JP2001118589A - 固体電解質型燃料電池 - Google Patents

固体電解質型燃料電池

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JP2001118589A
JP2001118589A JP29948799A JP29948799A JP2001118589A JP 2001118589 A JP2001118589 A JP 2001118589A JP 29948799 A JP29948799 A JP 29948799A JP 29948799 A JP29948799 A JP 29948799A JP 2001118589 A JP2001118589 A JP 2001118589A
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fuel cell
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Haruo Nishiyama
治男 西山
Hiroaki Takeuchi
弘明 竹内
Koji Hyofu
浩二 表敷
Akira Ueno
晃 上野
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Toto Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 セルの反りに起因する集合体の接触抵抗を
回避するための改良が加えられた、電極が分割された固
体電解質型燃料電池を提供する。 【解決手段】 本発明は、固体電解質型燃料電池にお
いてセルの反りを低減化のために、セル作製時の焼成収
縮による応力および材料間の熱膨張の差による応力を低
減するために、電極を分割構造とした固体電解質型燃料
電池とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、固体電解質型燃料
電池(以下T−SOFCともいう)の電池構造に関し、
特に、セルの反りを低減するために改良を加えた固体電
解質型燃料電池に関する。
【0002】
【従来の技術】T−SOFCは、特公平1−59705
号公報等に開示されている固体電解質型燃料電池の一タ
イプである。特公平1−59705号公報では、多孔質
支持管−空気電極−固体電解質−燃料電極−インターコ
ネクターで構成される円筒型セルを有する。空気電極側
に酸素(空気)を流し、燃料電極側に燃料ガス(H2
CH4等)を流してやると、このセル内で酸素イオンが
移動して化学的燃焼が起こり、空気電極と燃料電極の間
に電位が生じ発電が行われる。なお、空気電極や燃料電
極が支持管を兼用する形式のものや、平板形状とした形
式のものもある。T−SOFCの実証試験は、1993
年段階で25kW級のもの(セル有効長50cm、セル
数1152本)までが進行中である。
【0003】現状の代表的なT−SOFCの構成材料、
厚さ及び製造方法は以下の通りである。(Proc. of the
3rd Int. Symp. on SOFC, 1993)。 支持管:ZrO2(CaO)、厚さ1.2mm、押し出
し 空気電極:La(Sr)MnO3、厚さ1.4mm、ス
ラリーコート 固体電解質:ZrO2(Y23)、厚さ40μm、EV
D インターコネクター:LaCr(Mg)O3、厚さ40
μm、EVD 燃料電極:Ni−ZrO2(Y23)、厚さ100μ
m、スラリーコート+EVD
【0004】図1及び図2に、従来知られている代表的
なT−SOFCの全体構造を示す。この固体電解質型燃
料電池110の中枢部分である円筒セル集合体101
は、細長い円筒状(寸法例、径15mm×長さ500m
m)の多数のセル3から構成されている。円筒セル3
は、上端開放、下端閉のセラミックチューブである。円
筒セル3の断面は多層円筒状をしており(図1(B)参
照)、空気電極11、固体電解質13、燃料電極15及
びインターコネクター17の各層が積層されている。
【0005】次に、図1(A)を参照しつつ、円筒セル
3の軸方向(上下方向)の構造について説明する。まず円
筒セル3上端(開放端)部には、開放端側非発電域31
が設けられている。この非発電域31は、空気電極11
と固体電解質層13のみからなり、燃料電極やインター
コネクターは形成されていない。したがって、円筒セル
3内外のガス遮断は行われるが、発電は行われない。こ
のような非発電域は、円筒セル3下端(封止端)23の
近傍にも設けられている(封止端側非発電域35)。こ
れによって、セル封止端及び開放端近傍のヒートスポッ
トをなくしクラックを未然に防止している。
【0006】開放端非発電域31及び封止端非発電域3
5を除く円筒セル3中央部は発電域33となっており、
電極の分割が行われている。
