(57)【要約】【課題】ガス流路の確保及び集電のために用いる多孔質体を形成するための発泡材料として発泡性の良好な材料を選択でき、生産性に優れた発電装置を提供する。【解決手段】発電装置１は、燃料ガスの供給を受ける燃料極５と、空気の供給を受ける空気極６と、前記燃料極５及び前記空気極６の間に挟み込まれた電解質層７と、少なくとも一部に前記燃料極５又は前記空気極６が露出し、前記燃料ガス又は前記空気が流通する気体流路３と、該気体流路３内に充填された多孔質体８と、該多孔質体８と前記燃料極５又は前記空気極６に接するように介在し、前記多孔質体８に形成されている孔径よりも大きい径を有する孔が一様に広がって形成され、電気伝導性を有する材質からなる多孔シート９とを備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスの供給を受ける燃料極と、
空気の供給を受ける空気極と、
前記燃料極及び前記空気極の間に挟み込まれた電解質層と、
少なくとも一部に前記燃料極又は前記空気極が露出し、前記燃料ガス又は前記空気が流通する気体流路と、
該気体流路内に充填された多孔質体と、
該多孔質体と前記燃料極又は前記空気極に接するように介在し、前記多孔質体に形成されている孔径よりも大きい径を有する孔が一様に広がって形成され、電気伝導性を有する材質からなる多孔シートとを備えたことを特徴とする発電装置。
【請求項２】
前記燃料極、前記空気極、前記電解質層で形成された複数の燃料電池を有し、
該複数の燃料電池は、前記気体流路を介してそれぞれ配され、
前記気体流路には、前記燃料極及び前記空気極の双方が露出され、
前記多孔シートのうち、前記燃料極と前記空気極に接する部位は互いに異なる材料で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の発電装置。
【請求項３】
前記多孔シートのうち、前記空気極と接する部位のみがクロム化処理されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料ガスを燃料電池の燃料極に供給して発電するための発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、電解質を介した燃料極及び空気極からなっている。ここに燃料ガス等を供給して発電が行われる。特に固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）は、固体酸化物からなる電解質に燃料極（水素極）と空気極（酸素極）とを接合等したもので、燃料極に燃料ガスを、空気極に空気等をそれぞれ供給して、高出力の電力を発生することができる。また、固体酸化物型燃料電池は、水素ガスだけでなく、一酸化炭素を多量に含むガス（例えば自動車等の内燃機関により駆動する車両の排ガス）も燃料ガスとして使用できる。
【０００３】
このような固体酸化物型燃料電池が特許文献１に記載されている。この電池は、燃料極と空気極とが別々の室にさらされていて、それぞれの室にて水素及び酸素を供給されている。このように燃料と空気が分けられて供給、反応するような構造は２室型といわれる。一方で、燃料と空気が同じ流路を流れて供給、反応するような構造は単室型といわれる。
【０００４】
上述した単室型にせよ２室型にせよ、ガスが通る流路は電極に沿って形成されている。そしてこの流路は集電のために電気伝導性の優れた材質からなる壁体で覆われている。しかしながら排ガスを利用する場合は低濃度の燃料を大量に流す必要があるため、ガス流路の体積を大きくする必要がある。しかし、ガス流路を大きくすると電極との接触面積が小さくなってしまい、集電（電気）抵抗が増大してしまう。
【０００５】
そこでガス流路を壁体で覆うのではなく、ガス流路に電気伝導性に優れた多孔質金属や酸化物材料（例えば発泡ニッケル等）の多孔質体を配し、ガス流路の確保とともに接触面積も大きくして集電する技術が知られている。しかしながら、個体酸化物型燃料電池は高温（例えば７００℃〜１０００℃）で空気中の酸素と燃料とを利用して発電される。このような高温環境で酸素を利用するため、多孔質体としては耐酸化性に優れた材料を選択する必要がある。高温での耐酸化性に優れた材料は高価で比重も重く、多孔質化や発泡化等の成形が困難である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０００-１５６２３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上記従来技術を考慮したものであり、ガス流路の確保及び集電のために用いる多孔質体を形成するための発泡材料として発泡性の良好な材料を選択でき、生産性に優れた発電装置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】
【０００８】
