(57)【要約】【課題】ガスリークの発生を抑制する燃料電池を提供する。【解決手段】燃料電池３００は、発電素子部１０と、支持基板２０とを備えている。発電素子部１０は、燃料極４、電解質５、及び空気極６を有する。支持基板２０は、長手方向に延びるガス流路２４を内部に有する。支持基板２０は、発電素子部１０を支持する。支持基板２０は、長手方向において、第１端部２１と第２端部２２とを有する。第１端部２１は、燃料マニホールド２００に取り付けられるよう構成されている。第２端部２２は、第１端部２１と反対側に配置される。第１端部２１の幅Ｗ１は、支持基板２０の長手方向における中央部２３の幅Ｗ３よりも狭い。【選択図】図５
2017017015.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料マニホールドに取り付け可能な燃料電池であって、
燃料極、電解質、及び空気極を有する発電素子部と、
長手方向に延びるガス流路を内部に有し、前記発電素子部を支持する支持基板と、
を備え、
前記支持基板は、長手方向において、前記燃料マニホールドに取り付けられるよう構成された第１端部と、前記第１端部と反対側に配置される第２端部とを有し、
前記第１端部の幅は、前記支持基板の長手方向における中央部の幅よりも狭い、
燃料電池。
【請求項２】
前記第２端部の幅は、前記中央部の幅よりも狭い、
請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記第１端部の最大厚さは、前記中央部の最大厚さよりも小さい、
請求項１又は２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記中央部の幅Ｗ３に対する前記第１端部の幅Ｗ１の割合Ｗ１／Ｗ３は、９５．８〜９９．８である、
請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
固体酸化物形燃料電池は、発電素子部と、この発電素子部を支持する支持基板とを備えている（例えば特許文献１参照）。発電素子部は、燃料極、固体電解質、及び空気極を有しており、この順で支持基板上に積層されている。支持基板は、長手方向に延びるガス流路を内部に有しており、発電素子部に燃料ガスを供給する機能を有する。
【０００３】
このように構成された固体酸化物形燃料電池は燃料マニホールドに取り付けられている。具体的には、支持基板の長手方向の一方の端部が、燃料マニホールドに形成された挿入孔に差し込まれている。支持基板の一方の端部は、接合材によって燃料マニホールドに固定される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２−９２２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述したような燃料電池において、接合材が使用された接合部からのガスリークを防止することが好ましい。そこで、本発明の課題は、ガスリークの発生を低減する燃料電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明のある側面に係る燃料電池は、燃料マニホールドに取り付け可能である。この燃料電池は、発電素子部と、支持基板とを備えている。発電素子部は、燃料極、電解質、及び空気極を有する。支持基板は、長手方向に延びるガス流路を内部に有する。支持基板は、発電素子部を支持する。支持基板は、長手方向において、第１端部と第２端部とを有する。第１端部は、燃料マニホールドに取り付けられるよう構成されている。第２端部は、第１端部と反対側に配置される。第１端部の幅は、支持基板の長手方向における中央部の幅よりも狭い。
【０００７】
好ましくは、第２端部の幅は、中央部の幅よりも狭い。
【０００８】
