JP2007103092A - 固体酸化物形燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】内部短絡現象を防止できる固体酸化物形燃料電池を提供する。
【解決手段】板状の電解質２１、この電解質２１の一方面に形成された燃料極２２、及び電解質２２の他方面に形成された空気極２３をそれぞれ備える複数の単セル２と、複数の単セル２を接続するインターコネクター３と、複数の単セル２を支持する支持基板１とを備え、支持基板１には複数の貫通孔１１が形成され、各単セル２はいずれか一方の同種の電極が各貫通孔１１を臨むように配置され、隣接する単セル２においては、一方の単セル２の空気極２３と他方の単セル２の燃料極２２とがインターコネクター３によって接続されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、固体酸化物電解質上に燃料極及び空気極が形成された固体酸化物形燃料電池に関する。

従来、この種の固体酸化物形燃料電池として、電解質基板の一方面上に空気極及び燃料極が形成したものが知られている（例えば、特許文献１、２参照）。固体酸化物形燃料電池は、単セル当たりの出力が小さいため、複数の単セルを直列に接続して使用される。そのため、電解質シート上に燃料極と空気極とを交互に印刷形成し、インターコネクタによって直列接続した構成が開示されている。（例えば、特許文献２）。
特開２００２−２８００１５号公報 特開平８−２６４１９５号公報

しかしながら、上記特許文献２記載の発明では、電解質の一方面に複数の燃料極と空気極とが形成されているため、発電時に電解質表面が酸素イオンの移動経路となって、本来の単セルの起電力と、単セル間に形成される電池の起電力とが打ち消し合い、内部短絡状態となるため、燃料電池全体の起電力が下がり、電池性能が低下することがある。

そこで、本発明は、内部短絡現象による起電力低下を防止することが可能な固体酸化物形燃料電池を提供することを主たる目的とする。

本発明に係る第１の固体酸化物形燃料電池は、上記目的を達成するため、板状の電解質、当該電解質の一方面に形成された燃料極、及び前記電解質の他方面に形成された空気極をそれぞれ有する複数の単セルと、前記複数の単セルを接続するインターコネクターとを備え、前記各単セルはいずれか一方の同種の電極が同一方向を向くように面方向に並べて配置され、それら隣り合う単セルが接着剤の介在下に連結されており、隣接する前記単セルにおいては、一方の単セルの空気極と他方の単セルの燃料極とが前記インターコネクターによって接続されている。

この構成によれば、電解質の一方面及び他方面に燃料極及び空気極をそれぞれ有する単セルを面方向に複数個並べ、これらを接着剤によって連結するように構成されているため、各単セルが分離されている。そのため、従来例のように、酸素イオンの移動経路となる電解質が単セル間に存在しないため、内部短絡状態となるのを防止することができる。その結果、燃料電池全体の起電力が下がるのを防止でき、電池性能を向上することができる。ここで、接着剤としては例えば無機系のものを使用することができる。

また、本発明に係る第２の固体酸化物形燃料電池は、上記目的を達成するため、板状の電解質、当該電解質の一方面に形成された燃料極、及び前記電解質の他方面に形成された空気極をそれぞれ有する複数の単セルと、前記複数の単セルを接続するインターコネクターと、前記複数の単セルを支持する支持基板とを備え、前記支持基板には複数の貫通孔が形成され、前記各単セルはいずれか一方の同種の電極が前記各貫通孔を臨むように配置され、隣接する前記単セルにおいては、一方の単セルの空気極と他方の単セルの燃料極とが前記インターコネクターによって接続されている。

この構成によれば、上記第１の発明と同様に、各単セルが分離されているため、内部短絡状態となるのを防止することができる。さらに、同種の電極を同じ方向に向けて配置しているため、次のような利点がある。例えば、上記のような単セルを表裏反対向きに交互に並べて配置し、混合ガスを単セルの並ぶ方向に供給した場合、上流側の単セルの燃料極と混合ガスとの反応により還元ガスが発生する。しかし、このような還元ガスが発生すると、下流側に配置された空気極が劣化することがあり、発電能力が大きく低下する。これに対して、本発明では、同種の電極を同じ方向に向けているため、混合ガスは支持基板の一方面または他方面では、同種の電極にしか接触しない。したがって、上記のような空気極の劣化を確実に防止できる。また、第２の発明では、各単セルが支持基板によって支持されているため、電池の剛性を高めることができる。したがって、各電解質を薄くすることができるため、膜抵抗の低減が可能となり、電池性能を向上することができる。

上記第２の固体酸化物形燃料電池において、単セルは種々の方法により支持基板に配置することができる。例えば、貫通孔の周縁に段部を形成し、この段部に各単セルの周縁を支持するように配置することができる。

