JP2003086189A - 円筒縦縞型燃料電池 - Google Patents

円筒縦縞型燃料電池

Info

Publication number
JP2003086189A
JP2003086189A JP2001276586A JP2001276586A JP2003086189A JP 2003086189 A JP2003086189 A JP 2003086189A JP 2001276586 A JP2001276586 A JP 2001276586A JP 2001276586 A JP2001276586 A JP 2001276586A JP 2003086189 A JP2003086189 A JP 2003086189A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
fuel
cylindrical
cell
fuel electrode
electrode
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2001276586A
Other languages
English (en)
Inventor
Tomoyuki Nakamura
朋之 中村
Kenichi Hiwatari
研一 樋渡
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toto Ltd
Original Assignee
Toto Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toto Ltd filed Critical Toto Ltd
Priority to JP2001276586A priority Critical patent/JP2003086189A/ja
Publication of JP2003086189A publication Critical patent/JP2003086189A/ja
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Abstract

(57)【要約】 (修正有) 【課題】 円筒セルの長軸方向の温度分布を均一化した
円筒縦縞型燃料電池を提供することである。 【解決手段】 円筒縦縞型燃料電池は、燃料ガスの流れ
方向に従い、導電率が大きくなっている燃料極3を有す
る。燃料極の導電率の調整により、セル封止部近傍のよ
うな燃料ガス濃度の高い領域で電池反応を抑制し、一方
セル開放部近傍のような燃料ガス濃度の低い領域で電池
反応を促進させる。構造を有する燃料極を複数に分割し
て成膜することにより、高い生産性、均質性が期待でき
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は円筒縦縞型燃料電池
に係り、発電性能に優れ、且つ量産化に好適である円筒
縦縞型燃料電池に関する。
【0002】
【従来の技術】従来の形状を有する前記円筒縦縞型燃料
電池において、セル封止端より燃料ガスを流した場合、
セル封止端の方から発電反応が進行し、セル開放端では
封止端と比較して燃料ガス濃度が低くなるため、セル開
放端は封止端より発電反応が進行せず、セル封止端の方
が電流密度が高くなるといったセル軸方向における電流
分布が発生し、その結果、全電極面に渡って平均的に発
電した場合と比較して発電量が低下するという問題があ
った。加えて封止端における電流密度の上昇、あるい
は、その結果として生じる優先的な発電反応による局所
的な温度上昇により、耐久性が低下する原因となってい
た。
【0003】前記問題に対し、特開2000-1826
33では、前記燃料極の気孔率を10〜40%の範囲で
変えることにより、燃料となる水素ガス透過率を制御す
ることで、前記問題の解決が可能であると示されてい
る。また特開2000-182627では前記燃料極の
厚みを50〜200μmの範囲で変えることにより、前
記特開2000-182633と同様に燃料となる水素
ガス透過率を制御することで、前記問題の解決が可能で
あると示されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、燃料極
の厚みが300μmまでの非常に薄い範囲において、そ
の気孔率、厚みでガス透過率を制御し、その結果セル性
能を制御するのは困難であった。これはセル全体の内部
抵抗の中で、燃料極のガス拡散に起因する抵抗の割合が
小さいためと考えられる。
【0005】本発明は上記課題を解決するものであり、
全電極面に渡って平均的に発電することにより高い発電
効率を有することができ、且つ、局所的な温度上昇を防
ぐことにより耐久性を向上することができる円筒縦縞型
燃料電池を提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に第一の発明は、円筒形状を有し内側に酸素又は空気が