好ましくは、第１端部の最大厚さは、中央部の最大厚さよりも小さい。焼成前の支持基板において第１端部の最大厚さと中央部の最大厚さが同じである場合、焼成後の支持基板の第１端部の最大厚さが中央部の最大厚さよりも小さいことは、第１端部の気孔率が中央部の気孔率よりも小さいことを意味する。このように、第１端部の気孔率が小さいと、第１端部の強度は高くなり、ひいては支持基板を燃料マニホールドへの接合時の破損を抑制することができる。
【０００９】
好ましくは、中央部の幅Ｗ３に対する第１端部の幅Ｗ１の割合Ｗ１／Ｗ３は、９５．８〜９９．８である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係る燃料電池によれば、ガスリークの発生を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】燃料電池のスタック構造を示す斜視図。
【図２】燃料マニホールドを示す斜視図。
【図３】燃料マニホールドに取り付けられた状態の各固体酸化物形燃料電池の正面図。
【図４】固体酸化物形燃料電池を示す斜視図。
【図５】支持基板を示す平面図。
【図６】固体酸化物形燃料電池を示す断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明に係る燃料電池の実施形態について図面を参照しつつ説明する。なお、以下の説明において、特に断りの無い限り、長手方向とは支持基板の長手方向を意味し、横方向は支持基板の横方向を意味し、厚さ方向は支持基板の厚さ方向を意味する。なお、各図のＸは長さ方向、Ｙは横方向、Ｚは厚さ方向を示す。
【００１３】
図１は燃料電池のスタック構造を示す斜視図である。図１に示すように、スタック構造体１００は、燃料マニホールド２００と、複数の固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）３００と、を備えている。
【００１４】
図２は、燃料マニホールドを示す斜視図である。図２に示すように、燃料マニホールド２００は、燃料ガスを各固体酸化物形燃料電池３００に分配するように構成されている。燃料マニホールド２００は、中空状であり内部空間を有している。燃料マニホールド２００の内部空間には、導入管２０１を介して燃料ガスが供給される。燃料マニホールド２００は、複数の挿入孔２０２を有している。各挿入孔２０２は、燃料マニホールド２００の内部空間と外部とを連通する。この各挿入孔２０２に、固体酸化物形燃料電池３００が挿入される。
【００１５】
図１に示すように、固体酸化物形燃料電池３００は、燃料マニホールド２００に取り付け可能である。詳細には、図３に示すように、固体酸化物形燃料電池３００は、燃料マニホールド２００の挿入孔２０２に挿入される。固体酸化物形燃料電池３００は、挿入孔２０２に挿入された状態で、接合材１０１によって燃料マニホールド２００に固定されている。接合材１０１は、例えば、固体酸化物形燃料電池３００と挿入孔２０２の隙間に充填される。
【００１６】
接合材１０１は、例えば、結晶化ガラスで構成される。結晶化ガラスとしては、例えば、ＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３系、ＳｉＯ２−ＣａＯ系、又はＳｉＯ２−ＭｇＯ系が採用され得る。なお、本明細書では、結晶化ガラスとは、全体積に対する「結晶相が占める体積」の割合（結晶化度）が６０％以上であり、全体積に対する「非晶質相及び不純物が占める体積」の割合が４０％未満のガラスを指す。なお、接合材１０１の材料として、非晶質ガラス、ろう材、セラミックス等が採用されてもよい。
【００１７】
図４に示すように、固体酸化物形燃料電池３００は、複数の発電素子部１０と、支持基板２０とを備えている。発電素子部１０は、支持基板２０の両面に支持されている。なお、各発電素子部１０は、電気的接続部３０（図６参照）によって互いに電気的に接続されている。
【００１８】
