JP2003142130A - 燃料電池用単セル及び固体電解質型燃料電池 - Google Patents

燃料電池用単セル及び固体電解質型燃料電池

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JP2003142130A
JP2003142130A JP2001336867A JP2001336867A JP2003142130A JP 2003142130 A JP2003142130 A JP 2003142130A JP 2001336867 A JP2001336867 A JP 2001336867A JP 2001336867 A JP2001336867 A JP 2001336867A JP 2003142130 A JP2003142130 A JP 2003142130A
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cell
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fuel
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Naoki Hara
直樹 原
Keiko Kushibiki
圭子 櫛引
Makoto Uchiyama
誠 内山
Mitsugi Yamanaka
貢 山中
Noritoshi Sato
文紀 佐藤
Azuma So
東 宋
Yoshiko Hishitani
佳子 菱谷
Tatsuhiro Fukuzawa
達弘 福沢
Masaharu Hatano
正治 秦野
Itaru Shibata
格 柴田
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 改質反応による発熱を防止し、炭素の析出を
抑制し、従来よりも小型軽量である燃料電池用単セル、
燃料電池用セル板、固体電解質型燃料電池用スタック及
び固体電解質型燃料電池を提供すること。 【解決手段】 固体電解質を多孔質基材及び空気極で挟
持し、多孔質基材が燃料極、ガス流路、改質触媒及び集
電部として機能する燃料電池用単セルである。多孔質基
材が銅及び/又は亜鉛を含んで成る。白金、ロジウム及
びルテニウムなどを含んで成る。酸素導入手段と接続さ
れて成る。燃料電池用単セルを2次元的に連結し一体化
して燃料電池用スタックとし、これを発電要素とした固
体電解質型燃料電池である。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池用単セ
ル、燃料電池用セル板、固体電解質型燃料電池用スタッ
ク及び固体電解質型燃料電池に係り、更に詳細には、固
体電解質を空気極及び多孔質基材で挟持して成る燃料電
池用単セル、燃料電池用セル板、固体電解質型燃料電池
用スタック及び固体電解質型燃料電池に関する。
【0002】
【従来の技術】従来から、2つの電極、即ち燃料極(ア
ノード)と空気極(カソード)で固体酸化物電解質を挟
持する構成を発電要素として有し、燃料極側に水素、メ
タンなどの炭化水素系燃料ガスを通じ、空気極側側に酸
素、空気などの酸化性ガスを通じて発電する固体電解質
型燃料電池(以下「SOFC」と略す)が知られてい
る。
【0003】ダイレクト炭化水素燃料(以下「HC」と
略す)発電を行うSOFCとして、アノードを発電機能
重視層とHC改質機能重視層の2層構造とし、集電層側
に耐炭素析出性のHC改質重視層を設けることで、電解
質側電極にHCが直接接触することを防止したSOFC
が知られている。例えば、特開平5−67472号公報
には、電解質側にNiO−YSZ多孔質電極層、インタ
ーコネクタ側にNi−スピネル構造系酸化物多孔質電極
層を設け、燃料極の前段に、耐炭素析出性の高いHC改
質機能をもつ多孔質基材電極層を設けて成るアノード2
層構造SOFCが提案されている。また、特開平9−7
3913号公報には、電解質側にNiO−YSZ多孔質
電極層、インターコネクタ側にNi−MgAl
孔質電極層を設けて成るSOFCが提案されている。こ