通過する空気極と、該空気極の外表面に形成された円筒
の長軸方向の帯状インターコネクターおよび固体電解質
と、前記固体電解質の表面に前記インターコネクターと
接触しないように形成され円筒の長軸方向に通過する燃
料ガスと接する燃料極と、からなる円筒セルを備えた円
筒縦縞型燃料電池において、燃料ガスの流れ方向の上流
にあたるセル封止部付近は燃料ガス濃度が高いので、該
領域の燃料極の導電率を低くし、燃料ガスの流れ方向に
従い燃料極の導電率を高くした円筒縦縞型燃料電池を提
供する。本発明では、セルの軸方向において電流密度の
均一化を図ることができることから、高い発電効率及び
高い耐久性を有する円筒縦縞型燃料電池を提供すること
が可能である。
【0007】上記目的を達成するために第二の発明は、
第一の発明における記燃料極をNiOとイットリア安定化
ジルコニア(YSZ)の複合体(NiO/YSZ)を還元した物質
(Ni/YSZ)からなる円筒縦縞型燃料電池を提供する。本
発明では、記燃料極をNiとイットリア安定化ジルコニア
(YSZ)の複合体(Ni/YSZ)からなる構成することによ
り、Ni起因の高い導電率と、上記電解質に近い熱膨張係
数を併せ持つことができる。
【0008】前記目的を達成するために第三の発明は、
第二の発明におけるNiOとYSZの重量比がNiO:YSZ = 2
0:80〜80:20である円筒縦縞型燃料電池を提供
する。本発明では、NiOとYSZの重量比をNiO:YSZ = 2
0:80〜80:20としたことにより、燃料極の導電
率を効率よく制御することが可能となる。
【0009】前記目的を達成するために第四の発明は、
第二又は第三の発明において、燃料ガスの流れ方向に従
い、前記NiO/YSZのNiOの比率を増加させてなる円筒縦縞
型燃料電池を提供する。本発明では、燃料極の導電率を
効率よく制御することが可能となる。
【0010】前記目的を達成するために第五の発明は、
第一〜第四の発明における燃料極の気孔率が25~50%であ
る円筒縦縞型燃料電池を提供する。本発明では、燃料極
の気孔率を25~50%の範囲内で制御することにより、燃料
極の導電率を効率よく制御することが可能となる。
【0011】前記目的を達成するために第六の発明は、
第五の発明において、燃料ガスの流れ方向に従い、前記
燃料極の気孔率を減少させてなる円筒縦縞型燃料電池を
提供する。本発明では、燃料極の導電率を効率よく制御
することが可能となる。
【0012】前記目的を達成するために第七の発明は、
第一〜六の発明における、燃料極が円筒セルの長軸方向
に対して横縞状に複数に分割されている円筒縦縞型燃料
電池を提供する。本発明では、燃料極を円筒セルの長軸
方向に対して横縞状に複数に分割したことを特徴とする
ので、シート貼付法などによって、異なる導電率を有す
る燃料極膜を容易に成膜することができる。従って、高
い発電効率及び高い耐久性を有する固体電解質型燃料電
池を容易且つ生産性に優れた方法で提供することが可能
である。
【0013】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照し、本発明の実
施の形態について説明する。図1は、本発明の一実施例
に係る円筒縦縞型燃料電池のセルの構造である。また図
2は、図1記載のセルの断面を斜視した図である。
【0014】本発明における円筒縦縞型燃料電池とは、
固体電解質型燃料電池の一タイプである。円筒縦縞型燃
料電池は、多孔質支持管−空気極1−固体電解質2−燃
料極3−インターコネクター4で構成される円筒型セル
を有する。空気極側に酸素(空気)を流し、燃料極側に
ガス燃料(H2,CO等)を流してやると、このセル内
でO2-イオンが移動して化学的燃焼が起こり、空気極と
燃料極の間に電位が生じ発電が行われる。なお、空気極
が支持管を兼用する形式のものもある。
【0015】本発明における燃料極には、NiOとYSZとを
混合複合化した複合粉末の焼成層が主に用いられ、焼成
層中のNiOは燃料電池の運転中に還元されてNiOとなり、
該層はNi/YSZのサーメット膜となる。Ni/YSZサーメット
の導電性は、NiO含有量や微構造に大きく依存する。NiO
含有量の関数としてNiO/YSZの導電性をとると、約20vol
%を超えると急激に導電率が減少する。成膜方法として
は、スラリー塗布+EVD法や、湿式ディッピング法等が
提案されている。他の燃料極材料としてCoが挙げられ、
NiOよりも耐硫黄性が良いが、コストの高さ、酸化ポテ
ンシャルの高さといった問題がある。
【0016】図1に示すように本発明の円筒縦縞型燃料
電池においては、燃料ガスは、円筒セルの封止端から流
れる。前記円筒セルの封止端近傍における燃料ガス濃度
は最大となるので、セルの軸方向において電流密度の均
一化を図るためには、燃料極の導電率を最小とする。こ
の際、燃料極の導電率は前記NiO/YSZ粉末のNiOとYSZの
