固体酸化物形燃料電池スタックおよびインターコネクタ
【課題】導電率を向上させることができる固体酸化物形燃料電池スタックおよびインターコネクタを提供する。
【解決手段】燃料ガス供給板１２１と燃料極接続板１２２、空気極接続板１３１と空気供給板１３２、および、燃料ガス供給板１２１と空気供給板１３２との間に、燃料極側金属膜１２３、空気極側金属膜１３３またはセル間金属膜２１を配設する。これにより、それらの薄板間の接触面積の増大させることができるので、結果として、導電率を向上させることができる。
【解決手段】燃料ガス供給板１２１と燃料極接続板１２２、空気極接続板１３１と空気供給板１３２、および、燃料ガス供給板１２１と空気供給板１３２との間に、燃料極側金属膜１２３、空気極側金属膜１３３またはセル間金属膜２１を配設する。これにより、それらの薄板間の接触面積の増大させることができるので、結果として、導電率を向上させることができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関し、具体的には、平板型の固体酸化物形燃料電池セルを積層した固体酸化物形燃料電池スタックに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、規模の大小にかかわらず高い効率が得られることから、次世代のコジェネレーションシステムに用いられる発電手段として、燃料電池が注目されている。燃料電池は、酸素などの酸化剤ガスと水素などの燃料ガスとの化学反応を利用した電池であり、空気極と呼ばれる陽極と、燃料極と呼ばれる陰極とで電解質の層を挟んだ単セルを、複数重ね合わせて用いている。一組のセル（単セル）で得られる電気の電圧は、約０．７Ｖ程度であるが、複数の単セルを重ね合わせて用いることで、所望とする電圧の供給が可能である。このような燃料電池には、高分子材料を電解質層に用いる固体高分子形や、セラミックスなどの酸化物を電解質層に用いる固体酸化物形がある。
【０００３】
固体高分子形燃料電池では、作動温度が高々９０℃程度であり、自動車用や家庭用コジェネレーションシステムに適用可能とされている。これに対し、固体酸化物形燃料電池は、作動温度が６００℃以上と高温であり、発電効率が４５％以上と高いという特徴を備えている。このため、複数の単セルを組み合わせたスタック構造の固体酸化物形燃料電池は、タービン発電などを組み合わせてより高い効率のコジェネレーションシステムが構築できるという利点を有し、発電所としての用途などが期待されている（例えば、非特許文献１参照。）。
【０００４】
ところで、固体酸化物形燃料電池において実用的な出力を得るためには、上述したように、複数の単セルを直列または並列に接続する必要がある。このとき、各単セルの燃料極側に供給される燃料ガスと、空気極側に供給される酸化剤ガスとが混合しない状態で、各単セルを電気的に接続するために、セパレータやインターコネクタなどと呼ばれ、ガスが透過せず、電気伝導度が高い材料からなる部材が用いられている。この材料としては従来よりセラミックスが用いられてきたが、近年では作動温度の低下が実現されており、金属材料を用いることが可能となっている。
この金属製のインターコネクタは、セラミックス製のインターコネクタと比較すると、加工性がよく、電気電導度や熱電導度が高いという優れた特性を有する一方、高温酸化雰囲気下において表面に電気電導度が低い酸化被膜が形成されるという特性を有する。
【０００５】
そこで、最近では、Ｃｒが１６〜２４％程度含まれたフェライト系の耐熱性ステンレス鋼が用いることが提案されている。この耐熱性ステンレス鋼は、高温酸化雰囲気下においても表面に酸化被膜が形成されにくいので、その耐熱性ステンレス鋼をインターコネクタに使用することにより高い電気電導度を実現することができる。このような耐熱性ステンレス鋼の薄板をプレス加工することにより、低コストでインターコネクタを製造することが可能となっている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】田川 博章、固体酸化物燃料電池と地球環境、株式会社 アグネ承風社、第１版第１刷、ｐｐ２５−３０ １９９８年
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、インターコネクタを耐熱性ステンレス鋼の薄板で形成した場合、発電温度付近で歪みや反りが生じやすいために、各インターコネクタ間の接触面積の低減により導電率が低下し、期待した発電特性を得ることが困難であった。
【０００８】
そこで、本発明は、導電率を向上させることができる固体酸化物形燃料電池スタックおよびインターコネクタ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】
【０００９】
上述したような課題を解決するために、本発明に係る固体酸化物形燃料電池スタックは、燃料極と、空気極と、当該燃料極および当該空気極との間に配置された電解質とからなる平板型の単セルと、この単セルの燃料極または空気極と対向配置されるとともに、この対向配置された燃料極または空気極に燃料ガスまたは酸化剤ガスを供給する２つのインターコネクタとからなるセルを複数積層した固体酸化物形燃料電池スタックであって、インターコネクタは、積層された耐熱性ステンレス鋼からなる複数の薄板と、この薄板の間に配設された金属膜とから構成されることを特徴とするものである。
【００１０】
上記固体酸化物形燃料電池スタックにおいて、セルの積層方向に貫通し、単セルに供給される燃料ガスまたは酸化剤ガスが流通する複数のマニホールドを備え、金属膜は、マニホールドの周辺部に配設されるようにしてもよい。
【００１１】
また、上記固体酸化物形燃料電池スタックにおいて、燃料極と対向配置されたインターコネクタは、一端がマニホールドに接続された燃料ガス流路を有する第１の薄板と、燃料ガス流路の他端から供給される燃料ガスを燃料極に供給する燃料供給部を有し、第１の薄板上に設けられるとともに燃料極に対向配置された第２の薄板とを備え、空気極と対向配置されたインターコネクタは、当該空気極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部を有する第３の薄板と、一端がマニホールドに、他端が酸化剤ガス供給部に接続された酸化剤ガス流路を有し、第３の薄膜上に設けられた第４の薄板とを備え、金属膜は、第１の薄板と第２の薄板との間、および、第３の薄板と第４の薄板との間に配設されるようにしてもよい。
【００１２】
また、上記固体酸化物形燃料電池スタックにおいて、金属膜は、厚さが５μｍ以上５０μｍ以下の銀の薄膜から構成されるようにしてもよい。
【００１３】
また、本発明に係るインターコネクタは、燃料極と、空気極と、当該燃料極および当該空気極との間に配置された電解質とからなる平板型の単セルの燃料極または空気極と対向配置されるとともに、この対向配置された燃料極または空気極に燃料ガスまたは酸化剤ガスを供給する固体酸化物形燃料電池用のインターコネクタであって、耐熱性ステンレス鋼からなる複数の薄板と、薄板の間に配設された金属膜とから構成されることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、薄板の間に金属膜を配設することにより、薄板間の接触面積の増大させることができるので、結果として、導電率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１は、本発明の実施の形態に係る固体酸化物形燃料電池のセルの構成を模式的に示す断面図である。
【図２】図２は、本発明の実施の形態に係る固体酸化物形燃料電池スタックの構成を模式的に示す断面図である。
【図３】図３は、本発明の実施の形態に係る固体酸化物形燃料電池における単セルの構成を模式的に示す断面図である。
【図４】図５は、本発明の実施の形態に係る固体酸化物形燃料電池における燃料極側金属膜および空気極側金属膜の構成を模式的に示す平面図である。
【図５】図５は、本発明の実施の形態に係る固体酸化物形燃料電池におけるセル間金属膜の構成を模式的に示す断面図である。
【図６】図６は、発電特性の実験結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００１７】
＜固体酸化物形燃料電池の構成＞
図１に示すように、本実施の形態に係る固体酸化物形燃料電池は、円盤状の単セル１１と、この単セル１１の後述する燃料極１１１に対向配置され、その燃料極１１１に燃料ガスを供給するとともに燃料極１１１と電気的に接続された円盤状の燃料極インターコネクタ１２と、単セル１１の後述する空気極１１３に対向配置され、その空気極に酸化剤ガスを供給するとともに空気極１１３と電気的に接続された円盤状の空気極インターコネクタ１３とを備え、これらを一組としたセル１が構成される。このようなセル１は、実用的な出力を得るために、図２に示すように、そのセル１を複数組重ねた固体酸化物形燃料電池スタック２の一部として機能する。