れらSOFCでは、電解質側電極の炭素析出を抑制し、
良好な発電特性が得られる。また、耐炭素析出性の高い
材料のみを用いると導電性が低下するが、金属Niが4
0〜70vol%含まれているため、集電性は高いとし
ている。
【0004】一方、内部改質時にカーボンの析出が少な
い燃料極として、耐炭素析出性改質触媒を使用したSO
FCが提案されている(Applied Cataly
sis A,General.200.(200
0))。このSOFCでは、Niを用いたNi−SDC
−YSZと比べ、700℃でも耐炭素析出性が優れる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記燃
料極をアノード機能重視層と改質重視層の2層構造とし
たSOFCは、電解質を発電要素の支持部材として使用
するため、セルの強度を維持するために、電解質層を薄
くすることができず、スタックを構成するセルの厚みが
厚くなり、軽く小さなスタックを作製することが難し
く、また、セルの出力も低くなる課題があった。また、
改質機能を有する多孔質基材は、ガス流路にはなりえな
いため、スタッキングの際には厚いセルに加えて、ガス
流路及び集電層を設ける必要があり、軽く小さなスタッ
クの作製は難しかった。更に、耐炭素析出性電極として
用いたNiは、上記Applied Catalysi
s A,General.200.(2000)でも述
べられるように、耐炭素析出対策としては不十分であっ
た。また、耐炭素析出性改質触媒を使用したSOFC
は、燃料極として、改質触媒と電極の複合材を用いてい
るため、セル出力が小さく、1層では電極反応が不十分
であった。
【0006】本発明は、このような従来技術の有する課
題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところ
は、改質反応による炭素の析出を抑制し、従来よりも小
型軽量である燃料電池用単セル、燃料電池用セル板、固
体電解質型燃料電池用スタック及び固体電解質型燃料電
池を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記課題
を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、ガス流路、燃料
極、改質触媒及び集電部として機能し得る多孔質基材を
用いることにより、上記課題が解決できることを見出
し、本発明を完成するに至った。
【0008】即ち、本発明の燃料電池用単セルは、固体
電解質を多孔質基材及び空気極で挟持して成る燃料電池
用単セルであって、上記多孔質基材が、燃料極及びガス
流路として機能するとともに、燃料ガスを改質する機能
及び電池出力を集電する機能を有することを特徴とす
る。
【0009】また、本発明の燃料電池用単セルの好適形
態は、上記多孔質基材が、銅及び/又は亜鉛を含んで成
ることを特徴とする。
【0010】更に、本発明の燃料電池用単セルの他の好
適形態は、上記多孔質基材が、白金、ロジウム及びルテ
ニウムから成る群より選ばれた少なくとも1種の貴金属
を含んで成ることを特徴とする。
【0011】更にまた、本発明の燃料電池用セル板は、
上記燃料電池用単セルを、上記空気極、固体電解質及び
多孔質基体の積層方向とほぼ垂直の方向へ2次元的且つ
連続的に複数個接合して成ることを特徴とする。
【0012】また、本発明の固体電解質型燃料電池用ス
タックは、上記燃料電池用単セル、又は上記燃料電池用
セル板を、上記空気極、固体電解質及び多孔質基体の積
層方向とほぼ同一方向へ2次元的に複数個連結し一体化
して成ることを特徴とする。
【0013】更に、本発明の固体電解質型燃料電池は、
上記固体電解質型燃料電池用スタックを発電要素として
構成したことを特徴とする。
【0014】
【発明の実施の形態】以下、本発明の燃料電池用単セル
について詳細に説明する。なお、本明細書において、
「%」は特記しない限り質量百分率を示す。また、説明
の便宜上、基材や電極などの一方の面を「表面」、他の
面を「裏面」などと記載するが、これらは等価な要素で
あり、相互に置換した構成も本発明の範囲に含まれるの
