固体氧化物型燃料电池的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种提高了气体在空气电极层或燃料电极层中的利用率的固体氧化物型燃料电池。固体氧化物型燃料电池具备：燃料电池单元主体，具备空气电极层、固体电解质层及燃料电极层，并且具有发电功能；连接器，被配置成与上述空气电极层和上述燃料电极层中的一方电极层相对；集流体，被配置在上述一方电极层与上述连接器之间，通过分别与上述一方电极层和上述连接器彼此相对的表面相接触，使上述一方电极层和上述连接器电连接；以及槽部，被配置在上述一方电极层的与上述集流体相接触的一侧的表面且不与上述集流体相接触的位置。
【专利说明】固体氧化物型燃料电池
【技术领域】
[0001]本发明涉及固体氧化物型燃料电池。
【背景技术】
[0002]使用固体氧化物作为电介质的固体氧化物型燃料电池(以下，有时也仅记为“燃料电池”或者“S0FC”)为世人所知。SOFC例如具有将燃料电池单元层叠多个的电池堆(燃料电池堆)，该电池单元在板状的固体电解质体的各个面具备燃料极和空气极。分别对燃料极和空气极供给燃料气体和氧化剂气体(例如，空气中的氧)，隔着固体电解质体使之发生化学反应，产生电力。
[0003]燃料电池单元具有一对内部连接器和燃料电池单元主体(层叠空气极、固体电解质体、燃料极而成)。为了使燃料电池单元主体与内部连接器电连接而配置有集流体。
[0004]这里，公开了 一种固体氧化物型燃料电池，其中，集流体可以安装在燃料极和空气极中的至少一方，在安装了集流体的电极表面的至少一部分形成了可与集流体的凹凸卡合的凹凸(参照对比文件I)。另外，公开了一种燃料电池，其中，与气体流路接触的接触面被进行粗糙化处理，气体扩散层配置在膜电极接合体的电极面(参照专利文献2)。
[0005]现有技术文献
[0006]专利文献
[0007]专利文献1:日本特开2009-245879号公报
[0008]专利文献2:日本特开2009-283352号公报
【发明内容】
[0009]发明所要解决的课题
[0010]但是，在对比文件1、2所记载的燃料电池中，可以说从空气电极层、燃料电极层的表面获取气体的气体获取效率不佳。在专利文献I所记载的燃料电池中，形成在电极表面的凹凸是用于与集流体卡合的部分。在专利文献2所述的燃料电池中，气体扩散层表面的粗糙化处理用于降低气体扩散层与多孔体流路之间的接触电阻。如此，对比文件1、2所述的凹凸或粗糙化处理对从空气电极层、燃料电极层的表面获取气体的气体获取效率的提升贡献很小。
[0011]本发明的目的在于提供一种提高了气体在空气电极层或燃料电极层中的利用率的固体氧化物型燃料电池。
[0012]用于解决课题的技术手段
[0013]本发明的固体氧化物型燃料电池，具备:燃料电池单元主体，具备空气电极层、固体电解质层及燃料电极层，并且具有发电功能；连接器，被配置成与上述空气电极层和上述燃料电极层中的一方电极层相对；集流体，被配置在上述一方电极层与上述连接器之间，通过分别与上述一方电极层和上述连接器彼此相对的表面相接触，使上述一方电极层和上述连接器电连接；以及槽部，被配置在上述一方电极层的与上述集流体相接触的一侧的表面且不与上述集流体相接触的位置。
[0014]槽部被配置在空气电极层和燃料电极层中的一方电极层的与集流体相接触的一侧的表面且不与集流体相接触的位置。因此，可以增大用于气体从该电极层的表面向内部扩散的接触面积。其结果，提高气体在该电极层的扩散性，提高了气体的利用率(气体分配性)。
[0015]优选上述一方电极层的与上述集流体相接触的一侧的表面的算术平均粗糙度Ra大于0.3 μ m。通过使算术平均粗糙度Ra大于0.3 μ m，可以确保增大该电极层的与气体的接触面积。
[0016]优选上述一方电极层的与上述集流体相接触的一侧的表面的算术平均波纹度Wa小于0.3 μ m。使上述一方电极层表面的气体流路通畅，增加气体对下游侧表面的供给，提高上述一方电极层的表面整体的气体分配性。
