JP2008047380A - 単室型固体酸化物形燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】良好な耐久性を有する単室型固体酸化物形燃料電池を提供することを課題とする。
【解決手段】基板２と、基板２の上面２１に形成された燃料極５、燃料極５上に形成された電解質６、電解質６上に形成された空気極７、を有する少なくとも一つの単セル３と、を備え、各基板２には、少なくともその下面２２と各単セル３の燃料極５とを連通させる連通孔８が形成されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、単室型固体酸化物形燃料電池に関する。

燃料電池とは外部からの燃料供給と燃焼生成物の排気とを連続的に行いながら、燃料が酸化する際に発生する化学エネルギーを電気エネルギーに直接変換できる電池である。燃料電池の種類は電解質により分類され、電解質にイオン伝導性を持つ固体酸化物を用いたものを固体酸化物形燃料電池と呼んでいる。この固体酸化物形燃料電池としては、種々のものが提案されているが、例えば、特許文献１には、多孔質の支持管上に燃料極（アノード）を形成し、その燃料極の上に電解質を形成し、さらにその電解質の上に空気極（カソード）を形成した固体酸化物形燃料電池が開示されている。この燃料電池では、燃料極に燃料ガスを供給するために、支持管を多孔質としている。そして、この支持管の内側に燃料ガスを供給し、その燃料ガスが多孔質の支持管を通過して燃料極に供給されるように構成されている。
特開平１１−１１１３０９号公報

上述したように、上記燃料電池では燃料極に燃料ガスを供給するために支持管を多孔質にする必要がある。しかしながら、このように単セルを支持する支持基体を多孔質にすると、支持基体の強度が低下してしまうため、振動や熱サイクルなどに対して脆弱になるという問題がある。

そこで、本発明は、良好な耐久性を有する単室型固体酸化物形燃料電池を提供することを課題とする。

本発明に係る単室型固体酸化物形燃料電池は、上記課題を解決するためになされたものであり、基板と、前記基板の一方面に形成された燃料極及び空気極のいずれか一方の電極、前記一方の電極上に形成された電解質、前記電解質上に形成された他方の電極、を有する少なくとも一つの単セルと、を備え、前記基板には、少なくともその他方面と前記各単セルの一方の電極とを連通させる連通孔が形成されている。

このように、少なくとも基板の他方面と一方の電極とを連通させる連通孔が形成されているために、一方の電極が電解質に覆われていても、連通孔を介して混合ガスを一方の電極に供給することができる。すなわち、従来例のように、基板を多孔質とする必要が無くなるため、緻密質の基板を使用することが可能となる。緻密質の基板は、同じ厚さの多孔質の基板に比べて剛性が高いため、このような緻密質の基板を使用することで、単室型固体酸化物形燃料電池の耐久性を向上させることができる。

上記燃料電池は種々の構成をとることができるが、例えば基板の他方面から基板、一方の電極、電解質及び他方の電極を貫通し、他方の電極の上面に開口するように上記連通孔を形成することができる。このように、連通孔が基板、一方の電極、電解質及び他方の電極を貫通していることで、基板の他方面側に供給した混合ガスを基板の他方面側から連通孔を介して一方の電極に混合ガスを供給するのみではなく、基板の一方面側に供給した混合ガスも基板の一方面側から連通孔を介して一方の電極に供給することができる。

また、上記燃料電池は、特に連通孔が形成されているので基板の一方面に必ずしも電極が露出していなくてもよい。従って、例えば、上記電解質は、一方の電極を覆い、その周縁が基板の一方面と連結するように形成されていてもよい。このように、電解質が一方の電極全体を覆うことで、他方の電極を電解質上に形成する際の位置精度が低くても他方の電極が一方の電極と接触することがなく、短絡が生じることを確実に防止することができる。

また、上記燃料電池は、複数の単セルを備えていてもよい。このとき、単セル間はインターコネクタによって電気的に接続させる。このように単セルを複数形成してインターコネクタで電気的に接続させることで、より大きな電圧を取り出すことができる。

