固體氧化物型燃料電池的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種提高了氣體在空氣電極層或燃料電極層中的利用率的固體氧化物型燃料電池。固體氧化物型燃料電池具備：燃料電池單元主體，具備空氣電極層、固體電解質(zhì)層及燃料電極層，并且具有發(fā)電功能；連接器，被配置成與上述空氣電極層和上述燃料電極層中的一方電極層相對；集流體，被配置在上述一方電極層與上述連接器之間，通過分別與上述一方電極層和上述連接器彼此相對的表面相接觸，使上述一方電極層和上述連接器電連接；以及槽部，被配置在上述一方電極層的與上述集流體相接觸的一側(cè)的表面且不與上述集流體相接觸的位置。
【專利說明】固體氧化物型燃料電池
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及固體氧化物型燃料電池。
【背景技術(shù)】
[0002]使用固體氧化物作為電介質(zhì)的固體氧化物型燃料電池(以下，有時也僅記為“燃料電池”或者“S0FC”)為世人所知。SOFC例如具有將燃料電池單元層疊多個的電池堆(燃料電池堆)，該電池單元在板狀的固體電解質(zhì)體的各個面具備燃料極和空氣極。分別對燃料極和空氣極供給燃料氣體和氧化劑氣體(例如，空氣中的氧)，隔著固體電解質(zhì)體使之發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生電力。
[0003]燃料電池單元具有一對內(nèi)部連接器和燃料電池單元主體(層疊空氣極、固體電解質(zhì)體、燃料極而成)。為了使燃料電池單元主體與內(nèi)部連接器電連接而配置有集流體。
[0004]這里，公開了 一種固體氧化物型燃料電池，其中，集流體可以安裝在燃料極和空氣極中的至少一方，在安裝了集流體的電極表面的至少一部分形成了可與集流體的凹凸卡合的凹凸(參照對比文件I)。另外，公開了一種燃料電池，其中，與氣體流路接觸的接觸面被進(jìn)行粗糙化處理，氣體擴(kuò)散層配置在膜電極接合體的電極面(參照專利文獻(xiàn)2)。
[0005]現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)
[0006]專利文獻(xiàn)
[0007]專利文獻(xiàn)1:日本特開2009-245879號公報(bào)
[0008]專利文獻(xiàn)2:日本特開2009-283352號公報(bào)

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]發(fā)明所要解決的課題
[0010]但是，在對比文件1、2所記載的燃料電池中，可以說從空氣電極層、燃料電極層的表面獲取氣體的氣體獲取效率不佳。在專利文獻(xiàn)I所記載的燃料電池中，形成在電極表面的凹凸是用于與集流體卡合的部分。在專利文獻(xiàn)2所述的燃料電池中，氣體擴(kuò)散層表面的粗糙化處理用于降低氣體擴(kuò)散層與多孔體流路之間的接觸電阻。如此，對比文件1、2所述的凹凸或粗糙化處理對從空氣電極層、燃料電極層的表面獲取氣體的氣體獲取效率的提升貢獻(xiàn)很小。
[0011]本發(fā)明的目的在于提供一種提高了氣體在空氣電極層或燃料電極層中的利用率的固體氧化物型燃料電池。
[0012]用于解決課題的技術(shù)手段
[0013]本發(fā)明的固體氧化物型燃料電池，具備:燃料電池單元主體，具備空氣電極層、固體電解質(zhì)層及燃料電極層，并且具有發(fā)電功能；連接器，被配置成與上述空氣電極層和上述燃料電極層中的一方電極層相對；集流體，被配置在上述一方電極層與上述連接器之間，通過分別與上述一方電極層和上述連接器彼此相對的表面相接觸，使上述一方電極層和上述連接器電連接；以及槽部，被配置在上述一方電極層的與上述集流體相接觸的一側(cè)的表面且不與上述集流體相接觸的位置。
