(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも燃料極、固体電解質、及び空気極を具えたセルが、直列接続及び並列接続する固体電解質型燃料電池のセル接続方法において、前記並列接続は、通気性の導電材により３つ以上のセルを電気的に接続して行い、
該固体電解質型燃料電池のセル接続方法により、前記各セルが前記通気性の導電材によって直列及び並列に接続されてなり、
前記通気性の導電材は、平行に配列した複数の長尺平板形状体から構成されることを特徴とする、固体電解質型燃料電池のスタック構造。
【請求項２】
前記通気性の導電材は、単一の長尺平板形状体であることを特徴とする、請求項１に記載の固体電解質型燃料電池のスタック構造。
【請求項３】
前記通気性の導電材は、複数の長尺平板形状体が平行に配列してなる層を、前記長尺平板形状体が互いに交差するように複数積層させてなる井桁状を呈することを特徴とする、請求項１に記載の固体電解質型燃料電池のスタック構造。
【請求項４】
前記スタック構造は、前記セルを収容する容器を具えており、この容器が少なくとも前記セルの前記燃料極側に電気的に接続されている一方の集積板、前記セルの前記空気極側に電気的に接続されている他方の集積板、及び前記一方の集電板と前記他方の集電板とを絶縁するための絶縁部材からなり、前記容器と前記セルの間には、一方の発電用ガスを流すためのガス通路が設けられていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一に記載の固体電解質型燃料電池のスタック構造。
【請求項５】
前記セルには前記一方の発電用ガスと異なる発電用ガスを流すためのガス通路が複数個設けられており、このガス通路はそれぞれ前記セルの端部に開口しており、かつ前記セルに対して、それぞれ前記一方の発電用ガスと異なる発電用ガスを供給するためのガス供給管と、このガス供給管を前記セルの端部に対して気密に取り付けるためのマニホールドとを具えており、前記ガス供給管から前記ガス通路に対して前記マニホールドを介して、前記一方の発電用ガスと異なる発電用ガスを供給することを特徴とする、請求項４に記載の固体電解質型燃料電池のスタック構造。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体電解質型燃料電池のスタック構造に関し、さらに詳しくは、発電装置などに好適に使用することのできる固体電解質型燃料電池のスタック構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体電解質型燃料電池を構成するセルは、開回路において約１Ｖ、電流密度も数１００ｍＡ／ｃｍ2 であるため、実際の使用に際しては、このようなセルを直列及び並列に接続して使用する。
従来の代表的な直列及び並列の接続方法としては、各セルをニッケルフェルトなどの通気性の導電材を用いて直列に接続し、直列接続のスタック構造を形成した後、各スタック構造を構成するセルの側端部を前記同様の通気性の導電材を用いて接続し、最終的なスタック構造を形成する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のような方法で直列及び並列に接続したスタック構造を形成した場合、直列のスタック構造を構成するセルの１つに異常が発生して、電気的に絶縁されてしまうと、このセルを含んでなる直列のスタック構造には電流が流れないことになり、その結果発電が停止してしまうという問題があった。
また、発電中におけるスタック構造内の温度は、スタック構造の中心部分において高く、周辺部では低くなっている。その結果、発電性能に偏りが生じるため、スタック構造全体としての発電効率が低下するという問題もあった。
さらに、大電流密度の発電においては、前記したように中心部分の温度が著しく高くなるため、この温度に起因した熱応力によって中心部分のセルが破壊し、上記のように発電が停止するという問題も生じていた。
【０００４】
本発明の目的は、新しい固体電解質型燃料電池のスタック構造を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、
