(57)【要約】【課題】セパレータの反りに起因する電圧ロスの発生を抑制して高出力とすることができる固体酸化物形燃料電池スタックおよび固体酸化物形燃料電池スタックの製造方法を提供する。【解決手段】第１の燃料電池セル積層体と第２の燃料電池セル積層体との間に設けられた放熱板を備え、第１の燃料電池セル積層体の放熱板に近い側に位置する第１のセパレータと放熱板との間に第１の絶縁板を設けるとともに、第２の燃料電池セル積層体の放熱板に近い側に位置する第２のセパレータと放熱板との間に第２の絶縁板を設け、第１のセパレータと第２のセパレータとが電気的に接続されてなる固体酸化物形燃料電池スタックとその製造方法である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の燃料電池セル積層体と、
第２の燃料電池セル積層体と、
前記第１の燃料電池セル積層体と、前記第２の燃料電池セル積層体と、の間に設けられた放熱板と、を備え、
前記第１の燃料電池セル積層体および前記第２の燃料電池セル積層体は、それぞれ、交互に積層された、固体酸化物形燃料電池セルと、セパレータと、を有し、
前記第１の燃料電池セル積層体は、前記放熱板に近い側に位置する第１のセパレータを有するとともに、
前記第２の燃料電池セル積層体は、前記放熱板に近い側に位置する第２のセパレータを有しており、
前記第１のセパレータと前記放熱板との間には第１の絶縁板が設けられ、
前記第２のセパレータと前記放熱板との間には第２の絶縁板が設けられており、
前記第１のセパレータと前記第２のセパレータとが電気的に接続されてなる、固体酸化物形燃料電池スタック。
【請求項２】
前記第１のセパレータと前記第２のセパレータとは銀線によって電気的に接続されてい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スタック。
【請求項３】
前記第１のセパレータ、前記第２のセパレータおよび前記放熱板は、それぞれ、同一の材質からなることを特徴とする、請求項１または２に記載の固体酸化物形燃料電池スタック。
【請求項４】
前記第１のセパレータ、前記第２のセパレータおよび前記放熱板は、それぞれ、ステンレスであることを特徴とする、請求項３に記載の固体酸化物形燃料電池スタック。
【請求項５】
請求項１から４のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池スタックを製造する方法であって、
前記第１の燃料電池セル積層体を形成する工程と、
前記第２の燃料電池セル積層体を形成する工程と、
前記第２の燃料電池セル積層体上に前記第２の絶縁板を設置する工程と、
前記第２の絶縁板上に前記放熱板を設置する工程と、
前記放熱板上に前記第１の絶縁板を設置する工程と、
前記第１の絶縁板上に前記第１の燃料電池セル積層体を設置する工程と、
前記第１のセパレータと前記第２のセパレータとを電気的に接続する工程と、を含む、固体酸化物形燃料電池スタックの製造方法。
【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スタックおよび固体酸化物形燃料電池スタックの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、燃料が有する化学エネルギを電気エネルギに変換する固体酸化物形燃料電池スタックは、高効率でクリーンな発電装置として注目されている。
【０００３】
図８に、従来の特許文献１に開示された固体酸化物形燃料電池スタックの模式的な斜視図を示す。図８に示すように、特許文献１に記載の固体酸化物形燃料電池スタックは、固体酸化物形燃料電池セル１０１とセパレータ１０２とが交互に積層された固体酸化物形燃料電池セル積層体１００と、固体酸化物形燃料電池セル２０１とセパレータ２０２とが交互に積層された固体酸化物形燃料電池セル積層体２００と、が放熱板３００を介して接続された構成を有している。
【０００４】
固体酸化物形燃料電池セル１０１，１０２は、それぞれ、酸化物イオン導電体からなる固体電解質層と、固体電解質層の両側にそれぞれ設けられた空気極層（カソード）と燃料極層（アノード）とを有している。そして、固体酸化物形燃料電池セル１０１，１０２のそれぞれの空気極層に空気が供給され、燃料極層に水素ガスが供給されることによって、以下に示す反応式（ｉ）および（ｉｉ）に従った化学反応により発電が行なわれる。
空気極層：１／２Ｏ2＋２ｅ-→Ｏ2-  …（ｉ）