図５に示すように、支持基板２０は、長手方向において、第１端部２１と第２端部２２とを有している。第１端部２１は、燃料マニホールド２００に取り付けられる端部である。第２端部２２は、第１端部２１の反対側に配置される端部である。すなわち、固体酸化物形燃料電池３００を燃料マニホールド２００に取り付けた状態において、支持基板２０の第２端部２２は、燃料マニホールド２００から離れた位置の端部である。
【００１９】
第１端部２１の幅Ｗ１及び第２端部２２の幅Ｗ２は、中央部２３の幅Ｗ３よりも狭い。例えば、中央部２３の幅Ｗ３に対する第１端部２１の幅Ｗ１の割合（Ｗ１／Ｗ３）は、９５．８〜９９．８％程度である。同様に、中央部２３の幅Ｗ３に対する第２端部２２の幅Ｗ２の割合（Ｗ２／Ｗ３）も、９５．８〜９９．８％程度である。ここで、幅とは、支持基板２０の横方向の長さを言う。
【００２０】
第１端部２１の幅Ｗ１、第２端部２２の幅Ｗ２、及び中央部２３の幅Ｗ３は、支持基板２０の切断面に基づいて、顕微鏡によって測定する。なお、支持基板２０の切断面は、支持基板２０の主面に平行な面によって支持基板２０を切断した面である。支持基板２０の切断面は、支持基板２０の厚さ方向（ｚ軸方向）の中心を通っている。支持基板２０の外周面に緻密膜などがコーティングされている場合、その緻密膜などを除いた支持基板２０単体の幅を測定する。
【００２１】
詳細には、第１端部２１の幅Ｗ１は、支持基板２０の燃料マニホールド２００側の端縁から５ｍｍの位置で測定した幅であり、第２端部２２の幅Ｗ２は、支持基板２０のもう一方の端縁から５ｍｍの位置で測定した幅である。また、中央部２３の幅Ｗ３は、支持基板２０の長手方向の中央における幅である。なお、各幅Ｗ１〜Ｗ３は、焼成後の支持基板２０の幅を示す。
【００２２】
図４に示すよう支持基板２０は、長手方向に延びる複数のガス流路２４を内部に有している。各ガス流路２４は、互いに実質的に平行に延びている。また、支持基板２０は、第１主面２５及び第２主面２６を有している。第１主面２５及び第２主面２６は、長手方向及び横方向に延びる面であり、互いに実質的に平行に延びている。この第１及び第２主面２５，２６上に各発電素子部１０が支持されている。
【００２３】
図６に示すように、支持基板２０は、第１主面２５に複数の第１凹部２７を有しており、第２主面２６に、複数の第２凹部２８を有している。各第１凹部２７は長手方向において互いに間隔をあけて配置されている。同様に、第２凹部２８は長手方向において互いに間隔をあけて配置されている。なお、各第１凹部２７及び各第２凹部２８は、支持基板２０の横方向の両端部には形成されていない。
【００２４】
図４に示すように、支持基板２０の第１端部２１の最大厚さｔ１は、中央部２３の最大厚さｔ３よりも小さい。例えば、第１端部２１の最大厚さｔ１は、中央部２３の最大厚さｔ３の９５．０〜９９．９％程度である。支持基板２０の第２端部２２の最大厚さｔ２も、中央部２３の最大厚さｔ３よりも小さい。例えば、第２端部２２の最大厚さｔ２は、中央部２３の最大厚さｔ３の９５．０〜９９．９％程度である。ここで、厚さとは、支持基板２０の厚さ方向の長さであり、第１主面２５と第２主面２６との距離を言う。第１端部２１の最大厚さｔ１は、支持基板２０の燃料マニホールド２００側の端縁から５ｍｍの位置において、最も厚い厚さである。第２端部２２の最大厚さｔ２は、支持基板２０のもう一方の端縁から５ｍｍの位置において、最も厚い厚さである。支持基板２０の中央部２３の最大厚さｔ３は、支持基板２０の長手方向の中央部の位置において、最も厚い厚さである。中央部２３の最大厚さｔ３は、中央部２３のうち、第１及び第２凹部２７，２８が形成されていない箇所で測定している。なお、最大厚さｔ１〜ｔ３は、支持基板２０の長手方向と垂直方向に破断することにより得た断面の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）の写真から求めることができる。なお、各最大厚さｔ１〜ｔ３は、焼成後の支持基板２０の各最大厚さを示す。また、焼成前の支持基板２０では、各最大厚さｔ１〜ｔ３は、互いに実質的に同じである。
