JP2013157179A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池セル本体と集電体間での局所的な応力集中を低減した燃料電池を提供する。
【解決手段】燃料電池は，空気極層と，電解質層と，燃料極層と，を積層してなり，前記空気極層および前記燃料極層の一方の層の表面を第１の主面とする平板状の燃料電池セル本体と，前記燃料電池セル本体の前記第１の主面に接触し，前記積層方向に積層される平板状の集電体と，を具備する燃料電池であって，前記集電体の前記第１の主面に対応する領域が，角部が面取りされた矩形形状の境界を有する。
【選択図】図４

Description

本発明は，燃料電池に関する。

発電装置として，燃料電池の開発が進められている。例えば，電解質に固体酸化物を用いた固体酸化物形燃料電池（以下，「ＳＯＦＣ」又は単に「燃料電池」とも記す場合がある）が知られている。ＳＯＦＣは，例えば，板状の固体電解質体の各面に燃料極と空気極とを備えた燃料電池セル本体を多数積層したスタック（燃料電池スタック）を有する。燃料極および空気極それぞれに，燃料ガスおよび酸化剤ガス（例えば，空気中の酸素）を供給し，固体電解質体を介して化学反応させることで，電力を発生させる（例えば，特許文献１参照）。
このとき，燃料電池セル本体で発生した電力は，燃料電池セル本体に接触する導電性の集電体を用いて出力される。

特開２００９−９９３０８号公報

しかしながら，燃料電池スタックの組み立て時や運転中に，燃料電池セル本体（燃料極または空気極）と集電体間に局所的（例えば，角部が形成された箇所）に応力が集中し，燃料電池セル本体が割れる可能性がある。
本発明は，燃料電池セル本体と集電体間での局所的な応力集中を低減した燃料電池を提供することを目的とする。

本発明に係る燃料電池は，空気極層と，電解質層と，燃料極層と，を積層してなり，前記空気極層および前記燃料極層の一方の層の表面を第１の主面とする平板状の燃料電池セル本体と，前記燃料電池セル本体の前記第１の主面に接触し，前記積層方向に積層される平板状の集電体と，を具備する燃料電池であって，前記集電体の前記第１の主面に対応する領域が，角部が面取りされた矩形形状の境界を有する。

集電体の第１の主面に対応する領域とは，集電体が第１の主面と接触しているエリア，及び，集電体が複数である場合に集電体どうし間のエリアを含んで構成され，一つの連続する領域をいう。また，この領域は，角部が面取りされた矩形形状の境界を有する。例えば，集電体の角部が面取りされている。この結果，集電体と燃料電池セル本体とが接触する領域の角部での応力の集中が緩和され，燃料電池セル本体の割れを低減できる。

（１）前記第１の主面に接触する前記集電体が複数の第１の単体で構成されており，前記第１の主面に対応する領域の境界が，前記複数の第１の単体によって規定されても良い。
即ち，空気極または燃料極側に配置された前記集電体を複数個の単体で構成しても良い。この場合，この領域が，角部が面取りされた矩形形状の境界を有することで，角部での応力の集中が緩和される。

（２）前記燃料電池セル本体の前記空気極層および前記燃料極層の他方の層の表面を第２の主面とし，前記燃料電池セル本体の前記第２の主面に接触し，前記積層方向に積層される平板状の第２の集電体と，をさらに具備し，前記第２の集電体の前記第２の主面に対応する領域が，角部が面取りされた矩形形状の境界を有しても良い。

第２の集電体の第２の主面に対応する領域とは，第２の集電体が第２の主面と接触しているエリア，及び，第２の集電体が複数である場合に集電体どうし間のエリアを含んで構成され，一つの連続する領域をいう。また，この領域は，角部が面取りされた矩形形状の境界を有する。例えば，第２の集電体の角部が面取りされている。この結果，第２の集電体と燃料電池セル本体とが接触する領域の角部での応力の集中が緩和され，燃料電池セル本体の割れを低減できる。

（３）（２）において，前記第２の主面に接触する前記第２の集電体が複数の第２の単体で構成されており，前記第２の主面に対応する領域の境界が，前記複数の第２の単体によって規定されても良い。
この場合でも，同様に，この領域が，角部が面取りされた矩形形状の境界を有することで，角部での応力の集中が緩和される。

（４）前記面取りを，Ｃ面取りとすることができる。第２の集電体の第２の主面に対応する領域の角部をＣ面取りすることで，角部での応力の集中が緩和される。このとき，面取りの量を，前記矩形形状の短辺側長さの５％以上とすることが好ましい。

