説明

集電部材および固体酸化物形燃料電池

【課題】小型化および低コスト化を実現することができる集電部材および固体酸化物形燃料電池を提供する。
【解決手段】燃料極集電部材4は、が燃料極インターコネクタ2を介して供給される燃料ガスが流れる燃料ガス流路4aを有する。これにより、燃料極インターコネクタ2にガス流路等を形成しなくてよいので、インターコネクタをプレス加工で形成することが可能となり、結果として、小型化および低コスト化を実現することができる。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、固体酸化物形燃料電池の単セルとインターコネクタとの間に配設される集電部材に関するものである。
【背景技術】
【0002】
従来より、固体酸化物からなる平板状の電解質層と、この電解質層の表裏面にそれぞれ形成した空気極および燃料極とで単セルを形成し、燃料極と空気極とに燃料ガスと酸化剤ガスとをそれぞれ供給して酸化還元反応を行わせることにより、水の電気分解の逆の反応を利用して発電する固体酸化物形燃料電池(Solid Oxide Fuel Cells:SOFC)が知られている。このような固体酸化物形燃料電池は、高いエネルギー変換効率を有するとともに、二酸化炭素の排出を抑えた発電が行えるため、多くの研究機関で開発が盛んに行われている。
【0003】
単セルを実際に燃料電池として動作させる際には、実用上十分な発電量を得るために単セルを積層(スタック化)して直列接続し、燃料極側を還元雰囲気に、空気極側を酸化雰囲気に保つとともに、十分な発電効率を得るために電解質のイオン伝導性を確保して容易に電気化学反応が起こる800−1000℃程度の高温に燃料電池本体を保つ必要がある。これを実現するために、互いに異なる雰囲気に晒される燃料極と空気極間をガス不透過でかつ電気伝導性のある部品で電気的に接続し、各電極にそれぞれ燃料ガスと酸化剤ガスを適正に分配および供給する目的で、各単セル間に金属で作られたインターコネクタ(セパレータ)が配置される。また、単セルとインターコネクタとの間には、これらの電気的な接続を確実にするために金属からなる集電部材が配設されている。単セルと、この単セルを収容するインターコネクタと、単セルとインターコネクタとの間に配設される集電部材とを備えた単スタックを積層し、当該インターコネクタを介してマニホールドから供給される燃料ガスおよび酸化剤ガスを各単セルに供給し、上端と下端のインターコネクタを端子として電池回路を構成することにより、固体酸化物形燃料電池は、所定の電圧レベルの電力を生成することができる。
【0004】
ここで、インターコネクタには、単セルに燃料ガスおよび酸化剤ガスを均一に供給するために、集電部材と接触する面に複数個の溝や柱状の突起物が形成されている。その面に導かれた燃料ガスや酸化剤ガスは、その溝や突起物の配置に沿ってインターコネクタと集電部材との間を流れていくことにより、その面内に一様に広がる。このように一様に広がった後、燃料ガスや酸化剤ガスは、集電部材を透過して単セルに到達する。これにより、燃料ガスおよび酸化剤ガスは、単セルの燃料極または空気極に対して均一に供給されることとなる。
【0005】
インターコネクタに形成された溝や突起物は、金属平板に切削加工やエッチング処理を施すことによって作成されている。固体酸化物形燃料電池は、近年小型化や低コスト化が望まれており、これを実現するには、インターコネクタを形成するもととなる金属平板はより薄いものを用いるのが望ましい。また、加工方法についても、製造効率の向上や低コスト化を図るには、切削加工やエッチング処理よりも、例えばプレス加工などの加工方法を用いるのが望ましい。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【0006】
【非特許文献1】マグネクス株式会社、業務案内、燃料電池関連部品、[online]、[平成21年1月29日検索]、インターネット<URL:http://www.magnex.co.jp/products/>
【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、インターコネクタに溝や突起物を形成するには、金型に複雑な形状を作成しなければならないので、技術的にもコスト的にも実現するのが困難であった。
【0008】
