JP2004247085A

JP2004247085A - 平板型固体電解質燃料電池の構造

Info

Publication number: JP2004247085A
Application number: JP2003033430A
Authority: JP
Inventors: Hibiki Ito; 響伊藤; Toru Yamamoto; 融山本; Kenji Yasumoto; 憲司安本
Original assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry
Current assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry
Priority date: 2003-02-12
Filing date: 2003-02-12
Publication date: 2004-09-02
Anticipated expiration: 2023-02-12
Also published as: JP4400851B2

Abstract

【課題】燃料電池をコンパクト化する。また、空気極材料の使用量を減らす。また、空気極における電気的な損失を無くす。
【解決手段】多孔質体から成る燃料極２と、燃料極２の表面あるいは裏面のいずれか一方の面に成膜した電解質膜３と、電解質膜３に成膜した空気極膜４と、燃料極２の他方の面に成膜したインターコネクタ膜５とにより単セル１を構成し、隣接する他の単セル１の空気極膜４に空気を供給するための空気流路６を、インターコネクタ膜５に形成している。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体電解質燃料電池（ＳＯＦＣ）の構造に関する。さらに詳述すると、本発明は、平板型固体電解質燃料電池に空気流路を形成するための構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
特許文献１に開示された従来の平板型固体電解質燃料電池では、多孔質燃料極と、多孔質燃料極の表面あるいは裏面のいずれか一方の面に成膜した電解質膜と、この電解質膜に成膜した空気極膜と、多孔質燃料極の他方の面に成膜したセパレータ膜と、空気極膜に接合した多孔質空気極板とにより、単セルを形成している。そして、この単セルを積層して側面にマニホールド板を取り付けることにより、セルスタックを形成している。この平板型固体電解質燃料電池では、多孔質燃料極内を燃料ガスが流通すると共に、多孔質空気極板内を空気が流通するようにしている。
【０００３】
空気極においては、供給される空気中の酸素と外部回路から供給される（流れてくる）電子との電気化学的な反応により、酸素イオンを生成する。当該生成された酸素イオンは電解質中に入り、更に燃料極側に移動する。燃料極においては、燃料ガス（例えば水素）と酸素イオンとの電気化学的な反応により、水蒸気と電子を生成する。当該生成された水蒸気は排ガスとして排出され、また当該生成された電子は外部回路に流れていく。燃料電池は、上記の電気化学的反応が進むことにより発電する。従って、上記の電気化学的反応をよりスムーズに且つより速く進めることによって、それだけ多くの電気を取り出すことが出来るようになり、高出力化にもつながる。
【０００４】
【特許文献１】
ＰＣＴ／ＪＰ９９／０２８９７（国際公開番号ＷＯ００／７４１５９）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１に開示された構造では、空気極膜と多孔質空気極板という別個の部材を接合して空気電極を構成しているために、電気的な損失を生じてしまう。空気極における電気化学的反応は、基本的には空気極材料の粒子と電解質表面との接触点又は接触面において主に起こるため、空気極として実際に機能するのは電解質膜上に成膜した空気極膜である。これに対して多孔質空気極板は、専ら電気化学反応に必要な空気を供給するための部品であり、また電子を流すための部品であると言える。空気極膜と多孔質空気極板とを接合することで電子の流れ（電流）に対して接触抵抗が生じる虞がある。また、実質的に空気極として機能する空気極膜に向かって多孔質空気極板内を空気が移動（ガス拡散）しなければならないが、多孔質空気極板は空気の速やかな移動を妨げる障害物となってしまう。これらにより空気極におけるスムーズな電気化学的反応が妨げられてしまう。また、電気化学的反応で生じた電子は、空気極膜と多孔質空気極板の双方を移動しなければならず、電子の移動距離が長くなるため、結果的に電気抵抗が大きくなってしまう。
【０００６】
さらに、特許文献１に開示された構造では、空気極膜の他に多孔質燃料極板を使用するため、単セルやセルスタックの大きさが嵩んでしまう問題がある。また、高価な空気極材料を多用するため、コスト高となる問題がある。
【０００７】
そこで本発明は、コンパクトに構成できる平板型固体電解質燃料電池の構造を提供することを目的とする。また本発明は、空気極材料の使用量を減らすことができる平板型固体電解質燃料電池の構造を提供することを目的とする。また本発明は、空気極における電気的な損失を無くすことができる平板型固体電解質燃料電池の構造を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
