JP2005166562A

JP2005166562A - 固体酸化物形燃料電池

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Publication number: JP2005166562A
Application number: JP2003406606A
Authority: JP
Inventors: Hirotoshi Sakamoto; 宏年坂元; Kuniaki Yoshikata; 邦聡芳片; Takekazu Mikami; 豪一三上
Original assignee: Dai Nippon Printing Co Ltd
Current assignee: Dai Nippon Printing Co Ltd
Priority date: 2003-12-04
Filing date: 2003-12-04
Publication date: 2005-06-23

Abstract

【課題】電極の有効配置面積を損なうことなく、インターコネクターの配線を簡略化することができる固体酸化物形燃料電池を提供する。
【解決手段】電解質１と、この電解質１の一方面に配置され、燃料極３及び空気極５により構成された複数の電極体Ｅと、これら複数の電極体Ｅを接続するインターコネクター７，９とを備え、電解質１には４つの貫通孔が形成され、インターコネクターの一部９が、電解質１の他方面に配置されており、電解質１の一方面の電極体Ｅと他方面のインターコネクター９とが貫通孔を介して接続されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体電解質を用いた固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）に関する。

従来より、固体酸化物形燃料電池のセルデザインとして、平板型（スタック型）、円筒型（チューブ型）などが提案されている。

平板型セルは、板状の電解質の表面及び裏面に燃料極及び空気極をそれぞれ配置したものであり、こうして形成されたセルはセパレーターを介して複数個積層された状態で使用される。セパレーターは各セルに供給される燃料ガスと空気とを完全に分離する役割を果たしており、各セルとセパレーターとの間にはガスシールが施されている（例えば、特許文献１）。しかしながら、この平板型セルでは、セルに対して圧力をかけてガスシールを施すため、セルが振動や熱サイクルなどに対して脆弱であるなどの欠点があり、実用化に大きな課題を有している。

一方、円筒型セルは、円筒形の電解質の外周面及び内周面に燃料極及び空気極をそれぞれ配置したものであり、円筒縦縞型、円筒横縞型などが提案されている（例えば、特許文献２）。ところが、円筒型セルは、ガスシール性に優れるという利点を有する一方、平板型セルに比べて構造が複雑であるため、製造プロセスが複雑になり、製造コストが高くなるという欠点がある。

さらに、次の問題もある。平板型セル及び円筒型セルのいずれも、性能を向上させるためには電解質の薄膜化が要求され、電解質材料のオーミックな抵抗の低減が必要となるが、電解質が薄すぎると脆弱化してしまい、耐振性や耐久性が低下するという問題があった。

このため、上述した平板型、円筒型に代わる燃料電池として、燃料極及び空気極を固体電解質からなる基板の同一面上に配置し、燃料および空気の混合ガスを供給することにより発電が可能な非隔膜式固体酸化物形燃料電池が提案されている（例えば、特許文献３）。この燃料電池によれば、燃料ガスと空気とを分離する必要がないため、セパレーター及びガスシールが不要となり、構造及び製造工程の大幅な簡略化を図ることができる。

また、この非隔膜式固体酸化物形燃料電池では、酸素イオンの伝導が固体電解質の表層付近で起こり、燃料極と空気極とを固体電解質の同一面上に近接して形成するため、平板型や円筒型のように電解質の厚みが電池の性能に直接影響することはない。したがって、電池の性能を維持したまま電解質の厚みを増すことができ、これによって脆弱性を改善することが可能となる。
特開平５−３０４５号公報（第１頁、第６図）特開平５−９４８３０号公報（第１頁、第１図）特開平８−２６４１９５号公報（第２−３頁、第１図）

ところで、上記のような燃料電池において高出力を得るためには、燃料極と空気極とからなる電極体を電解質上に複数配置する必要があるが、この場合、複数の電極体はインターコネクターによって接続される。このとき、インターコネクターは交差することができないという設計上の制約があることから、電極体の数が多くなると、インターコネクターの交差を避けるため、その配線が複雑になるという問題があった。また、上記のような燃料電池では、電解質の同一面上に電極体を配置しているため、インターコネクターの配線が増大するのに伴って、電解質上で電極の有効配置面積が減少するという問題がある。さらに、交差を避けるためにインターコネクターを長くすると、インターコネクター自身の電気抵抗が発電に影響を与えたり、断線が生じる可能性が高くなるという問題もある。