【００１８】
また、セル１には、この燃料極インターコネクタ１２の上面の中央部に配設され、上面に単セル１１が配設される円盤状の燃料極側集電体１４と、燃料極インターコネクタ１２の上面に配設され、中央部に形成された開口に単セル１１および燃料極側集電体１４を収容することにより単セル１１および燃料極側集電体１４を所定の位置に配設するリング状のセルホルダ１５と、単セル１１の後述する電解質３２およびセルホルダ１５の上面に配設されたリング状のシール部材１６と、このシール部材１６の上面に配設されたリング状の絶縁部材１７と、単セル１１の上面に配設され、上面に空気極インターコネクタ１３が配設される円盤状の空気極側集電体１８とを備えている。
【００１９】
このようなセル１には、燃料極インターコネクタ１２や空気極インターコネクタ１３の平面方向における単セル１１の周囲に、燃料極インターコネクタ１２、空気極インターコネクタ１３、セルホルダ１５、シール部材１６および絶縁部材１７の積層方向に貫通する複数の貫通孔が形成されている。これらの貫通孔は、外部から燃料ガスが供給される燃料ガスマニホールド１９、外部から酸化剤ガスが供給される酸化剤ガスマニホールド２０、単セル１１で酸化されなかった未反応の燃料ガスを外部に排出する排気ガスマニホールド（図示せず）、および、単セル１１で未反応の酸化剤ガスを外部に排出する未反応酸化剤ガスマニホールドを構成する。
【００２０】
≪単セルの構成≫
単セル１１は、図３に示すように、燃料極側集電体１４と同等の平面形状を有する燃料極１１１と、この燃料極１１１と同等の形状を有し、燃料極１１１の上面に形成された電解質１１２と、この電解質１１２よりも外形が小さな円盤の形状を有し、電解質１１２の上面に形成された空気極１１３とから構成される。ここで、空気極１１３の上面には、空気極１１３と同等の形状を有する集電層１１４が設けられている。
【００２１】
燃料極１１１は、例えば、ニッケル添加イットリア安定化ジルコニア（Ｎｉ−ＹＳＺ）、ニッケル添加サマリア安定化ジルコニア（Ｎｉ−ＳＳＺ）、ニッケル添加スカンジア安定化ジルコニア（Ｎｉ−ＳｃＳＺ）などの金属Ｎｉと電解質１１２を構成する材料との混合物などから構成される。
【００２２】
電解質１１２は、例えば、スカンジア安定化ジルコニア（ＳｃＳＺ）、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、サマリア安定化ジルコニア（ＳＳＺ）、コバルト添加ランタンガレート系酸化物（ＬＳＧＭＣ）などから構成される。
【００２３】
空気極１１３は、例えば、ランタンニッケルフェライト（ＬＮＦ）、ランタンマンガネート（ＬＳＭ）、ランタンストロンチウムコバルタイト（ＬＳＣ）、ランタンストロンチウムコバルタイトフェライト（ＬＳＣＦ）、ランタンストロンチウムフェライト（ＬＳＦ）、サマリウムストロンチウムコバルタイト（ＳＳＣ）などから構成される。
【００２４】
集電層１１４は、例えば、ランタンニッケルフェライト（ＬＮＦ）とＬａＣｏＯ3（ＬＣ）の混合物などから構成される。
【００２５】
≪燃料極インターコネクタの構成≫
燃料極インターコネクタ１２は、燃料ガス供給板１２１と、この燃料ガス供給板１２１上に配設された燃料極接続板１２２と、燃料ガス供給板１２１と燃料極接続板１２２との間に設けられた燃料極側金属膜１２３とを備えている。
【００２６】
ここで、燃料ガス供給板１２１は、耐熱性ステンレス鋼からなる円形の薄板から構成される。この燃料ガス供給板１２１には、この燃料ガス供給板１２１の平面方向に延在する管からなり、一端が燃料ガスマニホールド１９に接続された燃料流路１２１ａが形成されている。また、燃料ガス供給板１２１には、この燃料ガス供給板１２１の平面方向に延在する管からなり、一端が排気ガスマニホールド（図示せず）に接続された排気ガス流路（図示せず）も形成されている。
【００２７】
また、燃料極接続板１２２は、燃料ガス供給板１２１と同等の平面形状を有する耐熱性ステンレス鋼の薄板から構成される。この燃料極接続板１２２には、上面の中央部に複数の溝を備え、燃料流路１２１ａの他端が接続された燃料供給部１２２ａが形成されている。具体的には、燃料供給部１２２ａは、燃料が流通する凹部と、燃料極側集電体１４と接触する凸部とからなる複数の溝を備えており、その凹部には燃料流路１２１ａから燃料ガスが供給される。このような燃料供給部１２２ａには、上述した排気ガス流路（図示せず）の他端も接続されており、未反応の燃料ガスがその排気ガス流路を介して排気ガスマニホールドから外部に排出される。
【００２８】
燃料極側金属膜１２３は、図１および図４に示すように、円形の銀の薄膜からなり、燃料ガス供給板１２１上面の中央部に配設される第１の燃料極側薄膜１２３ａと、輪状の銀の薄膜からなり、燃料ガス供給板１２１上面の外縁部に配設される第２の燃料極側薄膜１２３ｂとから構成される。ここで、第１の燃料極側薄膜１２３ａの中央部には、燃料流路１２１ａの他端部を構成する第１の開口１２３ａ−１が形成されている。また、第２の燃料極側薄膜１２３ｂの所定の箇所には、燃料ガスマニホールド１９、酸化剤ガスマニホールド２０、排気ガスマニホールドおよび未反応酸化剤ガスマニホールドの一部を構成する複数の第２の開口１２３ｂ−１が形成されている。本実施の形態において、第１の燃料極側薄膜１２３ａおよび第２の燃料極側薄膜１２３ｂは、５μｍ以上５０μｍ以下の厚さに形成されている。
【００２９】
≪空気極インターコネクタの構成≫
空気極インターコネクタ１３は、空気極接続板１３１と、この空気極接続板１３１上に配設された空気供給板１３２と、空気極接続板１３１と空気供給板１３２との間に設けられた空気極側金属膜１３３とを備えている。
【００３０】
空気極接続板１３１は、耐熱性ステンレス鋼からなる円形の薄板から構成される。この空気極接続板１３１には、下面の中央部に形成された複数の溝からなる酸化剤ガス供給部１３１ａが形成されている。具体的には、酸化剤ガス供給部１３１ａは、空気等の酸化剤ガスが流通する凹部と、空気極側集電体１８と接触する凸部とからなる複数の溝を備えており、その凹部には酸化剤ガス流路１３２ａから酸化剤ガスが供給される。
【００３１】
空気供給板１３２は、空気極接続板１３１と同等の平面形状を有する耐熱性ステンレス鋼の薄板から構成される。この空気供給板１３２には、この空気供給板１３２の平面方向に延在する管からなり、一端が酸化剤ガスマニホールド２０、他端が酸化剤ガス供給部１３１ａに接続された酸化剤ガス流路１３２ａが形成されている。また、空気供給板１３２には、この空気供給板１３２の平面方向に延在する管等からなり、一端が外部に接続された未反応空気流路（図示せず）が形成されるようにしてもよい。
【００３２】
空気極側金属膜１３３は、図１および図４に示すように、円形の銀の薄膜からなり、空気極接続板１３１上面の中央部に配設される第１の空気極側薄膜１３３ａと、輪状の銀の薄膜からなり、空気極接続板１３１上面の外縁部に配設される第２の空気極側薄膜１３３ｂとから構成される。ここで、第１の空気極側薄膜１３３ａの中央部には、酸化剤ガス流路１３２ａの他端部を構成する第１の開口１３３ａ−１が形成されている。また、第２の空気極側薄膜１３３ｂの所定の箇所には、燃料ガスマニホールド１９、酸化剤ガスマニホールド２０、排気ガスマニホールドおよび未反応酸化剤ガスマニホールドの一部を構成する複数の第２の開口１３３ｂ−１が形成されている。本実施の形態において、第１の空気極側薄膜１３３ａおよび第２の空気極側薄膜１３３ｂは、５μｍ以上５０μｍ以下の厚さに形成されている。
【００３３】
さらに、図１，図２および図５に示すように、セル１を複数組重ねた固体酸化物形燃料電池スタック２とする場合、最上部のセル１を除く空気供給板１３２の上面には、セル間金属膜２１が配設される。このセル間金属膜２１は、円形の銀の薄膜からなり、空気供給板１３２上面の中央部に配設される第１のセル間薄膜２１１ａと、輪状の銀の薄膜からなり、空気供給板１３２上面の外縁部に配設される第２のセル間薄膜２１１ｂとから構成される。ここで、第２のセル間薄膜２１１ｂの所定の箇所には、燃料ガスマニホールド１９、酸化剤ガスマニホールド２０、排気ガスマニホールドおよび未反応酸化剤ガスマニホールドの一部を構成する複数の第２の開口２１１ｂ−１が形成されている。本実施の形態において、第１のセル間薄膜２１１ａおよび第２のセル間薄膜２１１ｂは、５μｍ以上５０μｍ以下の厚さに形成されている。
【００３４】
≪その他の部材の構成≫
燃料極側集電体１４は、白金、銀、金、パラジウム、イリジウム、ロジウム等の金属、フェライト系耐熱合金の細線からなるメッシュや不織布、エキスパンドメタル、発泡金属など、電子伝導性が高く、６００〜１０００℃で化学的に安定な材料から構成される。