かかる目的を達成するため、請求項１記載の平板型固体電解質燃料電池の構造は、多孔質体から成る燃料極と、燃料極の表面あるいは裏面のいずれか一方の面に成膜した電解質膜と、電解質膜に成膜した空気極膜と、燃料極の他方の面に成膜したインターコネクタ膜とを備える単セルを構成し、隣接する他の単セルの空気極膜に空気を供給するための空気流路をインターコネクタ膜に形成するようにしている。したがって、空気極膜に空気を供給するための多孔質の空気極板は不要となる。
【０００９】
また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の平板型固体電解質燃料電池の構造において、インターコネクタ膜を成膜する燃料極の面に溝を形成して、空気流路を形成するようにしている。この場合、当該溝が形成された燃料極の面に、均一な膜厚もしくはほぼ均一となる膜厚のインターコネクタ膜を成膜すれば、空気流路が形成される。
【００１０】
また、請求項３記載の平板型固体電解質燃料電池の構造は、多孔質体から成る燃料極と、燃料極の表面あるいは裏面のいずれか一方の面に成膜した電解質膜と、電解質膜に成膜した空気極膜と、燃料極の他方の面に成膜したインターコネクタ膜とを備える単セルを構成し、隣接する他の単セルのインターコネクタ膜と対向する空気極膜の面に空気流路を形成するようにしている。したがって、空気極膜に空気を供給するための多孔質の空気極板は不要となる。
【００１１】
また、請求項４記載の発明は、請求項３記載の平板型固体電解質燃料電池の構造において、電解質膜および空気極膜が積層される燃料極の面に溝を形成して、空気流路を形成するようにしている。この場合、燃料極と電解質膜との接触面および空気極膜と電解質膜との接触面の面積が、これらの接触面を平面とした場合の面積よりも、スタック方向における溝の深さに対応して増すため、セルスタックあたりの出力向上、出力密度あたりのコスト低減につながる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の構成を図面に示す実施形態に基づいて詳細に説明する。
【００１３】
図１から図３に本発明の実施の一形態を示す。この平板型固体電解質燃料電池の構造では、多孔質体から成る燃料極２と、燃料極２の表面あるいは裏面のいずれか一方の面に成膜した電解質膜３と、電解質膜３に成膜した空気極膜４と、燃料極２の他方の面に成膜したインターコネクタ膜５とにより単セル１を構成するようにしている。そして、隣接する他の単セル１の空気極膜４に空気を供給するための空気流路６を、インターコネクタ膜５に形成するようにしている。このために例えば本実施形態では、インターコネクタ膜５を成膜する燃料極２の面に溝を形成して、この溝が形成された燃料極２の面に、均一な膜厚もしくはほぼ均一となる膜厚のインターコネクタ膜５を成膜して、空気流路６を形成するようにしている。
【００１４】
この単セル１では、燃料極２によって単セル１の必要強度を確保するように、即ち燃料極２が支持体（基板）となるように、燃料極２を板材とし、電解質及び空気極及びインターコネクタをそれぞれ膜としている。例えば、基板となる燃料極２の板厚を数ｍｍ（例えば１〜１０ｍｍ程度）とするのに対して、電解質膜３、空気極膜４、インターコネクタ膜５の膜厚を数μｍ〜数十μｍ程度（例えば電解質膜３を３０μｍ程度、空気極膜４を１００μｍ程度、インターコネクタ膜５を５０μｍ程度）としている。
【００１５】
本実施形態における燃料極２の材料は、例えば酸化ニッケル（但し燃料電池作動時には金属ニッケルに変化する）と、８モル％のイットリアを固溶して結晶構造を安定化させたジルコニアとの混合物（ＮｉＯ−８ＹＳＺ（Ｚｒ_０．９２Ｙ_０．０８Ｏ_２）サーメット）としている。このニッケルとイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）の混合材料は、平板型固体電解質燃料電池の燃料極材料として一般的に用いられている。燃料極２は、多孔性の例えば矩形の板材から成るものとしている。この多孔性の板材は、燃料ガスを十分に流通できると共に、単セル１として必要な強度と電子や酸素イオンの十分な導電性とを有するように形成する。燃料極２を多孔質体により形成することで、電極部材の単位容積当たりの燃料ガスとの接触面積を広くして発電性能の向上を図ることができる。また、リブ等を設けてガス流路を形成する複雑な構造に比べて単セル１の構造を簡素化できるので、組立精度を高くする必要が無くなる。よって、セルスタックの製造を容易にできると共に熱応力や外力に対して高強度化を図ることができる。さらに、セルスタックが高強度化されるので、多孔質燃料極２等の寸法を拡大してセルスタックの発電性能の向上を図ることができる。
【００１６】
