(57)【要約】【課題】ガス利用率を向上した発電効率の良い固体酸化物形燃料電池を提供する。【解決手段】固体電解質層２の両面に燃料極層３と空気極層４を配置し、燃料極層３と空気極層４の外側にそれぞれ多孔質金属材で成る燃料極集電体６と空気極集電体７を配置し、燃料極集電体６と空気極集電体７の外側にセパレータ８を配置し、これらを密着して単セルが構成される。そして、少なくともその空気極側に横方向のガスの流れを妨げる障壁１８（セパレータ表面の突起１８）を設けた。この突起１８により、セパレータ８の吐出孔から横方向に流れるガスが遮断されて境界層が形成されなくなり、ガスは多孔質金属内に効率良く浸透するようになる。【選択図】  図２
2004200023.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体電解質層の両面に燃料極層と空気極層を配置し、燃料極層と空気極層の外側にそれぞれ多孔質金属材で成る燃料極集電体と空気極集電体を配置し、燃料極集電体と空気極集電体の外側にセパレータを配置し、当該セパレータから燃料極集電体と空気極集電体を通して燃料極層および空気極層に燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給する固体酸化物形燃料電池において、
少なくとも空気極側に横方向のガスの流れを妨げる障壁を設けたことを特徴とする固体酸化物形燃料電池。
【請求項２】
前記障壁が前記セパレータの面に設けた突起であることを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項３】
前記集電体が三次元骨格構造を有する多孔質金属であって、その骨格により形成される空孔が平均孔径８０〜８００μｍの略紡錘形であることを特徴とする請求項１または請求項２の何れかに記載の固体酸化物形燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、セパレータと電極層との間に多孔質金属を挟んだ構造の固体酸化物形燃料電池に関し、詳しくは、セパレータから発電セルへのガス供給率を改善することにより発電効率の向上を図った平板型の固体酸化物形燃料電池に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
前記固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）は第三世代の発電用燃料電池として開発が進んでいる。現在、この固体酸化物形燃料電池は、円筒型、モノリス型、及び平板積層型の３種類が提案されており、何れも酸化物イオン伝導体から成る固体電解質を両側から空気極（カソード）と燃料極（アノード）で挟み込んだ積層構造を有する。この積層体から成る発電セルが、間に燃料極集電体と空気極集電体を挟みセパレータと交互に積層されて、燃料電池スタックを構成している。
【０００３】
固体酸化物形燃料電池では、空気極側に酸素 (空気) が、燃料極側に燃料ガス(Ｈ2 、ＣＯ、等) が供給される。空気極と燃料極は、ガスが固体電解質との界面に到達することができるように、いずれも多孔質の層とされている。
空気極側に供給された酸素は、空気極層内の気孔を通って固体電解質層との界面近傍に到達し、この部分で空気極から電子を受け取って酸化物イオン（Ｏ2-）にイオン化される。この酸化物イオンは、燃料極の方向に向かって固体電解質層内を拡散移動する。燃料極との界面近傍に到達した酸化物イオンは、この部分で、燃料ガスと反応して反応生成物（Ｈ2 Ｏ、ＣＯ2 等）を生じ、燃料極に電子を放出する。この電子を外部に起電力として取り出すことができる。
【０００４】
因みに、燃料に水素を用いた場合の電極反応は次のようになる。
空気極：  １／２  Ｏ2 ＋          ２ｅ-   →  Ｏ2-
燃料極：          Ｈ2 ＋          Ｏ2-   →  Ｈ2 Ｏ＋２ｅ-
全体  ：          Ｈ2 ＋  １／２  Ｏ2    →  Ｈ2 Ｏ
【０００５】
図４は平板型の燃料電池スタックの構成を示している。
この燃料電池スタック１は、固体電解質層の両面に燃料極層と空気極層（酸化剤極層）を配した発電セル５と、発電セル外側の燃料極集電体６と空気極集電体７と、各集電体６、７の外側のセパレータ８で単セルを構成し、これを多数積層・密着したスタック構造を有する。
【０００６】