比を変化させることで制御可能である。導電率の高いNi
Oの割合を多くすることで、燃料極の導電率は増加し、
一方NiOの割合を少なくすることで、燃料極の導電率は
減少する。この際NiO/YSZの重量比NiO:YSZ = 20:8
0〜50:50であることが好ましい。NiO量が20wt%未
満になると燃料極の導電率が大きく減少する。開放端に
近づくに伴い燃料ガス濃度は減少するので、燃料極の導
電率を増加させ、燃料ガス濃度が最小となる円筒セル開
放部近傍で燃料極の導電率を最大とする。この際NiO:Y
SZ = 50:50〜80:20であることが好ましい。Y
SZ量が20wt%未満となると電解質と熱膨張係数が大きく
異なるため、燃料極が剥離する、またNiリッチとなるた
め、Niの凝集が起こりセル性能が低下する、といった問
題が生じる。
【0017】さらに、燃料極の導電率は、燃料極の気孔
率を変化させることによっても制御可能である。燃料極
の気孔率が高くなれば、導電性は小さくなり、逆に燃料
極の気孔率が低くなれば、導電性は大きくなる。前記円
筒セルの封止端近傍では、燃料極の導電率を最小とし、
燃料極の気孔率が40〜50%であることが好ましい。
気孔率が50%を超えると、Ni粒子間の距離が大きくなる
ので、燃料極の導電率は低下する。前記円筒セルの開放
端に近づくに伴い燃料極の導電率を増加させ、前記円筒
セル開放部近傍で燃料極の導電率を最大とし、燃料極の
気孔率が25〜35%であることが好ましい。気孔率が2
5%未満になるとガス透過性が減少し、結果セル性能が
低下するため、好ましくない。
【0018】本発明の燃料極の具体的な作製方法につい
て、シート接着法を例にとり説明する。前記重量比Ni
O:YSZ = 20:80であるNiO/YSZ粉末に、トルエン等
の溶媒、ポリメタクリル酸メチル等のバインダー、フタ
ル酸エステル等の可塑剤を加え混練して生成したペース
トを、ドクターブレード法などによりシート状に成形す
る。得られたシートを円筒セルの封止部近傍から貼り付
ける。
【0019】同様に、前記重量比NiO:YSZ = 30:7
0であるNiO/YSZ粉末より作製したシートをNiO:YSZ =
20:80である層に隣接して貼り付ける。以上に示し
た方法を繰り返し、開放部において、NiO:YSZ = 8
0:20となるよう、貼り付ける。その後、1400℃程度
で焼成することで、燃料ガスの流れ方向に従い、導電率
が大きくなっている燃料極を有する円筒セルが作製でき
る。
【0020】さらに、気孔率の異なる燃料極を成膜する
ことで、燃料ガスの流れ方向に従い、導電率が大きくな
っている燃料極を有する円筒セルが作製できる。なお燃
料極の気孔率は、ペーストを形成する際に混合させる各
セラミックス粉末材料の粒径を調節することにより制御
可能である。例えば、粒子径が1〜10μmのNiO/YSZ粉
末を原料として、溶媒、バインダーと混練し、シートを
作製することで、気孔率が40〜50%の気孔率を有す
る燃料極が作製でき、円筒セルの封止部に貼り付ける。
円筒セル開放部に近づくに伴い、粒子径が1μm以下のN
iO/YSZ粉末に、粒子径が1μm以下であるNiO/YSZ粉末を
加えることで、気孔率を下げることができる。粒子径が
1μm以下のみのNiO/YSZ粉末を原料として用いれば、燃
料極の気孔率は25〜35%となり、これを円筒セルの
開放部近傍に貼り付ける。
【0021】あとは、円筒セルにインターコネクタを作
製し、焼成することで、円筒型固体電解質燃料電池セル
が完成する。
【0022】
【発明の効果】以上に説明したように、本発明の円筒縦
縞型燃料電池は、燃料ガスの流れ方向に従い前記燃料極
の導電率を大きくしていることを特徴としており、燃料
極表面における燃料ガス濃度の濃淡分布に係らず、電池
反応領域のほぼ全域で均一な電池反応を進行させ、効率
の良い発電を行なうことが出来る。また電池反応は発熱
を伴うため、円筒セル長軸方向の温度分布を均一化する
ことが可能となり、温度差に起因する熱応力に伴うセル
の破損や電極膜の層間剥離の発生を抑制し、電池寿命を
延ばすことが出来る。
【0023】
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例に係る円筒縦縞型燃料電池の
セルの構造である。
【図2】図1のセルの断面を斜視した図である。
【符号の説明】
1: 空気極 2:固体電解質 3: 燃料極 4:インターコネクター 5: 空気導入管
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 4G031 AA12 AA39 BA03 CA09 5H018 AA06 AS02 DD10 EE04 EE13 HH04 HH05 HH06 5H026 AA01 AA02 AA06 CC01 CV02 EE02 EE13 HH04 HH05 HH06