前記目的を達成するため、本発明では、燃料ガスの供給を受ける燃料極と、空気の供給を受ける空気極と、前記燃料極及び前記空気極の間に挟み込まれた電解質層と、少なくとも一部に前記燃料極又は前記空気極が露出し、前記燃料ガス又は前記空気が流通する気体流路と、該気体流路内に充填された多孔質体と、該多孔質体と前記燃料極又は前記空気極に接するように介在し、前記多孔質体に形成されている孔径よりも大きい径を有する孔が一様に広がって形成され、電気伝導性を有する材質からなる多孔シートとを備えたことを特徴とする発電装置を提供する。
【０００９】
好ましくは、前記燃料極、前記空気極、前記電解質層で形成された複数の燃料電池を有し、該複数の燃料電池は、前記気体流路を介してそれぞれ配され、前記気体流路には、前記燃料極及び前記空気極の双方が露出され、前記多孔シートのうち、前記燃料極と前記空気極に接する部位は互いに異なる材料で形成されている。
【００１０】
好ましくは、前記多孔シートのうち、前記空気極と接する部位のみがクロム化処理されている。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、電気伝導性を有する材質からなる多孔シートを燃料極又は空気極に接するようにして気体流路内に配するので、多孔シートが集電の役割を果たす。このため、多孔質体として用いる材料に集電性能が不要となる。一方で、多孔シートが有する孔の孔径は多孔質体に形成されている孔の孔径よりも大きいので、多孔シートで多孔質体を覆っても燃料ガスや空気からなる気体の流通が妨げられることはない。したがって、ガス流路の確保及び集電のために用いる多孔質体を形成するための発泡材料を選択する際の制約が低減するので、発泡性の良好な材料を選択でき、結果として生産性に優れた発電装置を提供することができる。また、多孔シートの孔径が大きいことは酸化されても気体の流通が阻害されないことにも寄与する。
【００１２】
また、いわゆる単室型の固体酸化物型燃料電池に用いた場合、一つの気体流路に燃料極と空気極が露出することになるが、このような場合に多孔シートのうち、燃料極と空気極に接する部位が異なる材料で形成することで、それぞれの極に適した材料を用いることができる。なお、この場合の材料は多孔シートの表面処理にて得てもよいし、多孔シート自体を当該材料としてもよい。空気極と接する部位をクロム化処理すれば、酸化されやすい環境である空気極近傍での酸化を低減でき、クロムが燃料極に与える影響も防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明に係る発電装置の長手方向における概略断面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ断面図である。
【図３】多孔質体及び多孔シートの概略図である。
【図４】本発明に係る別の発電装置の長手方向における概略断面図である。
【図５】図４のＢ−Ｂ断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図１に示すように、本発明に係る発電装置１は、燃料電池２と、気体流路３とを備えている。燃料電池２は間隔を存して複数（図１の例では３個）並べられ、当該間隔が気体流路３として形成されている。図１の例では、燃料電池２は平板形状であり、それぞれの燃料電池２はその側縁を壁体４にて接続されている。したがって、気体流路３は燃料電池２と壁体４とが協働することにより管状に形成されている。燃料電池２は、燃料極５と空気極６、及びこれらの間に密着して挟み込まれている固体酸化物からなる電解質層７を有している。燃料電池２が並んで配設されていることにより、気体流路３には燃料電池２の燃料極５が露出するとともに、別の燃料電池２の空気極６が露出している。
【００１５】
気体流路３には燃料ガス及び空気の両方（例えば自動車の排ガス）が流通する（図１の矢印方向）。燃料極５には燃料ガスが、空気極６には空気がそれぞれ供給される。より詳しくは、空気極６は空気中の酸素を還元し、還元された酸素イオンが電解質層７を通り、燃料極５で燃料ガス中の水素と反応して水を生成する。このとき、燃料極５で生じた電子が回路（不図示）を移動して、空気極６で再び酸素をイオン化するとともに、回路に電流が流れて発電される。このように、気体流路３を流れる気体中の酸素や水素を燃料極５や空気極６を介して取り込む必要があるので、気体流路３の少なくとも一部に燃料極５や空気極６が露出している必要があるが、好ましくは図１で示すように気体流路３の長手方向に沿って全面に露出していることが好ましい。
【００１６】
上述したように、燃料電池２は、固体酸化物を用いて電解質層７を形成しているので固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）となる。特に気体流路３に排ガスを流す場合は、高温に耐えられ、触媒が不要であり、出力密度の高さから小型化できるため、ＳＯＦＣを用いることが好ましい。また、排ガスを用いる場合、燃料極５の上流側に燃料改質材を設けておくことが好ましい。この燃料改質材は、排ガス中の炭化水素や水等を水素に変換するためのものであり、水素濃度を向上させるものである。