少なくとも燃料極、固体電解質、及び空気極を具えたセルが、直列接続及び並列接続する固体電解質型燃料電池のセル接続方法において、前記並列接続は、通気性の導電材により３つ以上のセルを電気的に接続して行い、該固体電解質型燃料電池のセル接続方法により、前記各セルが前記通気性の導電材によって直列及び並列に接続されてなり、前記通気性の導電材は、平行に配列した複数の長尺平板形状体から構成されることを特徴とする、固体電解質型燃料電池のスタック構造である。
【０００７】
図１は本発明のスタック構造の概略を示す断面図である。図１に示すように、本発明のスタック構造においては、通気性の導電材４Ａ、４Ｂ、及び４Ｃは、セル１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、セル１Ｄ、１Ｅ、１Ｆ、及びセル１Ｇ、１Ｈ、１Ｉを直列に接続して、直列接続構造１２を形成する。さらに通気性の導電材４Ａ、４Ｂ、及び４Ｃは、図１に示すスタック構造において、並列接続を行うスタックの幅方向に延在させて、セル１Ａ、１Ｄ、１Ｇ、セル１Ｂ、１Ｅ、１Ｆ、及びセル１Ｃ、１Ｆ、１Ｉを並列に接続して、並列接続構造１３を形成する。
【０００８】
したがって、例えば、セル１Ｂにおいて異常が発生して電気的に絶縁されても、セル１Ａとセル１Ｃとは、通気性の導電材４Ｂ、４Ｃ及びセル１Ｅを介して電気的に接続され、発電が停止するという問題を回避することができる。
また、大電流密度の発電においても、通気性の導電材４Ａ、４Ｂ、及び４Ｃを通過する燃料ガスの冷却作用によって、スタック構造の中心部分（例えば、図１のセル１Ｄ、１Ｅ、１Ｆ）における著しい発熱を抑制することができ、これらの破壊を防止することができる。
【０００９】
同様に、スタック構造の中心部分で発生した熱を、スタック構造の周辺部分（例えば、図１のセル１Ａ、１Ｂ、１Ｃ）へ通気性の高い熱伝導性を利用して伝導させることができるため、スタック構造内の温度分布はより均一な状態へと移行する。このため、発電性能の偏りが解消され、スタック構造全体の発電効率を向上させることができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を発明の実施の形態に則して詳細に説明する。本発明のスタック構造においては、通気性の導電材により３つ以上のセルを電気的に接続して、並列接続を行う。上記のような並列接続の具体的な方法は特に限定されるものではないが、図１に示すように、直列接続に使用する通気性の導電材４Ａ、４Ｂ、及び４Ｃを、スタック構造内で幅方向に延在させて並列接続を行うことにより、容易に実施することができる。
【００１１】
また、この通気性の導電材４Ａ、４Ｂ、及び４Ｃの形状は、上述したように、セル１Ａ〜１Ｉを直列及び並列に接続できれば特に限定されるものではない。具体的には、並列に配列したセル１Ａ、１Ｄ、１Ｇ、セル１Ｂ、１Ｅ、１Ｆ、及びセル１Ｃ、１Ｆ、１Ｉの全体を覆うように単一の長尺平板形状とすることもできるし、図２に示すように、平行に配列した複数の長尺板形状の通気性の導電材４Ａ−１、４Ｂ−１、及び４Ｃ−１が、直列に接続されたセル１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、セル１Ｄ、１Ｅ、１Ｆ、及びセル１Ｇ、１Ｈ、１Ｉの全体に亘って延在するような構成とすることもできる。
【００１２】
通気性の導電材を図２に示すような構成にすることにより、クッション機能を高めることができる。すなわち、セルが温度変化によって伸縮してセル間の距離が変化すると、これに対応して通気性の導電材も縮む必要があるが、セルの温度変化が大きく、セル間の距離の変化が大きい場合においても、通気性の導電材は十分これに対応して縮むことができ、セルとフェルトの接触不良による性能低下、及びセルの破壊などの発生を抑制することができる。
【００１３】
また、図３に示すように、上記のようにして通気性の導電材４Ａ−２、４Ｂ−２、及び４Ｃ−２を延在させた後、これと交差するように通気性の導電材４ａ、４ｂ、及び４ｃを通気性の導電材４Ａ−２、４Ｂ−２、及び４Ｃ−２上に積層させて、井桁状とすることもできる。