【００２５】
支持基板２０は、電子伝導性を有さない多孔質の材料によって構成される。支持基板２０は、例えば、ＣＳＺ（カルシア安定化ジルコニア）から構成され得る。或いは、支持基板２０は、ＮｉＯ（酸化ニッケル）とＹＳＺ（８ＹＳＺ）（イットリア安定化ジルコニア）とから構成されてもよいし、ＮｉＯ（酸化ニッケル）とＹ２Ｏ３（イットリア）とから構成されてもよいし、ＭｇＯ（酸化マグネシウム）とＭｇＡｌ２Ｏ４（マグネシアアルミナスピネル）とから構成されてもよい。支持基板２０の気孔率は、例えば、２０〜６０％程度である。支持基板２０の第１端部２１の気孔率は、中央部２３の気孔率よりも小さいことが好ましい。同様に、第２端部２２の気孔率は、中央部２３の気孔率よりも小さいことが好ましい。
【００２６】
図６に示すように、各発電素子部１０は、燃料極４、電解質５、及び空気極６を有している。また、各発電素子部１０は、反応防止膜７をさらに有している。燃料極４は、電子伝導性を有する多孔質の材料からなる焼成体である。燃料極４は、燃料極集電部４１と燃料極活性部４２とを有する。
【００２７】
燃料極集電部４１は、第１及び第２凹部２７，２８内に配置されている。詳細には、燃料極集電部４１は、第１及び第２凹部２７，２８内に充填されており、第１及び第２凹部２７，２８と同様の外形を有する。各燃料極集電部４１は、第３凹部４１ａ及び第４凹部４１ｂを有している。燃料極活性部４２は、第３凹部４１ａ内に配置されている。詳細には、燃料極活性部４２は、第３凹部４１ａ内に充填されている。
【００２８】
燃料極集電部４１は、例えば、ＮｉＯ（酸化ニッケル）とＹＳＺ（８ＹＳＺ）（イットリア安定化ジルコニア）とから構成され得る。或いは、燃料極集電部４１は、ＮｉＯ（酸化ニッケル）とＹ２Ｏ３（イットリア）とから構成されてもよいし、ＮｉＯ（酸化ニッケル）とＣＳＺ（カルシア安定化ジルコニア）とから構成されてもよい。燃料極集電部４１の厚さ、並びに第1及び第２凹部２７，２８の深さは、５０〜５００μｍ程度である。
【００２９】
燃料極活性部４２は、例えば、ＮｉＯ（酸化ニッケル）とＹＳＺ（８ＹＳＺ）（イットリア安定化ジルコニア）とから構成され得る。或いは、燃料極活性部４２は、ＮｉＯ（酸化ニッケル）とＧＤＣ（ガドリニウムドープセリア）とから構成されてもよい。燃料極活性部４２の厚さは、５〜３０μｍである。
【００３０】
電解質５は、燃料極４上を覆うように配置されている。詳細には、電解質５は、一のインターコネクタ３１から他のインターコネクタ３１まで長手方向に延びている。すなわち、長手方向において、電解質５とインターコネクタ３１とが交互に配置されている。
【００３１】
電解質５は、イオン伝導性を有し且つ電子伝導性を有さない緻密な材料からなる焼成体である。電解質５は、例えば、ＹＳＺ（８ＹＳＺ）（イットリア安定化ジルコニア）から構成され得る。或いは、ＬＳＧＭ（ランタンガレート）から構成されてもよい。電解質５の厚さは、例えば、３〜５０μｍ程度である。
【００３２】
反応防止膜７は、緻密な材料からなる焼成体であり、平面視において、燃料極活性部４２と略同一の形状である。反応防止膜７は、電解質５を介して、燃料極活性部４２と対応する位置に配置されている。反応防止膜７は、電解質５内のＹＳＺと空気極６内のＳｒとが反応して電解質５と空気極６との界面に電気抵抗が大きい反応層が形成される現象の発生を抑制するために設けられている。反応防止膜７は、例えば、ＧＤＣ＝（Ｃｅ，Ｇｄ）Ｏ２（ガドリニウムドープセリア）から構成され得る。反応防止膜７の厚さは、例えば、３〜５０μｍ程度である。
【００３３】