は言うまでもない。更に、セル板は、単セルの集積化を
促進して、得られる燃料電池の高出力化を図るのに実用
的な製品形態である。
【0015】上述の如く、本発明の燃料電池用単セル
は、固体電解質を多孔質基材及び空気極で挟持して成
る。代表的には、図2に示すように、細孔4を有し改質
触媒5を含有する多孔質基材3に、固体電解質2及び空
気極1を順に積層して成る単セルを挙げることができ
る。ここで、上記多孔質基材は、燃料極、ガス流路、改
質触媒及び集電部として機能する。これらの機能が効率
良く発揮されることで、単セルの小型化、軽量化が実現
する。なお、多孔質基材がガス流路として効率良く機能
するには50〜1000μm程度の細孔を有することが
望ましい。また、厚みは500μm以上、気孔率が60
%以上であることが望ましい。
【0016】上述のように、上記多孔質基材は、該燃料
ガスを改質する触媒機能を有する。上記燃料ガスの改質
反応としては、代表的には、水蒸気改質反応、直接分解
反応及び部分酸化反応がある。上記水蒸気改質反応は、
次の式 C2n+2+2nHO → nCO+(3n+
1)H で表される吸熱反応である。また、上記直接分解反応
は、次の式 C2n+2 → nC+(n+1)H で表される発熱反応である。更に、上記部分酸化反応
は、次の式 C2n+2+nO → nCO+(n+1)H
で表される発熱反応である。
【0017】本発明では、これら改質反応の少なくとも
1つの反応を促進する触媒を上記多孔質基材に含有する
ことで、単セルに上記改質触媒機能を付与できる。ま
た、かかる改質反応の発熱・吸熱特性を利用して、単セ
ルの熱マネージメントを行うことができる。例えば、上
記多孔質基材に水蒸気改質触媒、直接分解触媒及び部分
酸化触媒を均一に分散することができる。このときは、
水蒸気改質反応の吸熱特性により、直接分解反応及び部
分酸化反応の発熱特性による単セルの発熱を防止でき
る。また、水蒸気改質触媒を、ガスの流通方向に対して
直接分解触媒・部分酸化触媒よりも上流に分散すること
ができる。このときは、炭化水素をまず上流の水蒸気改
質により水素化、軽質炭化水素化することで、直接分解
触媒・部分酸化触媒への炭素析出の影響を小さくするこ
とができ、出力の低下防止、触媒材料の延命化が図れ
る。更にまた、多孔質基材の外周部(表面)に直接分解
触媒・部分酸化触媒を分散することができる。多孔質基
材の内部より外周部は冷え易いので、発熱を促す触媒を
外周部に分散し、内部と外周部の温度を均一化できる。
なお、部分酸化触媒を使用する際は、上記多孔質基材に
酸素導入手段を接続することが好適である。このとき
は、イグナイターなどの着火に合わせて酸素を導入する
ことにより、触媒表面に析出した炭素(C)を酸化除去
できるとともに、スタック化した場合、起動時に本機能
を積極的に用いることにより起動性が向上し得る。酸素
導入手段としては、具体的に図に示すように、アノード
側多孔質基材に直接Airをパルス状に導入する手法な
どが例示できる。
【0018】また、上記多孔質基材は、例えば、電気良
導体である改質触媒金属や、これらを担持、塗布又は被
覆して成る金属又はセラミックスなどで構成されること
が好適である。上記改質触媒金属としては、例えば、水
蒸気改質触媒である銅(Cu)、銅−亜鉛(Cu−Z
n)、ニッケル(Ni)、ニッケル−クロム(Ni−C
r)、ニッケル−クロム−鉄(Ni−Cr−Fe)、ニ
ッケル−クロム−タングステン−モリブデン(Ni−C
r−W−Mo)、ニッケル−コバルト(Ni−Co)、
ニッケル−銅(Ni−Cu)、鉄−クロム−ニッケル
(Fe−Cr−Ni)又は鉄−クロム−アルミ(Fe−
Cr−Al)、及びこれらの任意の組合せに係る金属を
含む合金や、直接分解及び部分酸化触媒であるパラジウ
ム(Pd)、パラジウム−亜鉛(Pd−Zn)、白金
(Pt)、ルテニウム(Ru)、ロジウム(Rh)、銀
(Ag)、銀−パラジウム(Ag−Pd)又は銀−白金
(Ag−Pt)、及びこれらの任意の組合せに係る金属
を含む合金を使用できる。
【0019】特に、水蒸気改質触媒であるCu−Znを
使用することが好適である。このときは、燃料を加湿す
れば炭素の析出を抑制できる。また、セルの自己発熱