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 円筒形状を有し内側に酸素又は空気が通
    過する空気極と、該空気極の外表面に形成された円筒の
    長軸方向の帯状インターコネクターおよび固体電解質
    と、前記固体電解質の表面に前記インターコネクターと
    接触しないように形成され円筒の長軸方向に通過する燃
    料ガスと接する燃料極と、からなる円筒セルを備えた円
    筒縦縞型燃料電池において、燃料ガスの流れ方向に従
    い、前記燃料極の導電率を大きくしたことを特徴とする
    円筒縦縞型燃料電池。
  2. 【請求項2】 前記燃料極はNiOとイットリア安定化ジ
    ルコニア(YSZ)の複合体を還元した物質であるNi/YSZ
    からなる、ことを特徴とする請求項1記載の円筒縦縞型
    燃料電池。
  3. 【請求項3】 前記NiOとYSZの重量比がNiO:YSZ =2
    0:80〜80:20であることを特徴とする請求項2
    記載の円筒縦縞型燃料電池。
  4. 【請求項4】 前記燃料ガスの流れ方向に従い、前記Ni
    O/YSZのNiOの比率を増加させてなることを特徴とする請
    求項2または3記載の円筒縦縞型燃料電池。
  5. 【請求項5】 前記燃料極の気孔率が25〜50%であ
    ることを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載
    の円筒縦縞型燃料電池。
  6. 【請求項6】 前記燃料ガスの流れ方向に従い、前記燃
    料極の気孔率を減少させてなることを特徴とする請求項
    5記載の円筒縦縞型燃料電池。
  7. 【請求項7】前記燃料極が円筒セルの長軸方向に対して
    横縞状に複数に分割されていることを特徴とする請求項
    1〜6のいずれか一項に記載の円筒縦縞型燃料電池。
JP2001276586A 2001-09-12 2001-09-12 円筒縦縞型燃料電池 Pending JP2003086189A (ja)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2001276586A JP2003086189A (ja) 2001-09-12 2001-09-12 円筒縦縞型燃料電池