空気極６は、反応防止膜７上に配置されている。空気極６は、電子伝導性を有する多孔質の材料からなる焼成体である。空気極６は、例えば、ＬＳＣＦ＝（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｃｏ，Ｆｅ）Ｏ３（ランタンストロンチウムコバルトフェライト）から構成され得る。或いは、ＬＳＦ＝（Ｌａ，Ｓｒ）ＦｅＯ３（ランタンストロンチウムフェライト）、ＬＮＦ＝Ｌａ（Ｎｉ，Ｆｅ）Ｏ３（ランタンニッケルフェライト）、ＬＳＣ＝（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｏＯ３（ランタンストロンチウムコバルタイト）等から構成されてもよい。また、空気極６は、ＬＳＣＦからなる第１層（内側層）とＬＳＣからなる第２層（外側層）との２層によって構成されてもよい。空気極６の厚さは、例えば、１０〜１００μｍである。
【００３４】
電気的接続部３０は、隣り合う発電素子部１０を電気的に接続するように構成されている。電気的接続部３０は、インターコネクタ３１及び空気極集電膜３２を有する。インターコネクタ３１は、第４凹部４１ｂ内に配置されている。詳細には、インターコネクタ３１は、第４凹部４１ｂ内に埋設（充填）されている。インターコネクタ３１は、電子伝導性を有する緻密な材料からなる焼成体である。インターコネクタ３１は、例えば、ＬａＣｒＯ３（ランタンクロマイト）から構成され得る。或いは、（Ｓｒ，Ｌａ）ＴｉＯ３（ストロンチウムチタネート）から構成されてもよい。インターコネクタ３１の厚さは、例えば、１０〜１００μｍである。
【００３５】
空気極集電膜３２は、隣り合う発電素子部１０のインターコネクタ３１と空気極６との間を延びるように配置される。例えば、図６の左側に配置された発電素子部１０の空気極６と、図６の右側に配置された発電素子部１０のインターコネクタ３１とを電気的に接続するように、空気極集電膜３２が配置されている。空気極集電膜３２は、電子伝導性を有する多孔質の材料からなる焼成体である。
【００３６】
空気極集電膜３２は、例えば、ＬＳＣＦ＝（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｃｏ，Ｆｅ）Ｏ３（ランタンストロンチウムコバルトフェライト）から構成され得る。或いは、ＬＳＣ＝（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｏＯ３（ランタンストロンチウムコバルタイト）から構成されてもよい。或いは、Ａｇ（銀）、Ａｇ−Ｐｄ（銀パラジウム合金）から構成されてもよい。空気極集電膜３２の厚さは、例えば、５０〜５００μｍ程度である。
【００３７】
以上、説明した固体酸化物形燃料電池３００に対して、支持基板２０の燃料ガス流路２４内に燃料ガス（水素ガス等）を流すとともに、支持基板２０の上下面を酸素を含むガス（空気等）に曝すことにより、電解質５の両側面間に生じる酸素分圧差によって起電力が発生する。更に、この構造体を外部の負荷に接続すると、空気極６において下記（１）式に示す化学反応が起こり、燃料極４において下記（２）式に示す化学反応が起こり、電流が流れる。
（１／２）・Ｏ２＋２ｅ−→Ｏ２−      …（１）
Ｈ２＋Ｏ２−→Ｈ２Ｏ＋２ｅ−          …（２）
【００３８】
上記実施形態によれば、第１端部２１の幅Ｗ１は中央部２３の幅Ｗ３よりも狭い。このため、第１端部２１の幅Ｗ１と中央部２３の幅Ｗ３とが同じ燃料電池に比べて、本実施形態に係る燃料電池３００は、支持基板２０の第１端部２１と燃料マニホールド２００との接合部を小さくすることができる。この結果、この接合部からのガスリークの発生を低減することができる。また、中央部２３の幅Ｗ３は第１端部２１の幅Ｗ１よりも広いため、発電素子１０を支持する領域を十分に確保することができる。
【００３９】