【００１４】
通気性の導電材を図３に示すような構成とすることにより、以下のような効果がある。
燃焼して反応が終了した燃料ガスは、通気性の導電材中を通って廃棄される。この反応済みの燃料ガスには反応生成物が混在しており、上記廃棄工程おいて、セルの電極近傍に堆積しセル電圧の低下という問題を引き起こす。これを回避するためには、反応済みの燃料ガスに未反応の新鮮な燃料ガスを混合させる必要がある。
この場合において、通気性の導電材を図３に示すような井桁状に形成すると、通気性の導電材中を通過した後の燃料ガスは乱流となるので、上述した混合を容易に行うことができ、セル電圧の低下という問題を容易に回避することができる。
なお、図２及び３では、理解を容易にするため、図１に示す一方の集電板２及び絶縁壁５については省略して記載している。
【００１５】
単一の長尺平板形状、及び図２に示す平行に配列した複数の長尺平板形状の場合、通気性の導電材４Ａ、４Ｂ、及び４Ｃ、並びに４Ａ−１、４Ｂ−１、及び４Ｃ−１の厚さは、１〜１０ｍｍであることが好ましく、さらには２〜５ｍｍであることが好ましい。また、図３に示す井桁状の場合は、通気性の導電材４Ａ−２、４Ｂ−２、及び４Ｃ−２、並びに通気性の導電材４ａ、４ｂ、及び４ｃの厚さは、０．５〜５ｍｍであることが好ましく、さらには１〜２．５ｍｍであることが好ましい。
【００１６】
図３においては、通気性の導電材４Ａ−２、４Ｂ−２、及び４Ｃ−２、並びに通気性の導電材４ａ、４ｂ、及び４ｃからなる２層の井桁についてのみ示しているが、井桁はこのように２層に限定されるものではなく、３〜１０層の井桁形状にすることもできる。しかしながら、３層以上の井桁とした場合、発電効率の観点から、全体の厚さは１〜１０ｍｍであることが好ましい。
【００１７】
通気性の導電材４Ａ、４Ｂ、及び４Ｃ、４Ａ−１、４Ｂ−１、及び４Ｃ−１、４Ａ−２、４Ｂ−２、及び４Ｃ−２並びに通気性の導電材４ａ、４ｂ、及び４ｃとして使用することのできる材料は、高温の燃料雰囲気で電気伝導性が高く、圧力により縮むものであれば特に限定されるものではないが、ニッケルフェルトなどの金属繊維、ニッケルスポンジなどの金属多孔体などが好ましくは用いられる。
【００１８】
本発明のスタック構造を構成するセルの燃料極６として使用することのできる材料としては、酸化触媒であれば特に限定されるものではないが、水素の酸化性能の観点から、ニッケル、酸化ニッケル、パラジウム、白金、ニッケルージルコニア、パラジウムージルコニア、白金−ジルコニア、ニッケルーセリア、酸化ニッケルーセリア、パラジウムーセリア、白金−セリアなどの金属または各サーメットが好ましい。これらはスクリーン印刷やプラズマ溶射により、２０〜１００μｍの厚さの薄膜状に形成する。
【００１９】
固体電解質７として使用することのできる材料は、イオン導電性材料であれば特に限定されるものではないが、酸素イオン導電性が高く、輸率が１に近いの理由から、イットリア安定化ジルコニア及びイットリア部分安定化ジルコニアが好ましい。これらについても、スクリーン印刷やプラズマ溶射により、５０〜１００μｍの厚さの薄膜状に形成する。
【００２０】
空気極８として使用することのできる材料としては、還元触媒であれば特に限定されるものではないが、酸素の還元性能の観点から、ランタンを含有するペロブスカイト型複合酸化物が好ましく、これらの中でもランタンマンガナイト及びランタンコバルタイトがさらに好ましい。また、電気伝導性の向上やジルコニアとの熱膨張係数の整合の目的のため、上記ランタンマンガナイトは、ストロンチウム、カルシウム、クロム、コバルト、鉄、ニッケル、アルミニウムなどをドープしたものであってもよい。
【００２１】
空気極８の気孔率は、酸化性ガス通路９を通る酸化性ガスを十分に通過させて固体電解質７に到達させること、及び電極活性や構造体としての強度の観点から、２０〜５０％であることが好ましい。空気極８は、上記ランタンマンガナイトなどの粉末を焼結して作製する。
【００２２】
