JP2006196325A - 固体酸化物形燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料電池スタックの積層方向の温度差を均一化することにより、発電効率の向上を図る。
【解決手段】 発電セル５とセパレータ８を交互に積層して燃料電池スタック１を構成し、燃料電池スタック１の中段部（Ｍ）に位置するセパレータ８の側面の輻射率を上下段部（Ｕ）、（Ｄ）のセパレータ８の側面の輻射率より大きくする。上下段部のセパレータ８の側面は、Ａｇメッキ処理膜で覆われ、中段部のセパレータ８の側面は、母材の酸化膜、またはＮｉメッキ膜、またはＡｌ拡散被膜で覆われている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、発電セルとセパレータを交互に積層した構造の固体酸化物形燃料電池に関し、特に、スタック積層方向における温度の均一化を図った固体酸化物形燃料電池に関するものである。

近年、燃料の有する化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する固体酸化物形燃料電池が高効率でクリーンな発電装置として注目されている。この固体酸化物形燃料電池は、酸化物イオン導電体から成る固体電解質層を両側から空気極層（カソード）と燃料極層（アノード）で挟み込んだ積層構造を有する。

発電時、反応用ガスとして空気極層側に酸化剤ガス（酸素) が、また燃料極層側に燃料ガス (Ｈ₂、ＣＯ、ＣＨ₄等) が供給される。空気極層と燃料極層は、反応用ガスが固体電解質層との界面に到達することができるよう、何れも多孔質の層とされている。

空気極層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、この部分で空気極層から電子を受け取って酸化物イオン（Ｏ^2-）にイオン化される。この酸化物イオンは、燃料極層に向かって固体電解質層内を拡散移動し、燃料極層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（Ｈ₂Ｏ、ＣＯ₂等）を生じ、燃料極層に電子を放出する。電極反応で生じた電子は、別ルートの外部負荷にて起電力として取り出すことができる。

平板積層型の固体酸化物形燃料電池は、発電セル、集電体、セパレータを交互に複数積層してスタック化すると共に、この積層体（燃料電池スタック）に積層方向の荷重を掛けて上記した各構成要素を相互に圧接・密着させることにより構成されている。

ところで、平板積層型の燃料電池スタックでは、図３の温度分布（イ）に示すように、スタック中段部のセル温度（セパレータ温度）がスタック端部のセル温度に比べて極端に高くなる傾向がある。これは、積層構造であるが故、燃料電池スタックの中段部が両端部に比べて発電時のジュール熱がセル外に発散し難くなっていることに起因している。

スタックの積層方向に温度差が生じると高温部においては流通ガスの濃度が低下し、各発電セルへの反応用ガスの等流配が崩れるため、セル電圧の不均一が生じることになる。

多数の発電セルを直列に接続して構成される燃料電池スタックでは、各発電セルにこのような電圧の不均一が生じていると燃料電池のトータル出力が一部の低電圧セルにより制限されることになり、効率的な発電が行えないという問題を有していた。

加えて、平板積層型の燃料電池スタックでは、通常、ＳＵＳ鋼等の金属製のセパレータが用いられ、且つ、耐酸化性、電気伝導性を高めるためその表面にＡｇメッキが施される場合が多いが、このＡｇメッキがセパレータ表面の熱放射率（輻射率）を低下させてスタックの放熱性を悪くし、上記した積層方向の温度分布をより顕著なものにしている。

燃料電池スタックの温度を均一化する技術として、例えば、特許文献１には、各セパレータに放熱部を設けることにより放熱を制御するようにした燃料電池が開示されている。
特開２００４−２７３１４０号公報

本発明は、燃料電池スタックの積層方向の温度を均一化することにより、発電効率の向上と耐久性の向上を図った燃料電池を提供することを目的としている。

すなわち、請求項１に記載の本発明は、発電セルとセパレータを交互に積層して燃料電池スタックを構成し、各発電セルに反応用ガスを供給して発電反応を生じさせる燃料電池において、前記燃料電池スタックの積層方向に関して、前記セパレータの配設位置に応じて前記セパレータの側面の輻射率を変えることにより前記燃料電池スタックの積層方向における各セパレータの側面からの放熱量を制御するようにしたことを特徴としている。

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、前記燃料電池スタックの中段部に位置する前記セパレータの側面の輻射率を他のセパレータの側面の輻射率より大きくしたことを特徴としている。

また、請求項３に記載の本発明は、請求項２に記載の固体酸化物形燃料電池において、前記セパレータの母材として金属を用い、且つ、中段部に位置する前記セパレータの側面は母材を露出した状態とすると共に、その他のセパレータの側面にＡｇメッキ膜を形成したことを特徴としている。