燃料極層：Ｈ2＋Ｏ2-→Ｈ2Ｏ＋２ｅ-  …（ｉｉ）
そして、上記の発電により発生した電子が、図８の矢印に示すように、固体酸化物形燃料電池セル積層体１００から放熱板３００を介して固体酸化物形燃料電池セル積層体２００に流れ、固体酸化物形燃料電池スタックの外部に電気エネルギとして取り出される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−１８６５７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
電気エネルギを効率的に取り出すためには、固体酸化物形燃料電池スタックは、所定の温度範囲で運転されることが好ましい。しかしながら、固体酸化物形燃料電池スタックの運転時においては、固体酸化物形燃料電池スタックの積層方向の中央部の温度が端部の温度よりも高くなって上記の所定の温度範囲を超えてしまうことがある。
【０００７】
そのため、固体酸化物形燃料電池スタックの積層方向の中央部に放熱板３００を設置することによって、固体酸化物形燃料電池スタックの積層方向の中央部の温度を低下させている。
【０００８】
しかしながら、放熱板３００と固体酸化物形燃料電池セル１０１，２０１とは熱膨張係数が異なっているとともに、放熱板３００とセパレータ１０２，２０２とは形状の相違に起因して剛性が異なっている。これにより、固体酸化物形燃料電池スタックの運転時において放熱板３００の前後に配置されたセパレータ１０２，２０２に反りが生じることがあった。
【０００９】
このように、放熱板３００の上下にそれぞれ配置されたセパレータ１０２，２０２に反りが生じた場合には、セパレータ１０２，２０２と放熱板３００との接触面積が減少するため、放熱板３００とセパレータ１０２，２０２との接触箇所において電圧ロスが生じるという問題があった。
【００１０】
上記の事情に鑑みて、本発明の目的は、セパレータの反りに起因する電圧ロスの発生を抑制して高出力とすることができる固体酸化物形燃料電池スタックおよび固体酸化物形燃料電池スタックの製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、第１の燃料電池セル積層体と、第２の燃料電池セル積層体と、第１の燃料電池セル積層体と、第２の燃料電池セル積層体と、の間に設けられた放熱板と、を備え、第１の燃料電池セル積層体および第２の燃料電池セル積層体は、それぞれ、交互に積層された、固体酸化物形燃料電池セルと、セパレータと、を有し、第１の燃料電池セル積層体は、放熱板に近い側に位置する第１のセパレータを有するとともに、第２の燃料電池セル積層体は、放熱板に近い側に位置する第２のセパレータを有しており、第１のセパレータと放熱板との間には第１の絶縁板が設けられ、第２のセパレータと放熱板との間には第２の絶縁板が設けられており、第１のセパレータと第２のセパレータとが電気的に接続されてなる固体酸化物形燃料電池スタックである。
【００１２】
ここで、本発明の固体酸化物形燃料電池スタックにおいては、第１のセパレータと第２のセパレータとが銀線によって電気的に接続されていることが好ましい。
【００１３】
また、本発明の固体酸化物形燃料電池スタックにおいては、第１のセパレータ、第２のセパレータおよび放熱板は、それぞれ、同一の材質からなることが好ましい。
【００１４】
また、本発明の固体酸化物形燃料電池スタックにおいて、第１のセパレータ、第２のセパレータおよび放熱板は、それぞれ、ステンレスであることが好ましい。
【００１５】
さらに、本発明は、上記のいずれかの固体酸化物形燃料電池スタックを製造する方法であって、第１の燃料電池セル積層体を形成する工程と、第２の燃料電池セル積層体を形成する工程と、第２の燃料電池セル積層体上に第２の絶縁板を設置する工程と、第２の絶縁板上に放熱板を設置する工程と、放熱板上に第１の絶縁板を設置する工程と、第１の絶縁板上に第１の燃料電池セル積層体を設置する工程と、第１のセパレータと第２のセパレータとを電気的に接続する工程と、を含む、固体酸化物形燃料電池スタックの製造方法である。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、セパレータの反りに起因する電圧ロスの発生を抑制して高出力とすることができる固体酸化物形燃料電池スタックおよび固体酸化物形燃料電池スタックの製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本実施の形態の固体酸化物形燃料電池スタックの模式的な斜視図である。