[0014]槽部被配置在空氣電極層和燃料電極層中的一方電極層的與集流體相接觸的一側(cè)的表面且不與集流體相接觸的位置。因此，可以增大用于氣體從該電極層的表面向內(nèi)部擴(kuò)散的接觸面積。其結(jié)果，提高氣體在該電極層的擴(kuò)散性，提高了氣體的利用率(氣體分配性)。
[0015]優(yōu)選上述一方電極層的與上述集流體相接觸的一側(cè)的表面的算術(shù)平均粗糙度Ra大于0.3 μ m。通過使算術(shù)平均粗糙度Ra大于0.3 μ m，可以確保增大該電極層的與氣體的接觸面積。
[0016]優(yōu)選上述一方電極層的與上述集流體相接觸的一側(cè)的表面的算術(shù)平均波紋度Wa小于0.3 μ m。使上述一方電極層表面的氣體流路通暢，增加氣體對下游側(cè)表面的供給，提高上述一方電極層的表面整體的氣體分配性。
[0017]優(yōu)選上述槽部沿著上述氧化劑氣體或上述燃料氣體的流動方向形成。使上述一方電極層表面的從上游到下游的氣體流路通暢，提高上述一方電極層的表面整體的氣體分配性。
[0018]優(yōu)選上述集流體為與上述連接器相同的材料，并且與上述連接器形成為一體。由于采用與連接器相同的材質(zhì)(例如，SUS)與連接器形成為一體，所以可以簡化制造工藝。
[0019]另外，槽部被配置在一方電極層的與上述集流體相接觸的一側(cè)的表面且不與集流體相接觸的位置，這在由SUS這樣致密體構(gòu)成集流體的情況下特別有效。即，在氣體自氣體流路中從一方電極層的表面浸入到內(nèi)部時，需要經(jīng)過電極表面沒有配置集流體的位置。通過在沒有集流體的位置配置槽部可以確保擴(kuò)散面積，更有效地促進(jìn)氣體擴(kuò)散。
[0020]發(fā)明效果
[0021]根據(jù)本發(fā)明，可以提供一種提高了氣體在空氣電極層或燃料電極層中的利用率的固體氧化物型燃料電池。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1是表示本發(fā)明第一實(shí)施方式的固體氧化物型燃料電池10的立體圖。
[0023]圖2是燃料電池單元100的剖視圖。
[0024]圖3是燃料電池單元100的分解立體圖。
[0025]圖4是燃料電池單元主體140的俯視圖。
[0026]圖5是表示燃料電池單元主體140的局部剖面的局部剖視圖。
[0027]圖6是表示燃料電池單元主體140的剖面輪廓的圖。
【具體實(shí)施方式】
[0028](第一實(shí)施方式)
[0029]以下，參照附圖對本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行詳細(xì)的說明。圖1是表示本發(fā)明第一實(shí)施方式的固體氧化物型燃料電池(燃料電池堆)10的立體圖。固體氧化物型燃料電池10是接受燃料氣體和氧化劑氣體的供給進(jìn)行發(fā)電的裝置。
[0030]作為燃料氣體，可以例舉氫氣、作為還原劑的碳化氫、氫氣和碳化氫的混合氣體、以及使這些氣體在預(yù)定溫度的水中通過而加濕后的燃料氣體、在這些氣體中混入水蒸氣后的燃料氣體等。不特別限定于碳化氫，可以例舉天然氣、石腦油、煤氣氣體等。優(yōu)選使用氫氣作為燃料氣體。也可以僅使用一種上述燃料氣體，也可以合用兩種以上上述燃料氣體。另夕卜，也可以含有50體積％以下的氮?dú)夂蜌鍤獾榷栊詺怏w。