本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、電極の有効配置面積を損なうことなく、インターコネクターの配線を簡略化することができる固体酸化物形燃料電池を提供することを目的とする。

本発明に係る固体酸化物形燃料電池は、上記問題を解決するためになされたものであり、電解質と、当該電解質の一方面に配置され、燃料極及び空気極により構成された複数の電極体と、前記複数の電極体を接続するインターコネクターとを備え、前記電解質には少なくとも一つの貫通孔が形成され、前記インターコネクターの少なくとも一部は、前記電解質の他方面に配置されており、前記電解質の一方面の電極体と、他方面のインターコネクターとが前記貫通孔を介して接続されていることを特徴としている。

この構成によれば、電極体間を接続するインターコネクターの一部を電解質の他方面に形成している。そして、電解質に形成された貫通孔を介して、電解質の他方面のインターコネクターと電極体とを接続している。こうすることで、電解質の一方面に配線されるインターコネクターが減少するため、配線を簡素にすることができるとともに、設計上の自由度を大きくすることができる。例えば、電解質の一方面上でインターコネクターの占める割合が小さくなるため、電極の有効配置面積を増大することができ、その結果、電極の集積度を向上することができる。さらに、インターコネクターの配線が簡素になるため、配線が長くなることによる電気抵抗の増大や断線を防止することができる。

上記燃料電池において、貫通孔を各燃料極及び空気極の少なくとも一部と重なる位置に形成するとともに、インターコネクターを電解質の他方面に配置し、貫通孔を介して燃料極及び空気極と接続することが好ましい。このようにすると、電解質の一方面にインターコネクターが配置されないため、電極体の有効配置面積をさらに増大することができ、配線設計の自由度が向上することができる。これにより、例えば電極体の集積度をさらに向上することができる。

本発明に係る固形酸化物型燃料電池によれば、インターコネクターの配線を簡略化することができ、電極体の集積度の向上を図ることができる。

以下、本発明に係る固体酸化物形燃料電池の一実施形態について図面を参照しつつ説明する。図１は本実施形態に係る燃料電池の平面図であり、図２は図１の底面図である。

図１及び図２に示すように、この燃料電池は、矩形の板状に形成された電解質１と、電解質１の一方面に配置された複数の電極体Ｅ（ここでは、４個の電極体Ｅ１〜Ｅ４を表示）とを備えており、これら電極体Ｅは第１及び第２のインターコネクター７，９によって並列に接続されている。

各電極体Ｅは、燃料極３と空気極５とからなり、それぞれ櫛形に形成されている。つまり、これらの電極３，５は基部３ａ，５ａとこの基部から垂直に延びる複数の歯部３ｂ，５ｂとで構成されており、各電極３，５は歯部３ｂ，５ｂが所定間隔をおいてかみあった状態で配置されている。このとき、歯部３ｂ，５ｂの並ぶ方向における歯部同士の間隔Ｘは、１〜１０００μｍであることが好ましく、歯部３ｂ，５ｂの延びる方向における歯部３ｂ，５ｂの先端と基部３ａ，５ａとの間隔Ｙは１〜１０００μｍとであることが好ましい。

また、４つの電極体Ｅは、次のように配置されている。すなわち、空気極５同士が対向配置された１対の電極体（Ｅ１，Ｅ２、及びＥ３，Ｅ４）が図１の左右方向に並ぶように配置されている。このとき、４つの空気極５は、これら空気極５と同一面上に配置された第１のインターコネクター７によって接続されている。このインターコネクター７は、対向する空気極５の基部５ａ同士を接続する２つの支線７ａと、これら支線７ａを結び図１の左右方向に延びる本線７ｂとから構成されている。そして、本線７ｂの先端は電解質１の端部へと延びている。

