CN103460475B - 燃料电池 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种可实现高发电效率的固体氧化物燃料电池。第一间隔物（10）配置在氧化剂气体极（32a）上。第一间隔物（10）上形成有用于向氧化剂气体极（32a）提供氧化剂气体的氧化剂气体流路（12a）。第二间隔物（50）配置在燃料极（33a）上。第二间隔物(50)上形成有用于向燃料极(33a)提供燃料气体的燃料气体流路(52a)。第一间隔物（10）上氧化剂气体流路（12a）的宽度随着远离氧化剂气体极（32a）而阶段性或连续地变窄。第二间隔物（50）上燃料气体流路（52a）的宽度随着远离燃料极（33a）而阶段性或连续地变窄。

Description

燃料电池
技术领域
本发明涉及一种燃料电池。本发明特别涉及固体氧化物燃料电池。
背景技术
近年来，作为新能源，燃料电池正受到越来越多的关注。燃料电池有固体氧化物燃料电池（SOFC：SolidOxideFuelCell）、熔融碳酸盐燃料电池、磷酸燃料电池、固体高分子燃料电池等。在这些燃料电池中，固体氧化物燃料电池并不一定需要使用液体的构成要素，而且在使用碳氢燃料时还能够进行内部的改性。因此，对固体氧化物燃料电池进行了广泛的研究开发。
例如，在下述的专利文献1中，公开了图8所示的固体氧化物燃料电池100。固体氧化物燃料电池100具有2个发电元件101a、101b。发电元件101a、101b被夹在间隔物102a、102b、102c之间。在间隔物102a位于发电元件101a一侧的表面、与间隔物102a位于发电元件101b一侧的表面上形成有多个氧化剂气体流路103a、103b。另一方面，在间隔物102b位于发电元件101a一侧的表面、与间隔物102c位于放电元件101b一侧的表面上形成有多条燃料气体流路104a、104b。多条氧化剂气体流路103a、103b与多条燃料气体流路104a、104b沿着相互正交的方向延伸。多条氧化剂气体流路103a、103b与多条燃料气体流路104a、104b各自的横截面大致呈矩形。
在固体氧化物燃料电池100中，氧化剂气体经由多条氧化剂气体流路103a、103b而提供给发电元件101a、101b。燃料气体则经由多条燃料气体流路104a、104b而提供给发电元件101a、101b。由此来进行发电。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特开2004－39573号公报
发明内容
发明所要解决的技术问题
在固体氧化物燃料电池100中，当氧化剂气体、燃料气体的供给压力变高时，间隔物102a～102c容易受到损伤。因此，存在增大氧化剂气体、燃料气体的供给压力将难以提高发电效率的问题。
本发明有鉴于上述问题，其目的在于提供一种能够实现高发电效率的固体氧化物燃料电池。
解决技术问题所采用的技术方案
本发明所涉及的燃料电池包括发电元件、第一间隔物和第二间隔物。发电元件具有固体氧化物电解质层、燃料极和空气极。燃料极设置在固体氧化物电解质层的一个主面上。空气极设置在固体氧化物电解质层的另一个主面上。第一间隔物设置在空气极上。第一间隔物上形成有用于向空气极提供氧化剂气体的氧化剂气体流路。第二间隔物设置在燃料极上。第二间隔物上形成有用于向燃料极提供燃料气体的燃料气体流路。第一间隔物上氧化剂气体流路的宽度随着远离空气极而阶段性地或连续地变窄。第二间隔物上燃料气体流路的宽度随着远离燃料极而阶段性地或连续地变窄。
本发明所涉及的燃料电池的一个特定方面在于，第一间隔物具有沿宽度方向将氧化剂气体流路划分成多个的线状凸部。第二间隔物具有沿宽度方向将燃料气体流路划分成多个的线状凸部。
发明效果
根据本发明，能提供一种可实现高发电效率的固体氧化物燃料电池。
