JP2007317644A

JP2007317644A - 発電セルおよび固体酸化物形燃料電池

Info

Publication number: JP2007317644A
Application number: JP2007088177A
Authority: JP
Inventors: Takashi Yamada; 喬山田
Original assignee: Kansai Electric Power Co Inc; Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Kansai Electric Power Co Inc; Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2006-04-28
Filing date: 2007-03-29
Publication date: 2007-12-06

Abstract

【課題】長時間運転時の熱サイクルによる電極剥離を防止し、安定した発電性能を維持できる固体酸化物形燃料電池を提供する。
【解決手段】固体電解質層２の両面に燃料極層４および空気極層３を配した発電セル５を備える固体酸化物形燃料電池において、前記燃料極層４は、厚さ方向に複数の層４ａ〜４ｃで構成されており、且つ、その最表電極層４ｃが溝１０により六角形状を成す複数の電極パターン１０に区画されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、固体電解質層の両面に燃料極層と空気極層を配して構成した発電セル、およびこの発電セルを備える平板積層型の固体酸化物形燃料電池に関し、詳しくは、発電セルの電極剥離を防止し、耐久性を向上できる電極構造に関するものである。

固体酸化物形燃料電池は、第３世代の発電用燃料電池として開発が進んでいる。現在この固体酸化物形燃料電池は、円筒型、モノリス型、および平板積層型の３種類が提案されており、何れも酸化物イオン導電体から成る固体電解質層を空気極層と燃料極層との間に挟んだ積層構造を有し、発電時には、反応用ガスとして空気極層側に酸化剤ガス（酸素) が、また燃料極層側に燃料ガス（Ｈ₂、ＣＯ等) が供給される。

空気極層側に供給された酸素（例えば空気）は、空気極層内を通って固体電解質層との界面近傍に到達し、この部分で空気極層から電子を受け取って酸化物イオン（Ｏ^2-）にイオン化される。この酸化物イオンは、燃料極層に向かって固体電解質層内を拡散移動する。燃料極層との界面近傍に到達した酸化物イオンは、この部分で、燃料ガスと反応して反応生成物（Ｈ₂Ｏ、ＣＯ₂等）を生じ、燃料極層に電子を放出する。電極反応で生じた電子は、別ルートの外部負荷にて起電力として取り出すことができる。

ところで、上記構造の燃料電池では、長時間運転時の熱サイクルによる熱応力で、各電極層（特に、燃料極層）が固体電解質層から剥離するという問題があった。これは、固体電解質層と電極層の各材料の熱膨張係数の差により生じる応力によるものであり、特に、燃料極層の剥離については、燃料極層に含まれるＮｉ等の金属材料が酸化物の状態で固体電解質層に焼き付けられ、発電時の還元で収縮するために生じるものと考えられている。

このような問題に鑑み、本出願人は先に特許文献１を提案している。特許文献１には、燃料極層を溝にて複数に区画することにより、燃料極層への応力集中を緩和して、燃料極層の剥離を防止する技術が開示されている。
特開２００５−２３５５４９号公報

ところが、上記特許文献１においては、区画のために溝を設けると、その分、実質的な電極面積が制限され、発電性能が低下するという問題や、応力を効果的に緩和できる区画構造等について、検討すべき課題が残されていた。

本発明は、上記事情に鑑み成されたもので、区画による電極面積の実質的な制限を極力少なくでき、且つ、応力集中が効果的に緩和される区画構造を実現するすることにより、長時間運転時の熱サイクルで生じる電極剥離を防止して安定した発電性能を維持できる発電セル、およびこの発電セルを備えた固体酸化物形燃料電池を提供することを目的としている。

すなわち、請求項１に記載の発明は、固体電解質層の両面に燃料極層および空気極層を配して構成した発電セルにおいて、前記燃料極層は、厚さ方向に設けた複数の電極層で構成されており、且つ、その最表電極層が溝により六角形状を成す複数の電極パターンに区画されていることを特徴としている。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発電セルにおいて、前記電極パターンを区画する前記溝の側壁が前記下層電極層に対して２０〜７０°の傾斜角度を有することを特徴としている。
傾斜角度を２０〜７０°としたのは、傾斜角度が２０°未満では溝幅が広がり、電極面積が確保できないためであり、傾斜角度が７０°を越えると応力緩和の効果が減少し、電極剥離が生じ易くなるためである。

また、請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２の何れかに記載の発電セルにおいて、前記溝の表面部における溝幅を０．０１〜５．０ｍｍとしたことを特徴としている。
溝幅を０．０１〜５．０ｍｍとしたのは、溝幅が０．０１ｍｍ未満では、スクリーン印刷等による溝形成が困難になると共に、上述の電極パターン端部の傾斜角度２０〜７０°が確保できなくなるためであり、溝幅が５．０ｍｍを越えると、応力緩和による電極の耐剥離性は向上するものの、実質的な電極面積が減少し、発電性能が低下するためである。