一般的に、前記固体電解質層はイットリアを添加した安定化ジルコニア（ＹＳＺ）等が使用され、前記燃料極層はＮｉ、Ｃｏ等の金属あるいはＮｉ−ＹＳＺ、Ｃｏ−ＹＳＺ等のサーメットが使用され、前記空気極層はＬａＭｎＯ3 、ＬａＣｏＯ3 、または、これらのＬａの一部をＳｒ、Ｃａ等に置換した固溶体が使用され、前記燃料極集電体６は発泡ニッケルやニッケルフェルト等の多孔質金属が使用され、前記空気極集電体７は銀フェルトや表面導電処理されたステンレスフェルト等より成る多孔質金属が使用され、前記セパレータ８はステンレス等が使用されている。
多孔質金属は、集電機能、ガス透過機能、クッション機能、熱膨脹差吸収機能等を兼ね備えているので、多機能の集電体材料として好適である。
【０００７】
セパレータ８は、発電セル５間を電気接続すると共に、発電セル５に対してガスを供給する機能を有するもので、その内部に、燃料ガスをセパレータ８の外周面から導入してセパレータ８の燃料極集電体６に対向する面から吐出させる燃料ガス通路と、酸化剤ガスをセパレータ８の外周面から導入してセパレータ８の空気極集電体７に対向する面から吐出させる酸化剤ガス通路を有している。
【０００８】
また  燃料電池スタック１の側方には、各セパレータ８の燃料ガス通路に燃料ガス供給管１３を通して燃料ガスを供給する燃料用ディストリビュータ１５と、各セパレータ８の酸化剤ガス通路に酸化剤ガス供給管１４を通して酸化剤ガス（空気）を供給する酸化剤用ディストリビュータ１６とが、発電セル５の積層方向に延在して設けられている。尚、符号１７は各セル間の電気的絶縁を確保するためのセラミックス製の継ぎ手である。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来の固体酸化物形燃料電池では、既述のように各電極層とセパレータとの間に多孔質金属材より成る集電体を配置し、この集電体を通してセパレータから電極層にガスを分配供給しているが、特に、セパレータの中央部から集電体を通して電極層にガスを供給する構造の場合では、各電極層の周辺部まで十分なガスを行き渡らせるこが難しく、所望の発電性能（特に、大電流出力時）を得るためには反応当量以上の多量のガスを供給する必要があった。
【００１０】
例えば、燃料ガスとして水素を用いた場合では、酸化剤ガスとなる空気の供給量は反応当量の１．６倍以上を必要としていた。
すなわち、水素の供給量を１００とした場合の空気の反応当量は２５０（水素供給量の２．５倍）であるが、実際、燃料利用率８０％以上で発電するためには、空気供給量を４００以上にする必要があった。このように、空気の供給量を増やすためにはその分コンプレッサの容量を大きくしなくてはならず、そのための動力源の確保が燃料電池システムの効率低下を招く大きな要因となっていた。
【００１１】
本発明は、上記事情に鑑み、燃料電池におけるガス利用率を良くすることにより発電効率の向上を図った固体酸化物形燃料電池を提供することを目的としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
発明者らは、上記のように空気供給量を反応当量よりも多くしなければ所望の電池性能が得られないといったようにガス利用率が低下する原因を詳細に調査し、以下のような結論を得た。
すなわち、空気流は必要以上に背圧が高く、多孔質金属内での空気の流れは層流となっているため、セパレータと空気極層との間に空気の流れの境界層が生じており、この境界層がセパレータから吐出した空気が空気極層内部へ拡散するのを妨げる抵抗層となって、電池反応に与らない多量の空気が無駄に電池外に排出されていることが分かった。さらに、この層流による境界層の形成を防止する手段を講じることにより、空気利用率を向上できることを見出した。
【００１３】
そこで、請求項１に記載の本発明は、固体電解質層の両面に燃料極層と空気極層を配置し、燃料極層と空気極層の外側にそれぞれ多孔質金属材で成る燃料極集電体と空気極集電体を配置し、燃料極集電体と空気極集電体の外側にセパレータを配置し、当該セパレータから燃料極集電体と空気極集電体を通して燃料極層および空気極層に燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給する固体酸化物形燃料電池において、少なくとも空気極側に横方向のガスの流れを妨げる障壁を設けた。
【００１４】
