JP2008059869A - 単室型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】複数の単セルを簡単に接続することが可能な単室型固体酸化物形燃料電池及びそのスタック構造を提供する。
【解決手段】本発明に係る単室型固体酸化物形燃料電池は、導電性の多孔質体１と、多孔質体１の一端部に、少なくともその端面を覆うように燃料極２１、電解質２２、及び空気極２３がこの順で形成されてなる第１の単セル２と、多孔質体１の他端部に、少なくともその端面を覆うように空気極３１、電解質３２、及び燃料極３３がこの順で形成されてなる第２の単セルと、を備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料ガス及び酸化剤ガスの混合ガスにより動作する単室型固体酸化物形燃料電池及びそのスタック構造に関するものである。

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、多孔質の支持基体上に燃料極（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。
特開平１１−１１１３０９号公報

ところで、上記燃料電池では、基板上に複数の単セルを形成することで、出力の向上を図っているが、電極形成時の位置決めに精度が要求されるなど種々の問題がある。そのため、複数の単セルを簡単に接続できるような電池構造が要望されていた。

そこで、本発明は、複数の単セルを簡単に接続することが可能な単室型固体酸化物形燃料電池及びそのスタック構造を提供することを目的とする。

本発明に係る単室型固体酸化物形燃料電池は、上記問題を解決するためになされたものであり、導電性の多孔質体と、前記多孔質体の一端部に、少なくともその端面を覆うように燃料極（アノード）、電解質、及び空気極（カソード）がこの順で形成されてなる第１の単セルと、前記多孔質体の他端部に、少なくともその端面を覆うように空気極（カソード）、電解質、及び燃料極（アノード）がこの順で形成されてなる第２の単セルと、を備えている。

この構成によれば、導電性を有する多孔質体の両端部にそれぞれ単セルが形成されており、各単セルは、最外層で外部に露出する電極が互いに異なるように構成されている。そのため、このような電池を複数準備すれば、例えば、インターコネクターを介して端部同士を接続するだけでスタック化が可能であり、所望の出力を簡単に得ることができる。なお、最内層である電極は電解質に覆われているが、多孔質体上に形成されているため、この多孔質体を介してガスとの接触が可能であり、単室型の固体酸化物形燃料電池として機能する。

本発明に用いる多孔質体は、例えば、棒状に形成され、その両端部に第１及び第２の単セルを設けることができる。但し、両端部に単セルを形成しつつ、両単セルの間で多孔質体が露出するのであれば、その形状は特には限定されず、上記のような棒状のほか、円筒状、板状等、種々の形状にすることができる。

上記燃料電池の第１の単セルにおいては、電解質を、燃料極を覆いつつ多孔質体に接続し、電解質と多孔質体との間に燃料極を収容することが好ましい。同様に、第２の単セルにおいても、電解質を、空気極を覆いつつ多孔質体に接続し、電解質と多孔質体との間に空気極を収容することが好ましい。この構成によれば、電解質と多孔質体とが接続され、その間に電極を収容するようにしているため、電解質の上に形成する電極の位置精度が低くても、電解質を挟む両電極が接触するのを防止することができる。その結果、電池の短絡が生じることを確実に防止することができる。

また、本発明に係る単室型固体酸化物形燃料電池のスタック構造は、上記問題を解決するためになされたものであり、複数の上述した燃料電池と、前記複数の燃料電池を電気的に接続する複数のインターコネクターと、を備え、前記複数の燃料電池は、互いに異なる電極が形成された前記多孔質体の端面同士が対向するように配置され、当該端面同士が前記インターコネクターを介して接続されている。

本発明に係る単室型固体酸化物形燃料電池によれば、複数の単セルを簡単に接続することができる。

以下、本発明に係る単室型固体酸化物形燃料電池の一実施形態について添付図面にしたがって説明する。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断面図である。

図１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は、円筒型の棒状多孔質体１と、その両端部に設けられた一対の単セル、つまり第１及び第２の単セル２，３とを備えている。多孔質体１は、導電性を有しており、その両端部に設けられた各単セル２，３は、多孔質体１の端面を覆うように、断面コ字状に形成されている。図１の左側に配置された第１の単セル２は、多孔質体１上に燃料極２１、電解質２２、及び空気極２３がこの順で形成されたものである。一方、右側の第２の単セル３は、多孔質体１上に空気極３１、電解質３２、及び燃料極３３がこの順で形成されたものである。なお、多孔質体１において、両単セル２，３の間の部分は外部に露出している。

図２は、上記燃料電池を複数個接続した場合の側面図である。同図に示すように、４個の上記燃料電池を、異極の端部同士が対向するように配置し、これらをインターコネクター４を介して接続している。多孔質体１は導電性を有しているため、このように接続すると、複数の単セルが電気的に直列に接続される。

次に、上記燃料電池を構成する材料について説明する。多孔質体１は、ガス透過性及びその強度を考慮すると、その気孔率が３０〜７０％の範囲にあることが好ましい。このような要求を満たすため、多孔質体１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。

電解質２２，３２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２１，３３及び空気極２３，３１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２１，３３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２１，３３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２１，３３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２３，３１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。