【００３５】
セルホルダ１５は、例えば、クロムが１６〜２５％程度含まれているフェライト系の耐熱合金から構成されている。セルホルダ１５の内部には、燃料極側集電体１４ならびに単セル１１の燃料極１１１および電解質１１２が収容され、これらの周面とセルホルダ１５の内面との隙間には、シール部材１６と同等の材料からなる隙間部材１５ａが設けられている。
【００３６】
シール部材１６は、例えば、ホウ珪酸ガラスなどの軟化点が動作温度付近のガラス材料から構成されている。
【００３７】
絶縁部材１７は、例えばアルミナなどの高温でも絶縁性のあるセラミックスや、マイカなどの絶縁材料から構成される。
【００３８】
空気極側集電体１８は、白金、銀、金、パラジウム、イリジウム、ロジウム等の金属、フェライト系耐熱合金の細線からなるメッシュや不織布、エキスパンドメタル、発泡金属、それらの材料を含むペースト材料など、電子伝導性が高く、６００〜１０００℃で化学的に安定な材料から構成される。
【００３９】
＜固体酸化物形燃料電池の組立方法＞
次に、本実施の形態に係る固体酸化物形燃料電池の組立方法の一例について説明する。
【００４０】
はじめに、耐熱合金からなる台座の上に、燃料極インターコネクタ１２を配設する。具体的には、台座の上に、燃料流路１２１ａおよび排気ガス流路が形成された燃料ガス供給板１２１を載置した後、この燃料ガス供給板１２１上面の中央部に第１の燃料極側薄膜１２３ａ、燃料ガス供給板１２１上面の外縁部に第２の燃料極側薄膜１２３ｂを載置する。このようにして燃料極側金属膜１２３が載置された燃料ガス供給板１２１の上面に、燃料供給部１２２ａが形成された燃料極接続板１２２の下面を載置する。これにより、台座の上には、燃料ガス供給板１２１と燃料極接続板１２２との間に燃料極側金属膜１２３が挟み込まれた燃料極インターコネクタ１２が配設されることとなる。
【００４１】
燃料極インターコネクタ１２を配設すると、燃料極接続板１２２の燃料供給部１２２ａが形成されている面上に、燃料極側集電体１４を配設した後、この燃料極側集電体１４上に燃料極１１１が位置するように、単セル１１を燃料極側集電体１４上に配設する。このように燃料極側集電体１４を設けることにより、燃料極インターコネクタ１２と単セル１１の燃料極１１１との電気的接続を良くすることができる。
【００４２】
単セル１１を配設すると、セルホルダ１５を、その内側に単セル１１および燃料極側集電体１４が位置するように、燃料極インターコネクタ１２上に配設する。
【００４３】
セルホルダ１５を配設すると、単セル１１の電解質１１２の上面からセルホルダ１５の上面にかけてホウ珪酸ガラスなどの軟化点が動作温度付近のガラス材料をシール部材１６を配設する。このとき、燃料極側集電体１４ならびに単セル１１の燃料極１１１および電解質１１２の周面とセルホルダ１５の内面との隙間にも、シール部材１６と同等の材料からなる隙間部材１５ａを配設する。また、シール部材１６の上に絶縁部材１７を配設する。このように、シール部材１６や隙間部材１５ａを設けることにより、燃料極インターコネクタ１２と単セル１１との周辺部の隙間から燃料ガスや未反応ガスが漏れるのを防ぐことができる。また、絶縁部材１７を設けることにより、燃料極インターコネクタ１２と空気極インターコネクタ１３との短絡を防止することができる。
【００４４】
絶縁部材１７を配設すると、単セル１１の集電層１１４の上に、ペースト材料からなる空気極側集電体１８を配設する。このように、空気極側集電体１８を設けることにより、単セル１１の集電層１１４と空気極インターコネクタ１３との電気的接続を良くすることができる。なお、空気極側集電体１８を構成するペースト材料は、初回動作前に予め集電層１１４の上に塗布し、その上に空気極インターコネクタ１３を配置することで、初回動作時の昇温過程でより良好な電気的接続を実現することができる。
【００４５】
空気極側集電体１８を配設すると、絶縁部材１７および空気極側集電体１８の上に、空気極インターコネクタ１３を配設する。具体的には、絶縁部材１７および空気極側集電体１８の上に、酸化剤ガス供給部１３１ａが形成された空気極接続板１３１を載置した後、この空気極接続板１３１上面の中央部に第１の空気極側薄膜１３３ａ、空気極接続板１３１上面の外縁部に第２の空気極側薄膜１３３ｂを載置する。このようにして空気極側金属膜１３３が載置された空気極接続板１３１の上面に、酸化剤ガス流路１３２ａが形成された空気供給板１３２の下面を載置する。これにより、絶縁部材１７および空気極側集電体１８の上には、空気極接続板１３１と空気供給板１３２との間に空気極側金属膜１３３が挟み込まれた空気極インターコネクタ１３が配設されることとなる。
【００４６】
空気極インターコネクタ１３を配設すると、空気極インターコネクタ１３から燃料極インターコネクタ１２に向けて荷重をかける。これにより、燃料極側集電体１４が燃料極接続板１２２および単セル１１の燃料極１１１に圧接されるので、燃料極接続板１２２と燃料極１１１との電気的接続が良好となる。同様に、空気極側集電体１８が空気極接続板１３１および単セル１１の集電層１１４に圧接されるので、空気極接続板１３１と集電層１１４との電気的接続が良好となる。
【００４７】
これにより、台座上にセル１が設けられることとなる。このようなセル１を複数組重ねた固体酸化物形燃料電池スタック２を設ける場合、セル１の最上部に設けられた空気供給板１３２の上面に、セル間金属膜２１を配設する。具体的には、空気供給板１３２上面の中央部に第１のセル間薄膜２１１ａ、空気供給板１３２上面の外縁部に第２のセル間薄膜２１１ｂを配設する。このようにセル間金属膜２１を設けると、この上面に上述した方法によりセル１を積層することにより、固体酸化物形燃料電池スタック２が生成される。
【００４８】
なお、このようなセルを複数積層したスタックでは、燃料極インターコネクタ１２と空気極インターコネクタ１３とは、それぞれ上下に隣接するセルの空気極インターコネクタ１３または燃料極インターコネクタ１２に電気的に接続されている。したがって、固体酸化物形燃料電池スタックの上端の空気極インターコネクタ１３と下端の燃料極インターコネクタ１２とを端子として負荷回路に接続することにより、電力を取り出すことができることとなる。
【００４９】
＜固体酸化物形燃料電池の発電動作＞
次に、上述したような手順で組み立てられる固体酸化物形燃料電池の発電動作について説明する。
【００５０】
まず、ドライ水素等の燃料ガスは、燃料ガスマニホールド１９から燃料極インターコネクタ１２の燃料流路１２１ａおよび燃料供給部１２２ａを通り、燃料極側集電体１４を経由して、単セル１１の燃料極１１１に供給される。一方、空気等の酸化剤ガスは、酸化剤ガスマニホールド２０から空気極インターコネクタ１３の酸化剤ガス流路１３２ａおよび酸化剤ガス供給部１３１ａを通り、空気極側集電体１８を経由して、単セル１１の集電層１１４から空気極１１３に供給される。このように燃料ガスおよび酸化剤ガスが所定の温度下において単セル１１に供給されると、燃料極１１１と空気極１１３とにおいて電気化学反応が発生する。
【００５１】
このような状態で、固体酸化物形燃料電池スタックの上端の空気極インターコネクタ１３と下端の燃料極インターコネクタ１２とを端子として負荷回路に接続すると、電力を取り出すことができる。
【００５２】
本実施の形態では、上述したように、燃料極インターコネクタ１２を構成する燃料ガス供給板１２１と燃料極接続板１２２との間に、燃料極側金属膜１２３が設けられている。同様に、空気極インターコネクタ１３を構成する空気極接続板１３１と空気供給板１３２との間に、空気極側金属膜１３３が設けられている。さらに、隣り合うセル１間の燃料ガス供給板１２１と空気供給板１３２との間に、セル間金属膜２１が設けられている。これにより、燃料ガス供給板１２１と燃料極接続板１２２、空気極接続板１３１と空気供給板１３２、および、燃料ガス供給板１２１と空気供給板１３２が、燃料極側金属膜１２３、空気極側金属膜１３３またはセル間金属膜２１により密着するので、それらの間の接触面積が増大して隙間が生じにくくなる。具体的には、発電時には、各構成部材の熱膨張によりそれぞれ耐熱性ステンレス鋼の薄板からなる燃料ガス供給板１２１と燃料極接続板１２２、空気極接続板１３１と空気供給板１３２、および、燃料ガス供給板１２１と空気供給板１３２の間には圧縮力が働くが、その薄板の形状や薄板内での温度分布により圧縮力は薄板の面内で必ずしも均一ではなく、薄板にひずみが発生することで薄板間の接触が局所的になることがある。このような状態でそれらの薄板間に、比較手柔らかな金属である銀の薄膜からなる燃料極側金属膜１２３、空気極側金属膜１３３、セル間金属膜２１を配設すると、圧縮力の強い領域では薄板間の銀の薄膜は圧延されたような状態で薄板の平面方向に押し出され、圧縮力の弱い領域では圧縮力の強い領域から押し出された銀の薄膜が薄板間に溜まるので、圧力の弱い領域においても薄板間の面的な導通が確保され、結果として、期待した発電特性を得ることができる。また、プレス加工では比較的単純な形状しか成形できないため、インターコネクタのような複雑な形状の品物を作製するには複数の部材を組み合わせる必要があり、実際的ではなかった。しかしながら、本実施の形態では、燃料極側金属膜１２３、空気極側金属膜１３３およびセル間金属膜２１を設けることにより、量産性が高く加工コストが安いプレス加工を用いても電気抵抗の小さなインターコネクタを製造することができる。