[0031]作為氧化劑例舉了氧氣與其它氣體的混合氣體等。而且，在該混合氣體中還可以含有80體積％以下的氮?dú)夂蜌鍤獾榷栊詺怏w。在這些氧化劑氣體中從安全、廉價的角度考慮優(yōu)選采用空氣(含有大約80體積％的氮?dú)?。
[0032]固體氧化物型燃料電池10呈大致長方體形狀，具有上表面11、底面12貫通孔21-28。貫通孔21-24在上表面11、底面12的邊緣附近(后述的燃料極框150的邊緣附近)貫通，貫通孔25-28在上表面11、底面12的頂點(diǎn)附近(后述的燃料電池框150的頂點(diǎn)附近)貫通。在貫通孔21-28中分別安裝有連接部件(作為緊固件的螺栓41-48、螺母51-58)。另夕卜，螺母53、54、57因?yàn)槿菀妆嬲J(rèn)，省略其圖示。
[0033]部件60被配置于上表面11側(cè)的貫通孔21-24的開口。螺栓41-44插入部件60(部件62)的貫通孔、貫通孔21-24中，并擰入有螺母51-54。
[0034]部件60具有部件62和導(dǎo)入管61。部件62呈大致圓管形狀，并具有大致平面狀的上表面和底面、曲面狀的側(cè)面，導(dǎo)入管61具有貫通上表面和底面之間的貫通孔。部件62的貫通孔與導(dǎo)入管61的貫通孔連通。
[0035]部件62的貫通孔與貫通孔21-24的直徑大致相同。螺栓41_44的軸徑比上述貫通孔的直徑小，由此氣體(氧化劑氣體(空氣)、發(fā)電后的剩余燃料氣體、發(fā)電后的剩余氧化劑氣體、燃料氣體)能夠在部件62的貫通孔與螺栓41-44的軸間隙以及貫通孔21-24與螺栓41-44的軸間隙中通過。即氧化劑氣體(空氣)和燃料氣體從導(dǎo)入管61流入，分別經(jīng)由貫通孔21、24，流入固體氧化物型燃料電池10內(nèi)。發(fā)電后的剩余氧化劑氣體(空氣)和發(fā)電后的剩余燃料氣體從固體氧化物型燃料電池10流入，分別經(jīng)由貫通孔23、22從導(dǎo)入管61流出。
[0036]固體氧化物型燃料電池10通過層疊多個作為發(fā)電單位的平板形的燃料電池單元100而構(gòu)成。多個燃料電池單元100以串聯(lián)的方式電連接。
[0037]圖2是燃料電池單元100的剖視圖。圖3是燃料電池單元100的分解立體圖。如圖2所示，上述燃料電池單元100是所謂燃料極支撐型的燃料電池單元，在上下一對金屬制的內(nèi)部連接器110 (I)UlO (2)之間配置有燃料電池單元主體140。在燃料電池主體140和內(nèi)部連接器110 (I)UlO (2)之間配置有空氣流路101、燃料氣體流路102。
[0038]燃料電池單元主體140通過層疊空氣電極(陰極)層141、固體電解質(zhì)層143、燃料電極(陽極)144而構(gòu)成。
[0039]作為空氣電極層141的材料可以使用例如鈣鈦礦類氧化物、各種貴金屬以及貴金屬與陶瓷的金屬陶瓷。作為鈣鈦礦類氧化物可以例舉LSCF (LahSrxCcvyFeyO3類復(fù)合氧化物)?？諝怆姌O層141的厚度例如為約100-約300 μ m，作為一例可以為150 μ m左右。
[0040]作為固體電解質(zhì)層143的材料可以例舉YSZ (氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯)，ScSZ (氧化鈧穩(wěn)定的氧化鋯)、SDC (氧化釤摻雜的氧化鈰)、GDC (氧化釓摻雜的氧化鈰)、鈣鈦礦類氧化物。
[0041]作為燃料電極層144的構(gòu)成材料，可以使用例如Ni等金屬、Ni等金屬和陶瓷的金屬陶瓷(作為一例，Ni合金和ZrO2類陶瓷(YSZ等)的混合物)等。另外，在使用Ni金屬和ZrO2類陶瓷混合物的情況下，可以使用NiO和ZrO2類陶瓷的混合物(NiO-ZrO2)作為初期材料(燃料電池單元100的動作開始前的構(gòu)成材料)。這是由于燃料電極層144 一側(cè)暴露在還原氣氛中，進(jìn)行還原反應(yīng)之后，NiO和ZrO2類陶瓷的混合物會變?yōu)镹i金屬與ZrO2類陶瓷的混合物的緣故。