【図２】本実施の形態の固体酸化物形燃料電池スタックの製造方法の一例の製造工程の一部を図解する模式的な斜視図である。
【図３】本実施の形態の固体酸化物形燃料電池スタックの製造方法の一例の製造工程の他の一部を図解する模式的な斜視図である。
【図４】本実施の形態の固体酸化物形燃料電池スタックの製造方法の一例の製造工程の他の一部を図解する模式的な斜視図である。
【図５】本実施の形態の固体酸化物形燃料電池スタックの製造方法の一例の製造工程の他の一部を図解する模式的な斜視図である。
【図６】本実施の形態の固体酸化物形燃料電池スタックの製造方法の一例の製造工程の他の一部を図解する模式的な斜視図である。
【図７】本実施の形態の固体酸化物形燃料電池スタックの製造方法の一例の製造工程の他の一部を図解する模式的な斜視図である。
【図８】従来の特許文献１に開示された固体酸化物形燃料電池スタックの模式的な斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、本発明の図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表わすものとする。
【００１９】
図１に、本発明の固体酸化物形燃料電池スタックの一例である本実施の形態の固体酸化物形燃料電池スタックの模式的な斜視図を示す。図１に示す固体酸化物形燃料電池スタックは、第１の燃料電池セル積層体１０と、第２の燃料電池セル積層体２０と、第１の燃料電池セル積層体１０と第２の燃料電池セル積層体２０との間に設けられた放熱板３０と、を備えている。
【００２０】
ここで、第１の燃料電池セル積層体１０は、固体酸化物形燃料電池セル１１と、セパレータ１２とが交互に積層されて構成されている。また、第２の燃料電池セル積層体２０は、固体酸化物形燃料電池セル２１と、セパレータ２２とが交互に積層されて構成されている。
【００２１】
また、第１の燃料電池セル積層体１０の放熱板３０に最も近い位置に配置されたセパレータ１２（以下、「第１のセパレータ１２」という。）と、放熱板３０との間には第１の絶縁板４０ａが設けられており、第２の燃料電池セル積層体２０の放熱板３０に最も近い位置に配置されたセパレータ２２（以下、「第２のセパレータ２２」という。）と、放熱板３０との間には第２の絶縁板４０ｂが設けられている。
【００２２】
さらに、第１の燃料電池セル積層体１０の第１のセパレータ１２と、第２の燃料電池セル積層体２０の第２のセパレータ２２とは配線５０によって電気的に接続されている。
【００２３】
本実施の形態の固体酸化物形燃料電池スタックにおいては、第１の燃料電池セル積層体１０の第１のセパレータ１２と放熱板３０との間に第１の絶縁板４０ａを設置するとともに、第２の燃料電池セル積層体２０の第２のセパレータ２２と放熱板３０との間に第２の絶縁板４０ｂを設置している。
【００２４】
さらに、第１の燃料電池セル積層体１０の第１のセパレータ１２と、第２の燃料電池セル積層体２０の第２のセパレータ２２とを配線５０によって接続することによってこれらの電気的な接続を担保している。
【００２５】
これにより、第１の燃料電池セル積層体１０の第１のセパレータ１２、および第２の燃料電池セル積層体２０の第２のセパレータ２２にそれぞれ反りが生じて、第１のセパレータ１２と放熱板３０との接触面積および第２のセパレータ２２と放熱板３０との接触面積がそれぞれ低減したとしても、配線５０によって第１のセパレータ１２と第２のセパレータ２２との電気的な接続が担保されているため、第１のセパレータ１２と第２のセパレータ２２との間で電圧のロスが発生しない。そのため、本実施の形態の固体酸化物形燃料電池スタックを従来よりも高出力のものにすることができる。
【００２６】
以下、図２〜図７の模式的な斜視図を参照して、本実施の形態の固体酸化物形燃料電池スタックの製造方法の一例について説明する。なお、後述する各工程間には、他の工程が含まれていてもよいことは言うまでもない。
【００２７】
まず、図２に示すように、第１の燃料電池セル積層体１０を形成する工程が行なわれる。第１の燃料電池セル積層体１０は、たとえば、第１のセパレータ１２上に、固体酸化物形燃料電池セル１１とセパレータ１２とを交互に積層することによって形成することができる。
【００２８】
ここで、固体酸化物形燃料電池セル１１とセパレータ１２との積層は、第１のセパレータ１２と、第１のセパレータ１２の直上の固体酸化物形燃料電池セル１１とを電気的に接続するとともに、第１のセパレータ１２上に位置する固体酸化物形燃料電池セル１１とセパレータ１２とも電気的に接続するようにして行なわれる。