さらに、燃料極２に使用する材料として、本願出願人が既に出願した発明に係る燃料極材料の使用が特に好ましい。この燃料極材料は、比較的大きな粒径を有するＹＳＺ粗粒子群と比較的小さな粒径を有するＹＳＺ微粒子群と酸化ニッケルまたはニッケル粒子群との混合物（特願平７−１２７３７５号参照）である。この混合物によれば、燃料極２の内部でＹＳＺ粗粒子により骨格が形成されるので単セル１の強度を向上することができると共に、高温・還元雰囲気下において気孔率の変化や体積の収縮を極めて低減できるので燃料極２の長寿命化及び高性能の長期安定化を図ることができる。
【００１７】
この燃料極２を製造する際は、酸化ニッケルとＹＳＺを混合してから例えばメチルセルロースやポリビニルアルコール等の成形剤を加えてプレス成形する。または、この酸化ニッケルとＹＳＺと成形剤の混合材を粘土状にして押し出し成形する。そして、得られた成形材を１４００℃程度で焼結して多孔質燃料極２を形成する。ここで、プレスや押し出しの圧力の強さや焼結温度の製造条件は、形成された多孔質燃料極２が燃料ガスを容易に通過できる程度の気孔率を有し、尚かつ単セル１として必要な機械的強度を有するように設定する。ここで、機械的強度を多孔質燃料極２の材質から成る無垢の固体よりも弱く設定した場合は、セルスタックの発電動作時の熱応力を吸収して緩和することができるので、セルスタックの強度を向上できる。
【００１８】
本実施形態におけるインターコネクタ膜５の材料は、ランタンクロマイト系ペロブスカイト型酸化物（ＬＣＯとも呼ぶ。）としている。インターコネクタ膜５をＬＣＯ製とすることで、燃料電池の作動温度を１０００℃付近にすることが可能となるので、作動温度の低温化を余儀なくされる金属セパレータを使用する場合と比較して、プラント効率を向上できる。このランタンクロマイト系ペロブスカイト型酸化物は、例えば下記の化学式で表記できる。
【００１９】
【化１】
（Ｌａ，Ａ１）（Ｃｒ，Ｂ１）Ｏ_３
【００２０】
ここで、化学式１中のＡ１，Ｂ１はランタンクロマイト（ＬａＣｒＯ_３）にドープされる物質であり、例えばＡ１はストロンチウム（Ｓｒ）、カルシウム（Ｃａ）、バリウム（Ｂａ）等であり、Ｂ１はコバルト（Ｃｏ）、マグネシウム（Ｍｇ）等である。緻密なインターコネクタ膜５を得るためには、特にカルシウムをドープすることが好ましい。但し、場合によっては化学式１中のＡ１，Ｂ１の一方または双方が含まれなくても良い。例えば本実施形態ではインターコネクタ材料として一般に用いられているＬａ_０．７５Ｃａ_０．２７Ｃｒ_０．９Ｃｏ_０．１Ｏ_３を使用する。この材料は、実際には（Ｌａ，Ｃａ）（Ｃｒ，Ｃｏ）Ｏ_３とＣａＯの混合相であり、少量の過剰なＣａＯを添加することによって緻密な膜を得るようにしたものである。
【００２１】
ここで、本願発明者等が種々実験・検討したところ、ジルコニアを組成に有する燃料極２に、ランタンクロマイト系ペロブスカイト型酸化物によりインターコネクタ膜５を成膜する過程において、インターコネクタ材料に含まれるランタンやカルシウムと、燃料極材料に含まれるジルコニアとが化学反応（固相反応）を起こしてしまうことが知見された。当該反応により、本来緻密なインターコネクタ膜５を得るためのカルシウムが燃料極材料に吸収されてしまう形となり、緻密なインターコネクタ膜５を得ることができない。しかも、当該反応により、電気抵抗が高く熱膨張挙動が他のセル構成材と大きく異なる物質（パイロクロール型酸化物（例えば、ランタンジルコネートＬａ_２Ｚｒ_２Ｏ_７など））が発現してしまう。特に、本実施形態においてインターコネクタ材料として用いるＬａ_０．７５Ｃａ_０．２７Ｃｒ_０．９Ｃｏ_０．１Ｏ_３はカルシウムを過剰に含むため、このカルシウムが燃料極材料に含まれるジルコニアと反応してしまい易い。そこで、本実施形態では、燃料極２の上に中間層を成膜し、その中間層の上にインターコネクタ膜５を成膜するようにしている。
【００２２】
この中間層は、燃料極２が備えるべき機能（例えば導電性やガス拡散性など）やインターコネクタ膜５が備えるべき機能（例えば導電性、気密性、耐熱性、耐食性など）を損なわせる化学反応（固相反応）を防止する役割を果たす。中間層を設けることで、インターコネクタ材料に含まれるランタンやカルシウムが、燃料極材料に含まれるジルコニア（酸化ジルコニウムＺｒＯ_２）と反応してしまうことを防止する。そのような中間層の材料としては、チタン系ペロブスカイト型酸化物（例えばＣａＴｉ_０．９５Ｎｂ_０．０５Ｏ_３など）またはセリウム系蛍石型酸化物（例えばＣｅ_０．８Ｙ_０．２Ｏ_２など）が有効である。
【００２３】
チタン系ペロブスカイト型酸化物は、例えば下記の化学式で表記される。
【００２４】
【化２】
（Ａ２，Ｂ２）（Ｔｉ，Ｃ２）Ｏ_３
【００２５】