また、請求項４に記載の本発明は、請求項２に記載の固体酸化物形燃料電池において、前記セパレータの母材として金属を用い、且つ、中段部に位置する前記セパレータの側面にＡｇメッキ膜より輻射率の高い耐酸化性被膜を形成すると共に、その他のセパレータの側面にＡｇメッキ膜を形成したことを特徴としている。

また、請求項５に記載の本発明は、請求項２に記載の固体酸化物形燃料電池において、前記燃料電池スタックの中段部に位置する前記セパレータの側縁部に放熱部材を突設し、当該放熱部材の表面に、Ａｇメッキ膜より輻射率の高い耐酸化性被膜を形成すると共に、その他のセパレータの側面にＡｇメッキ膜を形成したことを特徴としている。

また、請求項６に記載の本発明は、請求項４または請求項５の何れかに記載の固体酸化物形燃料電池において、前記耐酸化性被膜が、母材の酸化膜、または、Ｎｉメッキ膜、または、金属の表面にＡｌを拡散浸透させて成るＡｌ拡散被膜であることを特徴としている。

以上説明したように、本発明によれば、高温となるスタック中段部のセパレータの放熱性を高めることにより、スタック中段部における過度の温度上昇を抑え、スタック積層方向の温度差を生じ難くできる。これにより、スタック全体としての発電の効率化が図れると共に、高温雰囲気下において生じ易い電極層の剥離等、発電セルの破損が防止できるため、燃料電池の耐久性を向上できる。
また、スタック中段部のセパレータに放熱部材を設けると共に、その表面に比較的輻射率の高い耐酸化性被膜を形成することにより、セパレータ側面の放熱性をより向上することができ、スタック中段部の温度上昇をより効果的に抑制することができる。

以下、図面に基づいて本発明の実施形態を説明する。
図１は本発明に係る平板積層型の固体酸化物形燃料電池の外観を示し、図２は図１のＡ−Ａ矢視を示し、図３はスタック積層方向におけるセパレータの各温度を示している。

図１に示すように、単セル１０は、固体電解質層２の両面に燃料極層３と空気極層４を配した発電セル５と、燃料極層３の外側に配した燃料極集電体６と、空気極層４の外側に配した空気極集電体７と、各集電体６、７の外側に配したセパレータ８とで構成されている。

これら構成要素の内、固体電解質層２はイットリアを添加した安定化ジルコニア（ＹＳＺ）等で構成され、燃料極層３はＮｉ、Ｃｏ等の金属、あるいはＮｉ−ＹＳＺ、Ｃｏ−ＹＳＺ等のサーメットで構成され、空気極層４はＬａＭｎＯ₃ 、ＬａＣｏＯ₃ 等で構成され、燃料極集電体６はＮｉ基合金等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成され、空気極集電体７はＡｇ基合金等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成される。これら集電体を構成する多孔質金属板は、集電機能、ガス透過機能、ガス拡散機能、クッション機能、熱膨脹差吸収機能等を兼ね備えている。

セパレータ８は、発電セル５間を電気的に接続すると共に、発電セル５に対して反応用ガスを供給する機能を有し、内部に燃料ガスをセパレータ８の縁部から導入してセパレータ８の燃料極集電体６に対向する面のほぼ中央部１１ａから吐出する燃料ガス通路１１と、酸化剤ガスをセパレータ８の縁部から導入してセパレータ８の空気極集電体７に対向する面のほぼ中央１２ａから吐出する酸化剤ガス通路１２を有している。

また、図２に示すように、セパレータ８の一対角線上の角部には、板厚方向に貫通する一対のガス孔１３、１４が対向配置されており、一方のガス孔１３は燃料ガス通路１１に、他方のガス孔１４は酸化剤ガス通路１２に連通し、各々のガス孔１３、１４から、これらのガス通路１１、１２を通して各発電セル５の各電極面に燃料ガスおよび酸化剤ガスが供給されるようなっている。尚、上下に積層されるセパレータ８のガス孔１３、１４は、それぞれ絶縁リング１５、１６にて連結されている。

固体酸化物形燃料電池（燃料電池スタック１）は、上記構成の単セル１０を絶縁リング１５、１６を介在して多数積層（本実施形態では、４６段構成）すると共に、その上下両端部にフランジ２０、２０を配して周縁部をボルト２１にて締め付けし、その締め付け荷重によって各構成要素を一体的に密着させた構造と成されている。
また、各々の絶縁リング１５、１６がセパレータ８の各ガス孔１３、１４と機械的に密着・固定された状態で多数積層方向に連結されることにより、スタック内部を縦方向に延びる燃料ガス用のマニホールド１７と酸化剤ガス用のマニホールド１８が形成される。