附图说明
图1是实施方式1所涉及的固体氧化物燃料电池的简要分解立体图。
图2是实施方式1所涉及的固体氧化物燃料电池沿y方向和z方向的简要剖视图。
图3是实施方式1所涉及的固体氧化物燃料电池沿x方向和z方向的简要剖视图。
图4是实施方式2所涉及的固体氧化物燃料电池的一部分沿y方向和z方向的简要剖视图。
图5是实施方式2所涉及的固体氧化物燃料电池的一部分沿x方向和z方向的简要剖视图。
图6是实施方式3所涉及的固体氧化物燃料电池的一部分沿y方向和z方向的简要剖视图。
图7是实施方式3所涉及的固体氧化物燃料电池的一部分沿x方向和z方向的简要剖视图。
图8是专利文献1所记载的固体氧化物燃料电池的简要分解立体图。
具体实施方式
下面，对实施本发明的优选方式的一个示例进行说明。然而，下述实施方式仅仅是例示。本发明不限于下述任一实施方式。
此外，在实施方式等所参照的各附图中，以相同的标号来参照实质上具有相同功能的构件。此外，实施方式等所参照的附图是示意性描述的图，附图中所绘制的物体的尺寸比率等可能会与现实中的物体的尺寸比率等不同。附图相互间的物体的尺寸比率等也可能不同。具体的物体的尺寸比率等应当参考以下的说明来判断。
《实施方式1》
图1是实施方式1所涉及的燃料电池的简要分解立体图。图2是实施方式1所涉及的燃料电池沿y方向和z方向的简要剖视图。图3是实施方式1所涉及的燃料电池沿x方向和z方向的简要剖视图。
如图1～图3所示，实施方式1所涉及的固体氧化物燃料电池1具有第一间隔物10、第一多孔质体20、发电元件30、第二多孔质体40、以及第二间隔物50。固体氧化物燃料电池1中，第一间隔物10、第一多孔质体20、发电元件30、第二多孔质体40、以及第二间隔物50以上述顺序进行层叠。
此外，本实施方式的固体氧化物燃料电池1仅具有一个由第一多孔质体20、第二多孔质体40、以及发电元件30构成的层叠体。但本发明并不限于该结构。本发明的燃料电池例如也可具有多个由第一多孔质体、第二多孔质体、以及发电元件构成的层叠体。在这种情况下，相邻的层叠体由间隔物进行隔离。
（发电元件30）
发电元件30是由氧化剂气体流路(氧化剂气体用歧管)61提供的氧化剂气体和由燃料气体流路(燃料气体用歧管)62提供的燃料气体发生反应从而进行发电的部分。这里，氧化剂气体能够由例如空气、氧气等有氧气体来构成。此外，燃料气体可采用氢气、一氧化碳气体等含有烃类气体等的气体。
（固体氧化物电解质层31）
发电元件30包括固体氧化物电解质层31。固体氧化物电解质层31优选为离子导电性较高的电解质层。固体氧化物电解质层31例如可以由稳定氧化锆、部分稳定氧化锆等形成。作为稳定氧化锆的具体例，可举出10mol%氧化钇稳定氧化锆(10YSZ)、11mol%萤石型钪稳定氧化锆(11ScSZ)等。作为部分稳定氧化锆的具体例，可举出3mol%氧化钇部分稳定氧化锆(3YSZ)等。此外，固体氧化物电解质层31也可以由例如掺入有Sm、Gd等的氧化铈类氧化物、以LaGaO3为母体且分别用Sr和Mg来取代一部分La和Ga后得到的La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.2O(3-δ)等钙钛矿型氧化物等来形成。
固体氧化物电解质层31被夹在空气极层32和燃料极层33之间。即，在固体氧化物电解质层31的一个主面上形成有空气极层32，在另一个主面上形成有燃料极层33。
（空气极层32）
空气极层32具有空气极32a。空气极32a为阴极。空气极32a中，氧捕获电子，从而形成了氧离子。空气极32a优选使用多孔质、传导率较高、且在高温下不易与固体氧化物电解质层31等产生固体间反应的材料。空气极32a例如可以由萤石型钪稳定氧化锆(ScSZ)、掺入有Sn的氧化铟、PrCoO3类氧化物、LaCoO3类氧化物、LaMnO3类氧化物等形成。作为LaMnO3类氧化物的具体例，例如可举出La0.8Sr0.2MnO3(通称:LSM)、La0.8Sr0.2Co0.2Fe0.8O3(通称:LSCF)、La0.6Ca0.4MnO3(通称:LCM)等。空气极32a也可以由混合了2种以上上述材料的混合材料构成。