[0042]燃料電池層144的厚度為約0.5-約5mm，優(yōu)選為約0.7_約1.5mm。這是因?yàn)?，為了支撐固體電解質(zhì)層143等，燃料電池層144被制成具有足夠機(jī)械強(qiáng)度等的支撐基板。
[0043]如圖2和圖3所示，燃料電池單元100在上下一對內(nèi)部連接器110 (I)UlO (2)之間具備氣體密封部120、隔板130、燃料極框150、氣體密封部160、集流體181，這些部件層
疊并構(gòu)成一體。
[0044]在空氣電極層141與內(nèi)部連接器110 (I)之間為了確保其導(dǎo)通配置有集流體147。在燃料電極層144與內(nèi)部連接器110 (2)之間為了確保其導(dǎo)通配置有集流體181。在比燃料電池單元100靠下層的燃料電池單元的空氣電極層(未圖示)與內(nèi)部連接器110 (2)之間為了確保其導(dǎo)通配置有集流體147。
[0045]集流體147、181可以由不銹鋼(SUS)等金屬構(gòu)成。也可以將集流體147與內(nèi)部連接器110 (I)UlO (2)形成為一體。也可以將集流體181與內(nèi)部連接器110 (2)形成為一體。此時，集流體147、181優(yōu)選采用與內(nèi)部連接器110 (I)UlO (2)同一種類(或相同)的材料。另外，如后所述，集流體147的前端插入到空氣電極層141中，但是在圖2中表示為集流體147與空氣電極層141分離的狀態(tài)。
[0046]以下，針對構(gòu)成燃料電池單元100的各個部件進(jìn)行更詳細(xì)的說明。另外，由于燃料電池單元100的平面形狀為正方形，所以優(yōu)選構(gòu)成燃料電池單元100的各個部件的平面形狀也形成為正方形。
[0047]內(nèi)部連接器110 (I)UlO (2)是例如采用鐵素體類不銹鋼構(gòu)成的板材，且厚度為0.3-2.0mm，在其外緣部等間隔地形成有用于貫穿上述螺栓41-48的貫通孔21-28，該貫通孔21-28例如為直徑IOmm的圓孔。內(nèi)部連接器110 (I)UlO (2)是以與空氣電極層和燃料電極層中的一方電極層相對的方式配置的連接器。
[0048]氣體密封部120被配置在空氣電極層141 一側(cè)，是由例如云母構(gòu)成的厚度0.2-1.0mm的框狀的板材，在其四角的角部形成有用于貫穿上述螺栓45-48的各個貫通孔25-28。
[0049]在該氣體密封部120的四邊的各個邊緣部，沿著各邊形成有構(gòu)成氣體流路的大致長方形(長IOOmmX寬IOmm)的貫通孔121-124，以便與貫穿了上述螺栓41-44的各個貫通孔21-24連通。即，從層疊方向觀察時各個貫通孔121-124形成為包含各個貫通孔21-24。
[0050]在氣體密封部120的左右框部分分別各形成有四個長方形的切口 127，該四個長方形的切口 127構(gòu)成細(xì)徑(長20mmX寬5mm)的氣體流路，以使在氣體密封部120中，中央的正方形開口部125與左右貫通孔121、123連通。
[0051]另外，該切口 127也可以形成為貫通孔，也可以為在氣體密封部120的一個表面開槽而形成的槽部。另外，切口 127可以通過激光加工或沖壓加工形成。
[0052]各個切口 127被配置成以連接左右邊的中點(diǎn)的直線為中心呈線對稱，關(guān)于其個數(shù)，例如針對一邊為六個以上等，適宜地設(shè)定即可。