また、請求項２に記載の本発明は、請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池において、前記障壁として前記セパレータの面に突起を設けた。
また、請求項３に記載の本発明は、請求項１または請求項２の何れかに記載の固体酸化物形燃料電池において、前記集電体は三次元骨格構造を有する多孔質金属とし、その骨格により形成される空孔は平均孔径８０〜８００μｍの略紡錘形とした。
【００１５】
上記構成では、突起を設けることにより、セパレータの吐出孔から横方向に流れるガスが遮断されてセパレータと電極の間に境界層が形成されなくなり、ガスは多孔質金属内に効率良く浸透するようになる。また、多孔質金属の平均空孔径を８０〜８００μｍとしたのは、８０μｍ以下ではガスの流れに支障を来し、８００μｍ以上ではガスの流れが不均一となって所望の発電性能が得られなくなるからである。
係る構成は、特に、空気利用率の低い空気極側に適用すると極めて効果的であり、これにより空気供給量を減らしコンプレッサを小型化・小容量化することができ、よって、コンプレッサ駆動のための無駄なエネルギー消費を削減し、燃料電池システムの効率化が図れるようになる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図１、図２に基づいて本実施形態に係る平板積層型の固体電解質型燃料電池の構成を説明する。
図１は単セルの構成を示す分解断面図、図２は単セルの構成を示す断面図である。
【００１７】
図１に示すように、燃料電池スタックを構成する単セルは、固体電解質層２の両面に燃料極層３と空気極層４が配置された発電セル５と、燃料極層３の外側に配置された多孔質金属材で成る燃料極集電体６と、空気極層４の外側に配置された多孔質金属材で成る空気極集電体７と、各集電体６、７の外側に配置されたセパレータ８とで構成されている。
【００１８】
ここで、上記した多孔質金属材は、次の工程を経ることで作製することができる。工程の順番は、スラリー調製工程→成形工程→発泡工程→乾燥工程→脱脂工程→焼結工程である。
まず、スラリー調製工程において、金属粉末、有機溶剤（ｎ−ヘキサン等）、界面活性剤（ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム等）、水溶性樹脂結合剤（ヒドロキシプロピルメチルセルロース等）、可塑剤（グリセリン等）、水、を混ぜて発泡スラリーを調製する。これを成形工程において、ドクターブレード法によりキャリヤシート上に薄板状に成形してグリーンシートを得る。次に発泡工程において、このグリーンシートを高温高湿環境下で、揮発性有機溶剤の蒸気圧及び界面活性剤の起泡性を利用してスポンジ状に発泡させた後、乾燥工程、脱脂工程、焼成工程を経て多孔質金属板を得る。
【００１９】
この場合、発泡工程において、グリーンシートの内部に発生した気泡は、全方向からほぼ等価な圧力を受けて略球状の形状で成長する。気泡が内部から拡散して大気との界面に近づくと、気泡は、気泡と大気の間のスラリーの薄い部分へと成長していき、やがて気泡は破れて、気泡内部の気体は、できた小孔から大気中へ拡散していく。よって、表面に開口した連続する空孔を有する多孔質金属板が得られる。この状態で空孔は直径約３００〜５００μｍ程度の略球状となっている。このようにして作製した３次元骨格構造を有する多孔質金属板をセパレータの形状に合わせて円形にカットして集電体が作製される。
【００２０】
発電セル５、集電体６、７、セパレータ８を順次積層してスタック化する際、多孔質金属板で成る各集電体は６、７は積層時の圧力により押し潰され、それまで略球状の空孔６ａ、７ａは図示のように平均孔径８０〜８００μｍの紡錘状に変形する。この孔径範囲内では、均一なガスの流れが確保されている。
【００２１】
セパレータ８は、厚さ３．５ｍｍ程度のステンレス製の円板で構成され、この円板の内部に、中央に燃料ガス吐出孔１１ａを備えた燃料ガス通路１１と、中央に酸化剤ガス吐出孔１２ａを備えた酸化剤ガス通路１２が形成されている。
そして、さらに本実施形態では、空気極集電体７に対向するセパレータ８の表面に先端を尖らせた多数の帯状突起１８が形成されている。この突起１８は格子状に配置すると良い。
【００２２】
単セルを多数積層してスタック化する際、積層時の圧力により、図２に示すように各単セルの突起１８が各々対向する空気集電体７の内部に食い込んで格子状の部屋を形成する。