【００１７】
ここで、気体流路３には多孔質体８が充填されている。図３に示すように、この多孔質体８は、多孔シート９により覆われている。多孔シート９は、多孔質体８とともに気体流路３に充填された状態で、燃料極５と空気極６に接している。多孔質体８は任意の材料を発泡させて得られた発泡体であるのに対し、多孔シート９は金網等のメッシュ体やパンチングメタル等が用いられる。すなわち、多孔シート９には孔が一様に広がって形成されている。なお、図１〜３の例では金属線を格子状に形成した金網を示している。このため、多孔シート９に設けられた孔の孔径は、多孔質体８に設けられている孔の孔径よりも大きい。多孔質体８を配することにより、気体流路３を流れる燃料ガスや空気の拡散性を向上させて各電極５、６との反応性を高めることができるが、多孔シート９の孔径が大きいため多孔質体８を多孔シート９で覆ったとしてもこの拡散性に影響を与えることはない。なお、空気中の酸素による酸化を防止するため、多孔シート９は耐酸化性を有する材料で形成することが好ましい。
【００１８】
多孔シート９は電気伝導性に優れた材料（例えば金属）で形成されている。このように電気伝導性を有する材質からなる多孔シート９を燃料極５又は空気極６に接するようにして気体流路３内に配するので、多孔シート９が集電の役割を果たすことになる。このため、多孔質体８を形成する材料に集電性能が不要となる。したがって、気体流路３の確保（上述した拡散性）及び集電のために用いる多孔質体８を形成するための発泡材料を選択する際の制約が低減するので、発泡性の良好な材料を選択でき、結果として生産性に優れた発電装置１を提供することができる。すなわち、発泡して得られる多孔質体８の材料として、耐酸化性まで考慮した高価な材料を用いる必要がなくなり、重量も最低限に抑えることができる。また、多孔シート９の孔径が大きいことは酸化されても気体の流通が阻害されないことにも寄与している。なお、図１〜図３の例では燃料ガス又は空気の流通方向で視て多孔質体８の前後方向には燃料ガス又は空気の良好な流通性確保の観点から多孔シート９が覆われていないが、このような多孔質体８の前後方向側にも多孔シート９を覆うように配してもよい。
【００１９】
図１及び図２で示すような、同一の気体流路３に燃料ガス及び空気が流れるような単室型の発電装置の場合、同一の気体流路３に燃料極５及び空気極６の双方がそれぞれ露出している。このような単室型の場合、多孔シート９のうち、燃料極５と空気極６に接する部位は互いに異なる材料で形成してもよい。すなわち、いわゆる単室型の固体酸化物型燃料電池の場合、一つの気体流路３に燃料極５と空気極６が露出することになるが、このような場合に多孔シート９のうち、燃料極５と空気極６に接する部位を異なる材料で形成することで、それぞれの極５、６と接するに適した材料を用いることができる。なお、この場合の材料は多孔シート９の表面処理にて得てもよいし、多孔シート９自体を当該材料としてもよい。特に、空気極６と接する部位をクロム化処理すれば、酸化されやすい環境である空気極６近傍での酸化を低減でき、クロムが燃料極５に与える影響も防止できる（燃料極５のクロム被毒を防止できる）。また、多孔シート９を予め、気体流路３に露出する燃料極５又は空気極６に接合しておいてもよい。予め多孔シート９を燃料極５又は空気極６に接合することで、多孔質体を介して複数の燃料電池を配置する際に効率よく組み立てることができる。
【００２０】
図４及び図５は本発明に係る別の発電装置１０を示している。この装置１０は、いわゆる二室型と呼ばれるものである。すなわち、燃料電池２が間隔を存して並べられていることは単室型と同様であるが、核燃料電池間には隔壁体１１が介在されている。したがって、気体流路３は燃料電池２と隔壁体１１、及び壁体４にて囲まれて形成される。このため、一つの気体流路３には燃料電池２のいずれか一方の電極５、６のみが露出することになる。燃料極５のみが露出する気体流路３ａには燃料ガスのみが流通する（図４の矢印Ｃ方向）。空気極６のみが露出する気体流路３ｂには空気のみが流通する（図４の矢印Ｄ方向）。このような構造を有する二室型の発電装置１０であっても、気体流路３に多孔シート９で覆われた多孔質体８を充填し、上述した効果と同様の効果を得ることができる。その他の構成、作用は図１及び図２の例と同様である。
【符号の説明】
【００２１】
１：発電装置、２：燃料電池、３：気体流路、４：壁体、５：燃料極、６：空気極、７：電解質層、８：多孔質体、９：多孔シート、１０：発電装置、１１：隔壁体
【図１】
2014191900.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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