【００５３】
本実施の形態における効果を検証するために、セル１の構成において、本実施の形態すなわち燃料極側金属膜１２３および空気極側金属膜１３３を設けた場合（条件１）、第１の燃料極側薄膜１２３ａおよび第１の空気極側薄膜１３３ａを設けた場合（条件２）、ならびに、燃料極側金属膜１２３および空気極側金属膜１３３を設けない場合（条件３）において発電を行った。この結果を図６に示す。なお、図６に示す発電結果は、発電温度を８００［℃］、燃料ガスとしてドライ水素（電流密度が０．３［Ａ／ｃｍ2］で燃料利用率が８０［％］となるガス流量を供給）、酸化剤ガスとして空気（電流密度が０．３［Ａ／ｃｍ2］で燃料利用率が８０［％］となるガス流量を供給）を用いた。
【００５４】
この図４からわかるように、本実施の形態（条件１）や第１の燃料極側薄膜１２３ａおよび第１の空気極側薄膜１３３ａを設けた場合（条件２）は、燃料極側金属膜１２３および空気極側金属膜１３３を設けない場合（条件３）と比べて、ＯＣＶ（Open circuit voltage：開路電圧）および０．３［Ａ／ｃｍ2］の電流密度における電圧のいずれにおいても高い発電特性を示している。
特に、本実施の形態のように燃料極側金属膜１２３および空気極側金属膜１３３を設ける、すなわち、燃料ガス供給板１２１と燃料極接続板１２２の中央部および外縁部ならびに空気極接続板１３１と空気供給板１３２の中央部および外縁部に銀の薄膜を設けると、高いＯＣＶを示していることから、ガスシール性も向上したものと考えられる。
【００５５】
以上説明したように、本実施の形態によれば、燃料ガス供給板１２１と燃料極接続板１２２、空気極接続板１３１と空気供給板１３２、および、燃料ガス供給板１２１と空気供給板１３２との間に、燃料極側金属膜１２３、空気極側金属膜１３３またはセル間金属膜２１を配設することにより、それらの薄板間の接触面積の増大させることができるので、結果として、導電率を向上させることができる。
【００５６】
また、本実施の形態によれば、燃料ガスマニホールド１９や酸化剤ガスマニホールド２０の周辺部に第２の燃料極側薄膜１２３ｂ、第２の空気極側薄膜１３３ｂおよび第２のセル間薄膜２１１ｂを設けることにより、これらの薄膜が各薄板間においてガスケットのように働き、燃料ガスマニホールド１９や酸化剤ガスマニホールド２０を流れる酸化剤ガスや燃料ガスが薄板間を経由して外部に漏洩することを防ぐことができる。
【００５７】
また、本実施の形態によれば、燃料極インターコネクタ１２および空気極インターコネクタ１３が合計４枚の耐熱性ステンレス鋼の薄板から構成する場合であっても、薄板間で面的な接触を確保でき、一組のインターコネクタとしての電気抵抗を低減することができる。
【００５８】
また、本実施の形態では、燃料極インターコネクタ１２および空気極インターコネクタ１３が合計４枚の耐熱性ステンレス鋼の薄板から構成される場合を例に説明したが、その薄板の枚数は４枚に限定されず、適宜自由に設定することができる。また、燃料極インターコネクタ１２と空気極インターコネクタ１３とで薄板の枚数が同一ではなく異なるようにしてもよい。さらに、燃料極インターコネクタ１２と空気極インターコネクタ１３の一方のみが薄板から構成されるようにしてもよい。
【００５９】
さらに、本実施の形態によれば、燃料極側金属膜１２３、空気極側金属膜１３３およびセル間金属膜２１の厚さを５μｍ以上５０μｍ以下とすることにより、薄板間の良好な導通が得ることができきる。すなわち、それらの金属膜の厚さが５μｍ未満ではその厚さが耐熱性ステンレス鋼の面精度以下になってしまい、耐熱性ステンレス鋼表面の凹部に金属膜を構成する銀が入り込んでしまうので、薄板間の接触に銀が関与できない可能性がある。一方、金属膜の厚さを５０μｍを超える厚さとすると、薄板間に圧力が掛かった際に圧延された銀が薄板の端部から外部に押し出されてしまう可能性がある。押し出された銀が他の部品と接触するとそこに導通が発生し、場合によってはスタックがショートしてしまう恐れがある。したがって、金属薄板の厚さは５μｍ以上５０μｍ以下であることが好ましい。
【産業上の利用可能性】
【００６０】
本発明は、固体酸化物形燃料電池など、耐熱性ステンレス鋼の薄板を複数枚積層した構成を有する各種装置に適用することができる。
【符号の説明】
【００６１】
１…セル、２…固体酸化物形燃料電池スタック、１１…単セル、１２…燃料極側インターコネクタ、１３…空気極インターコネクタ、１４…燃料極側集電体、１５…セルホルダ、１５ａ…隙間部材、１６…シール部材、１７…絶縁部材、１８…空気極側集電体、１９…燃料ガスマニホールド、２０…酸化剤ガスマニホールド、２１…セル間金属膜、１１１…燃料極、１１２…電解質、１１３…空気極、１１４…集電層、１２１…燃料ガス供給板、１２１ａ…燃料流路、１２２…燃料極接続板、１２２ａ…燃料供給部、１２３…燃料極側金属膜、１２３ａ…第１の燃料極側薄膜、１２３ａ−１…第１の開口、１２３ｂ…第２の燃料極側薄膜、１２３ｂ−１…第２の開口、１３１…空気極接続板、１３１ａ…酸化剤ガス供給部、１３２…空気供給板、１３２ａ…酸化剤ガス流路、１３３…空気極側金属膜、１３３ａ…第１の空気極側薄膜、１３３ａ−１…第１の開口、１３３ｂ…第２の空気極側薄膜、１３３ｂ−１…第２の開口、２１１ａ…第１のセル間薄膜、２１１ｂ…第２のセル間薄膜、２１１ｂ−１…第２の開口。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関し、具体的には、平板型の固体酸化物形燃料電池セルを積層した固体酸化物形燃料電池スタックに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、規模の大小にかかわらず高い効率が得られることから、次世代のコジェネレーションシステムに用いられる発電手段として、燃料電池が注目されている。燃料電池は、酸素などの酸化剤ガスと水素などの燃料ガスとの化学反応を利用した電池であり、空気極と呼ばれる陽極と、燃料極と呼ばれる陰極とで電解質の層を挟んだ単セルを、複数重ね合わせて用いている。一組のセル（単セル）で得られる電気の電圧は、約０．７Ｖ程度であるが、複数の単セルを重ね合わせて用いることで、所望とする電圧の供給が可能である。このような燃料電池には、高分子材料を電解質層に用いる固体高分子形や、セラミックスなどの酸化物を電解質層に用いる固体酸化物形がある。
【０００３】
固体高分子形燃料電池では、作動温度が高々９０℃程度であり、自動車用や家庭用コジェネレーションシステムに適用可能とされている。これに対し、固体酸化物形燃料電池は、作動温度が６００℃以上と高温であり、発電効率が４５％以上と高いという特徴を備えている。このため、複数の単セルを組み合わせたスタック構造の固体酸化物形燃料電池は、タービン発電などを組み合わせてより高い効率のコジェネレーションシステムが構築できるという利点を有し、発電所としての用途などが期待されている（例えば、非特許文献１参照。）。
【０００４】
ところで、固体酸化物形燃料電池において実用的な出力を得るためには、上述したように、複数の単セルを直列または並列に接続する必要がある。このとき、各単セルの燃料極側に供給される燃料ガスと、空気極側に供給される酸化剤ガスとが混合しない状態で、各単セルを電気的に接続するために、セパレータやインターコネクタなどと呼ばれ、ガスが透過せず、電気伝導度が高い材料からなる部材が用いられている。この材料としては従来よりセラミックスが用いられてきたが、近年では作動温度の低下が実現されており、金属材料を用いることが可能となっている。
この金属製のインターコネクタは、セラミックス製のインターコネクタと比較すると、加工性がよく、電気電導度や熱電導度が高いという優れた特性を有する一方、高温酸化雰囲気下において表面に電気電導度が低い酸化被膜が形成されるという特性を有する。
【０００５】