（５）前記面取りを，Ｒ面取りとすることができる。第２の集電体の第２の主面に対応する領域の角部をＲ面取りすることで，角部での応力の集中が緩和される。このとき，面取りの量を，前記矩形形状の短辺側長さの１０％以上とすることが好ましい。

本発明によれば，燃料電池セル本体と集電体間での局所的な応力集中を低減した燃料電池を提供できる。即ち，燃料電池セル本体の空気極または燃料極と集電体と接触する部分の角部に応力集中しやすい問題が改善され，セル割れが軽減される。

第１の実施形態に係る固体酸化物形燃料電池１０を表す斜視図である。 固体酸化物形燃料電池１０の模式断面図である。 燃料電池セル４０の断面図である。 インターコネクタ４１に配置される集電体４５を表す平面図である。 インターコネクタ４３に配置される集電体４６を表す平面図である。 Ｃ面取りの領域Ａ１を表した図である。 Ｒ面取りの領域Ａ１を表した図である。 他の面取りの領域Ａ１を表した図である。 Ｃ面取りでの面取り量Ｍと応力Ｆとの関係の一例を表すグラフである。 Ｒ面取りでの面取り量Ｍと応力Ｆとの関係の一例を表すグラフである。 集電体４５Ｇを構成する集電体４５の個数を変化させた場合での，集電体４５Ｇの外形と領域Ａ１の関係を表す図である。 集電体４５Ｇを構成する集電体４５の個数を変化させた場合での，集電体４５Ｇの外形と領域Ａ１の関係を表す図である。

以下，本発明が適用された実施形態について図面を用いて説明する。なお，本発明の実施の形態は，下記の実施形態に何ら限定されることはなく，本発明の技術的範囲に属する限り種々の形態を採りうる。

図１は，本発明の一実施形態に係る固体酸化物形燃料電池１０を表す斜視図である。固体酸化物形燃料電池１０は，燃料ガス（例えば，水素）と酸化剤ガス（例えば，空気（詳しくは空気中の酸素））との供給を受けて発電を行う装置である。

固体酸化物形燃料電池(燃料電池スタック)１０は，エンドプレート１１，１２，燃料電池セル４０（１）〜４０（４）が積層され，ボルト２１，２２（２２ａ，２２ｂ），２３（２３ａ，２３ｂ）およびナット３５で固定される。ここでは，判り易さのために，４つの燃料電池セル４０（１）〜４０（４）を積層しているが，一般には，２０個程度の燃料電池セル４０を積層することが多い。

エンドプレート１１，１２，燃料電池セル４０（１）〜４０（４）は，ボルト２１，２２（２２ａ，２２ｂ），２３（２３ａ，２３ｂ）に対応する貫通孔３１，３２（３２ａ，３２ｂ），３３（３３ａ，３３ｂ）を有する。
エンドプレート１１，１２は，積層される燃料電池セル４０（１）〜４０（４）を押圧，保持する保持板であり，かつ燃料電池セル４０（１）〜４０（４）からの電流の出力端子でもある。

図２は，固体酸化物形燃料電池１０の模式断面図である。図３は，燃料電池セル４０の断面図である。

図３に示すように，燃料電池セル４０は，いわゆる燃料極支持膜形タイプの燃料電池セルであり，インターコネクタ４１，４３，枠部４２，セル本体（燃料電池セル本体）４４，集電体４５，（第２の）集電体４６を有する。

インターコネクタ４１，４３は，燃料電池セル４０間の導通を確保し，かつガス流路を遮断する，上下一対の導電性（例えば，金属）のプレートである。

なお，燃料電池セル４０間には，１個のインターコネクタ（４１または４３）のみが配置される（直列に接続される２つの燃料電池セル４０間で１つのインターコネクタを共有しているため）。また，最上層および最下層の燃料電池セル４０（１），４０（４）それぞれでは，インターコネクタ４１，４３に替えて，エンドプレート１１，１２が配置される。

枠部４２は，開口４７を有する。この開口４７内は，気密に保持され，かつ酸化剤ガス流路４８，燃料ガス流路４９に区分される。枠部４２は，絶縁フレーム５１，５５，空気極フレーム５２，セパレータ（その外周縁部）５３，燃料極フレーム５４を有する。

絶縁フレーム５１，５５は，インターコネクタ４１，４３間を電気的に絶縁する，セラミックス製のフレームであり，空気極５６側および燃料極５８側に配置される。なお，絶縁フレーム５１，５５の一方を用いないことも可能である。
空気極フレーム５２は，酸化剤ガス流路４８側に配置される金属製のフレームである。
セパレータ５３は，セル本体４４を接合し，かつ酸化剤ガス流路４８，燃料ガス流路４９を遮断する金属製のフレームである。
燃料極フレーム５４は，燃料ガス流路４９側に配置される金属製のフレームである。