そこで、本願発明は、小型化および低コスト化を実現することができる集電部材および固体酸化物形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】
【0009】
上述したような課題を解決するために、本発明に係る集電部材は、電解質をはさんで燃料極および空気極を有する単セルと、この単セルを収容しかつ単セルに燃料ガスまたは酸化剤ガスを供給するインターコネクタとの間に配設されて、燃料極または空気極とインターコネクタとを電気的に接続する固体酸化物形燃料電池用の集電部材であって、燃料ガスまたは酸化剤ガスが流れる複数の凹部を備えることを特徴とするものである。
【0010】
上記集電部材において、凹部の一部または全ては、孔であるようにしてもよい。
【0011】
上記集電部材において、凹部は、単セルまたはインターコネクタと接する面の中央部から縁部に向かって放射状に配置されているようにしてもよい。また、凹部は、平面視直線状に配置されているようにしてもよい。また、凹部は、平面視螺旋状に配置されているようにしてもよい。
【0012】
また、本発明に係る固体酸化物形燃料電池は、単セルと、この単セルを収容しかつ単セルに燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給するインターコネクタと、単セルとインターコネクタとの間に配設される集電部材とを備えた固体酸化物形燃料電池であって、集電部材は、上述したうちの何れかの集電部材からなることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【0013】
本発明によれば、集電部材が燃料ガスまたは酸化剤ガスが流れる流路を備えることにより、インターコネクタにガス流路等を形成しなくてよいので、例えば、インターコネクタをプレス加工で形成することが可能となり、結果として、小型化および低コスト化を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【0014】
【図1】本発明の平板型固体酸化物形燃料電池の構成を示す分解図である。
【図2】燃料極インターコネクタと燃料極集電部材の構成を示す分解斜視図である。
【図3】燃料極集電部材の構成を示す平面図である。
【図4】燃料極集電部材の変形例の構成を示す平面図である。
【図5】燃料極集電部材の変形例の構成を示す平面図である。
【図6】燃料極インターコネクタと燃料極集電部材の変形例の構成を示す分解斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【0015】
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。
【0016】
図1に示すように、本実施の形態に係る平板型固体酸化物形燃料電池スタックは、単セル1と、導電性を有する部材から構成され単セル1を収容する凹部が形成された燃料極インターコネクタ2と、導電性を有する部材から構成され燃料極インターコネクタ2と協働して単セル1を収容する空気極インターコネクタ3と、単セル1と燃料極インターコネクタ2との間に配設された燃料極集電部材4と、単セル1と空気極インターコネクタ3との間に配設された空気極集電部材5と、燃料極インターコネクタ2と空気極インターコネクタ3との間に配設された絶縁部材6とを備え、これらを1組とするセルを複数組重ねて設けた構造を有する。
【0017】
単セル1は、平面視略円形の平板からなる電解質と、この電解質の一方の面に形成された平板からなる燃料極と、電解質の他方の面に形成された平板からなる空気極とから構成されている。
【0018】
燃料極インターコネクタ2は、図1,図2に示すように、平面視略円形の板状の形状を有し、上面の略中央部が上面側から下面側に掘り込まれた凹部2aと、この凹部2aの底面の中央部に形成され外部から供給された燃料ガスを凹部2a内部に送出する燃料送出流路2bと、この凹部2aの底面または側面に形成され凹部2a内部の未反応の燃料ガスを外部に排出する燃料排出流路2cとを備えている。
【0019】
空気極インターコネクタ3は、平面視略円形の板状の形状を有し、下面に形成され酸化剤ガスを単セル1側に送出するため空気流路3aを備える。
【0020】