さらには、上記基板は、主にアルミナ、ジルコニアを含む材料で構成することができる。

本発明によれば、良好な耐久性を有する単室型固体酸化物形燃料電池を提供することができる。

以下、本発明に係る単室型固体酸化物形燃料電池の実施形態を添付図面に従って説明する。図１は本実施形態に係る単室型固体酸化物形燃料電池の平面図、図２は図１のＡ−Ａ線断面図である。なお、以下の説明では、図２の左側を「上流側」、及び右側を「下流側」と称し、これを基準に説明していく。

図１及び図２に示すように、本実施形態に係る単室型固体酸化物形燃料電池１は、緻密質の基板２と、基板２の上面（一方面）２１に形成された複数の単セル３とを備えている。各単セルは、図１に示すように、矩形状の基板２の上面に縦４列・横４列に配列されており、各単セル３はインターコネクタ４により直列に接続されている。

図２に示すように、各単セル３は、平面視矩形状の燃料極５，電解質６及び空気極７を備えている。これら燃料極５，電解質６及び空気極７は、基板２の上面２１側からこの順で積層されている。

電解質６は、基板２の上面２１に矩形状に形成された燃料極５上に形成されている。より詳細には、電解質６は、燃料極５上を下流側へ向かって燃料極５の端部まで延び、さらにそこから燃料極５の側面に沿って下方へ延びて基板２の上面２１と連結している。ここで、電解質６は、燃料極５上の上流側端部までは延びていないため、燃料極５は上流側端部近傍が露出した状態となっている。これは、後述するように、インターコネクタ４や集電体を連結させるためのものである。

空気極７は、電解質６の上面に沿うように形成されており、その下流側端部は、電解質６の側面に沿って基板２の上面２１上と連結している。

インターコネクタ４は、隣接する単セル３同士を電気的に接続する。例えば単セル３ｂと単セル３ｃとの接続について説明すると、インターコネクタ４は、単セル３ｂの空気極７と、単セル３ｃの燃料極５とを連結するように形成される。ここで、単セル３ｂは、空気極７が燃料極５の下流側端部を覆っているために、インターコネクタ４は単セル３ｂの燃料極５と連結することがない。このため、単セル３ｂと単セル３ｃの燃料極５同士が電気的に接続されることを防止することができる。

そして、各単セル３には連通孔８が形成されている。つまり、基板２の下面（他方面）２２から、基板２、燃料極５，電解質６及び空気極７を貫通して、空気極７の上面に開口する連通孔８が、各単セル３毎に各単セルの平面視中央付近に形成されている。

次に、上記燃料電池１を構成する材料について説明する。

基板２は、例えば、耐熱性の観点から、アルミナ、ジルコニア等の絶縁性材料からなる。ここで、緻密質の基板２とは、多孔質基板と異なり緻密であるために、ガス不透過性であり剛性が高い基板をいうものとする。また、基板２の厚さは、０．５〜５ｍｍとすることが好ましく、１〜３ｍｍとすることが好ましい。

電解質６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５及び空気極７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５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５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５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７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）ＣｏＯ３，（Ｌａ，Ｓｒ）ＭｎＯ３，（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｏＯ３，（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｆｅ，Ｃｏ）Ｏ３，（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ）Ｏ３などの酸化物が挙げられ、好ましくは、（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｆｅ，Ｃｏ）Ｏ３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４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５、及び空気極７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、電解質６も、上記燃料極５及び空気極７と同様に、上述した材料を主成分として、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成型されるが、上記主成分とバインダーとの混合において、上記主成分の割合が８０重量％以上となるように混合されることが好ましい。さらに、インターコネクタ４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。そして、空気極７及び燃料極５の膜厚は焼結後に５〜１００μmとなるように形成するが、１０〜５０μmとすることが好ましい。また、インターコネクタ４の膜厚は、５〜５００μｍであることが好ましく、１０〜１００μｍであることがさらに好ましい。さらには、電解質６の膜厚は、１〜２００μｍであることが好ましく、５〜１００μｍであることがさらに好ましい。