（燃料极层33）
燃料极层33具有燃料极33a。燃料极33a为阳极。燃料极33a中，氧离子与燃料气体进行反应从而释放出电子。燃料极33a优选使用多孔质、电子传导性较高、且在高温下不易与固体氧化物电解质层31等产生固体间反应的材料。燃料极33a例如可以由NiO、氧化钇稳定氧化锆（YSZ）/镍金属的多孔质金属陶瓷、萤石型钪稳定氧化锆（ScSZ）/镍金属的多孔质金属陶瓷等构成。燃料极层33可以由混合了2种以上上述材料的混合材料构成。
（第一间隔物10）
发电元件30的空气极层32上配置有由第一间隔物主体11以及第一流路形成构件12构成的第一间隔物10。第一间隔物10上形成有用于向空气极32a提供氧化剂气体的氧化剂气体流路12a。该氧化剂气体流路12a自氧化剂气体用歧管61起，从x方向的x1侧向x2侧延伸。氧化剂气体流路12a被沿x方向延伸的多个线状凸部12c，在氧化剂气体流路12a的宽度方向即y方向上分割成多个。
第一间隔物主体11及第一流路形成构件12的材料并无特别限定。第一间隔物主体11及第一流路形成构件12分别可由例如氧化钇稳定氧化锆等稳定氧化锆、部分稳定氧化锆等形成。另外，第一间隔物主体11及第一流路形成部12分别也可由例如添加了稀土金属的铬酸镧、钛酸锶等导电性陶瓷、氧化铝、硅酸锆等的绝缘性陶瓷等形成。
在多个线状凸部12c中，分别埋设有多个过孔电极12c1。多个过孔电极12c1形成为在z方向上贯通多个线状凸部12c。另外，第一间隔物主体11中，与多个过孔电极12c1的位置相对应地形成有多个过孔电极11c。多个过孔电极11c形成为贯通第一间隔物主体11。这些多个过孔电极11c及多个过孔电极12c1构成了从线状凸部12c的与第一间隔物主体11相反一侧的表面直至第一间隔物主体11的与线状凸部12c相反一侧的表面为止的多个过孔电极。
过孔电极11c及过孔电极12c1的材质并无特别限定。过孔电极11c及过孔电极12c1分别可由例如Ag-Pd合金、Ag-Pt合金、添加了碱土金属的铬酸镧(LaCrO3)、铁酸镧(LaFeO3)、锰酸锶镧(LSM：LanthanumStrontiumManganite)等形成。
（第二间隔物50）
发电元件30的空气极层33上配置有由第二间隔物主体51以及第二流路形成构件52构成的第二间隔物50。第二间隔物50上形成有用于向燃料极33a提供燃料气体的燃料气体流路52a。该燃料气体流路52a自燃料气体用歧管62起，从y方向的y1侧向y2侧延伸。燃料气体流路52a被沿y方向延伸的多个线状凸部52c，在燃料气体流路52a的宽度方向即x方向上分割成多个。
第二间隔物主体51及第二流路形成构件52的材料并无特别限定。第二间隔物主体51及第二流路形成部52分别可由例如稳定氧化锆、部分稳定氧化锆等形成。另外，第二间隔物主体51及第二流路形成部52分别也可由例如添加了稀土金属的铬酸镧、钛酸锶等导电性陶瓷、氧化铝、硅酸锆等绝缘性陶瓷等形成。
在多个线状凸部52c中，分别埋设有多个过孔电极52c1。多个过孔电极52c1形成为在z方向上贯通多个线状凸部52c。另外，第二间隔物主体51中，与多个过孔电极52c1的位置相对应地形成有多个过孔电极51c。多个过孔电极51c形成为贯通第二间隔物主体51。这些多个过孔电极51c及多个过孔电极52c1构成了从线状凸部52c的与第二间隔物主体51相反一侧的表面直至第二间隔物主体51的与线状凸部52c相反一侧的表面为止的多个过孔电极。