本発明のスタック構造からなる固体電解質型燃料電池は、以下のようにして発電する。
図４は、本発明のスタック構造からなる固体電解質型燃料電池の一例を示す横断面図である。
図５は、本発明のスタック構造からなる固体電解質型燃料電池の一例を示す縦断面図である。
図４及び５においては、説明を簡略するために、３段の直列接続及び２段の並列接続からなる固体電解質型燃料電池について示している。
なお、固体電解質型燃料電池の構成を明確にすべく、各図面における寸法は正確には描かれていない。また、簡略化のため、同一部分に対しては同一の符号を用いている。
【００２３】
図４における各セル１Ａ〜１Ｆのセパレータ１１は直方体形状をしており、一対の側壁１１ａの間に、酸化性ガス通路９に対する四角柱形状の隔壁１１ｂが３列設けられている。各隔壁１１ｂは、酸化性ガス通路９に沿って、セパレータ１１の長手方向の一端から他端へと向かって互いに平行に延びている。
セパレータ１１は、ランタンクロマイトから構成することが好ましい。
【００２４】
空気極８の平面形状は、セパレータ１１の平面形状と同様である。一対の側壁８ａの間に、酸化性ガス通路９に対する四角柱形状の隔壁８ｂが、上記隔壁１１ｂと対抗して３列設けられている。
固体電解質７は、空気極８の主面８ｃ及び側面８ｄを被覆しており、さらに、セパレータ１１の側面１１ｃの上部を被覆している。そして、固体電解質７の上に、燃料極６が形成されている。
【００２５】
また、図４及び５に示すように、各集電板２及び３は、平板部２ａ、３ａ、側板部２ｂ、３ｂ、２ｄ、３ｄ、及び突出部２ｃ、３ｃを具えている。集電板２の突出部２ｃと集電板３の突出部３ｃとを、図４に示すように位置合わせし、各突出部の間に絶縁部材１６を挟む。そして、ボルト１８及びナット１９からなる加圧部材によって、集電板２及び３の突出部２ｃ及び３ｃを締結して固体電解質型燃料電池の突出部１７を構成し、容器３２を形成する。
また、ボルトの締結力を調節することによって、矢印Ａのように圧力を加える。
【００２６】
セル１Ａ〜１Ｃ、及び１Ｄ〜１Ｅは、通気性の導電材４Ａ、４Ｂ、４Ｃ、及び４Ｄを介して、集電板２及び３に対して直列に接続されており、さらにセル１Ａ及び１Ｄ、セル１Ｂ及び１Ｅ、並びにセル１Ｃ及び１Ｆは、それぞれ通気性の導電材４Ａ、４Ｂ、及び４Ｃを介して、並列に接続されている。
【００２７】
上述したように、通気性の導電材４Ａ、４Ｂ、及び４Ｃは、各々単一の長尺平板形状体で構成してもよいし、図２に示すように、平行に配列した複数の長尺平板形状体から構成してもよい。さらに、図４及び５には示していないが、図３に示すような井桁状に形成してもよい。また、本発明では、集電板２及び３の外側に、熱の放散によるエネルギー損失を防止する目的で断熱層１４が設けられており、断熱層１４の外側に外殻１５が設けられている。
【００２８】
図５においては、左側から順に、発電室の燃焼領域３０、発電領域３８、予熱室２１、及び酸化性ガス室２６が設けられている。図４に示したスタック構造は、図５における発電領域３８の状態を示したものである。
【００２９】
酸化性ガス室２６と予熱室２１とは気密室隔壁２２によって区分されており、予熱室２１と発電領域３８との間も気密室隔壁４１によって区分されている。
各セルに対して、酸化性ガス供給管２０が設けられており、各供給管２０の右端は酸化性ガス室２６に連結されて、開口している。供給管２０は、隔壁２２の貫通孔２２ａ、及び隔壁４１の貫通孔４１ａを貫通し、マニホールド３７によって各セルの端部１ａに取り付けられている。
【００３０】
酸化性ガスは、外殻１５の外部から、供給口２８を介して矢印Ｂのように酸化性ガス２６に供給されて供給管２０中に入り、供給管２０の内側空間２０ａを矢印Ｃのように流れ、供給管２０の先端開口から矢印Ｄのように燃焼領域３０に放出され、ここで燃焼ガスと反応する。
また、燃焼ガスは、外殻１５の外部から矢印Ｅのように発電室の発電領域３８に供給され、各セル間、及びセルと集電板２及び３間を矢印Ｆのように流れ、通気性の導電材４Ａ、４Ｂ、４Ｃ、及び４Ｄを透過して燃焼領域３０へと流入する。
【００３１】