次に、上述した燃料電池１の製造方法について図３を参照しつつ説明する。図３は、燃料電池１の製造方法の一例を示す説明図である。

まず、緻密質の基板２を準備する。ここで、緻密質の基板２の形成には、湿式成形法を用いることができる。湿式成形法について説明すると、通常、まず上述したアルミナ、ジルコニア等の基板原料を有機系バインダ−、溶剤に分散させ、シート成形を行う。その後、４５０℃以下で脱脂を行い、１０００℃以下で仮焼した後、１０００℃以上で本焼結を行う。

次に、上述した電解質６、燃料極５及び空気極７用の粉末材料を主成分として、これらそれぞれにバインダー樹脂、有機溶媒などを適量加えて混練し、電解質ペースト、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１０^３〜１０^６ｍＰａ・ｓ程度であることが好ましい。同様に、インターコネクタ用ペーストも、上述した粉末材料にバインダ−樹脂等の添加物を加えて作製しておく。このペーストの粘度は上述したものと同じである。

次に、燃料極ペーストをスクリーン印刷法により基板２の上面２１上の複数箇所に所定間隔をおいて塗布した後、所定の時間及び温度で乾燥・焼結し、燃料極５をそれぞれ形成する（図３（ａ））。

続いて、各燃料極５上に、電解質ペーストをスクリーン印刷により塗布する。ここで、電解質ペーストを塗布する際は、燃料極５の下流側端部まで塗布し、さらに続けて基板２の上面２１と連結するように塗布する。なお、燃料極５の上流側端部近傍には、電解質ペーストを塗布していない。このように電解質ペーストを塗布した後、所定の時間及び温度で乾燥・焼結することにより電解質６を形成する（図３（ｂ））。なお、電解質６は、種々の方法で形成することができるが、燃料極５および空気極７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。

これに続いて、空気極ペーストを、電解質６上にスクリーン印刷法により塗布した後、所定の時間及び温度で乾燥・焼結し、空気極７をそれぞれ形成する（図３（ｃ））。なお、空気極ペーストも下流側端部において基板の上面２１と連結するように塗布されている。以上の工程により単セル３が完成する。

次に、隣接する単セル間において、上流側における単セル３の空気極７と下流側における単セル３の燃料極５とを連結するように、インターコネクタ用ペーストをスクリーン印刷法により塗布した後、所定の時間及び温度で乾燥・焼結することにより、インターコネクタ４を成形する（図３（ｄ））。

続いて、基板２の下面２２から各単セル３の燃料極５，電解質６及び空気極７を貫通し、空気極７の上面に開口する連通孔８をレーザ加工や切削加工等により形成する（図３（ｅ））。

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と空気等の酸化剤ガスとの混合ガスを高温の状態（例えば、４００〜１０００℃）で供給する。このとき混合ガスは、基板２の上面２１及び下面２２の両側に供給される。上面２１側の混合ガスは、各電解質６上に形成された空気極７に供給される一方で、各連通孔８内に進入してその連通孔８から燃料極５にも供給される。また、下面側２２の混合ガスは、各連通孔８内に進入して燃料極５に供給され、また、連通孔８を上面２１側へ通過した混合ガスは、各空気極７に供給される。こうして、各単セル３の燃料極５及び空気極７がそれぞれ混合ガスと接触するため、各単セル３における燃料極５と空気極７との間で、電解質６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、基板２の下面２２から空気極７の上面に開口する連通孔８が形成されているために、その連通孔８を介して混合ガスを燃料極５に供給することができる。すなわち、燃料極５に混合ガスを供給するのに基板２を多孔質とする必要が無くなるため、上記のように緻密な基板を使用することが可能となる。緻密質の基板２は、多孔質の基板に比べて剛性が高いため、このような緻密質の基板を使用することで、単室型固体酸化物形燃料電池１の耐久性を大きく向上させることができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明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、単セルは種々の構成にすることができるが、図４に示すように、電解質６が基板２の上面２１に形成された電極の全面を覆い、電解質６の周縁が基板２の上面２１と連結するように形成することができる。このような構成にすることができるのは、連通孔８が形成されていることで、露出していない一方の電極に混合ガスを供給することができるためである。このように、電解質６が基板２の上面２１に形成された電極全体を覆うことで、もう一方の電極を電解質６上に形成する際の位置精度が低くても電極同士が接触することがなく、短絡が生じることを確実に防止することができる。