[0053]隔板130與燃料電池單元主體140的外緣部的上表面接合，隔斷空氣流路101和燃料氣體流路102之間。隔板130為例如由鐵素體類不銹鋼構(gòu)成的框狀板材，厚度為
0.02-0.3mm，在其中央的正方形的開口部135中與上述燃料電池單元主體140接合，以堵塞開口部135。
[0054]在該隔板130中，也與上述氣體密封部120同樣，在其四角的角部形成相同形狀的各個貫通孔25-28，而且沿著四邊的各邊(構(gòu)成第一氣體流路)形成相同形狀的各個貫通孔131-134。
[0055]燃料極框150被配置在燃料氣體流路102 —側(cè)，是由例如鐵素體不銹鋼構(gòu)成的框狀板材，在中央具備開口部155，且厚度為0.5-2.0mm。上述燃料極框150與上述隔板130同樣，其四角的角部形成有相同形狀的各個貫通孔25-28，且沿著四邊的各邊形成構(gòu)成氣體流路的各個貫通孔151-154。
[0056]氣體密封部160被配置在燃料電極層144 一側(cè)，是由例如云母構(gòu)成的框狀的板材，且厚度為0.2-1.0mm，其四角的角部形成插入上述螺栓45-48的各個貫通孔25-28。
[0057]在該氣體密封部160的四邊的各個邊緣部，沿著各邊形成有構(gòu)成氣體流路的大致長方形(長IOOmmX寬IOmm)的貫通孔161-164，以便與貫穿了上述螺栓41-44的各個貫通孔21-24連通。
[0058]在氣體密封部160的左右框部分分別各形成有長方形的四個切口 167，該長方形的四個切口 167構(gòu)成細(xì)徑(長20_X寬5_)的氣體流路，以便在氣體密封部160中，中央的正方形開口部165與左右貫通孔161、163連通。
[0059]另外，該切口 167也可以形成為貫通孔，也可以形成為在氣體密封部160的一個表面開槽而成的槽部。另外，切口 167可以通過激光加工或沖壓加工形成。
[0060]各個切口 167被配置成以連接左右邊的中點(diǎn)的直線為中心呈線對稱，但是關(guān)于其個數(shù)，例如對于一邊為六個以上等，適宜地設(shè)定即可。
[0061]圖4是燃料電池單元主體140的俯視圖。圖5是表示沿著圖4的A_A’切斷時燃料電池單元140的局部剖面的局部剖視圖。圖6是表示燃料電池單元主體140 (空氣電極層141)的剖面輪廓(準(zhǔn)確的說，是粗曲線)的圖。另外，在圖4、圖5中為了容易辨識，省略了內(nèi)部連接器110 (I)的圖示。
[0062]如圖4、圖5所示，在燃料電池單元100的空氣電極層141的表面配置深度Dl的凹部(槽部)145。另外，集流體147的前端以深度D2 (例如，約5-約70 μ m)插入到空氣電極層141中。
[0063]在制作燃料電池單元100時，通過將空氣電極層141和集流體147重疊并加以按壓，使集流體147的前端插入到空氣電極層141中。其結(jié)果，即使在空氣電極層141中配置凹部145，也能保證集流體147與空氣電極層141之間可靠地連接。確保集流體147與空氣電極層141之間的接觸面積，降低接觸電阻。這里，為了提高連接的可靠性，優(yōu)選集流體147的插入深度D2比凹部145的深度Dl大。
[0064]假設(shè)氧化劑氣體在空氣電極層141的表面上從圖4的紙面的上方朝向下方通過。此時，凹部145露出，與氧化劑氣體接觸。凹部145具有相對于流路方向(圖4的紙面上下方向)傾斜的兩個方向(準(zhǔn)確地說，相對于圖4的紙面傾斜±45°方向)。另外，凹部145的形狀不同于集流體147的底部形狀，凹部145具有與集流體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線的最大剖面高度Rt定義，例如為3 μ m。[0065]通過在空氣電極層141的表面形成凹部145，增加空氣電極層141的表面積。另外，通過使凹部145具有沿氧化劑氣體的流路(上下方向)方向的分量，能夠使氧化劑氣體通過凹部145分配到空氣電極層141的表面整體上。另外，也可以使凹部145的朝向?yàn)榱髀贩较?圖4中的紙面上下方向)，由此進(jìn)一步促進(jìn)氧化劑氣體在空氣電極層141的表面上的流通。