【００２９】
また、図３に示すように、第２の燃料電池セル積層体２０を形成する工程が行なわれる。第２の燃料電池セル積層体２０は、たとえば、固体酸化物形燃料電池セル２１とセパレータ２２とを交互に積層していき、最も上方に位置する固体酸化物形燃料電池セル２１上に第２のセパレータ２２を設置することによって形成することができる。
【００３０】
ここで、固体酸化物形燃料電池セル２１とセパレータ２２との積層は、第２のセパレータ２２と、第２のセパレータ２２の直下の固体酸化物形燃料電池セル２１とを電気的に接続されるとともに、第２のセパレータ２２の下方に位置する固体酸化物形燃料電池セル２１とセパレータ２２とも電気的に接続するようにして行なわれる。
【００３１】
なお、第１の燃料電池セル積層体１０を形成する工程と、第２の燃料電池セル積層体２０を形成する工程とが行なわれる順序は特に限定されず、第１の燃料電池セル積層体１０を先に形成してもよく、第２の燃料電池セル積層体２０を先に形成してもよく、第１の燃料電池セル積層体１０と第２の燃料電池セル積層体２０とを同時に形成してもよい。
【００３２】
また、上記において、固体酸化物形燃料電池セル１１，２１としては、それぞれ、たとえば、燃料極と、空気極との間に固体酸化物からなる電解質を備えた構成のものを用いることができる。固体酸化物形燃料電池セル１１，２１の形状は、それぞれ、たとえば、多角形の表面を有する板状、または円板状などにすることができる。
【００３３】
ここで、燃料極としては、燃料極として機能するものであれば特に限定されず、たとえば、厚さ３０μｍ以上５０μｍ以下のＮｉのサーメットの燃料極などを用いることができる。
【００３４】
空気極としては、空気極として機能するものであれば特に限定されず、たとえば、厚さ３０μｍ以上５０μｍ以下のサマリウムストロンチウムコバルタイト（ＳＳＣ）からなる空気極などを用いることができる。
【００３５】
固体酸化物からなる電解質としては、空気極における電極反応によって生成した酸化物イオンなどのイオンを伝導できる固体酸化物であれば特に限定されず、たとえば、ジルコニア系酸化物、セリア系酸化物、ランタンガレート系酸化物、バリウムセレート系酸化物、バリウムジルコネート系酸化物、ストロンチウムセレート系酸化物、ストロンチウムジルコネート系酸化物、ランタンシリケート系酸化物などの電解質を特に限定なく用いることができる。なかでも、固体酸化物からなる電解質としては、下記の組成式（Ｉ）で表わされるランタンガレート系酸化物を用いることが好ましい。
【００３６】
Ｌａ1-sＳｒsＧａ1-(u+v)ＣｏuＭｇvＯw  …（Ｉ）
上記の組成式（Ｉ）において、ｓは０≦ｓ≦０．２５を満たす実数を示し、ｕは０≦ｕ≦０．１を満たす実数を示し、ｖは０．０５≦ｖ≦０．２５を満たす実数を示し、ｗは２．７≦ｗ≦３．０２５を満たす実数を示すことが好ましい。
【００３７】
固体酸化物からなる電解質の厚さは、たとえば、１５０μｍ以上２２０μｍ以下とすることができる。
【００３８】
セパレータ１２，２２、第１のセパレータ１２および第２のセパレータ２２としては、それぞれ、たとえば、厚さ２ｍｍ以上４ｍｍ以下のステンレスなどを用いることができる。セパレータ１２，２２、第１のセパレータ１２および第２のセパレータ２２の形状は、それぞれ、たとえば、多角形の表面を有する板状、または円板状などにすることができる。
【００３９】
次に、図４に示すように、第２の燃料電池セル積層体２０上に第２の絶縁板４０ｂを設置する工程が行なわれる。第２の燃料電池セル積層体２０上に第２の絶縁板４０ｂを設置する工程は、第２の燃料電池セル積層体２０の第２のセパレータ２２上に第２の絶縁板４０ｂを設置することにより行なわれる。
【００４０】
第２の絶縁板４０ｂとしては、第２のセパレータ２２と放熱板３０とを電気的に絶縁するものであれば特に限定されないが、第２のセパレータ２２と放熱板３０とを電気的に絶縁する一方で第２のセパレータ２２から放熱板３０に熱を移動させる材質を用いることが好ましい。このような第２の絶縁板４０ｂとしては、たとえば、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）などを用いることができる。
【００４１】
第２の絶縁板４０ｂの形状は、たとえば、多角形の表面を有する板状、または円板状とすることができる。また、第２の絶縁板４０ｂの厚さは、たとえば、１００μｍ以上２００μｍ以下とすることができる。
