特開 2023-155085 燃料電池および燃料電池スタック

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023155085

(43)【公開日】2023-10-20

(54)【発明の名称】燃料電池および燃料電池スタック

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/1213 20160101AFI20231013BHJP

   H01M 8/12 20160101ALI20231013BHJP

   H01M 8/1226 20160101ALI20231013BHJP

   H01M 8/1253 20160101ALI20231013BHJP

   H01M 8/248 20160101ALI20231013BHJP

   H01M 8/02 20160101ALI20231013BHJP

【ＦＩ】

H01M8/1213

H01M8/12 101

H01M8/1226

H01M8/12 102A

H01M8/1253

H01M8/248

H01M8/02

【審査請求】未請求

【請求項の数】17

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022064835

(22)【出願日】2022-04-08

(71)【出願人】

【識別番号】000005108

【氏名又は名称】株式会社日立製作所

(74)【代理人】

【識別番号】110001689

【氏名又は名称】青稜弁理士法人

(72)【発明者】

【氏名】藤田 隆誠

(72)【発明者】

【氏名】笹子 佳孝

(72)【発明者】

【氏名】佐久間 憲之

(72)【発明者】

【氏名】横山 夏樹

【テーマコード（参考）】

5H126

【Ｆターム（参考）】

5H126AA02

5H126AA22

5H126BB06

5H126DD05

5H126GG02

5H126GG08

5H126GG12

5H126JJ03

5H126JJ05

(57)【要約】

【課題】
高出力密度を得ると共に、スタック組立時のセルへの応力印加および破損を防ぐ燃料電池を提供することを目的とする。
【解決手段】
アノード電極層およびカソード電極層で電解質層を挟んだ構造を含む単位セルを搭載する燃料電池であって、前記単位セルは、第１の部材と第２の部材の間に配置され、前記第１の部材と前記第２の部材の間に、中間基板が配置されており、前記単位セルは外周部を前記中間基板で支持され、前記電解質層の幅は、前記第１の部材および前記第２の部材の少なくとも一つと前記単位セルの間に形成された空洞部の最大幅以下であることを特徴とする燃料電池である。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

アノード電極層およびカソード電極層で電解質層を挟んだ構造を含む単位セルを搭載する燃料電池であって、
前記単位セルは、第１の部材と第２の部材の間に配置され、
前記第１の部材と前記第２の部材の間に、中間基板が配置されており、
前記単位セルは外周部を前記中間基板で支持され、
前記電解質層の幅は、前記第１の部材および前記第２の部材の少なくとも一つと前記単位セルの間に形成された空洞部の最大幅以下であることを特徴とする燃料電池。

【請求項2】

アノード電極層およびカソード電極層で電解質層を挟んだ構造を含む単位セルを搭載する燃料電池であって、
前記単位セルは、第１の部材と第２の部材の間に配置され、
前記第１の部材と前記第２の部材の間に、中間基板が配置されており、
前記単位セルは外周部を前記中間基板で支持され、
前記電解質層の厚さは１μｍ以下であることを特徴とする燃料電池。

【請求項3】

請求項１または請求項２に記載の燃料電池であって、前記電解質層がイットリア安定化ジルコニアであることを特徴とする燃料電池。

【請求項4】

請求項１または請求項２に記載の燃料電池であって、前記アノード電極層の厚さが１μｍ以下であり、かつ、アノード電極に接して多孔質サポート層があることを特徴とする燃料電池。

