本発明は、燃料電池に関するものである。

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。

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。

特開2012−9228号公報

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。

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。

好ましくは、第2端部の幅は、中央部の幅よりも狭い。

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。

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。

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。

燃料電池のスタック構造を示す斜視図。

燃料マニホールドを示す斜視図。

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。

固体酸化物形燃料電池を示す斜視図。

支持基板を示す平面図。

固体酸化物形燃料電池を示す断面図。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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)

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。

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。

[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。

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。

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。

(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。

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。

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