燃料極集電部材4は、平面視略円形の板状の形状を有し、図2に示すように、燃料極集電部材4の一方の面(下面)に、中央部から縁部かけて放射状に延在する溝からなる燃料ガス流路4aが形成されている。燃料極集電部材4は、例えば、Ni、金属合金(SUS,Inconel,ZMC等)、貴金属(Ag,Au,Pt等)など、還元雰囲気における耐性および導電性を有する材料から形成される。本実施の形態において、燃料極集電部材4は、スポンジ状の多孔質の材料から構成され、一方の面に、燃料ガス流路4aに対応する溝を形成されている。この溝は、プレス加工等により形成される。
【0021】
空気極集電部材5は、平面視略円形の板状の形状を有し、燃料極集電部材4と同様、全体に複数の凹部または孔が形成されている。このような空気極集電部材5は、ペロブスカイト形酸化物(LSFC,LSC,LSM,LNF,LCO等)など酸化雰囲気におる耐性および導電性を有する材料から形成される。
【0022】
このような平板型固体酸化物形燃料電池スタックの1つのセルは、次のように作成される。まず、燃料極インターコネクタ2の凹部2aの底面に、燃料極集電部材4と、燃料極を燃料極集電部材4側に向けた状態の単セル4とを順次積層する。このとき、燃料極集電部材4は、燃料ガス流路4aが形成された下面を燃料極インターコネクタ2の凹部2aの底面に対向させた状態で載置される。
次に、絶縁部材6を燃料極インターコネクタ2の縁部に載置した後、単セル4および絶縁部材6上に、空気極集電部材5および空気極インターコネクタ3を順次積層する。これにより、単セル4が、燃料極集電部材4および空気極集電部材5を介して燃料極インターコネクタ2と空気極インターコネクタ3との間に保持された1つのセルが生成される。
このとき、燃料極は、燃料極集電部材4を介して燃料極インターコネクタ2と電気的に接続され、空気極は、空気極集電部材5を介して空気極インターコネクタ3に接続されている。また、燃料極インターコネクタ2と空気極インターコネクタ3とは、それぞれ隣接する燃料極インターコネクタ2または空気極インターコネクタ3に電気的に接続されている。
【0023】
次に、本実施の形態に係る平板型固体酸化物形燃料電池スタックの発電動作について説明する。
【0024】
まず、水素等の燃料ガスは、燃料供給マニホールド(図示せず)から燃料極インターコネクタ2の燃料送出流路2bを通り、燃料極集電部材4を経由して、単セル1の燃料極に供給される。一方、空気等の酸化剤ガスは、空気供給マニホールド(図示せず)から空気極インターコネクタ3の空気流路3aを通り、空気極集電部材5を経由して、単セル1の空気極に供給される。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1に供給されると、燃料極と空気極とにおいて電気化学反応が発生する。このような状態で、平板型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3と下端の燃料極インターコネクタ2とを端子として負荷回路を構成すると、所定の電圧レベルの電力を取り出すことができる。
【0025】
ここで、燃料極集電部材4には、上述したように溝の形状を有する燃料ガス流路4aが設けられている。したがって、燃料極インターコネクタ2の燃料送出流路2bから燃料極集電部材4の下面に向けて放出された燃料ガスは、燃料極集電部材4の平面方向において、燃料極集電部材4下面の他の部分よりも燃料ガス流路4aを優先的に流れていく。本実施の形態においては、燃料ガス流路4aが燃料極集電部材4の中央部から縁部にかけて放射状に延在しているので、燃料ガスは、燃料極集電部材4の中央部から縁部に向かって流れていくこととなる。燃料極集電部材4が上述したように多孔質から構成されているので、燃料ガスは、燃料ガス流路4aを流れていく過程で、多孔質の孔に入り込んで燃料極集電部材4の上面側に移動し、燃料極集電部材4の上面から単セル1の燃料極に到達する。
【0026】
このとき、燃料ガスは、燃料極集電部材4の上面側のみならず、平面方向にも移動する。すなわち、燃料ガスは、燃料ガス流路4aを流れていく過程で、燃料ガス流路4aに隣接する孔に入り込み、燃料ガス流路4aの周囲に染み出していく。この周囲に染み出した燃料ガスは、燃料極集電部材4の上面側に移動し、燃料極集電部材4の上面から単セル1の燃料極に到達する。このように、燃料ガスが燃料ガス流路4aの周囲に染み出すことにより、燃料ガスは、燃料極集電部材4の上面から一様に、単セル1の燃料極に供給されることとなる。
【0027】
以上説明したように、本実施の形態によれば、燃料極集電部材4が燃料極インターコネクタ2を介して供給される燃料ガスが流れる燃料ガス流路4aを有することにより、燃料極インターコネクタ2にガス流路等を形成しなくてよいので、インターコネクタをプレス加工で形成することが可能となり、結果として、小型化および低コスト化を実現することができる。
