JP2007323955A - 固体酸化物形燃料電池、及びそのスタック構造 - Google Patents

Abstract

【課題】高い機械的特性を有しつつ、構造が簡単な固体酸化物形燃料電池を提供する。
【解決手段】本発明に係る固体酸化物形燃料電池は、多孔質の基板２と、基板２上に配置された燃料極４１と、この燃料極４１上に配置された電解質４２と、電解質４２上に配置された空気極４３と、基板２を支持する非多孔質性のセパレータ１と、を備え、電解質４２の周縁がセパレータ１に接合されることで、電解質４２とセパレータ１との間に収容された燃料極４１が空気極４３から気密に隔離され、セパレータ１が、基板２を外部と連通させるように構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料ガス及び酸化剤ガスにより発電を行う固体酸化物形燃料電池、及びそのスタック構造に関する。

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、円筒型などが提案されている。しかし、現状のセルデザインには問題がある。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を薄膜化することによる内部抵抗の低減が必要となるが、電解質が薄すぎると振動や熱サイクルなどに対して脆弱化してしまい、耐振性や耐久性が低下するという問題である。そこで、基板上に単セルを配置することで、機械的特性を向上する電池も提案されている。例えば、特許文献１に記載の電池では、多孔質領域と、その周縁に配置された非多孔質領域とからなる基板上に、空気極、電解質、及び燃料極をこの順で積層し、さらにこの基板をフェライトステンレス鋼バイポーラプレートで支持している。
特開２００４−５１２６５１号公報

ところで、上記燃料電池は、空気極に供給する酸化剤ガスが燃料ガスと混合しないように、燃料極は基板と電解質との間に挟まれている。そして、燃料ガスが漏れないように、電解質は、基板の非多孔質領域と接合し、さらにこの非多孔質領域がバイポーラプレートと気密に接続されている。したがって、電池の構成がセルを含む基板と、バイポーラプレートの２部材からなるとともに、シール部が必要になるという問題があった。

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、高い機械的特性を有しつつ、構造が簡単な固体酸化物形燃料電池を提供することを目的とする。

本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、多孔質の基板と、前記基板上に配置された燃料極（アノード）または空気極（カソード）のいずれか一方の電極と、前記一方の電極上に配置された電解質と、前記電解質上に配置された他方の電極と、前記基板を支持する非多孔質性のセパレータと、を備え、前記電解質の周縁が前記セパレータに接合されることで、前記電解質とセパレータとの間に収容された前記一方の電極が前記他方の電極から気密に隔離され、前記セパレータは、前記基板を外部と連通させるように構成されている。

この構成によれば、電解質の周縁がセパレータと接合することで、両電極が電解質によって隔離されるため、簡易な構造で、二室化を図ることができる。また、電極及び電解質からなる単セルは、基板及びセパレータによって支持されているため、機械的特性を高めることができる。なお、電解質の両端とセパレータとは、直接的に接合することもできるし、ガラスシール等の絶縁部材を介して間接的に接合することもでき、要するに両者の間に他方の電極とは隔離された空間が形成できればよい。

ここで、電解質の周縁と基板とを接合し、電解質と基板との間に一方の電極を収容するように構成すると、一方の電極と他方の電極とをさらに確実に隔離することができる。

基板は、多孔質性を有しているため、これにガスを供給すれば、一方の電極にガスを供給することかできるが、基板とセパレータとが接触する面において、当該基板及びセパレータの少なくとも一方に、ガスが流通する溝を形成すると、電極に接触するガスの流量を増大することができ、出力を向上することができる。

上記一方の電極が燃料極である場合、基板が水素分離機能を有していると、供給された炭化水素系のガスから水素を分離することができる。これにより、燃料極に必要な水素を直接的に供給することができるため、ガスの供給効率を向上することができる。また、発電性能が向上し、燃料極上でのカーボン析出が減少でき、セルの耐久性を向上することができる。

上記燃料電池における基板は、導電性を有する金属、または金属酸化物を有する材料から構成されることが好ましい。

上述した電池をスタックする場合には、次のように構成することができる。すなわち、本発明に係る電池のスタック構造は、上述した燃料電池を複数個有し、隣接する二個の前記燃料電池は、一方の燃料電池のセパレータと他方の燃料電池の他方の電極とが対向するように積層されるとともに、両燃料電池の間に、前記他方の燃料電池の電極、電解質及び基板が気密に収容され、前記一方の燃料電池のセパレータは、他方の燃料電池の他方の電極が外部と連通するように構成されている。