枠部４２は，ボルト２１，２２（２２ａ，２２ｂ），２３（２３ａ，２３ｂ）に対応する貫通孔３１，３２（３２ａ，３２ｂ），３３（３３ａ，３３ｂ）を有する。

セル本体（燃料電池セル本体）４４は，空気極（カソード，空気極層ともいう）５６，固体電解質体（電解質層）５７，燃料極（アノード，燃料極層ともいう）５８，を積層して構成される。固体電解質体５７の酸化剤ガス流路４８側，燃料ガス流路４９側，それぞれに，空気極５６，燃料極５８，が配置される。空気極５６としてはペロブスカイト系酸化物，各種貴金属及び貴金属とセラミックとのサーメットが使用できる。固体電解質体５７としては，ＹＳＺ，Ｓｃ，ＳＺ，ＳＤＣ，ＧＤＣ，ペロブスカイト系酸化物等の材料が使用できる。また，燃料極５８としてはＮｉ及びＮｉとセラミックとのサーメットが使用できる。

図２，図３に示すように，インターコネクタ４１，４３の上部において，貫通孔３２ａと開口４７間が切欠６１で空間的に接続され，これらの間での酸化剤ガスの流通を可能としている。インターコネクタ４１，４３の下部において，貫通孔３３ａと開口４７間が切欠６２で空間的に接続され，これらの間での燃料ガスの流通を可能としている。

空気極５６側の集電体４５は，セル本体４４（空気極５６）とインターコネクタ４１との間の導通を確保するためのものであり，例えば，ＳＵＳ（ステンレス）等の緻密な金属材料からなる。
燃料極５８側の集電体４６は，セル本体４４（燃料極５８）とインターコネクタ４３との間の導通を確保するためのものであり，燃料ガスの通過が可能な様に，例えば，ニッケル等からなる多孔質の金属材料からなる。

ここで，空気極５６と集電体４５との間に，例えば，銀パラジウム合金（パラジウム含有量１〜１０ｍｏｌ％）等からなる密着層を形成しても良い。密着層によって，空気極５６と集電体４５との導通を確保するとともに，空気極５６と集電体４５とを接合できる。

この密着層は例えば次のようにして形成できる。具体的には，Ａｇ−Ｐｄ粉末（Ｐｄ：１ｍｏｌ％）とエチルセルロースと有機溶剤とを含む，Ａｇ−Ｐｄ導電性ペーストを集電体４５の表面（空気極５６側となる表面）に塗布（または印刷）する。この導電性ペーストは，固体酸化物形燃料電池１０の運転温度（例えば，７００℃）において，エチルセルロースなどが除去されるとともに，Ａｇ−Ｐｄ合金が軟化して空気極５６や集電体４５に密着する状態となる。なお，運転停止時には，この密着層は空気極５６と集電体４５と強固に接合して一体化する。このようにして，空気極５６と集電体４５間に密着層を形成し，その間での導通の確実性を向上できる。

ボルト２１は，積層されたエンドプレート１１，１２，燃料電池セル４０（１）〜４０（４）を押圧，固定するための部材である。
ボルト２２（２２ａ，２２ｂ）は燃料ガスを流通させるための部材であり，燃料ガスが流通する空孔（燃料ガス流路）を有する。ボルト２３（２３ａ，２３ｂ）は酸化剤ガスを流通させるための部材であり，酸化剤ガスが流通する空孔（酸化剤ガス流路）を有する。

燃料ガス，酸化剤ガスは，次のように，燃料電池セル４０に流入，流出する。
即ち，ボルト２２（２２ａ，２２ｂ）内の空孔から燃料ガス流路４９内に燃料ガスが流入，流出する。ボルト２３（２３ａ，２３ｂ）内の空孔から酸化剤ガス流路４８内に酸化剤ガスが流入，流出する。

図４，図５は，インターコネクタ４１，４３それぞれに配置される集電体４５，第２の集電体４６を表す平面図である。インターコネクタ４１，４３上に複数の集電体４５，複数の第２の集電体４６が配置される。
なお，個別の集電体４５，第２の集電体４６それぞれと，複数の集電体４５，第２の集電体４６とをより明確に区別するため，次のような呼称も利用可能とする。即ち，個別の集電体４５，第２の集電体４６を第１の単体４５，第２の単体４６とも呼ぶ。また，複数の集電体４５全体，第２の集電体４６全体を集電体４５G，第２の集電体４６Gと呼ぶものとする。