过孔电极51c及过孔电极52c1的材质并无特别限定。过孔电极51c及过孔电极52c1分别可由例如Ag-Pd合金、Ag-Pt合金、镍金属、氧化钇稳定氧化锆(YSZ)/镍金属、萤石型钪稳定氧化锆(ScSZ)/镍金属等形成。
(第一多孔质体20及第二多孔质体40)
线状凸部12c与空气极32a之间，配置有第一多孔质体20。第一多孔质体20形成为覆盖空气极32a的面向氧化剂气体流路12a的部分。具体而言，本实施方式中，第一多孔质体20形成为实质上覆盖整个空气极32a。
由氧化剂气体流路12a提供的氧化剂气体在第一多孔质体20内扩散，同时流向空气极32a侧。从而，能够高均匀度地向空气极32a提供氧化剂气体。
另一方面，在线状凸部52c与燃料极33a之间，配置有第二多孔质体40。第二多孔质体40形成为覆盖燃料极33a的面向燃料气体流路52a的部分。具体而言，本实施方式中，第二多孔质体40形成为实质上覆盖整个燃料极33a。
由燃料气体流路52a提供的燃料气体在第二多孔质体40内扩散，同时流向燃料极33a侧。从而，能够高均匀度地向燃料极33a提供燃料气体。
第一多孔质体20、第二多孔质体40各自的材质并无特别限定。本实施方式中，第一多孔质体20、第二多孔质体40分别由导电构件构成。具体而言，本实施方式中，第一多孔质体20由与空气极32a相同的材料构成。第二多孔质体40由与燃料极33a相同的材料构成。因此，空气极32a经由第一多孔质体20与过孔电极12c1、11c电连接。燃料极33a经由第二多孔质体40与过孔电极52c1、51c电连接。
此外，第一多孔质体20、第二多孔质体40并非本发明的必要构成要素。因此，也可以不设置第一多孔质体20、第二多孔质体40。
在图8所示的固体氧化物燃料电池100中，多条氧化剂气体流路103a、103b与多条燃料气体流路104a、104b各自的横截面大致呈矩形。因此，在固体氧化物燃料电池100中，当氧化剂气体、燃料气体的供给压力变高时，在间隔物102a～102c的氧化剂气体流路103a、103b和燃料气体流路104a、104b的角部附近的部分会发生应力集中。因此，当氧化剂气体、燃料气体的供给压力变高时，间隔物102a～102c可能会产生裂缝。
另外，当通过一体烧制来制作固体氧化物燃料电池100时，因发电元件101a、101b与间隔物102a～102c在烧制时的收缩行为不同而产生的应力会集中在间隔物102a～102c的氧化剂气体流路103a、103b和燃料气体流路104a、104b的角部附近的部分。因此，当一体烧制时，间隔物102a～102c可能会产生裂缝。
而在本实施方式中，如图2所示，第一间隔物10上的氧化剂气体流路12a沿y方向的宽度随着远离空气极32a（朝z1侧）而阶段性地变窄。而且，如图3所示，第二间隔物50上的燃料气体流路52a沿x方向的宽度随着远离燃料极33a（朝z2侧）而阶段性地变窄。即，流路12a、52a的侧壁上形成有台阶的结构。
因此，即使氧化剂气体、燃料气体的供给压力变高，因氧化剂气体、燃料气体的供给压力而产生的应力也会分散地施加在间隔物10、50上。从而，在固体氧化物燃料电池1中，能够使间隔物10、50不易产生裂缝地提高氧化剂气体、燃料气体的供给压力。而且，在进行发电时，间隔物10、50也不易产生裂缝，从而能够稳定地进行发电。因而，能实现高发电效率。
另外，一体烧制时因间隔物10、50与发电元件30的收缩行为不同而产生的应力也会分散地施加在间隔物10、50上。从而，能够使间隔物10、50不易产生裂缝、并稳定地制造出高合格率的固体氧化物燃料电池1。
此外，作为在本实施方式的情况下形成氧化剂气体流路12a及燃料气体流路52a的方法，可以列举出例如以下的方法：即、通过在形成有开口部的尺寸较大的开口部的生片上，层叠形成有开口部的尺寸较小的开口部的生片，从而构成层叠体，用于构成第一流路形成构件12的线状凸部12c以外的部分，然后对该层叠体进行烧制的方法。
