
図2のA−A断面図である。
【0029】
燃料電池10は、支持基板2、燃料極3、固体電解質層4、反応防止層5、空気極6、空気極集電層7及びインターコネクタ8を備える。燃料極3、固体電解質層4、反応防止層5、空気極6、空気極集電層7及びインターコネクタ8は、発電部13を構成する。固体電解質層4は、支持基板2のうち発電部13以外の領域全体を覆っている。支持基板2と固体電解質層4は、本体部11を構成する。
【0030】
支持基板2は、平板状に形成される。支持基板2は、本体部11の主体部である。従って、第2方向における支持基板2の幅は、中央部から両端部に向かって徐々に狭まっている。支持基板2の内部には、ガス流路12が設けられる。ガス流路12を流れる燃料ガスは、支持基板2内部を通って燃料極3に供給される。支持基板2の厚さは特に制限されないが、1mm〜5mmとすることができる。支持基板2の気孔率は特に制限されないが、還元雰囲気において20%〜60%とすることができる。
【0031】
支持基板2は、電気絶縁性の多孔質材料を主成分として含有する。支持基板2を構成する材料としては、MgO(酸化マグネシウム)、MgAl
2O
4(マグネシアアルミナスピネル)とMgO(酸化マグネシウム)の混合物、CSZ(カルシア安定化ジルコニア)、8YSZ(イットリア安定化ジルコニア)、Y
2O
3(イットリア)、CZO(カルシウムジルコネート)などの絶縁性セラミックスを用いることができる。なお、本明細書において、「主成分として含有する」とは、対象成分を80重量%以上含有することを意味する。
【0032】
支持基板2は、燃料ガスの改質反応を促す触媒として機能する遷移金属又は当該遷移金属の酸化物を含んでいてもよい。遷移金属としては、Ni(ニッケル)が好適である。
【0033】
燃料極3は、アノードとして機能する。燃料極3は、燃料極集電層31と燃料極活性層32とを有する。
【0034】
燃料極集電層31は、支持基板2上に配置される。燃料極集電層31は、NiOを含み、電子伝導性を有する物質によって構成される。燃料極集電部31は、酸素イオン伝導性を有する物質を含んでいてもよい。燃料極集電層31は、例えば、NiO−8YSZ、NiO−Y
2O
3、NiO−CSZなどによって構成することができる。燃料極集電部31の厚さは特に制限されないが、50μm〜500μmとすることができる。燃料極集電部31は多孔質であればよく、その気孔率は特に制限されないが、25%〜50%とすることができる。
【0035】
燃料極活性層32は、燃料極集電層31上に配置される。燃料極活性層32は、電子伝導性を有する物質と酸素イオン伝導性を有する物質とによって構成される。燃料極活性層32は、例えば、NiO−8YSZやNiO−GDC(ガドリニウムドープセリア)などによって構成することができる。燃料極活性層32における酸素イオン伝導性を有する物質の体積割合は、燃料極集電部31における酸素イオン伝導性を有する物質の体積割合よりも大きいことが好ましい。燃料極活性層32の厚さは特に制限されないが、5μm〜30μmとすることができる。燃料極活性層32の気孔率は特に制限されないが、25%〜50%とすることができる。
【0036】
固体電解質層4は、燃料極3と空気極6の間に配置される。本実施形態において、固体電解質層4は、支持基板2のうち発電部13以外の領域全体を覆っている。固体電解質層4は、インターコネクタ8とともに、燃料極3に供給される燃料ガスと空気極6に供給される空気との混合を防止するためのシール膜を構成する。
【0037】
固体電解質層4は、ジルコニアを主成分として含むことができる。固体電解質層4を構成する材料としては、例えば、3YSZ、8YSZ、ScSZ(スカンジア安定化ジルコニア)などを用いることができる。固体電解質層4の厚さは特に制限されないが、3μm〜50μmとすることができる。
【0038】
反応防止層5は、固体電解質層4上に配置される。反応防止層5を構成する材料としては、例えば、セリア及びセリアに固溶した希土類金属酸化物を含むセリア系材料を用いることができる。このようなセリア系材料としては、GDC、SDC(サマリウムドープセリア)などが挙げられる。反応防止膜5の厚さは特に制限されないが、3μm〜50μmとすることができる。
【0039】
空気極6は、反応防止層5上に配置される。空気極6を構成する材料としては、例えば、(La,Sr)(Co,Fe)O
3(LSCF、ランタンストロンチウムコバルトフェライト)、(La,Sr)FeO
3(LSF、ランタンストロンチウムフェライト)、La(Ni,Fe)O
3(LNF、ランタンニッケルフェライト)、(La,Sr)CoO
3(LSC、ランタンストロンチウムコバルタイト)などが挙げられる。空気極6の厚さは特に制限されないが、10〜100μmとすることができる。
【0040】
空気極集電層7は、空気極6上に形成される。空気極集電層7は、隣接する他の発電部13のインターコネクタ8に接続される。空気極集電層7は、電子伝導性を有する多孔質材料によって構成される。空気極集電層7は、例えば、LSCF、LSC、Ag(銀)、Ag−Pd(銀パラジウム合金)などによって構成することができる。空気極集電層7の厚さは特に制限されないが、50μm〜500μmとすることができる。
【0041】
インターコネクタ8は、燃料極3上に配置される。インターコネクタ8は、隣接する他の発電部13の空気極集電層7に接続される。インターコネクタ8は、支持基板2や燃料極3に比べて緻密な層である。インターコネクタ8は、例えば、LaCrO
3(ランタンクロマイト)、(Sr,La)TiO
3(ストロンチウムチタネート)などによって構成することができる。インターコネクタ8は燃料極3よりも緻密であればよく、その気孔率は特に制限されないが、20%以下が好ましく、10%以下がより好ましい。インターコネクタ8の厚さは特に制限されないが、10μm〜100μmとすることができる。
【0042】