また、請求項４に記載の発明は、請求項１から請求項３までの何れかに記載の発電セルを用いて成ることを特徴としている。

請求項１〜３に記載の発明によれば、燃料極層の区画形状（すなわち、電極パターン形状）を六角形としたので、この六角形の区画は、応力が集中し難い円形区画に近似しており、且つ、円形区画と相違し、電極パターン同士の最密配列が可能であるため、発電性能を維持する実質的な電極面積が確実に確保されるものである。加えて、燃料極層を複数の電極層で構成したので、溝部においても下層の電極層が燃料極として機能するため、溝を設けることによる発電性能の劣化がこの下層の電極層によって抑制されることになる。
よって、各電極パターンに加わる応力が効果的に緩和され、燃料極層の耐剥離性が向上すると共に、発電性能は十分確保されるため、長時間運転時の熱サイクルにおいても電極剥離を防止して安定した発電性能が維持されるようになる。

また、請求項２に記載の発明によれば、溝の側壁に２０〜７０°の傾斜角度を持たせることにより、各電極パターンに加わる応力をより効果的に緩和することができ、燃料極層の耐剥離性を更に向上できる。

また、請求項３に記載の発明によれば、表面部の溝幅を０．０１〜５．０ｍｍにすることにより、上述した溝による応力緩和効果を維持しつつ、発電性能を維持し得る実質的な電極面積を確保することができる。

また、請求項４に記載の発明によれば、上記構造の発電セルを用いることにより、長時間運転時の熱サイクルにおいて、安定した発電性能を維持できる固体酸化物形燃料電池を実現することができる。

以下、図１〜図３に基づいて本発明の実施形態を説明する。
図１は本実施形態による平板積層型の固体酸化物形燃料電池の構成を示し、図２は本実施形態による発電セルの内部構造を示し、図３は燃料極層の区画状態を示している。

先ず、図１に基づいて本発明が適用された固体酸化物形燃料電池の構成を説明する。
図１に示すように、固体酸化物形燃料電池は、固体電解質層２の両面に燃料極層４と空気極層３を配した発電セル５と、燃料極層４の外側に配した燃料極集電体７と、空気極層３の外側に配した空気極集電体６と各集電体６、７の外側のセパレータ８を順番に積層することにより構成されている。

固体電解質層２は、Ｃｏ添加ランタンガレート（ＬＳＧＭＣ）等で構成され、空気極層３はＳｍ_0.5Ｓｒ_0.5ＣｏＯ₃（ＳＳＣ）等で構成され、燃料極層４はＮｉとＣｅ_0.8Ｓｍ_0.2Ｏ₂（ＳＤＣ：サマリウム添加セリア）の混合物等で構成され、空気極集電体６はＡｇ等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成され、燃料極集電体７はＮｉ等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成され、セパレータ８はステンレス等で構成されている。
上記セパレータ８は、発電セル５間を電気的に接続すると共に、発電セル５に対して反応用ガスを供給する機能を有し、内部に燃料ガスを燃料極集電体７に誘導する燃料ガス通路（図示せず）と、酸化剤ガスを空気極集電体６に誘導する酸化剤ガス通路（図示せず）を有する。

ところで、上述の燃料極層４は、図２に示すように、固体電解質層２との界面に形成された厚さ約１μｍ程度の極薄い第１燃料極層４ａと、その上面に形成された厚さ約１μｍ程度の第２燃料極層４ｂと、さらにその上面に形成された厚さ約１０〜３０μｍ程度の第３燃料極層４ｃとによる３層にて構成されている（因みに、固体電解質層２の厚さは２００μｍ程度、空気極層３は２０μｍ程度である）と共に、例えば、第１燃料極層４ａにおいては、Ｎｉの混合比率を（０．１〜２９ｖｏｌ％）とし、第２燃料極層４ｂにおいては、Ｎｉの混合比率を（２０〜４０ｖｏｌ％）とし、第３燃料極層４ｃにおいては、Ｎｉの混合比率を（４０〜７０ｖｏｌ％）とすることにより、各燃料極層４ａ〜４ｃにおけるＮｉ−ＳＤＣの混合に積層方向の組成傾斜を持たせた構造としている。

そして、この燃料極層４の最表電極層となる第３燃料極層４ｃは溝１０によって複数の電極パターン２０に区画されている。

これら複数の電極パターン２０は、例えば、スクリーン印刷等の公知の方法により簡単に形成することができ、また、各電極パターン２０の大きさ（面積）や溝１０の幅寸法は印刷に使用するスクリーンパターンの穴サイズを変えることで自由に設定することが可能である。