【請求項5】

請求項４に記載の燃料電池であって、前記多孔質サポート層が酸化アルミニウムであることを特徴とする燃料電池。

【請求項6】

請求項４に記載の燃料電池であって、前記多孔質サポート層が鉄を50％以上含有する合金であることを特徴とする燃料電池。

【請求項7】

請求項６に記載の燃料電池であって、前記多孔質サポート層に空隙を有する金属材料が接することを特徴とする燃料電池。

【請求項8】

請求項１または請求項２に記載の燃料電池であって、前記中間基板に第１の導電領域および第２の導電領域が設けられていることを特徴とする燃料電池。

【請求項9】

請求項８に記載の燃料電池であって、前記カソード電極層と前記第２の導電領域とが、ボンディングワイヤにより電気的に接続されることを特徴とする燃料電池。

【請求項10】

請求項１または請求項２に記載の燃料電池であって、カソード電極層に空隙を有する金属材料が接することを特徴とする燃料電池。

【請求項11】

請求項１または請求項２に記載の燃料電池であって、前記中間基板の貫通穴を分割するようにセル支持部が設けられていることを特徴とする燃料電池。

【請求項12】

請求項１または請求項２に記載の燃料電池であって、１つの前記中間基板に複数の前記単位セルが搭載されることを特徴とする燃料電池。

【請求項13】

請求項１２に記載の燃料電池であって、燃料ガス流路の下流側に設置されている前記単位セルは、上流側に設置されている単位セルと比較して、同一条件下で動作させた場合の発電電力が大きいことを特徴とする燃料電池。

【請求項14】

請求項１２に記載の燃料電池であって、 １つの前記中間基板に搭載された複数の前記単位セルのうち、少なくとも１つの前記単位セルのアノード電極層は、同一の前記中間基板に搭載されている他の前記単位セルのカソード電極層と電気的に接続されていることを特徴とする燃料電池。

【請求項15】

請求項１に記載の燃料電池であって、前記空洞部は、前記第１の部材と前記単位セルの間、および、前記第２の部材と前記単位セルの間の両方に形成されていることを特徴とする燃料電池。

【請求項16】

請求項１に記載の燃料電池であって、前記電解質層の厚さは１μｍ以下であることを特徴とする燃料電池。

【請求項17】

請求項１または請求項２に記載の燃料電池を有し、前記燃料電池全体の上下から圧縮応力を印加することを特徴とする燃料電池スタック。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、固体電解質を用いた燃料電池に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、水素等の燃料を用いた、二酸化炭素の排出がない発電システムとして燃料電池が注目を集めている。燃料電池は、アノード及びカソードの2つの電極で電解質を挟む構造とし、アノード側に燃料ガス、カソード側に空気等の酸素を含むガスを供給することにより発電動作が行われる。

【0003】

発電電力を安全かつ効率的に外部に取り出すことを目的とし、電気的接続とガス透過を兼ねたメッシュ構造金属である集電体、燃料ガスと空気の流路を分離するセパレータ、外部へのガス漏れを防止するためのガスケット等を構成部品としたスタックが組立てられ、ネジの締め付け等により上下から圧縮応力を印加することで、密閉性の向上および接触電気抵抗の低減が図られる。

【0004】

また、２つの支持基板により燃料電池セルを収納して集電性能を向上させる技術も知られている（特許文献１）。

【0005】

また、支持基板に形成された開口部を覆う位置に電極層を備えるとともに、１０００ｎｍ以下の厚さを有する固体電解質層を備え、電極層のうち開口部を覆う領域の少なくとも一部が多孔質である電池セルも知られている（特許文献２）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２０１０－２０５５３４号公報

【特許文献2】ＷＯ２０２１／０９０４４１ Ａ１

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

燃料電池セルの出力は電解質層を薄くするほど向上するが、機械的強度は低下するためクラック等の破損が発生しやすくなる。

【0008】

特許文献１は、セルの下面が全面支持基板に接触している状態で上面の外周部にも別の支持基板が接触する構造であるため、電解質層を例えば１μｍ以下の薄膜として高出力密度の取得を図った場合に、スタック組立時の圧縮応力で電解質が破損する恐れがある。電解質層の破損はセルの故障に直結するため、これは避けなければならない。

【0009】

特許文献２は、１０００ｎｍ以下の厚さを有する電解質層を備えるセルについて開示するが、セパレータを介して電解質層に印加される応力についての検討はされていなかった。

【0010】

本発明は、上記のような課題を鑑みてなされたものであり、高出力密度を得ると共に、スタック組立時のセルへの応力印加および破損を防ぐ燃料電池を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0011】

本発明の一側面は、アノード電極層およびカソード電極層で電解質層を挟んだ構造を含む単位セルを搭載する燃料電池であって、前記単位セルは、第１の部材と第２の部材の間に配置され、前記第１の部材と前記第２の部材の間に、中間基板が配置されており、前記単位セルは外周部を前記中間基板で支持され、前記電解質層の幅は、前記第１の部材および前記第２の部材の少なくとも一つと前記単位セルの間に形成された空洞部の最大幅以下であることを特徴とする燃料電池である。