【００４２】
次に、図５に示すように、第２の絶縁板４０ｂ上に放熱板３０を設置する工程が行なわれる。
【００４３】
放熱板３０としては、たとえば、ステンレスなどを用いることができる。放熱板３０としては、たとえば、ステンレスなどからなる板状の上部部材と下部部材との間に、ステンレスなどからなる複数の柱状部材が互いに間隔を空けて放射状に配置されたものなどを用いることができる。
【００４４】
次に、図６に示すように、放熱板３０上に第１の絶縁板４０ａを設置する工程が行なわれる。
【００４５】
第１の絶縁板４０ａとしては、第１のセパレータ１２と放熱板３０とを電気的に絶縁するものであれば特に限定されないが、第１のセパレータ１２と放熱板３０とを電気的に絶縁するが第１のセパレータ１２から放熱板３０に熱を移動させる材質を用いることが好ましい。このような第１の絶縁板４０ａとしては、たとえば、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）などを用いることができる。
【００４６】
第１の絶縁板４０ａの形状は、たとえば、多角形の表面を有する板状、または円板状とすることができる。また、第１の絶縁板４０ａの厚さは、たとえば、１００μｍ以上２００μｍ以下とすることができる。
【００４７】
次に、図７に示すように、第１の絶縁板４０ａ上に第１の燃料電池セル積層体１０を設置する工程が行なわれる。第１の絶縁板４０ａ上に第１の燃料電池セル積層体１０を設置する工程は、第１の燃料電池セル積層体１０の第１のセパレータ１２が第１の絶縁板４０ａ側となるように、第１の絶縁板４０ａ上に第１の燃料電池セル積層体１０を設置することにより行なわれる。
【００４８】
その後、図１に示すように、第１の燃料電池セル積層体１０の第１のセパレータ１２と、第２の燃料電池セル積層体２０の第２のセパレータ２２とを配線５０で電気的に接続することによって、本実施の形態の固体酸化物形燃料電池スタックを製造することができる。
【００４９】
配線５０としては、第１のセパレータ１２と、第２のセパレータ２２とを電気的に接続するものであれば特に限定されないが、なかでも銀線を用いることが好ましい。配線５０に銀線を用いた場合には、第１のセパレータ１２と、第２のセパレータ２２との間の電圧ロスを抑えることができる傾向にある。
【００５０】
配線５０と第１のセパレータ１２との電気的な接続方法、および配線５０と第２のセパレータ２２との電気的な接続方法は、それぞれ、これらを電気的に接続する方法であれば特に限定されず、たとえば従来から公知の方法を用いることができる。
【００５１】
なお、上記において、第１のセパレータ１２、第２のセパレータ２２および放熱板３０は、それぞれ、同一の材質からなることが好ましい。この場合には、第１のセパレータ１２、第２のセパレータ２２および放熱板３０の材料コストを低減することができる傾向にある。
【００５２】
また、上記において、第１のセパレータ１２、第２のセパレータ２２および放熱板３０は、それぞれ、ステンレスであることが好ましい。この場合には、固体酸化物形燃料スタックの発電時における第１のセパレータ１２、第２のセパレータ２２および放熱板３０のそれぞれの導電性が向上する傾向にある。
【００５３】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
本発明は、固体酸化物形燃料電池スタックおよび固体酸化物形燃料電池スタックの製造方法に利用することができる。
【符号の説明】
【００５５】
１０  第１の燃料電池セル積層体、１１，２１  固体酸化物形燃料電池セル、１２，２２  セパレータ、２０  第２の燃料電池セル積層体、３０  放熱板、４０ａ  第１の絶縁板、４０ｂ  第２の絶縁板、５０  配線、１００，２００  固体酸化物形燃料電池セル積層体、１０１，２０１  固体酸化物形燃料電池セル、１０２，２０２  セパレータ、３００  放熱板。
【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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【図７】
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【図８】
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