さらには、連通孔８は、上記実施形態のように単セル３全体を貫通していなくてもよい。つまり、図５に示すように、少なくとも基板２を貫通し、基板２上の燃料極５と、基板２の下面２２とが連通するように連通孔８が構成されていれば、基板２が多孔質でなく緻密質であっても、基板２の下面２２側から連通孔８を介して燃料極５に混合ガスを供給することができる。

また、上記実施形態では、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、ドクターブレード法、スプレーコート法、スピンコート法、リソグラフィー法、電気泳動法、ディスペンサーコート法、ＣＶＤ，ＥＶＤ，スパッタリング法、転写法等の印刷方法等、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、ＣＩＰ（静水圧プレス）、ＨＩＰ（熱間静水圧プレス）、ホットプレス、その他の一般的なプレス工程を用いることができる。

また、上記実施形態では、緻密質の基板２の成形法として、湿式成形法を用いているが、これに限定されるものではなく、例えば乾式成形法や可塑成形法を用いることも可能である。

また、上記実施形態では、基板２の上面２１のみに各単セル３を形成しているが、図６に示すように、基板２の下面２２にも各単セル３を形成することができる。これにより、省スペースを図りつつ、より大きな電圧、電流を取り出すことが可能となる。

また、上記実施形態では、混合ガスを、基板２の上面２１及び下面２２の両側に供給しているが、上面２１側、あるいは下面２２側のみから混合ガスを供給してもよい。

本発明に係る固体酸化物形燃料電池の実施形態を示す平面図である。 図１のＡ−Ａ線断面図である。 本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池の製造方法を示す説明図である。 本発明に係る固体酸化物形燃料電池の他の実施形態を示す正面断面図である。 本発明に係る固体酸化物形燃料電池の他の実施形態を示す正面断面図である。 本発明に係る固体酸化物形燃料電池の他の実施形態を示す正面断面図である。

符号の説明

１ 固体酸化物形燃料電池
２ 基板
２１ 上面
２２ 下面
３ 単セル
４ インターコネクタ
５ 燃料極
６ 電解質
７ 空気極
８ 連通孔

Claims (5)

1. 基板と、
   前記基板の一方面に形成された燃料極及び空気極のいずれか一方の電極、前記一方の電極上に形成された電解質、前記電解質上に形成された他方の電極、を有する少なくとも一つの単セルと、を備え、
   前記基板には、少なくともその他方面と前記各単セルの一方の電極とを連通させる連通孔が形成されている、単室型固体酸化物形燃料電池。
2. 前記各連通孔は、前記基板の他方面から前記基板、一方の電極、電解質及び他方の電極を貫通し、前記他方の電極の上面に開口するよう形成されている、請求項１に記載の単室型固体酸化物形燃料電池。
3. 前記電解質は、前記一方の電極を覆い、その周縁が前記基板の一方面と連結する、請求項１又は２に記載の単室型固体酸化物形燃料電池。
4. 前記単セルを複数備え、
   前記単セル間を電気的に接続するインターコネクタをさらに備えた、請求項１から３のいずれかに記載の単室型固体酸化物形燃料電池。
5. 前記基板は、主にアルミナ、ジルコニアを含む材料である、請求項１から４のいずれかに記載の単室型固体酸化物形燃料電池。