【0028】
なお、燃料ガス流路4aは、溝の形状に限定されず、例えば、その溝を複数の凹部が連続して配置されることにより形成したり、多孔質の孔のうちその溝に対応する部分の孔が他の部分よりも大きくなるように形成したり、その溝に対応する部分が貫通孔から形成されたりするようにしてもよい。この場合、プレス加工やパンチ加工等を施すことにより、燃料ガス流路4aに対応する箇所に凹部や貫通孔を形成する。
【0029】
また、燃料極集電部材4は、繊維を編み込んだマット状の材料から構成され、一方の面に、燃料ガス流路4aに対応する溝を形成したり、この溝を複数の凹部が連続して配置されることにより形成したり、多孔質の孔のうちその溝に対応する部分の孔が他の部分よりも大きくなるように形成したりするようにしてもよい。この場合、その材料を編み込む際に、燃料ガス流路4aに対応する箇所の編み目が他の箇所よりも大きくなるように編み込むことにより、形成される。
【0030】
また、燃料極集電部材4は、金属板等の板材からからなり、一方の面に、燃料ガス流路4aに対応する領域に溝を形成したり、燃料ガス流路4aに対応する領域の周囲に複数の凸部を形成した構成を有するようにしてもよい。この場合、その金属板に対してプレス加工等を施すことにより、燃料ガス流路4aに対応する領域に溝を形成したり、燃料ガス流路4aの周囲に複数の凸部を形成したりする。
【0031】
また、本実施の形態では、燃料ガス流路4aを、燃料極集電部材4のインターコネクタの凹部2aの底面と接触する側に設ける場合を例に説明したが、燃料極集電部材4の単セル1と接触する側に設けるようにしたり、底面と接触する側および単セル1と接触する側の両方に設けるようにしてもよい。
【0032】
また、本実施の形態では、燃料ガス流路4aが放射状の平面形状を有する場合を例に説明したが、その平面形状は放射状に限定されず、適宜自由に設定することができる。
【0033】
例えば、図4に示す燃料極集電部材41のように、螺旋状の平面形状を有する燃料ガス流路41aを形成するようにしてもよい。なお、図4に示す燃料極集電部材41は、格子状の開口を有するメッシュから構成されており、燃料ガス流路41aは、他の部分よりも開口が大きく形成されている。このような場合においても、燃料極集電部材41に流入した燃料ガスは、燃料極集電部材41の他の部分よりも燃料ガス流路41aを優先的に流れていくので、燃料極集電部材41の中央部から燃料ガス流路41aの渦巻き形状に沿って燃料極集電部材41内部を流れていくこととなる。この流れていく過程で、燃料ガスは、燃料ガス流路41aからこの周囲に染み出していく。したがって、燃料ガスは、燃料極集電部材41の単セル1と対向する面から一様に、単セル1の燃料極に供給されることとなる。
【0034】
また、本実施の形態では、燃料送出流路2bが燃料極インターコネクタ2の凹部2aの底面に形成した場合を例に説明したが、燃料送出流路2bを形成する場所は凹部2aの底面に限定されず、適宜自由に設定することができる。
【0035】
例えば、凹部2aの周面の対向する位置に、燃料送出流路2bと燃料排出流路2cとを形成するようにしてもよい。この場合、燃料極集電部材は、図5に示すように、互いに平行な複数の直線状の平面形状を有する燃料ガス流路42aを形成するようにしてもよい。ここで、燃料極集電部材42は、多孔質から構成されており、燃料ガス流路42aには、多数の貫通孔が形成されている。
【0036】
このようなストライプ状の燃料ガス流路42aを有する燃料極集電部材42は、その直線の端部が燃料送出流路2bまたは燃料排出流路2cと対向するように凹部2a内部に配設される。これにより、燃料送出流路2bから燃料極集電部材42に流入した燃料ガスは、燃料ガス流路42aを通って、燃料排出流路2cに向かって流れていく。この流れていく過程で、燃料ガスは、燃料ガス流路42aからこの周囲に染み出していく。したがって、燃料ガスは、燃料極集電部材42の単セル1と対向する面から一様に、単セル1の燃料極に供給されることとなる。また、未反応の燃料ガスは、燃料排出流路2cから外部に排出されることとなる。
【0037】