また、電解質１において、各電極体Ｅの燃料極３の近傍には貫通孔６（断面図参照）が形成されており、この貫通孔６に集電部８が充填されている。そして、各集電部８は貫通孔６から突出して燃料極３と接続されている。図２に示すように、これら集電部８は、電解質１の他方面、つまり電極体Ｅが配置された面とは反対の面にまで達し、この面に配置された第２インターコネクター９によって接続されている。この第２インターコネクター９は、同図の上下方向に配置された集電部８同士を接続する支線９ａと、これら支線９ａを接続し同図の左右方向に延びる本線９ｂとから構成されている。そして、本線９ｂの先端は電解質１の端部へと延びている。

次に、上記のように構成された燃料電池の材質について説明する。電解質１の材料としては、固体酸化物形燃料電池の電解質として公知のものを使用することができ、例えば（Ｃｅ，Ｓｍ）Ｏ₃，（Ｃｅ，Ｇｄ）Ｏ₃などのセリア系、（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｇａ，Ｍｇ）Ｏ₃などのランタン・ガレード系、スカンジア安定化ジルコニア（ＳｃＳＺ），イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）などのジルコニア系等の酸素イオン伝導性セラミックス系材料を用いることができる。電解質１は、基板として用いられるため、ある程度の強度が必要であることから、その厚みは、例えば２００〜１０００μｍであることが好ましい。

燃料極３及び空気極５は、セラミックス粉末材料により形成することができる。このとき用いられる粉末の平均粒径は、通常１０ｎｍ〜１００μｍであり、好ましくは５０ｎｍ〜５０μｍであり、特に好ましくは１００ｎｍ〜１０μｍである。

燃料極３を形成するセラミックス粉末材料としては、例えば、ニッケルと酸素イオン伝導性材料との混合物を用いることができる。このとき用いられる酸素イオン伝導性材料としては、例えば（Ｃｅ，Ｓｍ）Ｏ₃，（Ｃｅ，Ｇｄ）Ｏ₃などのセリア系、（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｇａ，Ｍｇ）Ｏ₃などのランタンガレード系、スカンジウム安定化ジルコニア（ＳｃＳＺ）やイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）などのジルコニア系などの酸素イオン伝導性セラミックス材料を挙げることができ、このようなセラミックス材料と、ニッケルとの混合物で燃料極５を形成することが好ましい。このうち、ニッケル−セリア系酸化物のサーメットで燃料極５を形成することが特に好ましい。なお、酸素イオン伝導性セラミックス材料とニッケルとの混合形態は、物理的な混合形態であってもよいし、ニッケルへの粉末修飾などの形態であってもよい。また、上述したセラミックス材料は、１種を単独で、或いは２種以上を混合して使用することができる。

空気極５を形成するセラミックス粉末材料としては、例えば、ペロブスカイト型金属酸化物を使用することができる。具体的には（Ｓｍ，Ｓｒ）ＣｏＯ₃，（Ｌａ，Ｓｒ）ＭｎＯ₃，（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｏＯ₃，（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｆｅ，Ｃｏ）Ｏ₃，（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ）Ｏ₃などを挙げることができる。これらセラミックス粉末は、１種を単独で使用することもできるし、２種以上を混合して使用することもできる。

また、集電部８及びインターコネクター７，９は、Ｐｔ，Ａｕ，Ａｇ，Ｃｕ，Ｎｉ，ＳＵＳ，又はＬａ（Ｃｒ，Ｍｇ）Ｏ₃，（Ｌａ，Ｃａ）ＣｒＯ₃，（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｒＯ₃などのランタン・クロマイト系材料によって形成することができ、これらのうちの１種を単独で使用してもよいし、２種以上を混合して使用してもよい。

上記燃料極３、及び空気極５は、上述した材料を主成分として、さらにワニス、有機溶媒などが適量加えられることにより形成される。そして、これら燃料極３及び空気極５の膜厚は焼結後に１μｍ〜５００μmとなるように形成するが、１０μm〜１００μmとすることが好ましい。また、集電部８及びインターコネクター７，９も、上述した材料に上記添加物を加えることにより形成される。