【0012】

本発明の他の一側面は、アノード電極層およびカソード電極層で電解質層を挟んだ構造を含む単位セルを搭載する燃料電池であって、前記単位セルは、第１の部材と第２の部材の間に配置され、前記第１の部材と前記第２の部材の間に、中間基板が配置されており、前記単位セルは外周部を前記中間基板で支持され、前記電解質層の厚さは１μｍ以下であることを特徴とする燃料電池である。

【0013】

本発明の他の一側面は、上記の燃料電池を有し、前記燃料電池全体の上下から圧縮応力を印加することを特徴とする燃料電池スタックである。

【発明の効果】

【0014】

本発明によれば、高出力密度を得ると共に、スタック組立時のセルへの応力印加および破損を防ぐ燃料電池を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】実施例１の燃料電池の断面図。

【図2】実施例における空洞部の幅の定義を示す断面図。

【図3】実施例１の燃料電池の各構成部品の斜視図。

【図4】実施例１の燃料電池スタックの断面図。

【図5】実施例２の燃料電池スタックの断面図。

【図6】実施例４の燃料電池の断面図。

【図7】実施例５の燃料電池の断面図。

【図8】実施例６の燃料電池の断面図。

【図9】実施例７の燃料電池の断面図。

【図10】実施例８の燃料電池の断面図。

【図11】実施例１０の燃料電池の断面図。

【図12A】実施例１１の燃料電池の断面図。

【図12B】実施例１１の中間基板の斜視図。

【図13】実施例１２の燃料電池の各構成部品の斜視図。

【図14】実施例１３の中間基板の斜視図。

【図15】実施例１４の燃料電池の断面図。

【図16A】実施例１５の燃料電池の断面図。

【図16B】実施例１５の中間基板の斜視図。

【図17】実施例１６の燃料電池の断面図。

【図18】実施例１７の燃料電池の断面図。

【図19A】実施例１８の燃料電池の断面図。

【図19B】実施例１８の中間基板の斜視図。

【発明を実施するための形態】

【0016】

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の実施の形態において、便宜上その必要があるときは、複数のセクションまたは実施の形態に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらはお互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明等の関係にある。また、以下の実施の形態で用いる図面においては、平面図であっても図面を見易くするためにハッチングを付す場合もある。また、以下の実施の形態を説明するための全図において、同一機能を有するものは原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。また、図を見やすくするために、断面図相互において同一機能を有するものは同一の形状に同一のハッチングを付して符号を省略する場合がある。

【0017】

実施例に係る燃料電池の一つは、アノード電極層およびカソード電極層で電解質層を挟んだ構造を含む単位セルを搭載する燃料電池であって、単位セルは外周部を中間基板で支持され、電解質層の幅は空洞部の最大幅以下であることを特徴とする。

【0018】

実施例に係る燃料電池の一つは、アノード電極層およびカソード電極層で電解質層を挟んだ構造を含む単位セルを搭載する燃料電池であって、単位セルは外周部を中間基板で支持され、電解質層の厚さは１μｍ以下であることを特徴とする。

【実施例0019】

図１は本発明の実施例１の燃料電池の構造の一例を示す断面図である。実施例１の燃料電池１は、中間基板２上に少なくとも１つの単位セル３（以降、単にセルとも言う）が搭載されたものである。単位セル３は、多孔質サポート層４、アノード電極層５、電解質層６、カソード電極層７で構成されており、電解質層６はアノード電極層５およびカソード電極層７で挟まれている。場合により、多孔質サポート層４が省略される場合もある。

【0020】

中間基板２は絶縁体であり、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、窒化珪素等の高温でも一定の機械的強度を有する材料が望ましい。中間基板２には、金や銀の金属材料を印刷配線技術で形成する等により、第１の導電領域８および第２の導電領域９が設けられる。

【0021】

多孔質サポート層４は、高出力密度セルの製造を目的として、アノード電極層５、電解質層６、カソード電極層７を例えば１μｍ等の薄膜とする場合に、セル全体を支持する役割を担う。多孔質サポート層４の材料としては酸化アルミニウムなどのセラミック材料が用いられ、また、多孔質構造とすることでアノード電極層５に燃料ガスが到達するようにしている。アノード電極層５は、ニッケルと安定化ジルコニアのサーメット等の材料からなり、導電性ペースト等により第１の導電領域８に電気的に接続される。