また、燃料極インターコネクタは、図6に示すように、図1,2で示した燃料極インターコネクタ2の側部にその中心に対して対称な一対の凸部を設けた形状としてもよい。この燃料極インターコネクタ21は、上面側から下面側に掘り込まれた凹部21aと、この凹部21aの一方の上記凸部に対応する箇所の底面に形成された燃料送出流路21bと、凹部21aの他方の上記凸部に対応する箇所の底面に形成された燃料排出流路21cを備えている。この場合、燃料極集電部材43は、燃料極インターコネクタ21の底面と同等の平面形状を有し、上記凸部に対応する箇所に形成された開口43aと、この開口43aを結ぶ方向に沿い、かつ、互いに平行に形成された複数の直線状の平面形状を有する燃料ガス流路43bとを備えるようにしてもよい。ここで、燃料極集電部材43は、多孔質から構成されており、燃料ガス流路43aは、多数の貫通孔から形成されている。
【0038】
このような構成を採ることにより、燃料送出流路21bから燃料極集電部材43に流入した燃料ガスは、燃料ガス流路43bを通って、燃料排出流路21cに向かって流れていく。この流れていく過程で、燃料ガスは、燃料ガス流路43bからこの周囲に染み出していく。したがって、燃料ガスは、燃料極集電部材43の単セル1と対向する面から一様に、単セル1の燃料極に供給されることとなる。また、未反応の燃料ガスは、燃料排出流路21cから外部に排出されることとなる。
【0039】
なお、本実施の形態においては、燃料極集電部材4のみに流路(燃料ガス流路4a)が形成される場合を例に説明したが、空気極集電部材5にも同様の流路を形成するようにしてもよいことは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【0040】
本発明は、平板型の単セルを有する燃料電池など、平板状の部材にガスを供給する各種装置に適用することができる。
【符号の説明】
【0041】
1…単セル、2…燃料極インターコネクタ、2a…凹部、2b…燃料送出流路、2c…燃料排出流路、3…空気極インターコネクタ、3a…空気流路、4…燃料極集電部材、4a…燃料ガス流路、5…空気極集電部材、6…絶縁体、21…燃料極インターコネクタ、21a…凹部、21b…燃料送出流路、21c…燃料排出流路、41,42,43…燃料極集電部材、41a,42a,43b…燃料ガス流路、43a…開口。

【特許請求の範囲】
【請求項1】
電解質をはさんで燃料極および空気極を有する単セルと、この単セルを収容しかつ前記単セルに燃料ガスまたは酸化剤ガスを供給するインターコネクタとの間に配設されて、前記燃料極または前記空気極と前記インターコネクタとを電気的に接続する固体酸化物形燃料電池用の集電部材であって、
前記燃料ガスまたは前記酸化剤ガスが流れる複数の凹部を備える
ことを特徴とする集電部材。
【請求項2】
前記凹部の一部または全ては、孔である
ことを特徴とする請求項1記載の集電部材。
【請求項3】
前記凹部は、前記単セルまたは前記インターコネクタと接する面の中央部から縁部に向かって放射状に配置されている
ことを特徴とする請求項1または2に記載の集電部材。
【請求項4】
前記凹部は、平面視直線状に配置されている
ことを特徴とする請求項1または2に記載の集電部材。
【請求項5】
前記凹部は、平面視螺旋状に配置されている
ことを特徴とする請求項1または2に記載の集電部材。
【請求項6】
単セルと、この単セルを収容しかつ前記単セルに燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給するインターコネクタと、前記単セルと前記インターコネクタとの間に配設される集電部材とを備えた固体酸化物形燃料電池であって、
前記集電部材は、請求項1乃至5の何れか1項に記載された集電部材からなる
ことを特徴とする固体酸化物形燃料電池。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【図6】
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【公開番号】特開2010−218874(P2010−218874A)
【公開日】平成22年9月30日(2010.9.30)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2009−64080(P2009−64080)
【出願日】平成21年3月17日(2009.3.17)
【出願人】(000004226)日本電信電話株式会社 (13,992)
【出願人】(000004640)日本発條株式会社 (1,048)
【Fターム(参考)】