以下，对实施本发明的优选方式的另一个示例进行说明。在下面的说明中，用通用的标号来参照与上述实施方式1实质上具有共同功能的构件，并省略说明。
《实施方式2》
图4是实施方式2所涉及的燃料电池的一部分沿y方向和z方向的简要剖视图。图5是实施方式2所涉及的燃料电池的一部分沿x方向和z方向的简要剖视图。此外，在图4和图5中，发电元件30、第二多孔质体40、以及第二间隔物50与实施方式1所涉及的固体氧化物燃料电池1的相同，因此省略其图示。
实施方式1中，氧化剂气体流路12a及燃料气体流路52a各自的宽度经一级台阶变窄，并以这样的间隔物10、50为例进行了说明。但本发明并不限于该结构。
例如图4所示，第一间隔物10构成为氧化剂气体流路12a的宽度经多级台阶变窄。另外，如图5所示，第二间隔物50构成为燃料气体流路52a的宽度经多级台阶变窄。由此，可以更有效地抑制应力集中地施加于间隔物10、50的特定部位。从而，间隔物10、50不易产生裂缝，能够实现高发电效率，并且还能够实现高合格率。
但是，当流路12a、52a的宽度不同的部分过多，则会导致固体氧化物燃料电池1的制造变得困难。因此，优选使间隔物10、50构成为流路12a、52a在1～10级台阶的范围内经多级台阶变窄。
《实施方式3》
图6是实施方式3所涉及的燃料电池的一部分沿y方向和z方向的简要剖视图。图7是实施方式3所涉及的燃料电池的一部分沿x方向和z方向的简要剖视图。此外，在图6和图7中，发电元件30、第二多孔质体40、以及第二间隔物50与实施方式1所涉及的固体氧化物燃料电池1的相同，因此省略其图示。
如图6和图7所示，本实施方式中，间隔物10、50构成为使得流路12a、52a的宽度连续地变窄。由此，可以更有效地抑制应力集中地施加于间隔物10、50的特定部位。从而，间隔物10、50不易产生裂缝，能够进一步实现高发电效率，并且还能够进一步实现高合格率。
标号说明
1固体氧化物燃料电池
10第一间隔物
11第一间隔物主体
11c过孔电极
12第一流路形成构件
12a氧化剂气体流路
12c线状凸部
12c1过孔电极
20第一多孔质体
30发电元件
31固体氧化物电解质层
32空气极层
32a空气极
33燃料极层
33a燃料极
40第二多孔质体
50第二间隔物
51第二间隔物主体
51c过孔电极
52第二流路形成构件
52a燃料气体流路
52c线状凸部
52c1过孔电极
61氧化剂气体用歧管
62燃料气体用歧管

Claims (2)

1.一种燃料电池，其特征在于，包括：
发电元件，该发电元件具有固体氧化物电解质层、配置在所述固体氧化物电解质层的一个主面上的燃料极、和配置在所述固体氧化物电解质层的另一个主面上的空气极；
第一间隔物，该第一间隔物配置在所述空气极上，且形成有用于向所述空气极提供氧化剂气体的氧化剂气体流路；以及
第二间隔物，该第二间隔物配置在所述燃料极上，且形成有用于向所述燃料极提供燃料气体的燃料气体流路，
所述第一间隔物构成为使得所述氧化剂气体流路的宽度随着远离所述空气极而阶段性地变窄，
所述第二间隔物构成为使得所述燃料气体流路的宽度随着远离所述燃料极而阶段性地变窄，
其中，所述氧化剂气体流路的宽度经多级台阶变窄，所述燃料气体流路的宽度经多级台阶变窄。
2.如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，
所述第一间隔物具有沿宽度方向将所述氧化剂气体流路划分成多个的线状凸部，
所述第二间隔物具有沿宽度方向将所述燃料气体流路划分成多个的线状凸部。
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