(燃料電池の発電に伴うH、Oの反応熱など)によ
る温度上昇を抑制でき、スタック化しても容易に熱マネ
ージメントが行える。更に、部分酸化触媒や直接分解触
媒と併用するときでも、容易に熱マネージメントを行え
る。例えば、発電時の温度上昇が大きいとされるセル中
心側に分散する酸化触媒を水蒸気改質触媒と比較して少
量にすることがよい。更にまた、Cu−Znがベースで
あれば、部分酸化触媒や直接分解触媒を併用してもC析
出が防止され、ガソリンなどの大きな炭化水素の改質能
力が向上し易い。
【0020】また、部分酸化触媒や直接分解触媒である
Pt、Rh又はRu、及びこれらの任意の組合せに係る
貴金属を使用することが好適である。このときは、燃料
への加湿量を低減でき、SOFCシステムが必要とする
水分量が低減できる。このことは、例えば自動車のよう
にSOFCシステムが軽薄短小であることが望まれる移
動体用のSOFCにとっては水タンクを小さくでき(若
しくは省略でき)好適である。また、ガソリンなどの大
きな炭化水素の改質能力が向上し易い。更に、上記水蒸
気改質触媒と組合わせることで、熱マネージメントを容
易に行える。
【0021】なお、これら改質触媒金属は、発泡させた
り、フェルト状、メッシュ状などにして所望の細孔を付
与することができる。これより、多孔質基材は改質触媒
機能と集電機能を併せ持つガス流路となり、従来の内部
改質型燃料電池に比べて小型軽量な単セルが得られる。
また、異種の改質触媒金属を積層したり被覆して、上記
多孔質基体を構成しても良い。
【0022】一方、上記セラミックスとしては、例えば
アルミナ、セリア、ジルコニア、シリカ、チタニア、マ
グネシア、酸化亜鉛、酸化ガリウム又は酸化インジウ
ム、及びこれらの任意の組合せに係るものなどに上記改
質触媒金属を担持、塗布又は被覆したものを使用でき
る。このときは、改質触媒機能と集電機能を併せ持つガ
ス流路が形成でき、SOFCを形成する際は従来の内部
改質型SOFCに比べて小型軽量化できる。また、電気
導電性を有し電池出力を集電できるので有効である。更
に、改質触媒金属を上記セラミックス基材(ガス流路)
の外壁とするときは、集電機能が得られるので有効であ
る。更にまた、水蒸気改質触媒を用いるときは改質反応
による発熱を抑制できる。なお、このとき水蒸気改質触
媒は多孔質基材中に均等に分散されることが良い。ま
た、燃料極材料と熱膨張率を合わせたセラミックスを用
いることで耐熱特性がより向上しうる。
【0023】また、上記多孔質基材は燃料極として機能
するが、かかる機能を付与するために、例えば、燃料極
材料としてニッケル、ニッケルサーメット及び白金など
を含有することができる。燃料極材料は、例えば多孔質
基材へ含浸、埋め込みなどして含有することができる。
【0024】更に、上記固体電解質を構成する材料とし
ては、特に限定されるものではなく、酸素イオン伝導性
などを有する従来公知の材料、例えば酸化ネオウジム
(Nd )、酸化サマリウム(Sm)、イッ
トリア(Y)、酸化スカンジウム(Sc
及び酸化ガドリニウム(Gd)などを固溶した安
定化ジルコニアや、セリア(CeO)系固溶体、酸化
ビスマス固溶体及びLaGa固溶体ぺロブスカイトなど
を使用できる。更にまた、上記空気極を構成する材料と
しては、例えばLa1−xSrMnOやLa1−x
SrCoOなどのぺロブスカイト型酸化物を使用す
ることができる。
【0025】次に、本発明の燃料電池用セル板、スタッ
ク及び燃料電池について説明する。かかる燃料電池用セ
ル板は、上述の単セルを上記空気極、固体電解質及び多
孔質基体の積層方向とほぼ垂直の方向へ2次元的且つ連
続的に複数個接合して成る。この場合、導電性材料が担
当する単セル数を適宜変更することにより、電気抵抗と
発電出力のバランスを調整できるので有効である。ま
た、かかる固体電解質型燃料電池用スタックは、上述の
燃料電池用単セル又はセル板を上記空気極、固体電解質
及び多孔質基体の積層方向とほぼ同一方向へ2次元的に
複数個連結し一体化して成る。これより、上記単セルと
同様に従来よりも小型軽量となるので有効である。更