[0017]优选上述槽部沿着上述氧化剂气体或上述燃料气体的流动方向形成。使上述一方电极层表面的从上游到下游的气体流路通畅，提高上述一方电极层的表面整体的气体分配性。
[0018]优选上述集流体为与上述连接器相同的材料，并且与上述连接器形成为一体。由于采用与连接器相同的材质(例如，SUS)与连接器形成为一体，所以可以简化制造工艺。
[0019]另外，槽部被配置在一方电极层的与上述集流体相接触的一侧的表面且不与集流体相接触的位置，这在由SUS这样致密体构成集流体的情况下特别有效。即，在气体自气体流路中从一方电极层的表面浸入到内部时，需要经过电极表面没有配置集流体的位置。通过在没有集流体的位置配置槽部可以确保扩散面积，更有效地促进气体扩散。
[0020]发明效果
[0021]根据本发明，可以提供一种提高了气体在空气电极层或燃料电极层中的利用率的固体氧化物型燃料电池。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]图1是表示本发明第一实施方式的固体氧化物型燃料电池10的立体图。
[0023]图2是燃料电池单元100的剖视图。
[0024]图3是燃料电池单元100的分解立体图。
[0025]图4是燃料电池单元主体140的俯视图。
[0026]图5是表示燃料电池单元主体140的局部剖面的局部剖视图。
[0027]图6是表示燃料电池单元主体140的剖面轮廓的图。
【具体实施方式】
[0028](第一实施方式)
[0029]以下，参照附图对本发明的实施方式进行详细的说明。图1是表示本发明第一实施方式的固体氧化物型燃料电池(燃料电池堆)10的立体图。固体氧化物型燃料电池10是接受燃料气体和氧化剂气体的供给进行发电的装置。
[0030]作为燃料气体，可以例举氢气、作为还原剂的碳化氢、氢气和碳化氢的混合气体、以及使这些气体在预定温度的水中通过而加湿后的燃料气体、在这些气体中混入水蒸气后的燃料气体等。不特别限定于碳化氢，可以例举天然气、石脑油、煤气气体等。优选使用氢气作为燃料气体。也可以仅使用一种上述燃料气体，也可以合用两种以上上述燃料气体。另夕卜，也可以含有50体积％以下的氮气和氩气等惰性气体。
[0031]作为氧化剂例举了氧气与其它气体的混合气体等。而且，在该混合气体中还可以含有80体积％以下的氮气和氩气等惰性气体。在这些氧化剂气体中从安全、廉价的角度考虑优选采用空气(含有大约80体积％的氮气)。
[0032]固体氧化物型燃料电池10呈大致长方体形状，具有上表面11、底面12贯通孔21-28。贯通孔21-24在上表面11、底面12的边缘附近(后述的燃料极框150的边缘附近)贯通，贯通孔25-28在上表面11、底面12的顶点附近(后述的燃料电池框150的顶点附近)贯通。在贯通孔21-28中分别安装有连接部件(作为紧固件的螺栓41-48、螺母51-58)。另夕卜，螺母53、54、57因为容易辨认，省略其图示。
[0033]部件60被配置于上表面11侧的贯通孔21-24的开口。螺栓41-44插入部件60(部件62)的贯通孔、贯通孔21-24中，并拧入有螺母51-54。
[0034]部件60具有部件62和导入管61。部件62呈大致圆管形状，并具有大致平面状的上表面和底面、曲面状的侧面，导入管61具有贯通上表面和底面之间的贯通孔。部件62的贯通孔与导入管61的贯通孔连通。
[0035]部件62的贯通孔与贯通孔21-24的直径大致相同。螺栓41_44的轴径比上述贯通孔的直径小，由此气体(氧化剂气体(空气)、发电后的剩余燃料气体、发电后的剩余氧化剂气体、燃料气体)能够在部件62的贯通孔与螺栓41-44的轴间隙以及贯通孔21-24与螺栓41-44的轴间隙中通过。即氧化剂气体(空气)和燃料气体从导入管61流入，分别经由贯通孔21、24，流入固体氧化物型燃料电池10内。发电后的剩余氧化剂气体(空气)和发电后的剩余燃料气体从固体氧化物型燃料电池10流入，分别经由贯通孔23、22从导入管61流出。