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2001276586A JP2003086189A (ja) 2001-09-12 2001-09-12 円筒縦縞型燃料電池

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2003086189A true JP2003086189A (ja) 2003-03-20

Family

ID=19101262

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2001276586A Pending JP2003086189A (ja) 2001-09-12 2001-09-12 円筒縦縞型燃料電池

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2003086189A (ja)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006252941A (ja) * 2005-03-10 2006-09-21 Kansai Electric Power Co Inc:The 燃料電池
JP2007087745A (ja) * 2005-09-21 2007-04-05 Dainippon Printing Co Ltd 固体酸化物形燃料電池
JP2007087746A (ja) * 2005-09-21 2007-04-05 Dainippon Printing Co Ltd 固体酸化物形燃料電池
JP2012094427A (ja) * 2010-10-28 2012-05-17 Kyocera Corp 固体酸化物形燃料電池セルおよび燃料電池
JP2014216297A (ja) * 2013-04-30 2014-11-17 日本特殊陶業株式会社 燃料電池用単セル,燃料電池,および燃料電池用単セルの製造方法

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006252941A (ja) * 2005-03-10 2006-09-21 Kansai Electric Power Co Inc:The 燃料電池
JP2007087745A (ja) * 2005-09-21 2007-04-05 Dainippon Printing Co Ltd 固体酸化物形燃料電池
JP2007087746A (ja) * 2005-09-21 2007-04-05 Dainippon Printing Co Ltd 固体酸化物形燃料電池
JP2012094427A (ja) * 2010-10-28 2012-05-17 Kyocera Corp 固体酸化物形燃料電池セルおよび燃料電池
JP2014216297A (ja) * 2013-04-30 2014-11-17 日本特殊陶業株式会社 燃料電池用単セル,燃料電池,および燃料電池用単セルの製造方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7416802B2 (en) Electrode-supported solid state electrochemical cell
US20030148160A1 (en) Anode-supported tubular solid oxide fuel cell stack and method of fabricating the same
JP2007501999A (ja) 新規の内部幾何形状を有する固体酸化物の燃料電池
JPH09505684A (ja) 電気化学的装置
CN103151548A (zh) Al2O3-YSZ电解质膜的固体氧化物燃料电池及其制备方法
KR101179130B1 (ko) 세그먼트형 고체산화물 연료전지 서브모듈, 이의 제조방법 및 이를 이용한 세그먼트형 고체산화물 연료전지 모듈
JP2001196069A (ja) 燃料電池
CA2705028C (en) Tubular electrochemical cell
JP2003086189A (ja) 円筒縦縞型燃料電池
JPWO2014122807A1 (ja) 固体酸化物形燃料電池及びその製造方法
JP2004265742A (ja) 集電部材の表面処理方法
JP2005116225A (ja) 固体酸化物形燃料電池用電極及びその製造方法
JP2003243001A (ja) 固体電解質型燃料電池
JP4011771B2 (ja) 固体電解質型燃料電池
JP2000067889A (ja) 固体電解質型燃料電池用インタ―コネクタ―膜の作製方法
RU2523693C1 (ru) Способ получения твердооксидного топливного элемента с двухслойным несущим катодом
RU2310256C2 (ru) Трубчатый элемент (варианты) для батарей высокотемпературных электрохимических устройств с тонкослойным твердым электролитом и способ его изготовления
KR101606161B1 (ko) 관형 금속 지지체 기반의 고체산화물 연료전지 제조 방법
JPH11126617A (ja) 固体電解質型燃料電池とその製造方法
JP2000182627A (ja) 固体電解質型燃料電池
JPH1167226A (ja) 燃料電池の燃料電極およびその製造方法
JP2008159524A (ja) 固体酸化物型燃料電池発電装置
JPH10106611A (ja) 固体電解質型燃料電池
RU2522188C1 (ru) Способ получения двухслойного несущего катода для твердооксидных топливных элементов
JPH06310155A (ja) 固体電解質燃料電池電解セルの製造方法