次に、上述した燃料電池の製造方法の一例を説明する。まず、上述した材料からなる板状電解質１を準備する。この電解質には、上記したように４つの貫通孔が形成されている。続いて、上述した燃料極３、及び空気極５用の粉末材料を主成分として、これらそれぞれにワニス、有機溶媒などを適量加えて混練し、燃料極ペースト、空気極ペーストをそれぞれ作製する。各ペーストの粘度は、次に説明するスクリーン印刷法に適合するように１０³〜１０⁶Ｐａ・ｓ程度であることが好ましい。同様に、集電部用ペースト及びインターコネクター用ペーストも、上述した粉末材料にワニス等の添加物を加えて作成しておく。このペーストの粘度は上述した燃料極ペースト等と同じである。

続いて、図１に示すような電解質１上の複数の位置に、燃料極ペーストをスクリーン印刷法により櫛形に塗布した後、所定の時間及び温度で乾燥・焼結し、燃料極３を形成する。このとき、各燃料極３の基部３ａが貫通孔の一部と重なるようにしておく。次に、図１に示すように各電解質１上の燃料極３とかみ合うように、空気極ペーストをスクリーン印刷法によって櫛形に塗布し、所定時間及び温度で乾燥・焼結することにより、空気極５を形成する。こうして、４個の電極体Ｅが形成される。そして、４つの貫通孔に集電部用ペーストを集電部８を充填し、燃料極３の一部と接触するようにする。続いて、電解質１の一方面にインターコネクター用ペーストを線状に塗布し、各空気極５を接続する第１インターコネクター７を形成する。これに続いて、電解質１の他方面にインターコネクター用ペーストをスクリーン印刷法によって線状に塗布し、上記のような形状で各集電部８を接続する第２インターコネクター９を形成する。以上の工程により、図１及び図２に示すような燃料電池が完成する。

上記のように構成された燃料電池は、次のように発電が行われる。まず、電極体Ｅが配置された電解質１の一方面上に、メタンやエタンなどの炭化水素からなる燃料ガスと空気との混合ガスを高温の状態（例えば、４００〜１０００℃）で供給する。これにより、各電極体Ｅにおける燃料極３と空気極５との間の電解質１の表層付近で、酸素イオン伝導が起こって発電が行われる。

以上のように本実施形態に係る燃料電池では、電解質１に貫通孔を形成するとともに、電極体Ｅ間を接続するインターコネクターの一部、つまり第２のインターコネクター９を電解質１の他方面に形成している。そして、この第２インターコネクター９と各電極体Ｅとを、貫通孔に充填された集電部８を介して接続することで、各電極体Ｅの接続を行っている。このように、インターコネクターの一部を電解質１の他方面に形成することで、電解質１の一方面の配線を簡素にすることができ、配線の設計上の自由度を大きくすることができる。また、電解質１の一方面上でインターコネクターの占める割合が小さくなるため、電極の有効配置面積を増大することができ、その結果、電極の集積度を向上することができる。さらに、インターコネクターの配線が簡素になるため、電気抵抗が大きくなったり、断線が生じたりするのを防止することができる。

また、インターコネクターを配置している電解質の他方面には、電極体が配置されていないので、配線の自由度が高く、配線設計を容易に行うことができる。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。例えば、インターコネクター７，９の配線は、上記したものに限定されるものではなく、少なくとも一部が電解質１の他方面に配置されていればよい。また、全てのインターコネクターを電解質１の他方面に配置することもできる。これについて、図３及び図４を参照して説明する。

図３に示すように、この例では、図１と同じ位置に配置された４つの電極体Ｅを用いている。そして、各燃料極３及び空気極５の基部３ａ，５ａの一部と重なる位置に貫通孔（図示省略）を形成している。この貫通孔には上記実施形態と同様に集電部８ａ，８ｂが充填されており、図４に示すように、電解質１の他方面に、これら集電部８ａ，８ｂを接続するインターコネクターが形成されている。より詳細には、各空気極５と接触している集電部８ｂ同士を第３インターコネクター１１によって接続するとともに、各燃料極３と接触している集電部８ａ同士を第４インターコネクター１３によって接続する。第４インターコネクター１３は、電解質１の周縁に沿って延びており、第３インターコネクター１１は、第４インターコネクター１３に囲まれる位置で同図の左右方向に延びている。この構成によれば、全てのインターコネクター１１，１３が電解質１の他方面に配置されているため、電解質１の一方面における電極体Ｅの有効配置面積をさらに増大することができる。その結果、配線設計の自由度がさらに高まるとともに、電極体Ｅの集積度を向上することが可能となる。また、全てのインターコネクターを電解質の他方面に配置しても、この面には電極体が配置されていないため、インターコネクターの配線は、容易である。