に、かかる燃料電池は、上述の固体電解質型燃料電池用
スタックを発電要素として構成して得られる。これよ
り、多孔質基材をガス流路及びインタコネクタ(電気伝
導路)として利用でき、燃料電池を薄膜化、小型化する
ことが容易になる。例えば、図2に示すような燃料電池
構成を挙げることができる。
【0026】
【実施例】以下、本発明を実施例及び比較例により更に
詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定される
ものではない。
【0027】(実施例1) ・多孔質基材 Cu−Zn合金製発泡金属(50mm×50mm×2m
mt)を用意した。この発泡金属は平均孔径が200μ
m、気孔率が95%であった。また、担持材料となるP
tペーストをテレビン油(Terpentine Oi
l)で薄めた。 ・燃料極材料 平均粒径0.5〜1μmのサマリウム置換セリア(Sm
Ce)O 粉末(以下「SDC」とする)
と平均粒子径1〜2μmのNiO粉末を重量比3:7で
混合した粉末、溶媒+バインダーで、ペーストを作製し
た。 ・固体電解質材料 平均粒径0.5〜1μmのSDC粉末+溶媒+バインダ
ーで、グリーンシート(50mm×50mm×0.2m
m)を作製した。 ・空気極材料 平均粒径1〜3μmのSSC(SmSr
CoO3−d粉末+溶媒+バインダーで、ペーストを作
製した。
【0028】・単セルの作製手順 多孔質金属をテレビン油で希釈したPtペーストとNi
O−SDCペーストの混合ペーストに浸漬し、Pt及び
NiO−SDCを含浸させた。大気中800℃で乾燥及
び脱バインダーを行った。Pt及びNiO−SDCを担
持させた多孔質金属上にSDCシートを載せ、SDCシ
ート面を100g/cmの荷重でプレスし、SDCシ
ートと多孔質金属の密着を高めた。シートが載せられた
多孔質金属を窒素中500℃で乾燥処理及び脱バインダ
ー処理し、引き続きNフロー中で500℃から130
0℃まで昇温し、多孔質金属とともに燃料極・電解質の
シートを焼成した。このとき、多孔質金属の酸化を防ぐ
ために、窒素雰囲気中で焼成した。SDC面にLSCペ
ーストをスクリーン印刷法を用いて印刷し、大気中11
00℃で焼成し、単セルを得た。
【0029】(実施例2) ・多孔質基材 インコネル発泡金属(50mm×50mm×2mmt)
を用意した。この発泡金属は平均孔径が200μm、気
孔率が95%であった。また、担持触媒として、平均粒
径1〜3μmのCu−Zn、Pd−Zn系の金属酸化物
の粉末+溶媒+バインダーを用意したが、多孔質金属へ
含浸させるので粘度はあまり高くせず、燃料供給時は還
元されるため、担持は酸化物にて実施した。 ・燃料極材料 平均粒径0.3〜1μmのNiO−YSZ(70:30
wt%)粉末+溶媒+バインダーで、ペーストを作製し
た。 ・固体電解質材料 平均粒系0.3〜1μmのYSZ(Y8mol%)粉末
+溶媒+バインダーで、グリーンシート(50mm×5
0mm×0.2mm)を作製した。 ・空気極材料 平均粒径1〜3μmのLSM(LaSr
MnO3−d粉末+溶媒+バインダーで、グリーンシー
ト(45mm×45mm×0.5mm)を作製した。
【0030】・単セルの作製手順 多孔質金属をCu−Zn&Pd−Znペースト及びNi
O−YSZペーストに浸漬し、Cu−Pd,Pd−Z
n、NiO−YSZを含浸させ、大気中500℃で乾燥
及び脱バインダー処理を行った。Cu−Zn,Pd−Z
n、NiO−YSZを担持させた多孔質金属上にYSZ
シートを載せ、更にYSZシートの上にLSMシートを
載せ、LSMシート面を100g/cmの荷重でプレ
スし、NiO−YSZシートと多孔質金属、YSZシー
トとLSGMシートの密着力を高めた。2枚のシートが
載せられた多孔質金属を窒素中500℃で乾燥及び脱バ
インダー処理し、引き続きNフロー中で500℃から
1300℃まで昇温し、燃料極を担持した多孔質金属と
ともに空気極・電解質のシートを焼成し、単セルを得
た。
【0031】以上、本発明を実施例により詳細に説明し
たが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発