また、貫通孔が単セルによって閉塞されるようにし、支持基板の一方面と他方面とを気密に仕切れば、二室型の固体酸化物形燃料電池を構成することができる。この構成により、支持基板の一方面及び他方面に燃料ガスまたは酸化剤ガスのいずれかをそれぞれ供給することができるため、発電効率をさらに向上することができる。

本発明に係る固体酸化物形燃料電池によれば、内部短絡現象による起電力低下を防止することができる。

以下、本発明に係る固体酸化物形燃料電池（以下、単に「燃料電池」という。）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一方面を示す平面図、図２は図１のＡ−Ａ線断面図である。なお、全図を通し、同様の構成部分には同符号を付している。

図１及び図２に示すように、本実施形態に係る燃料電池は、支持基板１によって支持される複数（図では４個）の単セル２を備えており、各単セル２はインターコネクター３によって直列に接続されている。各単セル２は矩形状に形成され、薄板状の電解質２１、この電解質２１の表面（図２の上側）に形成された燃料極２２、及び電解質２１の裏面に形成された空気極２３から構成されている。各単セル２において、電解質２１と空気極２３とはほぼ同じ形状であり、燃料極２２はこれらよりもやや小さい形状となっている。これによって、単セル２の右側の端部において電解質２１が上方へ露出するようになっている。

支持基板１には、複数の矩形状の貫通孔１１が形成されており、各貫通孔１１の上面側にはその周縁に沿って段部１２が形成されている。そして、各単セル２の周縁は、この段部１２によって支持されて、同種の電極が同じ方向を向くように配置される。つまり、本実施形態では、各単セル２の燃料極２２が支持基板１の上面側を向く一方、空気極２３が貫通孔１１から下面側を臨むように配置される。

インターコネクター３は、多数の小孔を有するメッシュ状に形成されている。インターコネクター３の一方の端部は、貫通孔１１をまたぐように、段部１２に支持されるように配置される。つまり、空気極２３の下側と接触するように配置される。そして、他方の端部は貫通孔１１の側壁から上面を伝って延び、隣接する単セル２の上面、つまり燃料極２２上に接続される。このとき、燃料極２２は電解質２１よりも小さく形成され、右側の端部と貫通孔１１の側壁との間に隙間があるため、インターコネクター３は燃料極２２に接触することなく、隣接する単セル２へと延びている。また、インターコネクター３は段部１２上に塗布されるセラミックボンドやガラスシールなどの接着剤６により段部１２に固定される。隣接する単セル２の上面にも上記のような接着剤６が塗布されてインターコネクター３の端部と接合される。上記のようにインターコネクター３は空気極２３の下側に配置されているが、メッシュ状に形成されているため、空気極２３は支持基板１の下側に供給されるガスとの接触を妨げない。

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、支持基板１の上面側及び下面側に対して、水素、又はメタン、エタンなどの炭化水素からなる燃料ガスと空気等の酸化剤ガスとの混合ガスＧを高温の状態（例えば、４００〜１０００℃）で供給する。これにより、支持基板１の上面側及び下面側で、燃料極２２及び空気極２３がそれぞれ混合ガスと接触するため、各単セル２における燃料極２２と空気極２３との間で、酸素イオン伝導が起こり発電が行われる。

以上のように、本実施形態によれば、電解質２１の一方面及び他方面に燃料極２２及び空気極２３をそれぞれ有する単セル２を複数個準備し、これを支持基板１上に配置してインターコネクター３によって接続している。このため、各単セル２が分離され、従来例のように、酸素イオンの移動経路となる電解質が単セル間に存在しないため、内部短絡状態となるのを防止することができる。その結果、燃料電池全体の起電力が下がるのを防止でき、電池性能を向上することができる。

また、上記実施形態では、すべての単セル２を、燃料極２２が上方に向くよう配置している。つまり、同種の電極を同じ方向に向けて配置しているため、次のような利点がある。例えば、上記のような単セルを表裏反対向きに交互に並べて配置し、混合ガスを単セルの並ぶ方向に供給した場合、上流側の単セルの燃料極と混合ガスとの反応により還元ガスが発生するが、この還元ガスによって下流側に配置された空気極が劣化することがある。こうして空気極が劣化すると、発電能力が大きく低下する。これを防止するため、混合ガスを基板と垂直な方向から供給することも考えられるが、このようにすると、装置が大型化するという問題がある。これに対して、本実施形態では、同種の電極を同じ方向に向けているため、上記のような空気極の劣化を確実に防止できる。また、ガスの供給源をいずれの位置に設けてもよいため、設計の自由度を向上することもできる。