また、上記説明では、各ペーストの塗布にスクリーン印刷法を用いているが、これに限定されるものではなく、リソグラフィー法、ロ−ルコ−ト法、グラビアロ−ルコ−ト法、ディスペンスコート法、転写法等、その他一般的な印刷法を用いることができる。また、印刷後の後工程として、静水圧プレス、油圧プレス、その他の一般的なプレス工程を用いることができる。

以下に実施例を挙げて、本発明をさらに詳細に説明する。

（実施例１）
実施例として図１及び図２に示す固体酸化物形燃料電池を作成する。電解質１として、２５ｍｍ×２５ｍｍで厚みが１ｍｍの市販の板状の電解質を準備した。この電解質１は、セリア系の電解質であり、その材質はＧＤＣ［（Ｃｅ，Ｇｄ）Ｏ₃］でセリアにガドリニウムがドープされている。また、この電解質１には、集電部８を充填する４つの位置に一辺が８００μｍの矩形の貫通孔が形成されている。

燃料極材料として、酸化ニッケル（ＮｉＯ）粉末（粒径０．０１〜１０μｍ、平均粒径１μｍ）と、ＳＤＣ［（Ｃｅ，Ｓｍ）Ｏ₃］粉末（粒径０．０１〜１０μｍ、平均粒径０．１μｍ）とを重量比で７：３となるように混合した後、セルロース系ワニスを混合し、燃料極ペーストを作製した。燃料極ペーストの粘度はスクリーン印刷に適した５×１０⁵ｍＰａ・ｓとした。また、空気極材料として、ＳＳＣ［（Ｓｍ，Ｓｒ）ＣｏＯ₃］粉末（０．１〜１０μｍ、平均粒径３μｍ)を使用し、セルロース系ワニスを混合して空気極ペーストを作製した。空気極ペーストの粘度も同様に、スクリーン印刷法に適した５×１０⁵ｍＰａ・ｓとした。

電極体Ｅ間を接続するインターコネクター用の材料としては、Ａｕ粉末（０．１〜５μm、平均粒径２．５μm)を使用し、これにセルロース系ワニスを混合してインターコネクター用ペーストを作製した。インターコネクター用ペーストの粘度はスクリーン印刷に適した５×１０⁵mＰａ・ｓとした。また、集電部用の材料もインターコネクター用の材料と同様のものを準備した。

次に、電解質１上にスクリーン印刷法によって燃料極ペーストを櫛形に塗布した。このとき、燃料極３の基部３ａが貫通孔の一部と重なるようにした。燃料極３の寸法は、図５に示すとおりである。すなわち、外径幅Ｌ₁＝７５００μｍ，外径長さＬ₂＝７５００μｍ，歯部の幅Ｌ₃＝５００μｍ、歯部の間隔Ｌ₄＝９００μｍ、歯部の長さＬ₅＝７０００μｍとなっている。こうしてペーストを塗布した後、１３０℃で１５分間乾燥した。その後、１４５０℃で１間時間焼結した。

続いて、各燃料極と対向する位置で、歯部同士がかみ合うように空気極ペーストを櫛形に塗布した。寸法は図５に示すとおりで、燃料極と同じである。このとき、空気極と燃料極との間隔は、図の左右方向の長さＸ＝２００μｍ、上下方向の長さＹ＝２００μｍとした。その後、１３０℃で１５分間乾燥した後、１２００℃で１時間焼結した。