このとき，複数の集電体４５全体（集電体４５G），第２の集電体４６全体（第２の集電体４６G）としての外周（輪郭線）が領域Ａ１，Ａ２を規定する。即ち，領域Ａ１は，第１の単体４５が占めるエリアと，第１の単体４５どうし間のエリアとを含んで構成され，領域Ａ２は，第２の単体４６が占めるエリアと第２の単体４６どうし間のエリアとを含んで構成される。

具体的には，領域Ａ１，Ａ２はそれぞれ，略矩形形状であるが，その４隅の角部に領域Ａ１１，Ａ２１を有しない。即ち，領域Ａ１，Ａ２は，角部が面取りされた矩形形状の「境界」を有する。集電体４５G，第２の集電体４６Gが領域Ａ１１，Ａ２１に入らないように，「境界」の内側に配置されている。

このように，集電体４５G，第２の集電体４６Gのセル本体４４上の主面に対応する領域Ａ１，Ａ２の角部が面取りされている。この結果，集電体４５G，第２の集電体４６Gが燃料電池セル本体４４（空気極，燃料極）に対応する領域Ａ１，Ａ２の角部での応力の集中が緩和され，燃料電池セル本体４４の割れを低減できる。

本実施形態では，領域Ａ１，Ａ２双方の角部を面取りしているが，領域Ａ１，Ａ２一方のみの角部を面取りしても，応力の集中が緩和され，燃料電池セル本体４４の割れを低減できる。

図６〜図８は，判り易さのために，集電体４５を除外して，領域Ａ１を表した図である。図６では，領域Ａ１の角部は直線状に面取りされている（Ｃ面取り）。図７では，領域Ａ１の角部は円弧形状に面取りされている（Ｒ面取り）。図８では，領域Ａ１の角部は２つの直線を組み合わせた形状に面取りされている（その他の面取り）。

図６，図７に示すように，面取りの形状がＣ面取り，Ｒ面取りの何れでも，応力の集中が緩和される。この点，領域Ａ２でも，面取りの形状がＣ面取り，Ｒ面取りの何れでも，応力の集中が緩和される。
さらに，図８に示されるように，面取りが直線，円弧等の中間的な形状，例えば，複数の直線を接続した形状（図８では２つの直線を接続した形状），直線と円弧とを接続した形状でも，応力の集中が緩和される。

ここで，面取り量Ｍ（％）を次の式（１）で定義できる。
Ｍ＝（ΔＬ／Ｌ）＊１００ ……式（１）
Ｌ： 領域Ａ１での辺の長さ
ΔＬ： 面取りされた領域Ａ１１の幅

図６〜図８に示されるように，この定義は，Ｃ面取り，Ｒ面取りの何れでも適用可能である。ここでは，領域Ａ１を略正方形（隣り合う辺の長さが等しい）としている。領域Ａ１が略長方形（互いに異なる長さの長辺，短辺を有する）の場合，長さＬとして，短辺の長さを用いるものとする。

図９，図１０は，Ｃ面取り，Ｒ面取りそれぞれでの面取り量Ｍ（％）と応力Ｆ（％）との関係の一例を表すグラフである。応力Ｆ（％）は，次の式（２）で定義される。
Ｆ＝（Ｆ１／Ｆ０）＊１００ ……式（２）
Ｆ１：面取りしたときの領域Ａ１内での応力の最大値
Ｆ０：面取りしないときの領域Ａ１内での応力の最大値

ここでは，次の条件でシミュレーションした結果を表している。
・領域Ａ１，Ａ２双方での面取り量Ｍは同一
・領域Ａ１，Ａ２は，それぞれ一つの集電体４５，４６で構成される（後述の図１１（ａ）に対応，領域Ａ１，Ａ２の形状と，１の集電体４５，４６の外周の形状が一致する）
・セパレータ５３（の外周縁部）を固定した状態で，図１でのＺ負方向に圧力を印加し集電体４５，４６を押し込む

図９に示すように，Ｃ面取りの場合，応力Ｆは，面取り量Ｍの増加（０〜５％）に連れて応力緩和の度合いが増加し，面取り量Ｍが５％以上になると安定した緩和効果が見られる。よって，面取りの量Ｍを５％以上とすることが好ましい。
一方，面取りの量Mの上限は，電気特性（集電面積）の関係で，特に規定しないが，例えば，２０％以下とすることができる。