なお、支持基板１をガス透過性の多孔質体で形成することもでき、このようにすると、混合ガスＧを支持基板１の上面側のみに供給した場合でも、支持基板１を透過して混合ガスＧが下面側の空気極２３にも接触する。したがって、ガスの供給源を一箇所にすることができるため、設計の自由度が向上する。なお、多孔質体の気孔率は例えば、２０〜５０％程度が好ましく、３０〜４０％程度であることがさらに好ましい。

ここで、発電効率をさらに高めるには、次のように構成することができる。まず、支持基板１を挟んで上面側及び下面側を気密に仕切る。各単セルは、貫通孔を塞いでいるため、支持基板１の上下が連通することはない。この状態で、支持基板１の上面側に燃料ガスを供給する一方、下面側に酸化剤ガスを供給する。燃料ガス及び酸化剤ガスは、支持基板１によって混合するのが防止され、しかも上面側に燃料極２２、下面側に空気極２３が配置されているため、二室型の固体酸化物形燃料電池が構成される。この構成により、燃料ガス及び酸化剤ガスが個別に電極と接触するため、混合ガスを供給する単室型よりもさらに高い発電効率を得ることができる。

また、上記のような燃料電池は、次のように製造される。すなわち、支持基板１の貫通孔１１の段部１２に接着剤６によってインターコネクター３の一端部を固定する。そして、定法によって予め製造された複数の単セル２を支持基板１の段部１２に載せ、接着剤６によって固定する。続いて、インターコネクター２の他端部を単セル２の上面、つまり燃料極２２に接着剤によって固定すればよい。

次に、上記実施形態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２１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、サマリウムやガドリニウム等をドープしたセリア系酸化物、ストロンチウムやマグネシウムをドープしたランタン・ガレード系酸化物、スカンジウムやイットリウムを含むジルコニア系酸化物などの酸素イオン伝導性セラミックス材料を用いることができる。

燃料極２２及び空気極２３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、好ましくは１０ｎｍ〜１００μｍであり、さらに好ましくは５０ｎｍ〜５０μｍであり、特に好ましくは１００ｎｍ〜１０μｍである。なお、平均粒径は、例えば、ＪＩＳＺ８９０１にしたがって計測することができる。

燃料極２２は、例えば、金属触媒と酸化物イオン導電体からなるセラミックス粉末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金属触媒としては、ニッケル、鉄、コバルトや、貴金属（白金、ルテニウム、パラジウム等）等の還元性雰囲気中で安定で、水素酸化活性を有する材料を用いることができる。また、酸化物イオン導電体としては、蛍石型構造又はペロブスカイト型構造を有するものを好ましく用いることができる。蛍石型構造を有するものとしては、例えばサマリウムやガドリニウム等をドープしたセリア系酸化物、スカンジウムやイットリウムを含むジルコニア系酸化物などを挙げることができる。また、ペロブスカイト型構造を有するものとしてはストロンチウムやマグネシウムをドープしたランタン・ガレード系酸化物を挙げることができる。上記材料の中では、酸化物イオン導電体とニッケルとの混合物で、燃料極２２を形成することが好ましい。なお、酸化物イオン導電体からなる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またはセラミックス材料へのニッケル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種類を単独で、或いは２種類以上を混合して使用することができる。また、燃料極２２は、金属触媒を単体で用いて構成することもできる。

空気極２３を形成するセラミックス粉末材料としては、例えば、ペロブスカイト型構造等を有するＣｏ，Ｆｅ，Ｎｉ，Ｃｒ又はＭｎ等からなる金属酸化物を用いることができる。具体的には（Ｓｍ，Ｓｒ）ＣｏＯ_３，（Ｌａ，Ｓｒ）ＭｎＯ_３，（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｏＯ_３，（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｆｅ，Ｃｏ）Ｏ_３，（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ）Ｏ_３などをの酸化物が挙げられ、好ましくは、（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｆｅ，Ｃｏ）Ｏ_３である。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。

また、インターコネクタ３は、Ｐｔ，Ａｕ，Ａｇ，Ｎｉ，Ｃｕ，ＳＵＳ等の導電性金属、或いは金属系材料，又はＬａ（Ｃｒ，Ｍｇ）Ｏ_３，（Ｌａ，Ｃａ）ＣｒＯ_３，（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｒＯ_３などのランタン・クロマイト系等の導電性セラミックス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２２、及び空気極２３は、上述した材料を主成分として、さらにバインダー樹脂、有機溶媒などが適量加えられることにより形成される。より詳細には、上記主成分とバインダー樹脂との混合において、上記主成分が５０〜９５重量％となるように、バインダー樹脂等を加えることが好ましい。また、インターコネクタ３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。