また、第１端部２１の最大厚さｔ１は、中央部２３の最大厚さｔ３よりも小さい。焼成前の支持基板２０において第１端部２１の最大厚さと中央部２３の最大厚さが同じであれば、焼成後の支持基板２０の第１端部の最大厚さｔ１が中央部２３の最大厚さｔ３よりも小さいことは、第１端部２１の気孔率が中央部２３の気孔率よりも小さいことを意味する。このため、第１端部２１の強度が高くなり、接合時の破損を抑制することができる。また、中央部２３の気孔率は第１端部２１の気孔率よりも大きいため、燃料極４に対して燃料ガスを十分に供給することができる。
【００４０】
［変形例］
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。
【００４１】
例えば、上記実施形態では、第２端部２２の幅ｔ２は中央部２３の幅ｔ３よりも小さいが、第２端部の幅ｔ２は中央部２３の幅ｔ３と同じ又は幅ｔ３よりも大きくてもよい。
【実施例】
【００４２】
以下に実施例及び比較例を示して、本発明をさらに具体的に説明する。なお、本発明は、下記実施例に限定されるものではない。
【００４３】
（実験Ａ）
第１端部２１の幅W１及び中央部２３の幅Ｗ３が異なる複数の支持基板２０をサンプルＮｏ．１〜Ｎｏ．１０として作製し、各支持基板２０を燃料マニホールド２００の挿入孔２０２に挿入し、接合材１０１で固定してガスリークについて評価した。各支持基板２０の第１端部２１の幅W１、中央部２３の幅Ｗ３、及びガスリークの評価結果を表１に示す。なお、表１の各幅は、焼成後の支持基板２０を切断し、その切断面に基づいて顕微鏡によって計測した結果である。また、第１端部２１の幅W１は端縁から５ｍｍの箇所における幅である。そして、中央部２３の幅Ｗ３は、支持基板２０の長さ方向の中央における幅である。接合材１０１によって、各支持基板２０を燃料マニホールド２００に固定した。
【００４４】
【表１】
2017017015.tif 000003
【００４５】
表１より明らかなように、第１端部２１の幅W１を中央部２３の幅Ｗ３よりも小さくすることによって、接合時の接合部でのクラックが抑制できることが分かる。すなわち、ガスリークの発生を低減できることが分かる。
【符号の説明】
【００４６】
４    燃料極
５    電解質
６    空気極
１０    発電素子
２０    支持基板
２１    第１端部
２２    第２端部
２３    中央部
【図１】
2017017015.tif 000004
【図２】
2017017015.tif 000005
【図３】
2017017015.tif 000006
【図４】
2017017015.tif 000007
【図５】
2017017015.tif 000008
【図６】
2017017015.tif 000009
【手続補正書】
【提出日】平成28年10月7日(2016.10.7)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料マニホールドに取り付け可能な燃料電池であって、
燃料極、電解質、及び空気極を有する発電素子部と、
長手方向に延びるガス流路を内部に有し、前記発電素子部を支持する支持基板と、
を備え、
前記支持基板は、長手方向において、前記燃料マニホールドに取り付けられるよう構成された第１端部と、前記第１端部と反対側に配置される第２端部とを有し、
前記第１端部の幅は、前記支持基板の長手方向における中央部の幅よりも狭く、
前記支持基板の幅は、前記中央部から前記第１端部にかけて漸減している、
燃料電池。
【請求項２】
前記第２端部の幅は、前記中央部の幅よりも狭い、
請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記第１端部の最大厚さは、前記中央部の最大厚さよりも小さい、
請求項１又は２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記中央部の幅Ｗ３に対する前記第１端部の幅Ｗ１の割合Ｗ１／Ｗ３は、９５．８〜９９．８％である、
請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池。