[0066]這里，優(yōu)選空氣電極層141的表面的算術(shù)平均粗糙度Ra為0.3 μ m以上，通過使空氣電極層141的表面粗糙化，可以增加空氣電極層141的表面面積，使氧化劑氣體很容易地浸入到空氣電極層141的內(nèi)部。
[0067]優(yōu)選空氣電極層141的表面的算術(shù)平均波紋度Wa為0.3 μ m以下。通過減少空氣電極層141表面的波紋度(凸凹)可以制成氣體很容易分配到空氣電極層141的整體上的結(jié)構(gòu)。
[0068]這里，最大剖面高度Rt、算術(shù)平均粗糙度Ra、算術(shù)平均波紋度Wa是以JISB0601-’ 01為基準(zhǔn)的測量值。[0069]如圖6所示，最大剖面高度Rt是粗糙曲線中的最大剖面高度，并且是基準(zhǔn)長度L中的粗糙度曲線的峰值P的高度的最大值與谷值V的深度的最大值之和。這里，粗糙度曲線是使用截止值為Xe的高通濾波器從剖面曲線中除去低頻成分后的曲線，其中剖面曲線為用表面粗糙度計(jì)量器測量所得到的。
[0070]算術(shù)平均粗糙度Ra是根據(jù)基準(zhǔn)長度L條件下的粗糙度曲線y=f (x)的式(I)求出的平均值(μ m)。另外，在該計(jì)算中所使用的基準(zhǔn)長度L內(nèi)還包括凹部145的區(qū)域(不排除凹部145的區(qū)域)。
[0071]
【權(quán)利要求】
1.一種固體氧化物型燃料電池，其特征在于，具備: 燃料電池單元主體，具備空氣電極層、固體電解質(zhì)層及燃料電極層，并且具有發(fā)電功倉泛; 連接器，被配置成與上述空氣電極層和上述燃料電極層中的一方電極層相對； 集流體，被配置在上述一方電極層與上述連接器之間，通過分別與上述一方電極層和上述連接器彼此相對的表面相接觸，使上述一方電極層和上述連接器電連接；以及 槽部，被配置在上述一方電極層的與上述集流體相接觸的一側(cè)的表面且不與上述集流體相接觸的位置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固體氧化物型燃料電池，其特征在于， 上述一方電極層的與上述集流體相接觸的一側(cè)的表面的算術(shù)平均粗糙度Ra大于0.3 μ m0
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的固體氧化物型燃料電池，其特征在于， 上述一方電極層的與上述集流體相接觸的一側(cè)的表面的算術(shù)平均波紋度Wa小于0.3 μ m0
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的固體氧化物型燃料電池，其特征在于， 上述槽部沿著上述氧化劑氣體或上述燃料氣體的流動方向形成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的固體氧化物型燃料電池，其特征在于， 上述集流體為與上述連接器相同的材料，并且與上述連接器形成為一體。
【文檔編號】H01M8/12GK103534855SQ201280022529
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2012年2月21日 優(yōu)先權(quán)日:2011年5月11日
【發(fā)明者】大野猛, 石田曉, 墨泰志 申請人:日本特殊陶業(yè)株式會社