本発明に係る固体酸化物形燃料電池及びこれを用いたスタック構造によれば、高い機械的特性を有しつつ、構造を簡単にすることができる。

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固体酸化物形燃料電池の断面図、図２は図１のＡ−Ａ線断面図である。なお、以下では、図２の上下方向を「前後方向」、左右方向を「幅方向」と称することとし、これに基づいて他の図面も説明する。

図１に示すように、本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池は、上面に凹部１１が形成された非多孔質性のセパレータ１を備え、この凹部１１内に多孔性の基板２が配置されている。図２に示すように、凹部１１は、基板２が配置される平面視矩形状の収容部１１１と、その収容部１１１から前後に延長する平行四辺形状の延長部１１２ａ，ｂとで構成されている。延長部１１２ａ，ｂは、基板２の前端及び後端とほぼ同じ幅を有しており、後側の延長部１１２ａの左側端部には凹部１１内にガスを供給する供給口１２が形成される一方、前側の延長部１１２ｂの右側端部には凹部１１内のガスが排出される排出口１３が形成されている。また、収容部１１の底面には、延長部１１２ａ，ｂとほぼ同じ深さで前後方向に延びる複数の溝１４が形成されており、供給口１２から流入したガスは、溝１４を介して後側の延長部１１１ａから前側の延長部１１１ｂへ流れ、排出口１３から排出される。この過程において、溝１４を通過中のガスは基板２に接触する。

基板２は、幅方向の両側に塗布されたガラスシール３によって凹部１１内に固定されている。そして、この基板２上には単セル４が配置されている。単セル４は、基板２上に配置される薄膜状の燃料極４１、電解質４２、及び空気極４３がこの順で積層されることで構成されている。単セル４の周縁は、燃料極４１の周縁を覆うように下方へと延び、基板２及びセパレータ１と接合されている。これにより、電解質４２とセパレータ１との間には基板２と燃料極４１とが収容されるとともに、電解質４２と基板２との間に燃料極４１が収容される。これにより、燃料極４１と空気極４３とが隔離される。

次に、上記燃料電池を構成する材料について説明する。電解質４２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４１及び空気極４３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４１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１２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４１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４３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。

上記電解質４２、燃料極４１、及び空気極４３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。

燃料極４１、空気極４３の形成方法としては、例えば印刷法を用いることができ、具体的には、スクリーン印刷法やナイフコ−ト法、ドクターブレード法、スプレーコート等の印刷方法を用いることができる。これ以外にも、シート上に塗布しておき（いわゆるグリーン体）、これらを転写することによって電極を形成することもできる。また、電解質４２は、種々の方法で形成することができるが、燃料極４１および空気極４２を多孔体として形成するには、これらよりも低温で焼結することが好ましく、例えば真空法、溶射法等による低温焼成手法で形成することができる。

基板２は、電子伝導性を有するが、イオン伝導性が無視できる程度に小さいことが好ましい。また、熱力学的に安定な材料で構成されていることが好ましい。導電率については、燃料電池の運転温度において、１０^−２Ｓ・ｃｍ^−１以上であることが好ましい。これにより、基板２は集電層としての役割を果たす。このような要求を満たすため、基板は次のように構成することができる。

基板２の気孔率は、ガス透過性及びその強度を考慮すると、１０〜８０％の範囲にあることが好ましい。また、後述するように、基板２の前後方向の端面からガスを流入させる必要があるため、ある程度の厚みが必要となる。このような要求を満たすため、基板２を構成する材料は、Ｐｔ，Ａｕ，Ａｇ，Ｎｉ，Ｔｉ，Ｃｕ，Ｆｅ，Ｃｒ等の導電性金属、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。

セパレータ１は、導電性材料が用いられ、例えば、ステンレス系の金属材料や、ランタンクロマイト系の金属セラミックス材料を使用することができる。

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、電池に対して水素、又はメタン、エタンなどの炭化水素からなる燃料ガスをセパレータ１の供給口１２から供給する。この燃料ガスは、供給口１２から凹部１１の延長部１１２ａへ流入し、溝１４を経て延長部１１２ｂに入った後、排出口１３からセパレータ１の外部へ排出される。そして、溝１４を通過中の燃料ガスは多孔質体である基板２を通って燃料極４１に供給される。一方、空気等の酸化剤ガスは、電解質４２の上面側から空気極４３へ供給される。これらのガスは、高温の状態（例えば、４００〜１０００℃）で供給される。こうして、燃料極４１及び空気極４３がそれぞれ水素ガス及び酸化剤ガスと接触するため、各単セル４における燃料極４１と空気極４３との間で、電解質４１を介した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４２の周縁がセパレータ１と接合することで、その間に収容されている燃料極４１と、空気極４３とは隔離された状態になるため、簡易な構造で、二室化を図ることができる。また、電極４１，４３及び電解質４２からなる単セル４は、基板２及びセパレータ１によって支持されているため、機械的特性を高めることができる。