【0022】

図１のように、電解質層６およびカソード電極層７の範囲をアノード電極層５よりも狭めることで、カソード電極層７を下に向けてアノード電極層５を第１の導電領域８に接触させること、カソード電極層７を第１の導電領域８に接触させないこと、およびセルを中間基板２のザグリ部に収めることも可能となる。アノード電極層５の下面が露出される場合は、空気に触れることのないようガラスシール材等で遮へいすることが望ましい。

【0023】

電解質層６は、イットリアの組成比を８％とした安定化ジルコニア（イットリア安定化ジルコニア）等の材料からなる。スパッタリング等の成膜プロセスにより１μｍ以下の薄膜とすれば、高出力密度の発電を得ることも可能である。カソード電極層７は、白金や、白金とＧＤＣ（Ｇａｄｏｌｉｎｉｕｍ Ｄｏｐｅｄ Ｃｅｒｉａ）のサーメット、ＬＳＣ（（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｏＯ３）等の材料からなり、ボンディングワイヤ１０等により第２の導電領域９と電気的に接続される。

【0024】

第１の導電領域８と第２の導電領域９のそれぞれに、集電体１１が接触して配置される。これはニッケルや銀などの導電材料からなるが、空気流路側に配置されるものは高温においても酸化されない材料とするのが望ましい。集電体１１の外側にはガスケット１２が配置される。中間基板２の上下方向に配置された集電体１１およびガスケット１２を、２つのセパレータ１３で挟み圧縮応力を印加することにより、外部へのガス漏れを防止する。集電体１１を空隙のあるメッシュ構造とすれば、圧縮された際にガスケット１２と同じ厚さとなり、密閉性の向上が見込めると同時に導電領域との良好な電気的接続も図ることができる。なお上下方向とは各層が積層されている方向をいうものとし、上方向と下方向は転置可能とする。

【0025】

セパレータ１３はステンレス鋼等の材料からなり、集電体１１を介して第１の導電領域８および第２の導電領域９にそれぞれ電気的に接続され、単位セル３の発電電力の外部への取出しを実現する。この時、集電体１１が重なる部分は中間基板２のみとし、電解質層６の幅が空洞部の最大幅以下の状態にすることで、燃料電池１を上下から加圧した際、セルへの応力印加、ひいてはセルの破損を防ぐことができる。

【0026】

図２は、実施例における燃料電池１の空洞部の幅の定義を示したものである。単位セル３の上下には構成部品が配置されておらず空洞部２０１，２０２となっている。空洞部の任意の断面それぞれにおいて、断面中にある空洞の幅の最大値をＷ１とする。また、同じ断面における電解質層６の幅の最大値をＷ２とする。スタック組立て時には上下のセパレータ１３から圧縮応力を受けるが、応力印加方向に平行ないかなる断面においてもＷ２の値がＷ１以下であれば電解質層６に応力が印加されることはなく、破損を防ぐことができる。

【0027】

例えば、図２で示す断面において、上部空洞部２０１の最大幅より電解質層６の最大幅が小さいので、上から下に加わる力は電解質層６に加わらない。また下部空洞部２０２の最大幅より電解質層６の最大幅が小さいので、下から上に加わる力は電解質層６に加わらない。

【0028】

図３は本発明の実施例１の燃料電池の構造の一例を示す斜視図である。単位セル３はカソード電極層を下に向け、図１のように電解質層６およびカソード電極層７の範囲をアノード電極層５よりも狭めることで、アノード電極層５を第１の導電領域８に接触させることができる。そのようにした場合、単位セル３の上側には燃料を、下側には空気を供給する必要がある。この説明では、中間基板２の上に配置するガスケット１２をアノード側ガスケット１２′、中間基板２の下に配置するガスケット１２をカソード側ガスケット１２′′として区別する。

【0029】

中間基板２には、燃料流入口２ａ、燃料流出口２ｂ、空気流入口２ｃ、空気流出口２dがある。同様にガスケット１２′には、燃料流入口１２′ａ、燃料流出口１２′ｂ、空気流入口１２′ｃ、空気流出口１２ｄ′が、ガスケット１２′′には、燃料流入口１２′′ａ、燃料流出口１２′′ｂ、空気流入口１２′′ｃ、空気流出口１２′′ｄが、セパレータ１３には、燃料流入口１３ａ、燃料流出口１３ｂ、空気流入口１３ｃ、空気流出口１３ｄが設けられている。