明の要旨の範囲内において種々の変形が可能である。例
えば、SOFCの形状等は任意に選択でき、目的の出力
に応じて作製できる。また、多孔質基体、固体電解質及
び空気極は、上述のようにグリーンシートを利用する方
法以外に、PVD法、CVD法、溶射法、スクリーン印
刷法、スプレーコート法、メッキ法、電気泳動法及びゾ
ル・ゲル法などの各種成膜方法を採用して被覆すること
もできる。
【0032】
【発明の効果】以上説明してきたように、本発明によれ
ば、ガス流路、燃料極、改質触媒及び集電部として機能
し得る多孔質基材を用いることとしたため、改質反応に
よる発熱を防止し、炭素の析出を抑制し、従来よりも小
型軽量である燃料電池用単セル、燃料電池用セル板、固
体電解質型燃料電池用スタック及び固体電解質型燃料電
池を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の燃料電池用単セルの一例を示す断面図
である。
【図2】本発明の固体電解質型燃料電池の一例を示す概
略図である。
【符号の説明】
1 空気極 2 固体電解質 3 多孔質基材 4 細孔 5 改質触媒 6 電力取り出し端子
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 内山 誠 神奈川県横浜市神奈川区宝町2番地 日産 自動車株式会社内 (72)発明者 山中 貢 神奈川県横浜市神奈川区宝町2番地 日産 自動車株式会社内 (72)発明者 佐藤 文紀 神奈川県横浜市神奈川区宝町2番地 日産 自動車株式会社内 (72)発明者 宋 東 神奈川県横浜市神奈川区宝町2番地 日産 自動車株式会社内 (72)発明者 菱谷 佳子 神奈川県横浜市神奈川区宝町2番地 日産 自動車株式会社内 (72)発明者 福沢 達弘 神奈川県横浜市神奈川区宝町2番地 日産 自動車株式会社内 (72)発明者 秦野 正治 神奈川県横浜市神奈川区宝町2番地 日産 自動車株式会社内 (72)発明者 柴田 格 神奈川県横浜市神奈川区宝町2番地 日産 自動車株式会社内 Fターム(参考) 5H026 AA06 CX01 EE02

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 固体電解質を多孔質基材及び空気極で挟
    持して成る燃料電池用単セルであって、 上記多孔質基材が、燃料極及びガス流路として機能する
    とともに、燃料ガスを改質する機能及び電池出力を集電
    する機能を有することを特徴とする燃料電池用単セル。
  2. 【請求項2】 上記多孔質基材が、銅及び/又は亜鉛を
    含んで成ることを特徴とする請求項3に記載の燃料電池
    用単セル。
  3. 【請求項3】 上記多孔質基材が、白金、ロジウム及び
    ルテニウムから成る群より選ばれた少なくとも1種の貴
    金属を含んで成ることを特徴とする請求項1又は2に記
    載の燃料電池用単セル。
  4. 【請求項4】 上記多孔質基材が、酸素導入手段と接続
    されて成ることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1
    つの項に記載の燃料電池用単セル。
  5. 【請求項5】 請求項1〜4のいずれか1つの項に記載
    の燃料電池用単セルを、上記空気極、固体電解質及び多
    孔質基体の積層方向とほぼ垂直の方向へ2次元的且つ連
    続的に複数個接合して成ることを特徴とする燃料電池用
    セル板。
  6. 【請求項6】 請求項1〜4のいずれか1つの項に記載
    の燃料電池用単セル、又は請求項5に記載の燃料電池用
    セル板を、上記空気極、固体電解質及び多孔質基体の積
    層方向とほぼ同一方向へ2次元的に複数個連結し一体化
    して成ることを特徴とする固体電解質型燃料電池用スタ
    ック。
  7. 【請求項7】 請求項6に記載の固体電解質型燃料電池
    用スタックを発電要素として構成したことを特徴とする
    固体電解質型燃料電池。
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