ここで、化学式２中のＡ２は、例えばカルシウム（Ｃａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、マグネシウム（Ｍｇ）、バリウム（Ｂａ）等のアルカリ土類金属である。化学式２中のＢ２は、同式中のＡ２の一部と置換可能な金属であり、例えばＬｎ（ランタノイド元素（Ｌａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｐｍ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｔｍ，Ｙｂ，Ｌｕ）を示す。）、スカンジウム（Ｓｃ）、イットリウム（Ｙ）などの３価の金属である。化学式２中のＣ２は、同式中のチタンの一部と置換可能な金属であり、例えばニオブ（Ｎｂ）、鉄（Ｆｅ）、マンガン（Ｍｎ）、ガリウム（Ｇａ）、スカンジウム（Ｓｃ）等である。化学式２中のＡ２を金属Ｂ２で部分置換すること及びチタンを金属Ｃ２で部分置換することで、中間層における電気伝導率が高まり燃料電池の性能を向上できる。但し、チタンの５割以上を金属Ｃ２で置換すると物性が変化してしまう虞があるので、金属Ｃ２による部分置換はチタンの５割未満とすることが好ましい。尚、化学式２中のＢ２，Ｃ２の一方または双方が含まれなくても良く、例えばカルシウムタイタネート（ＣａＴｉＯ_３）を中間層の材料として用いても良い。
【００２６】
一方、セリウム系蛍石型酸化物は、例えば下記の化学式で表記される。
【００２７】
【化３】
（Ｃｅ，Ａ３）Ｏ_２
【００２８】
ここで、化学式３中のＡ３は、同式中のセリウムの一部と置換可能な金属であり、例えばイットリウム（Ｙ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、スカンジウム（Ｓｃ）、カルシウム（Ｃａ）等である。化学式３中のセリウムを金属Ａ３で部分置換することで、中間層における電気伝導率が高まり燃料電池の性能を向上できる。但し、セリウムの５割以上を金属Ａ３で置換すると物性が変化してしまう虞があるので、金属Ａ３による部分置換はセリウムの５割未満であることが好ましい。尚、化学式３中のＡ３は含まれなくても良い。例えば本実施形態では、中間層材料としてＣｅ_０．８Ｙ_０．２Ｏ_２を用いる。
【００２９】
尚、中間層材料は、チタン系ペロブスカイト型酸化物とセリウム系蛍石型酸化物の少なくとも一方を含む混合物であっても良い。例えば、燃料極２の材料およびインターコネクタ膜５の材料に悪影響を及ぼさない物質であって、導電性、耐熱性、耐食性、耐酸化性などの好ましい物性を備えた物質を、チタン系ペロブスカイト型酸化物またはセリウム系蛍石型酸化物またはチタン系ペロブスカイト型酸化物とセリウム系蛍石型酸化物との混合物に混合して、これを中間層材料としても良い。例えば、ＬＣＯおよびＮｉＯおよびＹＳＺに悪影響を及ぼさない金属（例えばＮｉＯやＦｅ酸化物（ＦｅＯ_Ｘ））をＣｅ_０．８Ｙ_０．２Ｏ_２に混合することにより、例えばＣｅ_０．８Ｙ_０．２Ｏ_２４０ｇに対してＮｉＯ６０ｇ程度を混合することにより、全体の導電性を損なうことなく緻密なインターコネクタ膜を得ることができる。
【００３０】
中間層およびインターコネクタ膜５はスラリーコート法により成膜することが好ましい。この場合、中間層材料をスラリー化し、このスラリーを基板となる燃料極２に塗布し、熱処理（焼成）を行ない、燃料極２の上に中間層を成膜する。更に、インターコネクタ膜５の材料をスラリー化し、このスラリーを中間層に塗布し、熱処理（焼成）を行ない、中間層の上にインターコネクタ膜５を成膜する。この場合、物理蒸着法、化学蒸着法、電気化学蒸着法、溶射法等と比較して、大掛かりな設備を必要とせず安価であり、しかもスラリーの濃度やスラリーの塗布および焼成の回数を調整することで簡単に膜厚の制御を行なえる利点がある。スラリー濃度やスラリー塗布・焼成回数により膜厚制御を行なうことは、歩留まりの向上、一層の薄膜化の実現による燃料電池の性能向上、要求される厚さの緻密膜を成膜するのに必要な原料の量が明らかになるため余分な材料を削減しコストを削減できる、等々の好ましい効果を生む。但し、必ずしも上述のスラリーコート法を用いることには限定されず、例えば塗布熱分解法、ゾルゲル法、ディッピング、未焼成の燃料極２にテープキャスト法で作製した未焼成膜を取り付けてこれらを同時に焼結する同時焼結法、などを採用しても良い。
【００３１】
中間層およびインターコネクタ膜５の膜厚は、薄いほど電気抵抗が小さくなり好ましいが、インターコネクタ膜５が薄過ぎると燃料ガスと空気を分離するなどのインターコネクタ膜５として必要とされる機能を果たさなくなる虞があり、中間層が薄過ぎるとインターコネクタ材料中のランタンやカルシウムが燃料極材料中のジルコニアと反応してしまう虞がある。このため、本実施形態では、インターコネクタ膜５の膜厚を５０μｍ程度とし、中間層の膜厚を１〜１０μｍ程度としている。
【００３２】
スラリーを得るための中間層材料およびインターコネクタ膜５の材料の粉体は、例えば粒径０．１〜１０μｍの範囲であることが好ましく、また緻密膜を得るために理論的には充填率が高いものが理想的であるから、ある程度小さな粒子と大きな粒子が良いバランスで混ざっているもの（例えば平均粒径０．３μｍ〜０．４μｍ程度の粒子と平均粒径２μｍ程度の粒子が４：１の比となる程度）が好ましい。
【００３３】
中間層材料およびインターコネクタ材料をスラリー化するために用いる溶媒は、特に限定されず、例えば水または水溶液（例えば硝酸水溶液、酢酸水溶液、有機酸塩水溶液など）あるいは有機溶媒（例えばトルエン、イソプロパノールなど）のいずれを選択して良い。特に有機溶媒の利用は、インターコネクタ材料の成分が溶媒に溶ける虞がないため、好ましい。また、有機溶媒を用いる場合に、結合剤、解膠剤、消泡剤、分散剤などの添加剤を加えても良い。また、水または水溶液を溶媒として用いる場合に、結合剤、消泡剤、分散剤、増粘剤、界面活性剤などの添加剤を加えても良い。