上記構成の固体酸化物形燃料電池１では、運転時、各マニホールド１７、１８には、外部から供給される反応用ガスとしての燃料ガスと酸化剤ガス（空気）が流通し、各反応用ガスが各セパレータ８のガス孔１３、１４より各ガス通路１１、１２を介して燃料極集電体６側と空気極集電体７側に吐出し、これら集電体６、７の内部を拡散・移動して各発電セル５の各電極面に誘導されることにより、電極反応（発電反応）が生じる。この発電反応の際に発電セル内の内部抵抗等によるジュール熱が発生し、その熱エネルギーがセパレータの側面より外部に放出される。

ところが、既述したように、平板積層型の燃料電池スタック１の場合は、積層方向における放熱量のアンバランスからスタック積層方向に温度差が生じ、上記した反応用ガスの等配流が崩れることにより各発電セル間において電圧のバラツキが生じ、効率的な発電が行えなくなるという問題が有った。
そこで、本発明では、燃料電池スタック１の積層方向に関して、セパレータ８の積層位置に応じてセパレータ８の側面の輻射率を変えることにより、スタック積層方向における各セパレータ８の側面からの放熱量を制御し、スタック積層方向の温度差を調整するように構成した。以下に、その詳細を説明する。

セパレータ８は、厚さ数ｍｍの鉄基合金（ＳＵＳ鋼）を母材としており、電気伝導性、耐高温酸化性を高めるために表面にＡｇメッキが施されている。本実施形態では、スタック積層方向を上段部（Ｕ）、中段部（Ｍ）、下段部（Ｄ）の３領域に区分し、各領域におけるセパレータ８の側面に形成した耐酸化性被膜によりセパレータ側面の輻射率を制御するようにした。尚、スタック上下端より、それぞれ単セル１０の約１０段分をそれぞれ上段部（Ｕ）、下段部（Ｄ）とし、その他の中央部分を中段部（Ｍ）としている。

本実施形態によるスタック温度均一化の一方法では、スタック積層方向の上段部（Ｕ）と下段部（Ｄ）のセパレータ８については、側面を含むセパレータ全面にＡｇメッキ膜を形成すると共に、中段部（Ｍ）のセパレータ８の側面部分についてはＡｇメッキ膜を非形成とし、母材であるＳＵＳ鋼が露出している状態とした。具体的には、セパレータ８の側面に母材となるＳＵＳ鋼が露出するようにマスキングをした状態でセパレータ８の表面にＡｇメッキを施すようにしている。この状態では、発電時の高温雰囲気において、セパレータ８の側面に露出したＳＵＳ鋼の表面に酸化膜が形成されることになり、この酸化膜の作用によって中段部に位置するセパレータ８の熱放射性を高めることができる。

因みに、Ａｇメッキ膜の輻射率は発電時の温度条件下において０．１以下と極めて小さいものであり、このＡｇメッキ膜がスタック上下段部（Ｕ）、（Ｄ）の側部の表層を構成していることから、内部の熱が外部に放出し難くなっている。これに対し、ＳＵＳ鋼の酸化膜の輻射率は、０．４〜０．５程度、最大で０．９程度と極めて大きいため、スタック中段部（Ｍ）においては、スタック内部の熱を外部に放出し易い状態にすることができ、これにより、図３の温度分布（ロ）で示すように、スタック中段部分の温度を上下段部の温度に近づくように全体的に低下させることができ、スタック積層方向の温度が均一化されて発電の効率化が図れるようになる。
尚、図３において、横軸の数値はセパレータ８の段数を示し、縦軸は合計４６段で構成される燃料電池スタック１の各単セル１０（すなわち、セパレータ８）の温度を示している。

また、スタック温度を均一化させる別の方法として、上記のように、中段部（Ｍ）に位置するセパレータ８の側面の母材を露出させることに替え、セパレータ８の側面にＮｉメッキ処理を施したり、或いは、露出した金属の表面にＡｌを拡散浸透させるＡｌ拡散被膜処理を施すようにしても良い。
因みに、Ｎｉメッキ膜の場合は０．４程度の輻射率が得られ、Ａｌ拡散被膜の場合は０．５〜０．６程度の輻射率が得られる。何れの場合も、上下段部のＡｇメッキ膜より高い輻射率が得られ、スタック上下段部に比べてスタック中段部の放熱量を増大することができる。
尚、上記したＡｌ拡散被膜処理とは、母材（ＳＵＳ鋼）表面にＡｌを拡散浸透させてＦｅ−Ａｌ合金層を形成する金属表面処理のことであって、例えば、母材をＦｅ−Ａｌ合金粉とＮＨ₄ Ｃｌ粉より成る調合剤とともに鋼製の密閉ケース内に埋め込み、加熱処理することにより行われる。このＦｅ−Ａｌ合金層により、上記した高い輻射率と優れた耐高温酸化性が得られる。