ここで、基板２を、例えば、Ｒｏ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ｒｕ等の金属で構成すると、水素分離機能を付与することができる。これにより、例えば、炭化水素系のガスがこの基板２に接触または通過すると、水素のみが分離される。そのため、燃料極４１に水素を直接的に供給することができ、ガスの供給効率を向上することができる。また、発電性能が向上し、燃料極４１でのカーボン析出が低減でき、セルの耐久性が向上する。

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、電解質４２の両側とセパレータ１とは、図１に示すように、直接的に接合することもできるし、図３に示すように、ガラスシール等の絶縁部材７を介して間接的に接合することもできる。

また、上記実施形態では、セパレータ１の凹部１１に溝１４を形成し、これにガスが供給されるようにしているが、図４に示すように、基板２側に溝２１を形成することもできる。但し、基板２は、多孔質性を有しているため、これにガスを供給すれば、燃料極４１にガスを供給することができるため、延長部１１２から基板２にガスが供給できるのであれば、溝は必ずしも必要ではない。但し、溝２１を形成することにより、燃料極４１に接触するガスの流量を増大することができ、出力を向上することができる。
また、上記実施形態のように、セパレータ１に収容部１１１と延長部１１２とからなる凹部１１を形成し、これに供給口１２からガスを供給する以外にも、セパレータ１が、基板２にガスを供給できるような構成であれば特には限定されない。

また、上記燃料電池をスタック化する場合には、例えば、図５のように構成すればよい。図５は、スタック化した燃料電池の断面図である。同図に示すように、このスタック構造では、各燃料電池Ｆのセパレータ１の下面に前後方向に延びる溝１７を形成しておく。そして、隣接する燃料電池においては、一方の電池Ｆのセパレータ１の下面と、他方の電池Ｆのセル４とが対向するようにし、セル４の周囲に絶縁性のシール８を配置することで、隣接する燃料電池のセパレータ同士を接続する。このように絶縁性のシール８を設けることで、セル４が隣接するセパレータ１内に気密に保持される。そして、各セル４の空気極４３には、セパレータ１の下面に形成された溝１７を介してガスを供給する。以上の構成により、複数の燃料電池を簡単にスタック化することができ、これらが電気的に直列に接続される。なお、セパレータ下面の溝にガスを供給する構成は、特には限定されず、図２に示したように、セパレータの下面に延長部と収容部からなる凹部を形成することもできる。

本発明の一実施形態に係る固体酸化物形燃料電池の断面図である 図１のＡ−Ａ線断面図である。 図１の燃料電池の他の例を示す断面図である。 図１の燃料電池のさらに他の例を示す断面図である。 図１の燃料電池をスタック化した状態を示す断面図である。

符号の説明

１ セパレータ
２ 基板
４ 単セル
４１ 燃料極
４２ 電解質
４３ 空気極
８ シール部材（絶縁部材）

Claims (5)

1. 多孔質の基板と、
   前記基板上に配置された燃料極または空気極のいずれか一方の電極と、
   前記一方の電極上に配置された電解質と、
   前記電解質上に配置された他方の電極と、
   前記基板を支持する非多孔質性のセパレータと、を備え、
   前記電解質の周縁が前記セパレータに接合されることで、前記電解質とセパレータとの間に収容された前記一方の電極が前記他方の電極から気密に隔離され、
   前記セパレータは、前記基板を外部と連通させるように構成されている、固体酸化物形燃料電池。
2. 前記基板とセパレータとが接触する面において、当該基板及びセパレータの少なくとも一方に、ガスが流通する溝が形成されている、請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池。
3. 前記一方の電極は燃料極であり、前記基板は水素分離機能を有している、請求項１または２に記載の固体酸化物形燃料電池。
4. 前記基板が、導電性を有する金属または金属酸化物を有する材料からなる、請求項１から３のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池。
5. 請求項１から４いずれかに記載の燃料電池を複数個有し、
   隣接する二個の前記燃料電池は、一方の燃料電池のセパレータと他方の燃料電池の他方の電極とが対向するように積層されるとともに、
   両燃料電池の間に、前記他方の燃料電池の電極、電解質及び基板が気密に収容され、
   前記一方の燃料電池のセパレータは、他方の燃料電池の他方の電極が外部と連通するように構成されている、固体酸化物形燃料電池のスタック構造。