そこで、最近では、Ｃｒが１６〜２４％程度含まれたフェライト系の耐熱性ステンレス鋼が用いることが提案されている。この耐熱性ステンレス鋼は、高温酸化雰囲気下においても表面に酸化被膜が形成されにくいので、その耐熱性ステンレス鋼をインターコネクタに使用することにより高い電気電導度を実現することができる。このような耐熱性ステンレス鋼の薄板をプレス加工することにより、低コストでインターコネクタを製造することが可能となっている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】田川 博章、固体酸化物燃料電池と地球環境、株式会社 アグネ承風社、第１版第１刷、ｐｐ２５−３０ １９９８年
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、インターコネクタを耐熱性ステンレス鋼の薄板で形成した場合、発電温度付近で歪みや反りが生じやすいために、各インターコネクタ間の接触面積の低減により導電率が低下し、期待した発電特性を得ることが困難であった。
【０００８】
そこで、本発明は、導電率を向上させることができる固体酸化物形燃料電池スタックおよびインターコネクタ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】
【０００９】
上述したような課題を解決するために、本発明に係る固体酸化物形燃料電池スタックは、燃料極と、空気極と、当該燃料極および当該空気極との間に配置された電解質とからなる平板型の単セルと、この単セルの燃料極または空気極と対向配置されるとともに、この対向配置された燃料極または空気極に燃料ガスまたは酸化剤ガスを供給する２つのインターコネクタとからなるセルを複数積層した固体酸化物形燃料電池スタックであって、インターコネクタは、積層された耐熱性ステンレス鋼からなる複数の薄板と、この薄板の間に配設された金属膜とから構成されることを特徴とするものである。
【００１０】
上記固体酸化物形燃料電池スタックにおいて、セルの積層方向に貫通し、単セルに供給される燃料ガスまたは酸化剤ガスが流通する複数のマニホールドを備え、金属膜は、マニホールドの周辺部に配設されるようにしてもよい。
【００１１】
また、上記固体酸化物形燃料電池スタックにおいて、燃料極と対向配置されたインターコネクタは、一端がマニホールドに接続された燃料ガス流路を有する第１の薄板と、燃料ガス流路の他端から供給される燃料ガスを燃料極に供給する燃料供給部を有し、第１の薄板上に設けられるとともに燃料極に対向配置された第２の薄板とを備え、空気極と対向配置されたインターコネクタは、当該空気極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部を有する第３の薄板と、一端がマニホールドに、他端が酸化剤ガス供給部に接続された酸化剤ガス流路を有し、第３の薄膜上に設けられた第４の薄板とを備え、金属膜は、第１の薄板と第２の薄板との間、および、第３の薄板と第４の薄板との間に配設されるようにしてもよい。
【００１２】
また、上記固体酸化物形燃料電池スタックにおいて、金属膜は、厚さが５μｍ以上５０μｍ以下の銀の薄膜から構成されるようにしてもよい。
【００１３】
また、本発明に係るインターコネクタは、燃料極と、空気極と、当該燃料極および当該空気極との間に配置された電解質とからなる平板型の単セルの燃料極または空気極と対向配置されるとともに、この対向配置された燃料極または空気極に燃料ガスまたは酸化剤ガスを供給する固体酸化物形燃料電池用のインターコネクタであって、耐熱性ステンレス鋼からなる複数の薄板と、薄板の間に配設された金属膜とから構成されることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、薄板の間に金属膜を配設することにより、薄板間の接触面積の増大させることができるので、結果として、導電率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１は、本発明の実施の形態に係る固体酸化物形燃料電池のセルの構成を模式的に示す断面図である。
【図２】図２は、本発明の実施の形態に係る固体酸化物形燃料電池スタックの構成を模式的に示す断面図である。
【図３】図３は、本発明の実施の形態に係る固体酸化物形燃料電池における単セルの構成を模式的に示す断面図である。
【図４】図５は、本発明の実施の形態に係る固体酸化物形燃料電池における燃料極側金属膜および空気極側金属膜の構成を模式的に示す平面図である。
【図５】図５は、本発明の実施の形態に係る固体酸化物形燃料電池におけるセル間金属膜の構成を模式的に示す断面図である。
【図６】図６は、発電特性の実験結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００１７】
＜固体酸化物形燃料電池の構成＞
図１に示すように、本実施の形態に係る固体酸化物形燃料電池は、円盤状の単セル１１と、この単セル１１の後述する燃料極１１１に対向配置され、その燃料極１１１に燃料ガスを供給するとともに燃料極１１１と電気的に接続された円盤状の燃料極インターコネクタ１２と、単セル１１の後述する空気極１１３に対向配置され、その空気極に酸化剤ガスを供給するとともに空気極１１３と電気的に接続された円盤状の空気極インターコネクタ１３とを備え、これらを一組としたセル１が構成される。このようなセル１は、実用的な出力を得るために、図２に示すように、そのセル１を複数組重ねた固体酸化物形燃料電池スタック２の一部として機能する。
【００１８】
また、セル１には、この燃料極インターコネクタ１２の上面の中央部に配設され、上面に単セル１１が配設される円盤状の燃料極側集電体１４と、燃料極インターコネクタ１２の上面に配設され、中央部に形成された開口に単セル１１および燃料極側集電体１４を収容することにより単セル１１および燃料極側集電体１４を所定の位置に配設するリング状のセルホルダ１５と、単セル１１の後述する電解質３２およびセルホルダ１５の上面に配設されたリング状のシール部材１６と、このシール部材１６の上面に配設されたリング状の絶縁部材１７と、単セル１１の上面に配設され、上面に空気極インターコネクタ１３が配設される円盤状の空気極側集電体１８とを備えている。
【００１９】
このようなセル１には、燃料極インターコネクタ１２や空気極インターコネクタ１３の平面方向における単セル１１の周囲に、燃料極インターコネクタ１２、空気極インターコネクタ１３、セルホルダ１５、シール部材１６および絶縁部材１７の積層方向に貫通する複数の貫通孔が形成されている。これらの貫通孔は、外部から燃料ガスが供給される燃料ガスマニホールド１９、外部から酸化剤ガスが供給される酸化剤ガスマニホールド２０、単セル１１で酸化されなかった未反応の燃料ガスを外部に排出する排気ガスマニホールド（図示せず）、および、単セル１１で未反応の酸化剤ガスを外部に排出する未反応酸化剤ガスマニホールドを構成する。
【００２０】
≪単セルの構成≫
単セル１１は、図３に示すように、燃料極側集電体１４と同等の平面形状を有する燃料極１１１と、この燃料極１１１と同等の形状を有し、燃料極１１１の上面に形成された電解質１１２と、この電解質１１２よりも外形が小さな円盤の形状を有し、電解質１１２の上面に形成された空気極１１３とから構成される。ここで、空気極１１３の上面には、空気極１１３と同等の形状を有する集電層１１４が設けられている。
【００２１】
燃料極１１１は、例えば、ニッケル添加イットリア安定化ジルコニア（Ｎｉ−ＹＳＺ）、ニッケル添加サマリア安定化ジルコニア（Ｎｉ−ＳＳＺ）、ニッケル添加スカンジア安定化ジルコニア（Ｎｉ−ＳｃＳＺ）などの金属Ｎｉと電解質１１２を構成する材料との混合物などから構成される。
【００２２】
電解質１１２は、例えば、スカンジア安定化ジルコニア（ＳｃＳＺ）、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、サマリア安定化ジルコニア（ＳＳＺ）、コバルト添加ランタンガレート系酸化物（ＬＳＧＭＣ）などから構成される。
【００２３】
空気極１１３は、例えば、ランタンニッケルフェライト（ＬＮＦ）、ランタンマンガネート（ＬＳＭ）、ランタンストロンチウムコバルタイト（ＬＳＣ）、ランタンストロンチウムコバルタイトフェライト（ＬＳＣＦ）、ランタンストロンチウムフェライト（ＬＳＦ）、サマリウムストロンチウムコバルタイト（ＳＳＣ）などから構成される。
【００２４】
集電層１１４は、例えば、ランタンニッケルフェライト（ＬＮＦ）とＬａＣｏＯ3（ＬＣ）の混合物などから構成される。
【００２５】
≪燃料極インターコネクタの構成≫
燃料極インターコネクタ１２は、燃料ガス供給板１２１と、この燃料ガス供給板１２１上に配設された燃料極接続板１２２と、燃料ガス供給板１２１と燃料極接続板１２２との間に設けられた燃料極側金属膜１２３とを備えている。
【００２６】