【0007】円筒セルの各層は、それぞれ必要な機能
(導電性、通気性、固体電解質、電気化学触媒性等)を
有する酸化物を主成分とする材料で形成されている。円
筒セル3内には、空気を通すための細長い空気導入管5
が通っている。空気導入管5によって、空気分配器12
1内の空気が、円筒セル3チューブ内に供給される。チ
ューブ内(底)に供給された空気は、上述の発電反応に
寄与しつつチューブ内を上方に向かい、セル上端21か
ら排気燃焼室105に出る。この排気燃焼室105にお
いては、後述する燃料ガス排気と空気排気とが混合さ
れ、円筒セル3で未反応のまま排気された酸素と燃料成
分が燃焼(一般的な燃焼)する。
【0008】円筒セル3の外面には、燃料電池110下
部の燃料ヘッダー137から上方に向けて燃料ガスが供
給され、上述の発電に供される。燃料ガスの未反応部分
と、セル部での電気化学的燃焼生成物(CO2、H2
等)とは、円筒セル3上端外側の隙間を通って排気燃焼
室105に入る。この排気燃焼室105では、上述のよ
うに未反応燃料が燃焼する。燃焼排ガスは、排気口12
5から排出される。この排ガスの顕熱は、燃料電池に供
給される空気及び燃料ガスの余熱に用いられたり、ある
いは、通常の蒸気ボイラー・タービンを用いる発電シス
テムに送られて発電に利用される。
【0009】図2に示されている6列の円筒セル3は、
互いに電気的に接続されている。すなわち、右側の円筒
セルのインターコネクター17が、その左側の円筒セル
の外面(外面電極、この場合燃料電極)に、Niフェル
ト135を介して接続されているので、結局、図2の6
本の円筒セルは直列に接続されていることとなる。通常
の固体電解質型燃料電池にあっては、円筒セル1本にお
ける発電電圧は約1ボルトなので、多数の円筒セルを直
列に接続して所要の電圧を得る。円筒セル集合体101
の最外列の外側には集電板131、131’が円筒セル
3に接して設けられている。この集電板131と、それ
に接続されている集電棒133から、セル集合体1で発
電された電力を外部へ取り出す。
【0010】このように、T−SOFCは、セルを接続
して集合体として使用することで、セル間の接触抵抗を
低減化することにより出力ロスを無くし、効率良く使用
することができる。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】しかし、従来のT−S
OFCでは、長尺円筒形状の非対称構造であったり、大
面積平板形状であるため、作製時にセルに大きな反りが
生じる。このように各セルに反りが生じると、セルを集
合体とした時に各セル間に接触抵抗が発生し、大きな出
力ロスが生じるという問題があった。
【0012】本発明は、セルの反りを低減化するため
に、電極分割型の固体電解質型燃料電池を提供すること
を目的とする。
【0013】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】上
記目的を達成するために、固体電解質層、電極層(空気
電極および燃料電極)およびインターコネクター層を含
む固体電解質型燃料電池において、電極層を分割したこ
とを特徴とする。
【0014】電極層の分割においては、空気電極のみの
分割、燃料電極のみの分割あるいは空気電極と燃料電極
の両電極の分割いずれであっても良い。また、分割個数
はセルの大きさや形状に影響されるところが大きいが、
1ブロック当たり600mm以下とすることでセルの反
りを抜本的に解消することができる。
【0015】
【発明の実施の形態】本発明において電極層を分割構造
とするのは、セルの反りを低減化するためである。電極
を分割することにより、セル作製時の電極の焼成収縮を
低減化することができるためにセルの反りを低減化する
ことが可能である。また、電極を分割構造とすることに
より、固体電解質型燃料電池使用時の温度の上げ下げに
伴う材料間の熱膨張の差によりセルの変形(反り)や、
セル間の接触不良を減少させることも可能となる。
【0016】上記焼成収縮によるセルの反りや材料間の
熱膨張の差による接触不良を大幅に低減するためには、
電極の分割を1ブロック当たり600mm以下とするこ
とが望ましく、更に望ましくは100mm以下とする。
【0017】電極の分割に際しては、例えば長手方向の
みだけでなく、格子状の分割や斜め方向での分割など分
割方法に限定されるものではない。
【0018】また、特に円筒セルタイプの固体電解質型
燃料電池において、電極が支持管を兼用しているタイプ
では、支持管を兼用していない他方の電極のみの分割と
なる。
【0019】
【実施例】固体電解質層、電極層(空気電極および燃料
電極)およびインターコネクター層を含む、円筒状固体
電解質型燃料電池において、空気電極が支持管を兼用す
る形式のものとする。
【0020】空気電極支持管としては、材質をLa0.99