【0030】

下段のセパレータ１３の燃料流入口１３ａより燃料ガスを供給した場合、燃料ガスはカソード側ガスケット１２′′の燃料流入口１２′′ａ、中間基板２の燃料流入口２ａを通過しながら上へ向かう。この時、アノード側ガスケット１２′の燃料流入口１２′ａに切り欠き部を設けることによって、単位セル３の上側に燃料ガスを供給することが可能である。その後燃料ガスは、ガスケット１２の燃料流出口１２ｂ、中間基板２の燃料流出口２ｂ、セパレータ１３の燃料流出口１３ｂ、を経由して外部に排出される。また、上段のセパレータ１３の更に上に同様の構造を繰り返す場合は、上段のセパレータ１３の燃料流入口１３ａを通過して上方へ燃料ガスが供給される。

【0031】

同様に、下段のセパレータ１３の空気流入口１３ｃより空気を供給した場合、カソード側にガスケット１２′′の空気流入口１２′′ｃに切り欠き部を設けることによって単位セル３の下側に供給することが可能である。その後空気は、カソード側ガスケット１２′′の空気流出口１２′′ｄを経由してセパレータ１３の燃料流出口１３ｄより外部に排出される。また、上段のセパレータ１３の更に上に同様の構造を繰り返す場合は、中間基板２の空気流入口２ｃ、カソード側ガスケット１２′′の空気流入口１２′′ｃ、を通過して上方へ空気が供給される。

【0032】

図４は本発明の実施例１の燃料電池スタックの構造の一例を示す断面図である。燃料電池スタック４００は、燃料電池１、底面冶具４０１、２つのガスケット４０２、天面冶具４０３、支柱４０４、締付部材４０５により構成される。底面冶具４０１と天面冶具４０３の少なくともどちらか一方と、ガスケット４０２には、セパレータ１３の燃料流入口１３ａ、空気流入口１３ｃ、空気流出口１３ｄとの間で燃料ガスと空気の移動ができるような流路や穴が必要である。

【0033】

燃料電池スタック４００は、下から底面冶具４０１、ガスケット４０２、燃料電池１、ガスケット４０２、天面冶具４０３の順に積み重ねることで組立て可能である。支柱４０４の天面および底面には、締付部材４０５の形状に一致する穴を設ける。

【0034】

燃料ガスや空気の外部への漏れを防ぐため、底面冶具４０１および天面冶具４０３の外周部に貫通穴を開け、支柱４０４を通し、締付部材４０５を締付けることにより、燃料電池１に対して上下から圧縮応力を印加する。

【0035】

この時、電解質層６の幅は空洞部の最大幅以下であるため、締付部材４０５による圧縮応力は印加されず、破損を防ぐことができる。締付部材４０５による圧縮応力は、単位セル３を保持する中間基板２に作用することで、燃料電池１の封止を可能としつつ、例えば1μｍ以下の薄い電解質層６の破損を防いでいる。

【実施例0036】

図５は本発明の実施例２の燃料電池スタックの構造の一例を示す断面図である。燃料電池スタック５００は、燃料電池５０１、底面冶具４０１、２つのガスケット４０２、天面冶具４０３、支柱４０４、締付部材４０５により構成される。

【0037】

実施例１との差異は、図１で示した燃料電池１の構造を縦方向に積層したことである。これにより、2つの単位セル３を直列接続でき、スタックの出力電圧が増加する。なお、図１の構造を単純に積層した場合は中段にセパレータ１３が２枚配置されるが、これは１枚で共通することができ、単位セル３を直列接続する中継部材になると同時に燃料ガス流路と空気流路を分離する役割を担う。また、この構造を繰り返し積層することにより、３直列以上とすることも可能であり、積層数に応じてスタックの出力電圧も増加する。

【0038】

このように複数積層した場合も、実施例１と同様に電解質層６の幅を空洞部の最大幅以下にすることで、締付部材４０５によりスタックを締付けた際に応力が印加されず、破損を防ぐことができる。