【００２３】
本実施形態のセパレータ構造では、外部より供給された燃料ガスは燃料用ディストリビュータ（図示せず）を介して燃料ガス供給管１３からセパレータ８の燃料ガス通路１１に導入され、通路末端の燃料ガス吐出孔１１ａより吐出して対面する燃料極集電体６に供給されることになる。一方、酸化剤ガス（空気）は、図示しない酸化剤用ディストリビュータを介し、酸化剤ガス供給管１４からセパレータ８の外周面より酸化剤ガス通路１２に導入され、通路末端の酸化剤ガス吐出孔１２ａより吐出して対面する空気極集電体７に供給される。
【００２４】
ここで、酸化剤ガス吐出孔１２ａより吐出した空気はセパレータ表面より突出した突起１８がガス流の障壁となり、図２の矢印に示すように、吐出孔１２ａから横方向に流れる空気が遮断されて垂直方向の空気流となり、多孔質金属内全体に浸透していく。
このため、層流による境界層は形成されず、従来、電池反応に寄与せず無駄に排出されていた空気の量を減少することができ、空気利用率を向上することができる。空気利用率が向上すれば燃料電池への空気供給量を減らすことがでるため、空気を送り出すコンプレッサを小型化・小容量化でき、その分、コンプレッサの駆動のための供給エネルギーを少なくできる。よって、燃料電池の無駄なエネルギー消費を削減し、燃料電池システムの効率化が図れるようになる。
【００２５】
【実施例】
上記した本発明の効果を確認するため、下記のように各々構造の異なるセパレータを用いて本発明（実施例）と従来例（比較例）の各単セルを作製し、各々につき下記の条件にて発電試験を行い、その結果を図３に示した。
（１）単セルの構成
2004200023.tif 000003
（２）発電試験条件
2004200023.tif 000004
【００２６】
［実施例］
図２の構造のセパレータを用いて単セルを構成した。
【００２７】
［比較例］
突起の無いセパレータを用いて単セルを構成した。
【００２８】
図３に示すように、比較例の場合は、出力電流が３５Ａ以上になるとその最大値が急激に低下している。これは、従来型のセパレータ構造は空気利用率が低いことから、電流を多くすると燃料（水素）の供給量に見合う空気の量が確保できなくなるためと考えられる。これに対し、実施例の場合は、出力電流が３５Ａ以上においても良好な電池出力が得られており、これより、本発明のセパレータの構造では空気利用率が向上し、水素の供給量に見合う空気の量が確保できることが確認された。すなわち、本発明は従来型に比して空気流量７．５ｃｃ／ｍｉｎ／ｃｍ2 （これは、水素量の２．５倍に当たる反応当量である）で３５Ａといった大電流が得られることが確認された。
【００２９】
以上、本実施形態では、空気極集電体７に接するセパレータ面に本発明の構造を適用したが、燃料極集電体６に接する側のセパレータ面も同様の構造とすることは勿論可能である。セパレータと電極の間の境界層現象は、特に空気極側で顕著であるため、少なくとも空気極集電体と対面する側のセパレータ部分に本実施形態の構造を適用することが効率的な発電を得る上で有効であるといえる。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、セパレータに突起を設けることにより、横方向のガス流による境界層が形成されなくなるため、ガスは多孔質金属の集電体内に効率良く浸透するようになり、少ないガス量で所望の電池性能が得られることになり、発電効率が向上する。また、この突起を空気極側に設けることにより、空気利用率を下げることなく、空気の背圧を下げることができるのでコンプレッサを小型化・小容量化することができ、よって、その分燃料電池システムの効率化が図れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】単セルの構成を示す分解断面図。
【図２】単セルの構成を示す断面図。
【図３】燃料電池の出力特性を示す図。
【図４】従来の燃料電池モジュールの構成を示す分解斜視図。
【符号の説明】
２  固体電解質層
３  燃料極層
４  空気極層
６  燃料極集電体
７  空気極集電体
６ａ、７ａ  空孔
８  セパレータ
１８  障壁（突起）
【図１】
2004200023.tif 000005
【図２】
2004200023.tif 000006
【図３】
2004200023.tif 000007
【図４】
2004200023.tif 000008