[0036]固体氧化物型燃料电池10通过层叠多个作为发电单位的平板形的燃料电池单元100而构成。多个燃料电池单元100以串联的方式电连接。
[0037]图2是燃料电池单元100的剖视图。图3是燃料电池单元100的分解立体图。如图2所示，上述燃料电池单元100是所谓燃料极支撑型的燃料电池单元，在上下一对金属制的内部连接器110 (I)UlO (2)之间配置有燃料电池单元主体140。在燃料电池主体140和内部连接器110 (I)UlO (2)之间配置有空气流路101、燃料气体流路102。
[0038]燃料电池单元主体140通过层叠空气电极(阴极)层141、固体电解质层143、燃料电极(阳极)144而构成。
[0039]作为空气电极层141的材料可以使用例如钙钛矿类氧化物、各种贵金属以及贵金属与陶瓷的金属陶瓷。作为钙钛矿类氧化物可以例举LSCF (LahSrxCcvyFeyO3类复合氧化物)。空气电极层141的厚度例如为约100-约300 μ m，作为一例可以为150 μ m左右。
[0040]作为固体电解质层143的材料可以例举YSZ (氧化钇稳定的氧化锆)，ScSZ (氧化钪稳定的氧化锆)、SDC (氧化钐掺杂的氧化铈)、GDC (氧化钆掺杂的氧化铈)、钙钛矿类氧化物。
[0041]作为燃料电极层144的构成材料，可以使用例如Ni等金属、Ni等金属和陶瓷的金属陶瓷(作为一例，Ni合金和ZrO2类陶瓷(YSZ等)的混合物)等。另外，在使用Ni金属和ZrO2类陶瓷混合物的情况下，可以使用NiO和ZrO2类陶瓷的混合物(NiO-ZrO2)作为初期材料(燃料电池单元100的动作开始前的构成材料)。这是由于燃料电极层144 一侧暴露在还原气氛中，进行还原反应之后，NiO和ZrO2类陶瓷的混合物会变为Ni金属与ZrO2类陶瓷的混合物的缘故。
[0042]燃料电池层144的厚度为约0.5-约5mm，优选为约0.7_约1.5mm。这是因为，为了支撑固体电解质层143等，燃料电池层144被制成具有足够机械强度等的支撑基板。
[0043]如图2和图3所示，燃料电池单元100在上下一对内部连接器110 (I)UlO (2)之间具备气体密封部120、隔板130、燃料极框150、气体密封部160、集流体181，这些部件层
叠并构成一体。
[0044]在空气电极层141与内部连接器110 (I)之间为了确保其导通配置有集流体147。在燃料电极层144与内部连接器110 (2)之间为了确保其导通配置有集流体181。在比燃料电池单元100靠下层的燃料电池单元的空气电极层(未图示)与内部连接器110 (2)之间为了确保其导通配置有集流体147。
[0045]集流体147、181可以由不锈钢(SUS)等金属构成。也可以将集流体147与内部连接器110 (I)UlO (2)形成为一体。也可以将集流体181与内部连接器110 (2)形成为一体。此时，集流体147、181优选采用与内部连接器110 (I)UlO (2)同一种类(或相同)的材料。另外，如后所述，集流体147的前端插入到空气电极层141中，但是在图2中表示为集流体147与空气电极层141分离的状态。
[0046]以下，针对构成燃料电池单元100的各个部件进行更详细的说明。另外，由于燃料电池单元100的平面形状为正方形，所以优选构成燃料电池单元100的各个部件的平面形状也形成为正方形。
[0047]内部连接器110 (I)UlO (2)是例如采用铁素体类不锈钢构成的板材，且厚度为0.3-2.0mm，在其外缘部等间隔地形成有用于贯穿上述螺栓41-48的贯通孔21-28，该贯通孔21-28例如为直径IOmm的圆孔。内部连接器110 (I)UlO (2)是以与空气电极层和燃料电极层中的一方电极层相对的方式配置的连接器。