【００３４】
例えば本実施形態では、中間層用スラリーとインターコネクタ膜５用スラリーとを同じ条件で調製し、スラリーの塗布および焼成の回数を調整することで所望の膜厚を得るようにしている。
【００３５】
良好な膜を得るためのスラリーの組成の具体例を挙げると、例えば有機系スラリーの場合は、成膜材料（中間層材料またはインターコネクタ材料）１００ｇに対して、結合剤としてポリビニルブチラールを１０ｇ、可塑剤としてジブチルフタレートを１０ｍｌ、解膠剤として魚油を２ｍｌ、消泡剤としてトリトンＸを２ｍｌ、溶媒としてトルエン３００〜６００ｍｌおよびイソプロパノール６００〜１２００ｍｌ（この場合、トルエンとイソプロパノールの容積比は１：２となることが好ましい）を混合して、スラリーを調製する。また、水系スラリーの場合は、成膜材料（中間層材料またはインターコネクタ材料）３．５ｇに対して、分散剤として第一工業製薬製のＤ−１３４を０．７８ｇ、消泡剤として第一工業製薬製のＮ−１４を０．２２ｇ、増粘剤及び界面活性剤として水溶性の高分子（セルロース）である信越化学工業製のメトローズを溶媒の０〜数１０質量％、溶媒として水５０ｇを混合して、スラリーを調製する。また、水溶液系スラリーの場合は、成膜材料（中間層材料またはインターコネクタ材料）に、増粘剤及び界面活性剤としてメトローズを溶媒の０〜数１０質量％、溶媒として水溶液（硝酸水溶液、酢酸水溶液、有機酸塩水溶液など）を混合して、スラリーを調製する。上記のスラリーを、中間層については例えば１〜７回位、インターコネクタ膜５については例えば７〜２０回位、塗布および焼成を繰り返す。
【００３６】
焼成温度は高温であるほど一般に緻密な膜が得られるが、１４５０℃を超える高温で処理すると燃料極２の物性が変化して、燃料極２として機能しなくなってしまう虞がある。このため、焼成温度は１４００〜１４５０℃程度であることが好ましい。また、１回の焼成時間は１〜１０時間程度（通常は１〜３時間程度）、昇温速度は１００〜２３３℃／時間程度（通常は２００℃／時間程度）であることが好ましい。
【００３７】
燃料極２と空気極膜４との間に介在される電解質膜３としては、例えば燃料ガスや空気を流通させない程度に緻密なＹＳＺ膜の使用が好ましい。また、成膜法によっては多孔質燃料極２の微小な多数の孔に電解質膜３のＹＳＺが入り込む。このため、従来のようにＹＳＺの平板上に燃料極膜を成膜させる場合よりも、燃料極２の電解質膜３との接触面積を広くして電極反応場を増大すると共に酸素イオンパスを多量に形成することができる。したがって、平板型固体電解質燃料電池の性能を向上できる。また、本実施形態では電解質膜３をＹＳＺ膜から成るものとしているが、これには限られず電解質膜３として使用可能な既知の若しくは新規の材料を使用するようにしても良い。この場合も燃料極２と電解質膜３との接触面積を広くして電極反応場を増大することができる。
【００３８】
空気極膜４は、電解質膜３を挟んで多孔質燃料極２と反対側に形成される。この空気極膜４は、ランタンストロンチウムマンガナイト（Ｌａ，Ｓｒ，Ｍｎ，Ｏの化合物）の膜から成るものとしている。このランタンストロンチウムマンガナイトは平板型固体電解質燃料電池の空気極材料として一般的に用いられている。さらに、空気極膜４に使用する材料としては、本願出願人が既に出願した発明に係る空気極材料が好ましい（特願平２−２７３１７４号参照）。特に、ストロンチウムドープランタンマンガナイトの主成分の各々の元素が（Ｌａ_１−ｘＳｒ_ｘ）_１−ｙＭｎＯ_３−ｚであり、かつ０．２≦ｘ＜０．４及び０．０２５＜ｙ＜０．０５を満足するストロンチウムドープランタンマンガナイト粉体の利用が好ましい。尚、添字のｚは、通常約±０．１程度であるが、このｚの値は温度、時間、不定比量ｙ置換量ｘによって変化することから、その値を正確に規定することは余り意味がないのでここでは特に説明しない。この材料によれば、燃料電池の作動温度付近においても単相であり化学的に安定なので、ＹＳＺとの化学的反応性が小さくＹＳＺ膜を成膜するときや発電作動中に発電性能に悪影響を及ぼす反応生成物を生ずることがない。本実施形態では空気極膜４をランタンストロンチウムマンガナイトから成るものとしているが、これには限られず空気極材料として既知の若しくは新規の材料を使用できるのは勿論である。この場合も空気極を膜により形成することで発電性能の向上を図ることができると共に、単セル１の構造の簡素化により熱応力や外力に対して高強度化を図ることができる。
【００３９】
尚、電解質膜３及び空気極膜４の成膜方法は、スラリーコート法、塗布熱分解法、ゾルゲル法等の既知の成膜法を用いることができ、特定の方法に限定されない。
【００４０】