ここで、燃料ガス供給板１２１は、耐熱性ステンレス鋼からなる円形の薄板から構成される。この燃料ガス供給板１２１には、この燃料ガス供給板１２１の平面方向に延在する管からなり、一端が燃料ガスマニホールド１９に接続された燃料流路１２１ａが形成されている。また、燃料ガス供給板１２１には、この燃料ガス供給板１２１の平面方向に延在する管からなり、一端が排気ガスマニホールド（図示せず）に接続された排気ガス流路（図示せず）も形成されている。
【００２７】
また、燃料極接続板１２２は、燃料ガス供給板１２１と同等の平面形状を有する耐熱性ステンレス鋼の薄板から構成される。この燃料極接続板１２２には、上面の中央部に複数の溝を備え、燃料流路１２１ａの他端が接続された燃料供給部１２２ａが形成されている。具体的には、燃料供給部１２２ａは、燃料が流通する凹部と、燃料極側集電体１４と接触する凸部とからなる複数の溝を備えており、その凹部には燃料流路１２１ａから燃料ガスが供給される。このような燃料供給部１２２ａには、上述した排気ガス流路（図示せず）の他端も接続されており、未反応の燃料ガスがその排気ガス流路を介して排気ガスマニホールドから外部に排出される。
【００２８】
燃料極側金属膜１２３は、図１および図４に示すように、円形の銀の薄膜からなり、燃料ガス供給板１２１上面の中央部に配設される第１の燃料極側薄膜１２３ａと、輪状の銀の薄膜からなり、燃料ガス供給板１２１上面の外縁部に配設される第２の燃料極側薄膜１２３ｂとから構成される。ここで、第１の燃料極側薄膜１２３ａの中央部には、燃料流路１２１ａの他端部を構成する第１の開口１２３ａ−１が形成されている。また、第２の燃料極側薄膜１２３ｂの所定の箇所には、燃料ガスマニホールド１９、酸化剤ガスマニホールド２０、排気ガスマニホールドおよび未反応酸化剤ガスマニホールドの一部を構成する複数の第２の開口１２３ｂ−１が形成されている。本実施の形態において、第１の燃料極側薄膜１２３ａおよび第２の燃料極側薄膜１２３ｂは、５μｍ以上５０μｍ以下の厚さに形成されている。
【００２９】
≪空気極インターコネクタの構成≫
空気極インターコネクタ１３は、空気極接続板１３１と、この空気極接続板１３１上に配設された空気供給板１３２と、空気極接続板１３１と空気供給板１３２との間に設けられた空気極側金属膜１３３とを備えている。
【００３０】
空気極接続板１３１は、耐熱性ステンレス鋼からなる円形の薄板から構成される。この空気極接続板１３１には、下面の中央部に形成された複数の溝からなる酸化剤ガス供給部１３１ａが形成されている。具体的には、酸化剤ガス供給部１３１ａは、空気等の酸化剤ガスが流通する凹部と、空気極側集電体１８と接触する凸部とからなる複数の溝を備えており、その凹部には酸化剤ガス流路１３２ａから酸化剤ガスが供給される。
【００３１】
空気供給板１３２は、空気極接続板１３１と同等の平面形状を有する耐熱性ステンレス鋼の薄板から構成される。この空気供給板１３２には、この空気供給板１３２の平面方向に延在する管からなり、一端が酸化剤ガスマニホールド２０、他端が酸化剤ガス供給部１３１ａに接続された酸化剤ガス流路１３２ａが形成されている。また、空気供給板１３２には、この空気供給板１３２の平面方向に延在する管等からなり、一端が外部に接続された未反応空気流路（図示せず）が形成されるようにしてもよい。
【００３２】
空気極側金属膜１３３は、図１および図４に示すように、円形の銀の薄膜からなり、空気極接続板１３１上面の中央部に配設される第１の空気極側薄膜１３３ａと、輪状の銀の薄膜からなり、空気極接続板１３１上面の外縁部に配設される第２の空気極側薄膜１３３ｂとから構成される。ここで、第１の空気極側薄膜１３３ａの中央部には、酸化剤ガス流路１３２ａの他端部を構成する第１の開口１３３ａ−１が形成されている。また、第２の空気極側薄膜１３３ｂの所定の箇所には、燃料ガスマニホールド１９、酸化剤ガスマニホールド２０、排気ガスマニホールドおよび未反応酸化剤ガスマニホールドの一部を構成する複数の第２の開口１３３ｂ−１が形成されている。本実施の形態において、第１の空気極側薄膜１３３ａおよび第２の空気極側薄膜１３３ｂは、５μｍ以上５０μｍ以下の厚さに形成されている。
【００３３】
さらに、図１，図２および図５に示すように、セル１を複数組重ねた固体酸化物形燃料電池スタック２とする場合、最上部のセル１を除く空気供給板１３２の上面には、セル間金属膜２１が配設される。このセル間金属膜２１は、円形の銀の薄膜からなり、空気供給板１３２上面の中央部に配設される第１のセル間薄膜２１１ａと、輪状の銀の薄膜からなり、空気供給板１３２上面の外縁部に配設される第２のセル間薄膜２１１ｂとから構成される。ここで、第２のセル間薄膜２１１ｂの所定の箇所には、燃料ガスマニホールド１９、酸化剤ガスマニホールド２０、排気ガスマニホールドおよび未反応酸化剤ガスマニホールドの一部を構成する複数の第２の開口２１１ｂ−１が形成されている。本実施の形態において、第１のセル間薄膜２１１ａおよび第２のセル間薄膜２１１ｂは、５μｍ以上５０μｍ以下の厚さに形成されている。
【００３４】
≪その他の部材の構成≫
燃料極側集電体１４は、白金、銀、金、パラジウム、イリジウム、ロジウム等の金属、フェライト系耐熱合金の細線からなるメッシュや不織布、エキスパンドメタル、発泡金属など、電子伝導性が高く、６００〜１０００℃で化学的に安定な材料から構成される。
【００３５】
セルホルダ１５は、例えば、クロムが１６〜２５％程度含まれているフェライト系の耐熱合金から構成されている。セルホルダ１５の内部には、燃料極側集電体１４ならびに単セル１１の燃料極１１１および電解質１１２が収容され、これらの周面とセルホルダ１５の内面との隙間には、シール部材１６と同等の材料からなる隙間部材１５ａが設けられている。
【００３６】
シール部材１６は、例えば、ホウ珪酸ガラスなどの軟化点が動作温度付近のガラス材料から構成されている。
【００３７】
絶縁部材１７は、例えばアルミナなどの高温でも絶縁性のあるセラミックスや、マイカなどの絶縁材料から構成される。
【００３８】
空気極側集電体１８は、白金、銀、金、パラジウム、イリジウム、ロジウム等の金属、フェライト系耐熱合金の細線からなるメッシュや不織布、エキスパンドメタル、発泡金属、それらの材料を含むペースト材料など、電子伝導性が高く、６００〜１０００℃で化学的に安定な材料から構成される。
【００３９】
＜固体酸化物形燃料電池の組立方法＞
次に、本実施の形態に係る固体酸化物形燃料電池の組立方法の一例について説明する。
【００４０】
はじめに、耐熱合金からなる台座の上に、燃料極インターコネクタ１２を配設する。具体的には、台座の上に、燃料流路１２１ａおよび排気ガス流路が形成された燃料ガス供給板１２１を載置した後、この燃料ガス供給板１２１上面の中央部に第１の燃料極側薄膜１２３ａ、燃料ガス供給板１２１上面の外縁部に第２の燃料極側薄膜１２３ｂを載置する。このようにして燃料極側金属膜１２３が載置された燃料ガス供給板１２１の上面に、燃料供給部１２２ａが形成された燃料極接続板１２２の下面を載置する。これにより、台座の上には、燃料ガス供給板１２１と燃料極接続板１２２との間に燃料極側金属膜１２３が挟み込まれた燃料極インターコネクタ１２が配設されることとなる。
【００４１】
燃料極インターコネクタ１２を配設すると、燃料極接続板１２２の燃料供給部１２２ａが形成されている面上に、燃料極側集電体１４を配設した後、この燃料極側集電体１４上に燃料極１１１が位置するように、単セル１１を燃料極側集電体１４上に配設する。このように燃料極側集電体１４を設けることにより、燃料極インターコネクタ１２と単セル１１の燃料極１１１との電気的接続を良くすることができる。
【００４２】
単セル１１を配設すると、セルホルダ１５を、その内側に単セル１１および燃料極側集電体１４が位置するように、燃料極インターコネクタ１２上に配設する。
【００４３】
セルホルダ１５を配設すると、単セル１１の電解質１１２の上面からセルホルダ１５の上面にかけてホウ珪酸ガラスなどの軟化点が動作温度付近のガラス材料をシール部材１６を配設する。このとき、燃料極側集電体１４ならびに単セル１１の燃料極１１１および電解質１１２の周面とセルホルダ１５の内面との隙間にも、シール部材１６と同等の材料からなる隙間部材１５ａを配設する。また、シール部材１６の上に絶縁部材１７を配設する。このように、シール部材１６や隙間部材１５ａを設けることにより、燃料極インターコネクタ１２と単セル１１との周辺部の隙間から燃料ガスや未反応ガスが漏れるのを防ぐことができる。また、絶縁部材１７を設けることにより、燃料極インターコネクタ１２と空気極インターコネクタ１３との短絡を防止することができる。
【００４４】