図１０に示すように，Ｒ面取りの場合，応力Ｆは，面取り量Ｍの増加（０〜１０％）に連れて応力緩和の度合いが増加し，面取り量Ｍが１０％以上になると安定した緩和効果がみられる。よって，面取りの量Ｍを１０％以上とすることが好ましい。
一方，面取りの量Mの上限は，電気特性（集電面積）の関係で，特に規定しないが，例えば，２５％以下とすることができる。

図１１，図１２は，集電体４５，第２の集電体４６の個数を変化させた場合での，集電体４５Ｇ，第２の集電体４６Ｇの外形と領域Ａ１，Ａ２の関係を表す図である。
図１１（ａ）では，集電体４５Ｇ，第２の集電体４６Ｇを構成する集電体（第１の単体）４５，（第２の単体）４６の個数は１（１つの単体）であり，集電体４５，第２の集電体４６の外形と領域Ａ１，Ａ２は一致している。
図１１（ｂ），（ｃ）それぞれでは，２つ，３つの集電体（第１の単体）４５，（第２の単体）４６を図の縦方向に並べて，集電体４５Ｇ，第２の集電体４６Ｇを構成している。

図１２（ａ）〜（ｃ）それぞれでは，次のように複数の集電体４５，第２の集電体４６を並べて，集電体４５Ｇ，４６Ｇを構成している。
（ａ）縦横に２つずつ（合計４つ）
（ｂ）縦に３つ，横に２つ（合計６つ）
（ｃ）縦横に３つ（合計９つ）

以上のように，領域Ａ１，Ａ２それぞれに任意の個数の集電体４５，第２の集電体４６を対応させることが可能である。即ち，集電体４５G，第２の集電体４６Gを構成する第１の単体４５，第２の単体４６の数が幾つでもよい。また，集電体４５G，第２の集電体４６Gが何れであっても，領域Ａ１，Ａ２が，角部が面取りされた矩形形状の境界を有することで，角部での応力の集中が緩和される。

（その他の実施形態）
本発明の実施形態は上記の実施形態に限られず拡張，変更可能であり，拡張，変更した実施形態も本発明の技術的範囲に含まれる。
上記実施形態では，４つの角部での面取り形状および面取り量Ｍを同一としているが，一部または全部の面取り形状または面取り量Ｍを異ならせても良い。

１０ 固体酸化物形燃料電池
１１，１２ エンドプレート
２１〜２３ ボルト
３１〜３３ 貫通孔
３５ ナット
４０ 燃料電池セル
４１，４３ インターコネクタ
４２ 枠部
４４ セル本体
４４ 燃料電池セル本体
４５ 集電体，第１の単体
４６ （第２の）集電体，第２の単体
４７ 開口
４８ 酸化剤ガス流路
４９ 燃料ガス流路
５１，５５ 絶縁フレーム
５２ 空気極フレーム
５３ セパレータ
５４ 燃料極フレーム
５６ 空気極
５７ 固体電解質体
５８ 燃料極
６１，６２ 切欠

Claims (8)

1. 空気極層と，電解質層と，燃料極層と，を積層してなり，前記空気極層および前記燃料極層の一方の層の表面を第１の主面とする平板状の燃料電池セル本体と，
   前記燃料電池セル本体の前記第１の主面に接触し，前記積層方向に積層される平板状の集電体と，
   を具備する燃料電池であって，
   前記集電体の前記第１の主面に対応する領域が，角部が面取りされた矩形形状の境界を有する
   ことを特徴とする燃料電池。
2. 前記第１の主面に接触する前記集電体が複数の第１の単体で構成されており，
   前記第１の主面に対応する領域の境界が，前記複数の第１の単体によって規定される
   ことを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
3. 前記燃料電池セル本体の前記空気極層および前記燃料極層の他方の層の表面を第２の主面とし，
   前記燃料電池セル本体の前記第２の主面に接触し，前記積層方向に積層される平板状の第２の集電体と，をさらに具備し，
   前記第２の集電体の前記第２の主面に対応する領域が，角部が面取りされた矩形形状の境界を有する
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池。
4. 前記第２の主面に接触する前記第２の集電体が複数の第２の単体で構成されており，
   前記第２の主面に対応する領域の境界が，前記複数の第２の単体によって規定される
   ことを特徴とする請求項３に記載の燃料電池。
5. 前記面取りが，Ｃ面取りである
   ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の燃料電池。
6. 前記面取りの量が，前記矩形形状の短辺側長さの５％以上である
   ことを特徴とする請求項５に記載の燃料電池。
7. 前記面取りが，Ｒ面取りである
   ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の燃料電池。
8. 前記面取りの量が，前記矩形形状の短辺側長さの１０％以上である
   ことを特徴とする請求項７記載の燃料電池。

Images