(燃料電池スタック100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。
【0043】
まず、上述の支持基板材料を押出成形、圧粉成形、或いはテープ成形することによって、複数のガス流路12を有する支持基板2の成形体を形成する。この際、支持基板2の成形体の幅が中央部から両端部に向かって徐々に狭まるように成形する。押出成形によって支持基板2の成形体を形成する場合には、押出成形によって直方体の成形体を形成した後に所望の太鼓形状に切削加工すればよい。
【0044】
次に、上述の燃料極材料をペースト化して支持基板2の成形体上にスクリーン印刷することによって、燃料極3の成形体を形成する。
【0045】
次に、インターコネクタ材料をペースト化して燃料極3の成形体上にスクリーン印刷することによって、インターコネクタ8の成形体を形成する。
【0046】
次に、支持基板2及び燃料極3の成形体上に固体電解質材料をディップ成形することによって、固体電解質層4の成形体を形成する。次に、固体電解質層4の成形体上に反応防止層材料をディップ成形することによって、反応防止層5の成形体を形成する。
【0047】
次に、支持基板2、燃料極3、固体電解質層4、反応防止層5及びインターコネクタ8それぞれの成形体を共焼成(1300〜1600℃、2〜20時間)する。
【0048】
次に、空気極材料をペースト化して反応防止層5上にスクリーン印刷することによって、空気極6の成形体を形成する。次に、空気極集電層材料をペースト化して空気極6の成形体上にスクリーン印刷することによって、空気極集電層7の成形体を形成する。次に、空気極6及び空気極集電層7の成形体を焼成(900〜1100℃、1〜20時間)する。以上によって、燃料電池10が作製される。
【0049】
次に、マニホールド20を準備し、治具を用いて複数の燃料電池10それぞれを挿入孔21に挿入する。この際、燃料電池10の本体部11の幅が、中央部11aから第1端部11bに向かって徐々に狭まっているため、第1端部11bを挿入孔21に差し込むだけで燃料電池10を容易に位置決めすることができる。
【0050】
次に、例えば非晶質材料(例えば、非晶質ガラスなど)のペーストを第1端部11bの周りに塗布する。次に、塗布されたペーストを熱処理(800℃〜1050℃、1時間〜10時間)することによって固化する。
【0051】
(作用及び効果)
(1)本実施形態に係る燃料電池10において、本体部11の第2方向における幅が、中央部11aから第1端部11bに向かって徐々に狭まっている。
従って、第1端部11bを挿入孔21に差し込むことによって、挿入孔21に第1端部11bを嵌め込むことができるため、燃料電池10を容易に位置決めすることができる。
また、中央部11aの断面積が第1端部11bの断面積よりも大きいため、第1端部11bから中央部11aに向かう燃料ガスの流速が低減される。そのため、燃料ガスを発電部13に効率的に供給することによって、燃料電池10の発電効率を向上させることができる。さらに、温度上昇しやすい中央部11aの幅を広くして、中央部11aの放熱性を向上させることによって、本体部11の全体的な温度分布を均一化することができる。
【0052】
(2)燃料電池10において、本体部11の第2方向における幅が、中央部11aから第2端部11cに向かって徐々に狭まっている。
従って、中央部11aの幅を広くすることによって、本体部11の温度分布を均一化することができる。
【0053】
(3)燃料電池10において、本体部11の第3方向における厚みが、中央部11aから第1端部11bに向かって徐々に薄くなっている。
従って、第1端部11bを挿入孔21に差し込むことによって、挿入孔21に第1端部11bを嵌め込むことができるため、燃料電池10をより容易に位置決めすることができる。また、中央部11aの厚みを厚くして燃料電池10どうしの隙間を狭くして、燃料電池10どうしの隙間を通過する空気の流速を速めることによって、燃料電池10の冷却効率を向上させることができる。
【0054】
(4)燃料電池10において、本体部11の第3方向における厚みが、中央部11aから第2端部11cに向かって徐々に薄くなっている。従って、中央部11aの厚みを厚くして燃料電池10どうしの隙間を狭くすることによって、燃料電池10の冷却効率を向上させることができる。
【0055】
(他の実施形態)
本発明は以上のような実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱しない範囲で種々の変形又は変更が可能である。
【0056】
上記実施形態では、本発明に係る本体部を固体酸化物型燃料電池に適用した場合について説明したが、本発明に係る本体部は、固体酸化物型燃料電池のほか、固体酸化物型電解セルを含む固体酸化物型電気化学セルに適用可能である。
【0057】
上記実施形態では、本体部11の第2方向における幅が、中央部11aから第2端部11cに向かって徐々に狭まっていることとしたが、中央部11aから第2端部11cに向かって一定であってもよい。
【0059】
上記実施形態では、固体電解質層4が、支持基板2の外面を覆うシール膜であることとしたが、これに限られるものではない。支持基板2の外面を覆うシール膜は、固体電解質材料以外の緻密質材料によって構成されていてもよい。この場合、シール膜は、固体電解質層4と一体的に連結されていればよい。
【0060】
上記実施形態では特に触れていないが、本体部11の内部に形成されたガス流路12は、第1端部11bから中央部11aに近づくにつれて徐々に太くなっていてもよい。これによって、燃料ガスの流速をさらに低減させることができる。
【解決手段】燃料電池10は、本体部11と、本体部11の内部に形成され、第1方向に延びるガス流路12とを備える。第1方向に垂直な第2方向における本体部11の幅は、中央部11aから第1端部11bに向かって徐々に狭まっている。