燃焼領域３０では、減損した燃料ガスが、減損した酸化性ガスと反応し、燃焼する。この燃焼排ガスは、排ガス管２７を通って矢印Ｇ、Ｈのように流れ、予熱室２１内に供給され、予熱室２１から排出口２９を通して矢印Ｉのように排出される。この燃焼排ガスの排熱によって、矢印Ｃのように供給管２０の内側空間２０ａを流れる酸化性ガスを予熱できるようになっている。
【００３２】
供給管２０の供給側の末端には、供給管２０をセルの方へ付勢するための手段が設けられている。
すなわち、供給管２０の右側の供給側末端には、Ｏリング２４と、Ｏリング２４とを所定の圧力で押圧している押圧部材２３とを具えた可動性シール装置４０が設置されており、供給管２０が隔壁２２に対して垂直な方向に、隔壁２２と供給管２０との間の気密性を維持しつつ移動できるような構造になっている。供給管２０の末端には付勢部材２５が設けられており、供給管２０を対応する各セルの方へ一定圧力で付勢できるようになっている。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように、少なくとも燃料極、固体電解質及び空気極を具えたセルが、直列接続及び並列接続されてなる固体電解質型燃料電池のスタック構造において、平行に配列した複数の長尺平板形状体から構成される通気性の導電材を用いて、３つ以上のセルを電気的に接続して並列接続を行い、この固体電解質型燃料電池のセル接続方法により、前記各セルを前記通気性の導電材によって直列及び並列に接続することにより、スタック構造を構成しているセルの１つ、あるいは２以上に異常が発生して電気的に絶縁された場合においても、発電の停止を防止することができる。
また、通気性の導電材を通過する燃料ガスによって、スタック構造内の温度分布が均一化されるので、発電性能の偏りによる発電効率の低下や、熱応力によるセルの破壊を防止することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のスタック構造の概略を示す断面図である。
【図２】本発明のスタック構造における、通気性の導電材形状の一例を示す図である。
【図３】本発明のスタック構造における、通気性の導電材形状の他の例を示す図である。
【図４】本発明のスタック構造からなる固体電解質型燃料電池の一例を示す横断面図である。
【図５】本発明のスタック構造からなる固体電解質型燃料電池の一例を示す縦断面図である。
【符号の説明】
１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、１Ｅ、１Ｆ、１Ｇ、１Ｈ、１Ｉ  セル、２  一方の集電板２、３  他方の集電板、２ａ、３ａ  集電板の平板部、２ｂ、３ｂ、２ｄ、３ｄ  集電板の側板部、２ｃ、３ｃ  集電板の突出部、４Ａ、４Ｂ、４Ｃ、４Ｄ、４ａ、４ｂ、４ｃ、４Ａ−１、４Ｂ−１、４Ｃ−１、４Ａ−２、４Ｂ−２、４Ｃ−２  通気性の導電材、５  絶縁壁、６  燃料極、７  固体電解質、８  空気極、８ａ  空気極の一対の側壁、８ｂ  空気極の隔壁、８ｃ  空気極の主面、８ｄ  空気極の側面、９  酸化性ガス通路、１０  燃料ガス通路、１１  セパレータ、１１ａ  セパレータの一対の側壁、１１ｂ  セパレータの隔壁、１１ｃ  セパレータの側面  １２  直列接続構造、１３  並列接続構造、１４  断熱層、１５  外殻、１６  絶縁部材、１７  突出部、１８  ボルト、１９  ナット、２０  供給管、２１  予熱室、２２、４１  隔壁、２２ａ、４０ａ  貫通孔、２３押圧部材、２４  Ｏリング、２５  付勢手段、２６  酸化性ガス室、２７  排ガス管、２８  供給口、２９  排出口、３０  燃焼領域、３２  容器、３７  マニホールド、３８  発電領域、４０  可動性シール構造、Ｂ、Ｃ、Ｄ  酸化性ガスの流れ、Ｅ、Ｆ  燃焼ガスの流れ、Ｇ、Ｈ、Ｉ  燃焼排ガスの流れ
【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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