なお、隣接する電極体Ｅの間隔は、左右方向，上下方向とも、２０００μｍとした。こうして形成される電極体Ｅと基板１との詳細な寸法は、図６に示すとおりである。

そして、各貫通孔にＡｕを主成分とするペーストを充填し、集電部８を形成した。これに続いて、スクリーン印刷によってインターコネクター用ペーストを電解質の一方面に塗布し、１５０℃で３０分間乾燥して第１インターコネクター７を形成した。その後、電解質１の他方面で、集電部８を接続するようにペーストを塗布し、同じく１５０℃で２０分間乾燥して第２インターコネクター９を形成した。第１及び第２インターコネクター７，９の幅は、８００μｍである。続いて、９００℃で２時間焼結し、固体酸化物形燃料電池を得た。

（実施例２）
実施例２として図３及び図４に示す固体酸化物形燃料電池を作成する。電解質１として、２５ｍｍ×２５ｍｍで厚みが１ｍｍの市販の板状の電解質を準備した。この電解質１の材質は、実施例１と同じであり、貫通孔が８個形成されていることのみが実施例１と相違する。また、燃料極ペースト、空気極ペースト、インターコネクター用ペースト、及び集電部用ペーストは実施例１と同じである。

次に、スクリーン印刷によって電解質１の一方面に燃料極３、空気極５を形成した。このときの各電極３，５の基部３ａ，５ａが、貫通孔の一部と重なるように配置した。各電極３，５の寸法、間隔、基板１端部との距離は実施例１と同じである。続いて、８個の貫通孔にＡｕを主成分とするペーストを充填し、集電部８ａ，８ｂを形成した。これに続いて、図４に示すように電解質の他方面に、スクリーン印刷によってインターコネクター用ペーストを塗布し、１５０℃で２０分間乾燥して第３及び第４インターコネクター１１，１３を形成した。このとき、インターコネクターの幅は、８００μｍである。続いて、９００℃で２時間焼結し、固体酸化物形燃料電池を得た。

（比較例）
比較例として、図７に示す固体酸化物形燃料電池を作成した。電解質として実施例１と材料及び寸法が同じものを用いた。但し、貫通孔は形成されていない。また、燃料極ペースト、空気極ペースト、インターコネクター用ペースト、及び集電部用ペーストについても実施例１と同じである。この比較例が実施例１及び実施例２と相違するのは、インターコネクター５１の配置である。図６に示すように、この比較例では、全てのインターコネクター５１を電解質１の一方面に配置している。すなわち、実施例２において電解質の他方面に配置されているような形状で、インターコネクターを電解質の一方面に配置している。

以上のように、実施例１及び実施例２によれば、電解質の一方面に占めるインターコネクターの面積を比較例に比べて大きく低減することができ、電極の集積化が可能となる。具体的には電解質の一方面におけるインターコネクターの面積を比較例で１とすると、実施例１では約０．３，実施例２では約０．０３にすることができ、配線設計も容易に行うことができる。

本発明に係る固体酸化物形燃料電池の一実施形態の平面図である。図１に示す燃料電池の底面図である。図１に示す燃料電池の他の例を示す平面図である。図３に示す燃料電池の底面図である。実施例１及び実施例２に係る電極体の拡大図である。実施例の電極体と基板との寸法を示す平面図である。比較例の平面図である。

符号の説明

１電解質
３燃料極
５空気極
７第１インターコネクター
９第２インターコネクター
１１第３ンターコネクター
１３第４インターコネクター

Claims

電解質と、
当該電解質の一方面に配置され、燃料極及び空気極により構成された複数の電極体と、
前記複数の電極体を接続するインターコネクターとを備え、
前記電解質には少なくとも一つの貫通孔が形成され、
前記インターコネクターの少なくとも一部は、前記電解質の他方面に配置されており、前記電解質の一方面の電極体と他方面のインターコネクターとが前記貫通孔を介して接続されている固体酸化物形燃料電池。
前記貫通孔は、前記各燃料極及び空気極の少なくとも一部と重なる位置に形成されており、
前記インターコネクターは、前記電解質の他方面に配置され、前記貫通孔を介して前記電極体と接続されている請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池。