本実施形態では、図２に示すように、この区画形状（すなわち、電極パターン２０の形状）が幅Ｄが約１ｍｍ程度の正六角形とされていると共に、上述した溝１０の表面部における溝幅Ｗが０．０１〜５ｍｍに設定され、且つ、電極パターン２０を区画する溝１０の側壁１０ａに２０〜７０°の傾斜角度θを持たせてある。尚、傾斜角度θとは、溝１０の側壁と下層電極層（第２燃料極層４ｂ）との当接角度を言う。

このように、本実施形態では、燃料極層４ｃの区画形状（すなわち、電極パターン２０の形状）を六角形としており、この六角形の区画は、応力が集中し難い円形区画に近似したものであり、この六角形状により、運転時の熱サイクルにおいて各電極パターン２０に加わる応力が効果的に緩和されると共に、円形区画と相違し、電極パターン２０同士の最密配列が可能であるため、発電性能を維持する実質的な電極面積を十分確保できるものである。

特に、本実施形態では、電極パターン２０を区画する溝１０の側壁１０ａに２０〜７０°の傾斜角度θを持たせているので、端壁１０ａが垂直に近い状態に形成される場合（傾斜角度が９０°）に比べて応力集中を効果的に緩和することができ、電極の耐剥離性をより一層向上させることができる。さらには、溝１０の表面部における溝幅Ｗを０．０１〜５．０ｍｍとしているので、区画による応力緩和効果を維持しつつ、発電反応に十分な実質的な電極面積も確保されている。

また、上述のように、燃料極層４を３層構造として最表電極層である第３燃料極層４ｃのみを区画するようにしたので、溝１０部においては、下層の第１、第２燃料極層４ａ、４ｂが燃料極として機能するため、この下層の第１、第２燃料極層４ａ、４ｂの存在によって溝１０を設けることによる性能劣化を抑制することができる。
尚、上述の電極剥離は、第１燃料極層４ａおよび第２燃料極層４ｂにおいても起こり得るものであるが、本実施形態の場合、第１燃料極層４ａ、第２燃料極層４ｂの厚みは１μｍと第３燃料極層４ｃの厚さ１０〜３０μｍに比べて極めて薄いため、この部分の応力は極めて小さいものであり、よって、燃料極層４としての耐剥離性に影響を与えるものではない。

このように、第３燃料燃料極層４ｃに加わる応力が効果的に緩和されて燃料極層４の耐剥離性が向上すると共に、発電性能も十分確保されることから、長時間運転時の熱サイクルによる電極剥離を防止して安定した発電性能が維持されるようになる。

加えて、第１燃料極層４ａのように、固体電解質層２との界面にＮｉ混合量を少なくした電極層を設けることで、運転時にＮｉが固体電解質層２へ拡散する現象が抑制され、これにより、電極の耐剥離性、発電性能を向上させることができ、区画による電極剥離防止効果がより一層効果的なものになる。
また、固体電解質層２の材料であるＬＳＧＭと燃料極層４の材料であるＳＤＣとは、密着性において相性が良いため、これらの組み合わせが電極剥離の防止に対して有利に作用する。

以上のように、上記構造の燃料極層４を用い発電セル５を構成することにより、長時間運転時の熱サイクルにおいて電極剥離を防止し、且つ、安定した発電性能を維持できる固体酸化物形燃料電池を実現することができる。
また、本実施形態では、燃料極層４の構造について述べたが、電極の区画構造は空気極層３についても勿論適用可能であり、これにより、空気極層３の耐剥離性を向上することができる。

本発明に係る平板型の固体酸化物形燃料電池の構成を示す分解斜視図。本発明に係る発電セルの内部構造を示す断面図。図２に示す第３燃料極層の区画状態を示す平面図。

符号の説明

１固体酸化物形燃料電池
２固体電解質層
３空気極層
４燃料極層
４ａ、４ｂ下層電極層（第１燃料極層、第２燃料極層）
４ｃ最表電極層（第３燃料極層）
５発電セル
１０溝
１０ａ側壁
２０電極パターン

Claims

固体電解質層の両面に燃料極層および空気極層を配して構成した発電セルにおいて、
前記燃料極層は、厚さ方向に設けた複数の電極層で構成されており、且つ、その最表電極層が溝により六角形状を成す複数の電極パターンに区画されていることを特徴とする発電セル。
前記電極パターンを区画する前記溝の側壁が前記下層電極層に対して２０〜７０°の傾斜角度を有することを特徴とする請求項１に記載の発電セル。
前記溝の表面部における溝幅を０．０１〜５．０ｍｍとしたことを特徴とする請求項１または請求項２の何れかに記載の発電セル。
請求項１から請求項３までの何れかに記載の発電セルを用いて成ることを特徴とする固体酸化物形燃料電池。