JP5330042B2 - 集電部材および固体酸化物形燃料電池 - Google Patents

Description

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。

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。

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。

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。

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。

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/>

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。 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。 燃料極集電部材の構成を示す平面図である。 燃料極集電部材の変形例の構成を示す平面図である。 燃料極集電部材の変形例の構成を示す平面図である。 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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

Claims (6)

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および酸化剤ガスを平面方向に供給する流路が形成されていない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平面方向に流れる複数の凹部を備える
   ことを特徴とする集電部材。
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。
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。
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。
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。
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。

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