ここで、燃料極２の側面部２ａではガスシールがなされている必要がある。このために例えば本実施形態では、インターコネクタ膜５で燃料極２の側面部２ａを覆い、さらに電解質膜３によってその上を覆い、ガスシールを行なうようにしている（図１および図２参照）。但し、インターコネクタ膜５のみ又は電解質膜３のみにより燃料極２の側面部２ａを覆い、ガスシールを行なうようにしても良い（図５参照）。或いは、インターコネクタ膜５や電解質膜３とは別個のシール材（例えば、ガラスセラミックスやガラス板あるいはＹＳＺ膜など）によって、或いはマニホールド板１１によって、燃料極２の側面部２ａのガスシールを行なうようにしても良い。
【００４１】
ここで、本実施形態の燃料極２は多孔性であるため燃料ガスの流通は可能であるが、燃料極２への燃料ガスの供給をさらに良好に行なうために、燃料ガスを流通させる燃料ガス流路２ｂを燃料極２に設けることがより好ましい。尚、図１及び図２に示す例では、燃料ガス流路２ｂを円筒形の穴としているが、これに限らず、例えば角柱形または角柱形の角を丸めた形などに形成しても良い。例えば本実施形態では、燃料ガス流路２ｂを空気流路６と平行となるように設けている。尚、燃料ガスと空気の流れは並行流であっても良く、対向流であっても良い。
【００４２】
単セル１のインターコネクタ膜５が隣接する他の単セル１の空気極膜４に当接するように単セル１が積層され、単セル１を積層した積層体の側面にマニホールド板１１が取り付けられて、セルスタックが形成される。単セル１の積層数は形成される平板型固体電解質燃料電池に必要とされる電圧に応じて設定され、特に限定されない。ここで、本実施形態の燃料ガス流路２ｂと空気流路６とは、単セル１の端から端を貫通する直線状の孔となっている。換言すれば、本実施形態の燃料ガス流路２ｂと空気流路６とは、互いに向かい合うある一対のマニホールド板１１，１１間を結ぶ直線状の孔となっている。一対のマニホールド板１１，１１には、燃料ガス流路２ｂと対向する部分に燃料ガス流通口１２が形成され、空気流路６と対向する部分に空気流通口１３が形成される（図３参照）。尚、マニホールド板１１は快削性のガラスセラミックス製とすることが好ましい。この場合、１１００℃程度の熱処理でマニホールド板１１を積層体の側部に溶着することができ、セルスタックのガスシールを行うと共に単セル１同士の結合を行なえる。さらに、マニホールド板１１と積層体の熱膨張率を同等にすることができ、熱応力によるセルスタックの破壊を防止できる。さらに、燃料ガス流通口１２や空気流通口１３の穿孔作業を容易に行うことができる。
【００４３】
以上のように本発明によれば、従来（特許文献１参照）のような多孔質空気極板は不要となり、燃料電池のコンパクト化が可能となる。更に、高価な空気極材料の使用量を減じることができるため原料費および材料費を削減できる。更に、多孔質空気極板を無くすことで、多孔質空気極板において生じてしまっていた電気的な損失を無くす効果も得られる。また、多孔質空気極板を無くすことにより空いたスペースの分だけ単セル１を数多くスタックすることができるため、換言すれば多孔質空気極板に換えて単セル１をスタックすることができるため、セルスタックの体積あたりの出力を向上することができる。
【００４４】
また、基板となる燃料極２にインターコネクタ膜５を成膜することで、燃料極２とインターコネクタ膜５とが一体化され、燃料極２とインターコネクタ膜５との間の接触抵抗（接触部分の電気抵抗）を大幅に低減できる。これにより、発電性能を向上することができる。さらに、燃料極材料は空気極材料等と比較して一般に機械的強度も高く電気伝導率も高く更に熱伝導率も高くしかも低コストであることから、燃料極２を基板とする方が空気極等を基板とする場合よりも燃料電池の強度および発電性能を向上でき製造費を低減できる。以上を総じれば、本発明によって固体電解質型燃料電池の製造コスト削減と高性能化ならびにコンパクト化を図ることが可能となる。
【００４５】
なお、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば燃料極２、電解質膜３、空気極膜４、インターコネクタ膜５等の諸材料は上述の例に限定されず、他の既知の又は新規の材料を採用しても良い。また、電解質膜３、空気極膜４、インターコネクタ膜５の成膜方法等も特に限定されるものではなく、既知の又は新規の方法を採用して良い。
【００４６】
また、インターコネクタ膜５に空気流路６を形成する構造として、例えば図４に示すように、インターコネクタ膜５そのものに空気流路６としての溝を形成するようにしても良い。この場合、インターコネクタ膜５を成膜する燃料極２の面は平面にできる。この場合も多孔質空気極板は不要となるので、上述の実施形態と同様に燃料電池の製造コスト削減と高性能化ならびにコンパクト化を図ることが可能となる。但し、図１に示す構成のほうがインターコネクタ膜５の平均膜厚を薄くできるので、電気抵抗を小さくできる利点がある。
【００４７】