支持基板１の材質としては、石英ガラスやバイコールガラスなど一般的な耐熱性ガラスやアルミナ、シリコン窒化物、シリコン炭化物などのセラミックス板を使用することができる。また、後述するように、支持基板１は、燃料極、空気極と接することなく電解質及び接着剤層とのみ接する場合は、燃料電池動作温度域で電池伝導性を示すシリコンウエハやニッケルや鉄を主成分とする金属やＳＵＳなどの金属板なども使用でき、集電効果も付与することが出来る。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態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、上記実施形態では、支持基板１の上面側に燃料極２２、下面側に空気極２３が向くように配置しているが、これを反対にすることができるのは言うまでもない。また、インターコネクター３は、上記説明のように、メッシュ状のもの以外にも、単セル２を電気的に接続できるのであれば、その形態及び配線方法は限定されない。例えば、図３に示すように、支持基板１における単セル２間に孔１３を形成し、この孔１３を通じて支持基板１の上面及び下面に形成された燃料極２２及び空気極２３を接続することができる。例えば、孔１３をインターコネクター３の材料で充填するとともに、孔１３の上下の開口端と各電極とを印刷によってインターコネクター３で接続することができる。

また、貫通孔１１への単セル２の配置方法について、例えば、貫通孔１１に図１のような段部１２を形成せず、上面側から貫通孔１１を塞ぐようにすることもできる。この場合、図４に示すように、空気極２３を貫通孔１１と同じ大きさに形成し、貫通孔１１に空気極２３を嵌め込むとともに、電解質２１の周縁部が貫通孔１１の開口周縁に当接するようにしてもよい。この場合、インターコネクター３は、上記実施形態と同様に構成することができる。また、貫通孔１１を単セル２によって完全に塞がず、上面側と下面側が連通するように、隙間をあけて配置することもできる。こうすることで、支持基板１の上面側に供給した混合ガスを下面側にも供給することが可能となる。

また、支持基板を用いずに、隣接する単セル同士を接続することもできる。すなわち、図５に示すように、単セル２を電解質２１の面方向に並べて配置し、隣接する単セル２の電解質２１の端部同士をセラミックボンド等からなる接着層７によって連結する。このとき、単セル２の向きは上記説明と同様に同種の電極を同一の方向に向けて配置する。ここでは、燃料極２２が上方を向くように配置している。また、インターコネクター３は、例えば、接着層７に孔を形成し、この孔を通じて、隣接する単セル２を直列に接続することができる。すなわち、この孔を介して電解質２１の上面側の燃料極２２と下面側の空気極２３とを接続する。このとき、燃料極２２及び空気極２３は、図５に示すように、インターコネクター３との接触を防止するため、電解質２１よりも小さい形状にすることが好ましい。そして、電解質２１の上面側または下面側に混合ガスを供給すれば、発電が行われる。この構成によっても、上記実施形態と同様に、内部短絡を防止するとともに、電極の劣化を防止することができる。

本発明に係る固体酸化物形燃料電池の一実施形態の上面を示す平面図である。 図１のＡ−Ａ線断面図である。 図１の固体酸化物形燃料電池の他の例を示す断面図である。 図１の固体酸化物形燃料電池の他の例を示す断面図である。 図１の固体酸化物形燃料電池の他の例を示す断面図である。

符号の説明

１ 支持基板
１１ 貫通孔
１２ 段部
２ 単セル
２１ 電解質
２２ 燃料極
２３ 空気極
３ インターコネクター
７ 接着層

Claims (4)

1. 板状の電解質、当該電解質の一方面に形成された燃料極、及び前記電解質の他方面に形成された空気極をそれぞれ有する複数の単セルと、
   前記複数の単セルを接続するインターコネクターとを備え、
   前記各単セルはいずれか一方の同種の電極が同一方向を向くように面方向に並べて配置され、隣り合う単セルが接着剤の介在下に連結されており、
   隣接する前記単セルにおいては、一方の単セルの空気極と他方の単セルの燃料極とが前記インターコネクターによって接続されている、固体酸化物形燃料電池。
2. 板状の電解質、当該電解質の一方面に形成された燃料極、及び前記電解質の他方面に形成された空気極をそれぞれ有する複数の単セルと、
   前記複数の単セルを接続するインターコネクターと、
   前記複数の単セルを支持する支持基板とを備え、
   前記支持基板には複数の貫通孔が形成され、前記各単セルはいずれか一方の同種の電極が前記各貫通孔を臨むように配置され、
   隣接する前記単セルにおいては、一方の単セルの空気極と他方の単セルの燃料極とが前記インターコネクターによって接続されている、固体酸化物形燃料電池。
3. 前記貫通孔の周縁には段部が形成されており、この段部に前記各単セルの周縁が支持されている、請求項２に記載の固体酸化物形燃料電池。
4. 前記貫通孔を前記単セルによって閉塞するとともに、前記支持基板の一方面側及び他方面側を気密に仕切るように構成されている、請求項２または３に記載の固体酸化物形燃料電池。

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