絶縁部材１７を配設すると、単セル１１の集電層１１４の上に、ペースト材料からなる空気極側集電体１８を配設する。このように、空気極側集電体１８を設けることにより、単セル１１の集電層１１４と空気極インターコネクタ１３との電気的接続を良くすることができる。なお、空気極側集電体１８を構成するペースト材料は、初回動作前に予め集電層１１４の上に塗布し、その上に空気極インターコネクタ１３を配置することで、初回動作時の昇温過程でより良好な電気的接続を実現することができる。
【００４５】
空気極側集電体１８を配設すると、絶縁部材１７および空気極側集電体１８の上に、空気極インターコネクタ１３を配設する。具体的には、絶縁部材１７および空気極側集電体１８の上に、酸化剤ガス供給部１３１ａが形成された空気極接続板１３１を載置した後、この空気極接続板１３１上面の中央部に第１の空気極側薄膜１３３ａ、空気極接続板１３１上面の外縁部に第２の空気極側薄膜１３３ｂを載置する。このようにして空気極側金属膜１３３が載置された空気極接続板１３１の上面に、酸化剤ガス流路１３２ａが形成された空気供給板１３２の下面を載置する。これにより、絶縁部材１７および空気極側集電体１８の上には、空気極接続板１３１と空気供給板１３２との間に空気極側金属膜１３３が挟み込まれた空気極インターコネクタ１３が配設されることとなる。
【００４６】
空気極インターコネクタ１３を配設すると、空気極インターコネクタ１３から燃料極インターコネクタ１２に向けて荷重をかける。これにより、燃料極側集電体１４が燃料極接続板１２２および単セル１１の燃料極１１１に圧接されるので、燃料極接続板１２２と燃料極１１１との電気的接続が良好となる。同様に、空気極側集電体１８が空気極接続板１３１および単セル１１の集電層１１４に圧接されるので、空気極接続板１３１と集電層１１４との電気的接続が良好となる。
【００４７】
これにより、台座上にセル１が設けられることとなる。このようなセル１を複数組重ねた固体酸化物形燃料電池スタック２を設ける場合、セル１の最上部に設けられた空気供給板１３２の上面に、セル間金属膜２１を配設する。具体的には、空気供給板１３２上面の中央部に第１のセル間薄膜２１１ａ、空気供給板１３２上面の外縁部に第２のセル間薄膜２１１ｂを配設する。このようにセル間金属膜２１を設けると、この上面に上述した方法によりセル１を積層することにより、固体酸化物形燃料電池スタック２が生成される。
【００４８】
なお、このようなセルを複数積層したスタックでは、燃料極インターコネクタ１２と空気極インターコネクタ１３とは、それぞれ上下に隣接するセルの空気極インターコネクタ１３または燃料極インターコネクタ１２に電気的に接続されている。したがって、固体酸化物形燃料電池スタックの上端の空気極インターコネクタ１３と下端の燃料極インターコネクタ１２とを端子として負荷回路に接続することにより、電力を取り出すことができることとなる。
【００４９】
＜固体酸化物形燃料電池の発電動作＞
次に、上述したような手順で組み立てられる固体酸化物形燃料電池の発電動作について説明する。
【００５０】
まず、ドライ水素等の燃料ガスは、燃料ガスマニホールド１９から燃料極インターコネクタ１２の燃料流路１２１ａおよび燃料供給部１２２ａを通り、燃料極側集電体１４を経由して、単セル１１の燃料極１１１に供給される。一方、空気等の酸化剤ガスは、酸化剤ガスマニホールド２０から空気極インターコネクタ１３の酸化剤ガス流路１３２ａおよび酸化剤ガス供給部１３１ａを通り、空気極側集電体１８を経由して、単セル１１の集電層１１４から空気極１１３に供給される。このように燃料ガスおよび酸化剤ガスが所定の温度下において単セル１１に供給されると、燃料極１１１と空気極１１３とにおいて電気化学反応が発生する。
【００５１】
このような状態で、固体酸化物形燃料電池スタックの上端の空気極インターコネクタ１３と下端の燃料極インターコネクタ１２とを端子として負荷回路に接続すると、電力を取り出すことができる。
【００５２】
本実施の形態では、上述したように、燃料極インターコネクタ１２を構成する燃料ガス供給板１２１と燃料極接続板１２２との間に、燃料極側金属膜１２３が設けられている。同様に、空気極インターコネクタ１３を構成する空気極接続板１３１と空気供給板１３２との間に、空気極側金属膜１３３が設けられている。さらに、隣り合うセル１間の燃料ガス供給板１２１と空気供給板１３２との間に、セル間金属膜２１が設けられている。これにより、燃料ガス供給板１２１と燃料極接続板１２２、空気極接続板１３１と空気供給板１３２、および、燃料ガス供給板１２１と空気供給板１３２が、燃料極側金属膜１２３、空気極側金属膜１３３またはセル間金属膜２１により密着するので、それらの間の接触面積が増大して隙間が生じにくくなる。具体的には、発電時には、各構成部材の熱膨張によりそれぞれ耐熱性ステンレス鋼の薄板からなる燃料ガス供給板１２１と燃料極接続板１２２、空気極接続板１３１と空気供給板１３２、および、燃料ガス供給板１２１と空気供給板１３２の間には圧縮力が働くが、その薄板の形状や薄板内での温度分布により圧縮力は薄板の面内で必ずしも均一ではなく、薄板にひずみが発生することで薄板間の接触が局所的になることがある。このような状態でそれらの薄板間に、比較手柔らかな金属である銀の薄膜からなる燃料極側金属膜１２３、空気極側金属膜１３３、セル間金属膜２１を配設すると、圧縮力の強い領域では薄板間の銀の薄膜は圧延されたような状態で薄板の平面方向に押し出され、圧縮力の弱い領域では圧縮力の強い領域から押し出された銀の薄膜が薄板間に溜まるので、圧力の弱い領域においても薄板間の面的な導通が確保され、結果として、期待した発電特性を得ることができる。また、プレス加工では比較的単純な形状しか成形できないため、インターコネクタのような複雑な形状の品物を作製するには複数の部材を組み合わせる必要があり、実際的ではなかった。しかしながら、本実施の形態では、燃料極側金属膜１２３、空気極側金属膜１３３およびセル間金属膜２１を設けることにより、量産性が高く加工コストが安いプレス加工を用いても電気抵抗の小さなインターコネクタを製造することができる。
【００５３】
本実施の形態における効果を検証するために、セル１の構成において、本実施の形態すなわち燃料極側金属膜１２３および空気極側金属膜１３３を設けた場合（条件１）、第１の燃料極側薄膜１２３ａおよび第１の空気極側薄膜１３３ａを設けた場合（条件２）、ならびに、燃料極側金属膜１２３および空気極側金属膜１３３を設けない場合（条件３）において発電を行った。この結果を図６に示す。なお、図６に示す発電結果は、発電温度を８００［℃］、燃料ガスとしてドライ水素（電流密度が０．３［Ａ／ｃｍ2］で燃料利用率が８０［％］となるガス流量を供給）、酸化剤ガスとして空気（電流密度が０．３［Ａ／ｃｍ2］で燃料利用率が８０［％］となるガス流量を供給）を用いた。
【００５４】
この図４からわかるように、本実施の形態（条件１）や第１の燃料極側薄膜１２３ａおよび第１の空気極側薄膜１３３ａを設けた場合（条件２）は、燃料極側金属膜１２３および空気極側金属膜１３３を設けない場合（条件３）と比べて、ＯＣＶ（Open circuit voltage：開路電圧）および０．３［Ａ／ｃｍ2］の電流密度における電圧のいずれにおいても高い発電特性を示している。
特に、本実施の形態のように燃料極側金属膜１２３および空気極側金属膜１３３を設ける、すなわち、燃料ガス供給板１２１と燃料極接続板１２２の中央部および外縁部ならびに空気極接続板１３１と空気供給板１３２の中央部および外縁部に銀の薄膜を設けると、高いＯＣＶを示していることから、ガスシール性も向上したものと考えられる。
【００５５】
以上説明したように、本実施の形態によれば、燃料ガス供給板１２１と燃料極接続板１２２、空気極接続板１３１と空気供給板１３２、および、燃料ガス供給板１２１と空気供給板１３２との間に、燃料極側金属膜１２３、空気極側金属膜１３３またはセル間金属膜２１を配設することにより、それらの薄板間の接触面積の増大させることができるので、結果として、導電率を向上させることができる。
【００５６】
また、本実施の形態によれば、燃料ガスマニホールド１９や酸化剤ガスマニホールド２０の周辺部に第２の燃料極側薄膜１２３ｂ、第２の空気極側薄膜１３３ｂおよび第２のセル間薄膜２１１ｂを設けることにより、これらの薄膜が各薄板間においてガスケットのように働き、燃料ガスマニホールド１９や酸化剤ガスマニホールド２０を流れる酸化剤ガスや燃料ガスが薄板間を経由して外部に漏洩することを防ぐことができる。
【００５７】
また、本実施の形態によれば、燃料極インターコネクタ１２および空気極インターコネクタ１３が合計４枚の耐熱性ステンレス鋼の薄板から構成する場合であっても、薄板間で面的な接触を確保でき、一組のインターコネクタとしての電気抵抗を低減することができる。
【００５８】