Sr0.1MnO3とし、外形φ22mm、全長1200m
m、片側封止形状のものを押し出し成形にて作製した。
【0021】上記空気極支持管上に、材質La0.7Ca
0.3CrO3のインターコネクター層を封止部の先端から
50mm位置から、幅10mm、長さ1100mm形状
にて成膜し、また、材質ZrO2−10mol%Y23
の固体電解質層をインターコネクター層以外の空気電極
層全面に成膜した。
【0022】そして、最後に燃料電極として材質NiO
-30mol%(ZrO2−10mol%Y23)とし、
インターコネクター層の周円部に幅50mm、長さ11
00mmにて成膜をした。燃料電極の成膜に際して、長
さ方向において分割無し(燃料電極1100mm長さ
のみ)、2分割(燃料電極1ブロック当たりの長さ約
548mm)、5分割(燃料電極1ブロック当たり長
さ約218mm)、11分割(燃料電極1ブロック当
たり長さ約98mm)、20分割(燃料電極1ブロッ
ク当たり長さ約53mm)の5種類の形状にて成膜後、
1400℃焼成を行った。
【0023】焼成後のセルについて、セルの反りを測定
した結果、分割無しでは3.3mmの反り、2分割
では1.8mmの反り、5分割では1.3mmの反
り、11分割では0.8mmの反り、20分割では
0.5mmの反りが認められた。
【0024】上記測定結果から、燃料電極を、1ブロッ
ク当たりの長さが600mm以下となるように分割する
ことで大幅に反りの低減化が可能であることが分かる。
また、11分割として燃料電極1ブロック当たりの長さ
を100mm以下とすることにより、反り量を1mm以
下とすることが可能となり、固体電解質型燃料電池を集
合体として使用する際に極めて良好なセルの作製ができ
た。
【0025】
【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
は、固体電解質型燃料電池においてセルの反りを低減す
る事により、反りに起因する接触抵抗を低減することが
できる。また、セルの反りを低減することで、セル作製
時の焼成収縮による応力および材料間の熱膨張の差によ
る応力を低減することも可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】(A)は従来の円筒型固体電解質型燃料電池の
セル(組立体)の構造を示す縦断面図であり、(B)は
(A)のB−B断面を示す横断面図である。
【図2】同、代表的なT−SOFCの断面図である。
【符号の説明】
1 セル組立体 3 円筒セル 5 空気導入管 11 空気電極 13 固体電解質層 15 燃料電極 17 インターコネクター層 21 セル上端
(開放端) 23 セル下端(封止端) 25 導入管先端 31 開放端側非発電領域 33 発電領域
(電極分割域) 35 封止端側非発電領域
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 上野 晃 福岡県北九州市小倉北区中島2丁目1番1 号 東陶機器株式会社内 Fターム(参考) 5H018 AA06 AS02 AS03 CC03 EE12 EE13 5H026 AA06 CV02 CV06 CX06

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 固体電解質層、空気電極および燃料電極
    からなる電極層、およびインターコネクター層を含む固
    体電解質型燃料電池において、 前記空気電極および燃料電極の少なくとも何れか一方が
    分割されていることを特徴とする固体電解質型燃料電
    池。
  2. 【請求項2】 固体電解質層、空気電極および燃料電極
    からなる電極層、およびインターコネクター層を含む、
    円筒状固体電解質型燃料電池において、 1本の円筒状チューブにおいて前記空気電極および燃料
    電極の少なくとも何れか一方が分割されていることを特
    徴とする円筒状固体電解質型燃料電池。
  3. 【請求項3】 固体電解質層、空気電極および燃料電極
    からなる電極層、およびインターコネクター層を含む、
    平板状固体電解質型燃料電池において、 電解質を挟んだ1枚の平板状セルにおいて前記空気電極
    および燃料電極の少なくとも何れか一方が分割されてい
    ることを特徴とする平板状固体電解質型燃料電池。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006351224A (ja) * 2005-06-13 2006-12-28 Sumitomo Metal Mining Co Ltd 固体電解質型燃料電池の電極用ニッケル粉及びその製造方法
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