[0048]气体密封部120被配置在空气电极层141 一侧，是由例如云母构成的厚度0.2-1.0mm的框状的板材，在其四角的角部形成有用于贯穿上述螺栓45-48的各个贯通孔25-28。
[0049]在该气体密封部120的四边的各个边缘部，沿着各边形成有构成气体流路的大致长方形(长IOOmmX宽IOmm)的贯通孔121-124，以便与贯穿了上述螺栓41-44的各个贯通孔21-24连通。即，从层叠方向观察时各个贯通孔121-124形成为包含各个贯通孔21-24。
[0050]在气体密封部120的左右框部分分别各形成有四个长方形的切口 127，该四个长方形的切口 127构成细径(长20mmX宽5mm)的气体流路，以使在气体密封部120中，中央的正方形开口部125与左右贯通孔121、123连通。
[0051]另外，该切口 127也可以形成为贯通孔，也可以为在气体密封部120的一个表面开槽而形成的槽部。另外，切口 127可以通过激光加工或冲压加工形成。
[0052]各个切口 127被配置成以连接左右边的中点的直线为中心呈线对称，关于其个数，例如针对一边为六个以上等，适宜地设定即可。
[0053]隔板130与燃料电池单元主体140的外缘部的上表面接合，隔断空气流路101和燃料气体流路102之间。隔板130为例如由铁素体类不锈钢构成的框状板材，厚度为
0.02-0.3mm，在其中央的正方形的开口部135中与上述燃料电池单元主体140接合，以堵塞开口部135。
[0054]在该隔板130中，也与上述气体密封部120同样，在其四角的角部形成相同形状的各个贯通孔25-28，而且沿着四边的各边(构成第一气体流路)形成相同形状的各个贯通孔131-134。
[0055]燃料极框150被配置在燃料气体流路102 —侧，是由例如铁素体不锈钢构成的框状板材，在中央具备开口部155，且厚度为0.5-2.0mm。上述燃料极框150与上述隔板130同样，其四角的角部形成有相同形状的各个贯通孔25-28，且沿着四边的各边形成构成气体流路的各个贯通孔151-154。
[0056]气体密封部160被配置在燃料电极层144 一侧，是由例如云母构成的框状的板材，且厚度为0.2-1.0mm，其四角的角部形成插入上述螺栓45-48的各个贯通孔25-28。
[0057]在该气体密封部160的四边的各个边缘部，沿着各边形成有构成气体流路的大致长方形(长IOOmmX宽IOmm)的贯通孔161-164，以便与贯穿了上述螺栓41-44的各个贯通孔21-24连通。
[0058]在气体密封部160的左右框部分分别各形成有长方形的四个切口 167，该长方形的四个切口 167构成细径(长20_X宽5_)的气体流路，以便在气体密封部160中，中央的正方形开口部165与左右贯通孔161、163连通。
[0059]另外，该切口 167也可以形成为贯通孔，也可以形成为在气体密封部160的一个表面开槽而成的槽部。另外，切口 167可以通过激光加工或冲压加工形成。
[0060]各个切口 167被配置成以连接左右边的中点的直线为中心呈线对称，但是关于其个数，例如对于一边为六个以上等，适宜地设定即可。
[0061]图4是燃料电池单元主体140的俯视图。图5是表示沿着图4的A_A’切断时燃料电池单元140的局部剖面的局部剖视图。图6是表示燃料电池单元主体140 (空气电极层141)的剖面轮廓(准确的说，是粗曲线)的图。另外，在图4、图5中为了容易辨识，省略了内部连接器110 (I)的图示。
[0062]如图4、图5所示，在燃料电池单元100的空气电极层141的表面配置深度Dl的凹部(槽部)145。另外，集流体147的前端以深度D2 (例如，约5-约70 μ m)插入到空气电极层141中。