また、本実施の形態では、燃料極インターコネクタ１２および空気極インターコネクタ１３が合計４枚の耐熱性ステンレス鋼の薄板から構成される場合を例に説明したが、その薄板の枚数は４枚に限定されず、適宜自由に設定することができる。また、燃料極インターコネクタ１２と空気極インターコネクタ１３とで薄板の枚数が同一ではなく異なるようにしてもよい。さらに、燃料極インターコネクタ１２と空気極インターコネクタ１３の一方のみが薄板から構成されるようにしてもよい。
【００５９】
さらに、本実施の形態によれば、燃料極側金属膜１２３、空気極側金属膜１３３およびセル間金属膜２１の厚さを５μｍ以上５０μｍ以下とすることにより、薄板間の良好な導通が得ることができきる。すなわち、それらの金属膜の厚さが５μｍ未満ではその厚さが耐熱性ステンレス鋼の面精度以下になってしまい、耐熱性ステンレス鋼表面の凹部に金属膜を構成する銀が入り込んでしまうので、薄板間の接触に銀が関与できない可能性がある。一方、金属膜の厚さを５０μｍを超える厚さとすると、薄板間に圧力が掛かった際に圧延された銀が薄板の端部から外部に押し出されてしまう可能性がある。押し出された銀が他の部品と接触するとそこに導通が発生し、場合によってはスタックがショートしてしまう恐れがある。したがって、金属薄板の厚さは５μｍ以上５０μｍ以下であることが好ましい。
【産業上の利用可能性】
【００６０】
本発明は、固体酸化物形燃料電池など、耐熱性ステンレス鋼の薄板を複数枚積層した構成を有する各種装置に適用することができる。
【符号の説明】
【００６１】
１…セル、２…固体酸化物形燃料電池スタック、１１…単セル、１２…燃料極側インターコネクタ、１３…空気極インターコネクタ、１４…燃料極側集電体、１５…セルホルダ、１５ａ…隙間部材、１６…シール部材、１７…絶縁部材、１８…空気極側集電体、１９…燃料ガスマニホールド、２０…酸化剤ガスマニホールド、２１…セル間金属膜、１１１…燃料極、１１２…電解質、１１３…空気極、１１４…集電層、１２１…燃料ガス供給板、１２１ａ…燃料流路、１２２…燃料極接続板、１２２ａ…燃料供給部、１２３…燃料極側金属膜、１２３ａ…第１の燃料極側薄膜、１２３ａ−１…第１の開口、１２３ｂ…第２の燃料極側薄膜、１２３ｂ−１…第２の開口、１３１…空気極接続板、１３１ａ…酸化剤ガス供給部、１３２…空気供給板、１３２ａ…酸化剤ガス流路、１３３…空気極側金属膜、１３３ａ…第１の空気極側薄膜、１３３ａ−１…第１の開口、１３３ｂ…第２の空気極側薄膜、１３３ｂ−１…第２の開口、２１１ａ…第１のセル間薄膜、２１１ｂ…第２のセル間薄膜、２１１ｂ−１…第２の開口。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料極と、空気極と、当該燃料極および当該空気極との間に配置された電解質とからなる平板型の単セルと、この単セルの前記燃料極または前記空気極と対向配置されるとともに、この対向配置された前記燃料極または前記空気極に燃料ガスまたは酸化剤ガスを供給する２つのインターコネクタとからなるセルを複数積層した固体酸化物形燃料電池スタックであって、
前記インターコネクタは、
積層された耐熱性ステンレス鋼からなる複数の薄板と、
この薄板の間に配設された金属膜と
から構成される
ことを特徴とする固体酸化物形燃料電池スタック。
【請求項２】
請求項１記載の固体酸化物形燃料電池スタックにおいて、
前記セルの積層方向に貫通し、前記単セルに供給される燃料ガスまたは酸化剤ガスが流通する複数のマニホールドを備え、
前記金属膜は、前記マニホールドの周辺部に配設される
ことを特徴とする固体酸化物形燃料電池スタック。
【請求項３】
請求項１または２記載の固体酸化物形燃料電池スタックにおいて、
前記燃料極と対向配置されたインターコネクタは、
一端が前記マニホールドに接続された燃料ガス流路を有する第１の薄板と、
前記燃料ガス流路の他端から供給される前記燃料ガスを前記燃料極に供給する燃料供給部を有し、前記第１の薄板上に設けられるとともに前記燃料極に対向配置された第２の薄板と
を備え、
前記空気極と対向配置されたインターコネクタは、当該空気極に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部を有する第３の薄板と、
一端が前記マニホールドに、他端が前記酸化剤ガス供給部に接続された酸化剤ガス流路を有し、前記第３の薄膜上に設けられた第４の薄板と
を備え、
前記金属膜は、前記第１の薄板と前記第２の薄板との間、および、前記第３の薄板と前記第４の薄板との間に配設される
ことを特徴とする固体酸化物形燃料電池スタック。
【請求項４】
請求項１ないし３の何れか１項に記載の固体酸化物形燃料電池スタックにおいて、
前記金属膜は、厚さが５μｍ以上５０μｍ以下の銀の薄膜から構成される
ことを特徴とする固体酸化物形燃料電池スタック。
【請求項５】
燃料極と、空気極と、当該燃料極および当該空気極との間に配置された電解質とからなる平板型の単セルの前記燃料極または前記空気極と対向配置されるとともに、この対向配置された前記燃料極または前記空気極に燃料ガスまたは酸化剤ガスを供給する固体酸化物形燃料電池用のインターコネクタであって、
耐熱性ステンレス鋼からなる複数の薄板と、
前記薄板の間に配設された金属膜と
から構成されることを特徴とするインターコネクタ。
【請求項１】
燃料極と、空気極と、当該燃料極および当該空気極との間に配置された電解質とからなる平板型の単セルと、この単セルの前記燃料極または前記空気極と対向配置されるとともに、この対向配置された前記燃料極または前記空気極に燃料ガスまたは酸化剤ガスを供給する２つのインターコネクタとからなるセルを複数積層した固体酸化物形燃料電池スタックであって、
前記インターコネクタは、
積層された耐熱性ステンレス鋼からなる複数の薄板と、
この薄板の間に配設された金属膜と
から構成される
ことを特徴とする固体酸化物形燃料電池スタック。
【請求項２】
請求項１記載の固体酸化物形燃料電池スタックにおいて、
前記セルの積層方向に貫通し、前記単セルに供給される燃料ガスまたは酸化剤ガスが流通する複数のマニホールドを備え、
前記金属膜は、前記マニホールドの周辺部に配設される
ことを特徴とする固体酸化物形燃料電池スタック。
【請求項３】
請求項１または２記載の固体酸化物形燃料電池スタックにおいて、
前記燃料極と対向配置されたインターコネクタは、
一端が前記マニホールドに接続された燃料ガス流路を有する第１の薄板と、
前記燃料ガス流路の他端から供給される前記燃料ガスを前記燃料極に供給する燃料供給部を有し、前記第１の薄板上に設けられるとともに前記燃料極に対向配置された第２の薄板と
を備え、
前記空気極と対向配置されたインターコネクタは、当該空気極に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部を有する第３の薄板と、
一端が前記マニホールドに、他端が前記酸化剤ガス供給部に接続された酸化剤ガス流路を有し、前記第３の薄膜上に設けられた第４の薄板と
を備え、
前記金属膜は、前記第１の薄板と前記第２の薄板との間、および、前記第３の薄板と前記第４の薄板との間に配設される
ことを特徴とする固体酸化物形燃料電池スタック。
【請求項４】
請求項１ないし３の何れか１項に記載の固体酸化物形燃料電池スタックにおいて、
前記金属膜は、厚さが５μｍ以上５０μｍ以下の銀の薄膜から構成される
ことを特徴とする固体酸化物形燃料電池スタック。
【請求項５】
燃料極と、空気極と、当該燃料極および当該空気極との間に配置された電解質とからなる平板型の単セルの前記燃料極または前記空気極と対向配置されるとともに、この対向配置された前記燃料極または前記空気極に燃料ガスまたは酸化剤ガスを供給する固体酸化物形燃料電池用のインターコネクタであって、
耐熱性ステンレス鋼からなる複数の薄板と、
前記薄板の間に配設された金属膜と
から構成されることを特徴とするインターコネクタ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１３−５４９５４（Ｐ２０１３−５４９５４Ａ）
【公開日】平成２５年３月２１日（２０１３．３．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１９２９９９（Ｐ２０１１−１９２９９９）
【出願日】平成２３年９月５日（２０１１．９．５）
【出願人】（０００００４２２６）日本電信電話株式会社 (13,992)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年３月２１日（２０１３．３．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月５日（２０１１．９．５）
【出願人】（０００００４２２６）日本電信電話株式会社 (13,992)
【Ｆターム（参考）】
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