また、図５に示すように、隣接する単セル１のインターコネクタ膜５と対向する空気極膜４の面にも、空気流路６’を形成するようにしても良い。図４に示す例では、電解質膜３および空気極膜４が積層される燃料極２の面に空気流路６’を形成するための溝を形成し、この溝が形成された燃料極２の面に、均一な膜厚もしくはほぼ均一となる膜厚の電解質膜３と空気極膜４とを成膜するようにしている。この構成の場合、燃料極２と電解質膜３との接触面および空気極膜４と電解質膜３との接触面の面積が、これらの接触面を平面とした場合の面積よりも、スタック方向における溝の深さに対応して増すため、セルスタックあたりの出力向上、出力密度あたりのコスト低減につながる効果も得られる。尚、図４においてインターコネクタ膜５そのものに空気流路６としての溝を形成したように、空気極膜４そのものに空気流路６’としての溝を形成するようにしても良い。ここで、図５に示すように、インターコネクタ膜５に設けた空気流路６と、このインターコネクタ膜５と対向する空気極膜４に設けた空気流路６’とを、互いに向き合うように配置する場合、大きな空気流路を形成できる。一方、図６に示すように、インターコネクタ膜５に設けた空気流路６と、このインターコネクタ膜５と対向する空気極膜４に設けた空気流路６’とが重ならないように、互い違いとなるように配置しても良い。この場合、空気流路を多数設けることができる。尚、図６に示す構成の場合には、セルスタックにおけるインターコネクタ膜５と空気極膜４との接触面積を大きくするために、例えばインターコネクタ膜５における空気流路６の間隔を大きくする（換言すればインターコネクタ膜５表面の凸部分の幅を広くする）ことが好ましい。インターコネクタ膜５と空気極膜４との接触面積が小さいと、スタック方向に作用する荷重に耐えられず空気極膜４が削られてセルスタックが潰れてしまう虞があり、また電気的な抵抗も大きくなってしまうからである。
【００４８】
また、インターコネクタ膜５には空気流路６を設けずに、隣接する他の単セル１のインターコネクタ膜５と対向する空気極膜４の面に空気流路６’を形成するようにしても良い。この場合も多孔質空気極板は不要となるので、燃料電池の製造コスト削減と高性能化ならびにコンパクト化を図ることが可能となる。尚、空気極膜４の面に空気流路６’を形成する構成としては、例えば図１０に示すように空気極膜４そのものに空気流路６’としての溝を形成するようにしても良く、或いは図１１に示すように電解質膜３および空気極膜４が積層される燃料極２の面に空気流路６’を形成するための溝を形成し、この溝が形成された燃料極２の面に、均一な膜厚もしくはほぼ均一となる膜厚の電解質膜３と空気極膜４とを成膜するようにしても良い。
【００４９】
また、上述の実施形態では、単セル１を通過する燃料ガスの流れと空気の流れが平行となるように構成したが、直交するように構成しても良い。この場合例えば、燃料ガス流路２ｂと空気流路６とを直交するように配置し、燃料ガス流路２ｂと対向する一対のマニホールド板１１，１１には燃料ガス流通口１２を形成し、空気流路６と対向する一対のマニホールド板１１，１１には空気流通口１３を形成するようにする（図７参照）。
【００５０】
さらに、燃料ガス流路２ｂと空気流路６とを平行とする場合には、例えば図８および図９に示すようにセルスタックを構成しても良い。図示の例では、縦方向に燃料ガスが流れるようにセルスタックを設置している。そして、セルスタックの上部に配置されるマニホールド板１１ａには、燃料ガス流路２ｂと対向する部分に燃料ガス流通口１２を形成し、空気流路６と対向する部分に空気流通口１３を形成している。また、セルスタックの下部に配置されるマニホールド板１１ｂには、空気流路６と対向する部分に空気流通口１３のみを形成している。セルスタックの側面に配置されるマニホールド板１１ｃはガスシール材として機能する。そして、上部に配置されるマニホールド板１１ａに設けられた燃料ガス流通口１２には、ガス供給管（例えばセラミックス管）１４が挿入されている。このガス供給管１４は、燃料ガス流路２ｂの底部近傍（下部のマニホールド板１１ｂの近傍）まで伸びている。燃料ガスは、図９中の矢印Ａで示すようにガス供給管１４の中を流通して、セルスタックの下方から供給され、そこから折り返すように燃料ガス流路２ｂを通ってセルスタックの上方に向かい、同図中の矢印Ｂで示すように上部のマニホールド板１１ａに設けられた燃料ガス流通口１２から排出される。また、セルスタックの下部のマニホールド板１１ｂには、ガス供給部１５が取り付けられている。空気は、図８の矢印Ｃで示すように、ガス供給部１５から導入され、下部のマニホールド板１１ｂに設けられた空気流通口１３を介して空気流路６を通り、上部のマニホールド板１１ａに設けられた空気流通口１３から排出される。この構成の場合、セルスタックの下部に配置されるマニホールド板１１ｂには空気流通口１３のみを形成すれば足り、燃料ガス流通口１２を形成する必要がないので、構造の簡素化を図ることができる。尚、ガス供給管１４に空気を流し、ガス供給部１５に燃料ガスを流すようにしても良い。この場合、セルスタックの下部に配置されるマニホールド板１１ｂには、燃料ガス流路２ｂと対向する部分に燃料ガス流通口１２のみを形成すると共に、上部に配置されるマニホールド板１１ａに設けられた空気流通口１３にガス供給管１４を挿入するようにする。この場合、セルスタックの下部に配置されるマニホールド板１１ｂには燃料ガス流通口１２のみを形成すれば足り、空気流通口１３を形成する必要がないので、図８及び図９の構成と同様に構造の簡素化を図ることができる。尚、図８に示す構成の場合、燃料排ガスと空気排ガスとが混合することにより燃焼を起こすが、この燃焼熱を例えば供給する燃料や空気の予熱に使用したり、温水や水蒸気を発生させたり、吸収式冷凍機に使用する熱源として利用しても良い。この場合、電気と温水等を供給するコジェネレーションシステムを構成することができる。一方、図８に示す構成のセルスタックの上部に空気排ガスと燃料排ガス用のマニホールドを設けることで、各排ガスを別々に取り出すことも勿論可能である。