[0063]在制作燃料电池单元100时，通过将空气电极层141和集流体147重叠并加以按压，使集流体147的前端插入到空气电极层141中。其结果，即使在空气电极层141中配置凹部145，也能保证集流体147与空气电极层141之间可靠地连接。确保集流体147与空气电极层141之间的接触面积，降低接触电阻。这里，为了提高连接的可靠性，优选集流体147的插入深度D2比凹部145的深度Dl大。
[0064]假设氧化剂气体在空气电极层141的表面上从图4的纸面的上方朝向下方通过。此时，凹部145露出，与氧化剂气体接触。凹部145具有相对于流路方向(图4的纸面上下方向)倾斜的两个方向(准确地说，相对于图4的纸面倾斜±45°方向)。另外，凹部145的形状不同于集流体147的底部形状，凹部145具有与集流体147的底部不同的大小。凹部145的深度Dl如后面所述用粗糙度曲线的最大剖面高度Rt定义，例如为3 μ m。[0065]通过在空气电极层141的表面形成凹部145，增加空气电极层141的表面积。另外，通过使凹部145具有沿氧化剂气体的流路(上下方向)方向的分量，能够使氧化剂气体通过凹部145分配到空气电极层141的表面整体上。另外，也可以使凹部145的朝向为流路方向(图4中的纸面上下方向)，由此进一步促进氧化剂气体在空气电极层141的表面上的流通。
[0066]这里，优选空气电极层141的表面的算术平均粗糙度Ra为0.3 μ m以上，通过使空气电极层141的表面粗糙化，可以增加空气电极层141的表面面积，使氧化剂气体很容易地浸入到空气电极层141的内部。
[0067]优选空气电极层141的表面的算术平均波纹度Wa为0.3 μ m以下。通过减少空气电极层141表面的波纹度(凸凹)可以制成气体很容易分配到空气电极层141的整体上的结构。
[0068]这里，最大剖面高度Rt、算术平均粗糙度Ra、算术平均波纹度Wa是以JISB0601-’ 01为基准的测量值。[0069]如图6所示，最大剖面高度Rt是粗糙曲线中的最大剖面高度，并且是基准长度L中的粗糙度曲线的峰值P的高度的最大值与谷值V的深度的最大值之和。这里，粗糙度曲线是使用截止值为Xe的高通滤波器从剖面曲线中除去低频成分后的曲线，其中剖面曲线为用表面粗糙度计量器测量所得到的。
[0070]算术平均粗糙度Ra是根据基准长度L条件下的粗糙度曲线y=f (x)的式(I)求出的平均值(μ m)。另外，在该计算中所使用的基准长度L内还包括凹部145的区域(不排除凹部145的区域)。
[0071]
【权利要求】
1.一种固体氧化物型燃料电池，其特征在于，具备: 燃料电池单元主体，具备空气电极层、固体电解质层及燃料电极层，并且具有发电功倉泛; 连接器，被配置成与上述空气电极层和上述燃料电极层中的一方电极层相对； 集流体，被配置在上述一方电极层与上述连接器之间，通过分别与上述一方电极层和上述连接器彼此相对的表面相接触，使上述一方电极层和上述连接器电连接；以及 槽部，被配置在上述一方电极层的与上述集流体相接触的一侧的表面且不与上述集流体相接触的位置。
2.根据权利要求1所述的固体氧化物型燃料电池，其特征在于， 上述一方电极层的与上述集流体相接触的一侧的表面的算术平均粗糙度Ra大于0.3 μ m0
3.根据权利要求1或2所述的固体氧化物型燃料电池，其特征在于， 上述一方电极层的与上述集流体相接触的一侧的表面的算术平均波纹度Wa小于0.3 μ m0
4.根据权利要求1至3中任一项所述的固体氧化物型燃料电池，其特征在于， 上述槽部沿着上述氧化剂气体或上述燃料气体的流动方向形成。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的固体氧化物型燃料电池，其特征在于， 上述集流体为与上述连接器相同的材料，并且与上述连接器形成为一体。
【文档编号】H01M8/12GK103534855SQ201280022529
【公开日】2014年1月22日 申请日期:2012年2月21日 优先权日:2011年5月11日
【发明者】大野猛, 石田晓, 墨泰志 申请人:日本特殊陶业株式会社