さらに、スタック温度の均一化の別の方法として、例えば、図２に一点鎖線で示すように、燃料電池スタック１の中段部（Ｍ）に位置する各々セパレータ８の側縁部に放熱部材１９（放熱フィン１９）を突設することもできる。放熱フィン１９は、取り付け型でも良いが、ＳＵＳ鋼で成るセパレータ８と一体形成されているとより好ましい。
放熱フィン１９を設けることにより、スタック中段部（Ｍ）に位置するセパレータ８の側面の放熱性はより一層向上する。また、放熱フィン１９の表面に上記したＮｉメッキ膜やＡｌ拡散被膜を形成しても良く、また、母材（ＳＵＳ鋼）のままであれば、運転時の高温雰囲気下において母材の表面に酸化膜が形成される。これら、酸化膜、Ｎｉメッキ膜、Ａｌ核酸被膜等の耐酸化性被膜は、何れも、放熱フィンの輻射率を大きくし、スタック中段部（Ｍ）の熱放射性をより一層向上するものである。

以上のように、本実施形態では、スタック内部の温度が相対的に高くなり易い中段部（Ｍ）において、熱放射性の高いセパレータ８を配置して運転時のジュール熱の放出を促進する一方、スタック内部の温度が相対的に低くなり易い上段部（Ｕ）と下段部（Ｄ）に熱放射性の低いセパレータ８を配置し、ジュール熱の放出を抑制することにより、スタック積層方向の温度を均一化し、各発電セル５における電圧の分布を抑えると共に、スタック全体の温度を発電反応に適した所定の温度範囲に維持することが可能となる。
これにより、一部の低電圧セルに規制されない効率的な発電を行うことができるようになると共に、高温雰囲気下で生じ易い熱応力による各電極層３、４の剥離等、発電セル５の破損が防止でき、燃料電池の耐久性（熱サイクル特性）を向上することができる。

本発明に係る固体酸化物形燃料電池の外観を示す図。 図１のＡ−Ａ矢視図。 スタック積層方向における各セパレータの温度を示す図。

符号の説明

１ 固体酸化物形燃料電池（燃料電池スタック）
５ 発電セル
８ セパレータ
１９ 放熱部材（放熱フィン）

Claims (6)

1. 発電セルとセパレータを交互に積層して燃料電池スタックを構成し、各発電セルに反応用ガスを供給して発電反応を生じさせる燃料電池において、
   前記燃料電池スタックの積層方向に関して、前記セパレータの配設位置に応じて前記セパレータの側面の輻射率を変えることにより前記燃料電池スタックの積層方向における各セパレータの側面からの放熱量を制御するようにしたことを特徴とする固体酸化物形燃料電池。
2. 前記燃料電池スタックの中段部に位置する前記セパレータの側面の輻射率を他のセパレータの側面の輻射率より大きくした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。
3. 前記セパレータの母材として金属を用い、且つ、中段部に位置する前記セパレータの側面は母材を露出した状態とすると共に、その他のセパレータの側面にＡｇメッキ膜を形成したことを特徴とする請求項２に記載の固体酸化物形燃料電池。
4. 前記セパレータの母材として金属を用い、且つ、中段部に位置する前記セパレータの側面にＡｇメッキ膜より輻射率の高い耐酸化性被膜を形成すると共に、その他のセパレータの側面にＡｇメッキ膜を形成したことを特徴とする請求項２に記載の固体酸化物形燃料電池。
5. 前記燃料電池スタックの中段部に位置する前記セパレータの側縁部に放熱部材を突設し、当該放熱部材の表面に、Ａｇメッキ膜より輻射率の高い耐酸化性被膜を形成すると共に、その他のセパレータの側面にＡｇメッキ膜を形成したことを特徴とする請求項２に記載の固体酸化物形燃料電池。
6. 前記耐酸化性被膜が、母材の酸化膜、または、Ｎｉメッキ膜、または、金属の表面にＡｌを拡散浸透させて成るＡｌ拡散被膜であることを特徴とする請求項４または請求項５の何れかに記載の固体酸化物形燃料電池。

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