【００５１】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、請求項１及び３記載の平板型固体電解質燃料電池の構造によれば、多孔質空気極板が不要となり、燃料電池のコンパクト化が可能となる。更に、高価な空気極材料の使用量を減じることができるため原料費および材料費を削減できる。更に、多孔質空気極板を無くすことで、多孔質空気極板において生じてしまっていた電気的な損失を無くす効果もある。更に、多孔質空気極板を無くすことにより空いたスペースの分だけ単セルを数多くスタックすることができるため、換言すれば多孔質空気極板に換えて単セルをスタックすることができるため、セルスタックの体積あたりの出力を向上することができる。
【００５２】
また、燃料極にインターコネクタ膜を成膜し、燃料極とインターコネクタ膜とが一体化されるので、燃料極とインターコネクタ膜との間の接触抵抗（接触部分の電気抵抗）を大幅に低減できる。これにより、発電性能を向上することができる。さらに、燃料極材料は空気極材料等と比較して一般に機械的強度も高く電気伝導率も高く更に熱伝導率も高くしかも低コストであることから、燃料極を基板とすることで、空気極等を基板とする場合よりも燃料電池の強度および発電性能を向上でき製造費を低減できる。したがって、固体電解質型燃料電池の製造コスト削減と高性能化ならびにコンパクト化を図ることが可能となる。
【００５３】
さらに、請求項２記載の平板型固体電解質燃料電池の構造によれば、インターコネクタ膜を成膜する燃料極の面に溝を形成して、空気流路を形成しているので、インターコネクタ膜の平均膜厚を薄くでき、電気抵抗を小さくできる。
【００５４】
さらに、請求項４記載の平板型固体電解質燃料電池の構造によれば、電解質膜および空気極膜が積層される燃料極の面に溝を形成して、空気流路を形成するようにしているので、燃料極と電解質膜との接触面および空気極膜と電解質膜との接触面の面積が、これらの接触面を平面とした場合の面積よりも、スタック方向における溝の深さに対応して増すため、セルスタックあたりの出力向上、出力密度あたりのコスト低減につながる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の平板型固体電解質型燃料電池の構造の一実施形態を示す概略側面図である。
【図２】図１に示す平板型固体電解質燃料電池の単セルの構成の一例を示す概略斜視図である。
【図３】図１に示す平板型固体電解質燃料電池のセルスタックにおける燃料ガス流通口と空気流通口の構成の一例を示す概略斜視図である。
【図４】本発明の平板型固体電解質型燃料電池の構造の他の実施形態を示す概略側面図である。
【図５】本発明の平板型固体電解質型燃料電池の構造の更に他の実施形態を示す概略側面図である。
【図６】本発明の平板型固体電解質型燃料電池の構造の更に他の実施形態を示す概略側面図である。
【図７】平板型固体電解質燃料電池のセルスタックにおける燃料ガス流通口と空気流通口の他の構成例を示す概略斜視図である。
【図８】平板型固体電解質燃料電池のセルスタックにおける燃料ガス流通口と空気流通口の更に他の構成例を示す概略斜視図である。
【図９】図８の一部を拡大した概略斜視図である。
【図１０】本発明の平板型固体電解質型燃料電池の構造の更に他の実施形態を示す概略側面図である。
【図１１】本発明の平板型固体電解質型燃料電池の構造の更に他の実施形態を示す概略側面図である。
【符号の説明】
１単セル
２燃料極
３電解質膜
４空気極膜
５インターコネクタ膜
６，６’ 空気流路

Claims

多孔質体から成る燃料極と、前記燃料極の表面あるいは裏面のいずれか一方の面に成膜した電解質膜と、前記電解質膜に成膜した空気極膜と、前記燃料極の他方の面に成膜したインターコネクタ膜とを備える単セルを構成し、隣接する他の単セルの空気極膜に空気を供給するための空気流路を前記インターコネクタ膜に形成したことを特徴とする平板型固体電解質燃料電池の構造。
前記インターコネクタ膜を成膜する前記燃料極の面に溝を形成して、前記空気流路を形成したことを特徴とする請求項１記載の平板型固体電解質燃料電池の構造。
多孔質体から成る燃料極と、前記燃料極の表面あるいは裏面のいずれか一方の面に成膜した電解質膜と、前記電解質膜に成膜した空気極膜と、前記燃料極の他方の面に成膜したインターコネクタ膜とを備える単セルを構成し、隣接する他の単セルのインターコネクタ膜と対向する前記空気極膜の面に空気流路を形成したことを特徴とする平板型固体電解質燃料電池の構造。
前記電解質膜および前記空気極膜が積層される前記燃料極の面に溝を形成して、前記空気流路を形成したことを特徴とする請求項３記載の平板型固体電解質燃料電池の構造。