また、インターコネクター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２１、３３、及び空気極２３，３１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２２，３２も、上記燃料極２１、３３及び空気極２３，３１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、インターコネクター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、燃料極２１、３３及び空気極２３，３１の膜厚は５〜１００μmとなるように形成するが、２０〜５０μmとすることが好ましい。また、電解質２２，３２の膜厚は、１〜１００μｍであることが好ましく、５〜５０μｍであることがさらに好ましい。

次に、上述した燃料電池の製造方法について参照しつつ説明する。まず、上述した材料からなる導電性を有する多孔質体１を準備する。続いて、上述した電解質２２，３２、燃料極２１，３３、及び空気極２３，３１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、１０^３〜１０^６ｍＰａ・ｓ程度であることが好ましい。

次に、燃料極ペーストを、多孔質体１の左側の端部に、端面を覆うように塗布した後、所定時間、所定温度にて乾燥・焼結し、燃料極２１を形成する。続いて、電解質ペーストを燃料極２１上に塗布し、乾燥・焼結して電解質２２を形成する。その後、電解質２２上に空気極ペーストを塗布し、乾燥・焼結して空気極２３を形成する。これにより、第１の単セル２が完成する。同様にして、空気極、電解質、及び燃料極をこの順で形成し、多孔質体１の右側の端部に第２の単セル３を形成する。なお、電解質２２，３２、燃料極２１，３３及び空気極２３，３１は、種々の方法で形成することができる。例えば、溶射法、スクリーン印刷法、転写法、リソグラフィー法、電気泳動法、ドクターブレード法、ディスペンサーコート法、ＣＶＤ，ＥＶＤ，スプレーコート法、ディップコート法、スパッタリングや、或いは、いわゆるグリーン体を用いた方法で形成することができる。但し、燃料極２１，３３および空気極２３，３１を多孔質として形成するには、電解質２２，３２をこれらよりも低温で焼結することが好ましく、例えば溶射法等による低温焼成手法で形成することができる。

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、電池の外部から第１の単セル２の空気極２３及び第２の単セル３の燃料極３３に接触する。一方、混合ガスは、多孔質体１の露出部分からその内部に進入し、第１の単セル２の燃料極２１及び第２の単セル３の空気極３１に接触する。こうして、各単セル３，４の燃料極及び空気極がそれぞれ混合ガスと接触するため、各単セル３，４における燃料極と空気極との間で、電解質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、多孔質体１の両端部にそれぞれ単セル２，３が形成されており、各単セル２，３は、最外層で外部に露出する電極が互いに異なるように構成されている。そのため、このような電池を複数準備すれば、図２に示すように、インターコネクター４を介して端部同士を接続するだけでスタック化が可能であり、所望の出力を簡単に得ることができる。

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、上記実施形態では、各単セルにおいて、燃料極、空気極及び電解質の端部を揃えるようにしているが、燃料極と空気極とが接触しないように、例えば、図３に示すようにすることができる。つまり、最内層の電極を多孔質体１の軸方向の中央側に延ばし、その上の電解質及び電極の軸方向の長さを順に短くする。これによって各単セル２，３の電極同士が接触しにくくなり、電極形成時の位置決めが容易になる。或いは、次のようにすることもできる。すなわち、図４に示すように、第１の単セル２において、電解質２２を多孔質体１の軸方向の中心側まで延ばして多孔質体１と接触させ、これによって電解質２２と多孔質体１との間に燃料極２１が収容されるようにする。同様に、第２の単セル３において、電解質３２を軸方向に延ばして多孔質体１に接触させ、電解質３２と多孔質体１との間に空気極３１が収容されるようにする。これにより、最外層の電極を形成する際に、最内層の電極との接触が防止される。したがって、電極形成時に電極同士の短絡が生じるのを確実に防止することができる。

また、図２に示すように、予め各電池をインターコネクターで接続しなくても、電池を装着する装置にインターコネクターのような導電性の接続部材を所定間隔をおいて複数設けておき、その間に上記電池を装着するように構成することもできる。

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示す断面図である。 図１の燃料電池を複数個接続したときの側面図である。 図１に示す単室型固体酸化物形燃料電池の他の実施形態を示す断面図である。 図１に示す単室型固体酸化物形燃料電池の他の実施形態を示す断面図である。

符号の説明

１ 多孔質体
２ 第１の単セル
２１ 燃料極
２２ 電解質
２３ 空気極
３ 第２の単セル
３１ 空気極
３２ 電解質
３３ 燃料極
４ インターコネクター

Claims (4)

1. 導電性の多孔質体と、
   前記多孔質体の一端部に、少なくともその端面を覆うように燃料極、電解質、及び空気極がこの順で形成されてなる第１の単セルと、
   前記多孔質体の他端部に、少なくともその端面を覆うように空気極、電解質、及び燃料極がこの順で形成されてなる第２の単セルと、
   を備えている、単室型固体酸化物形燃料電池。
2. 前記多孔質体は棒状に形成され、その両端部に前記第１及び第２の単セルが設けられている、請求項１に記載の単室型固体酸化物形燃料電池。
3. 前記第１の単セルにおいて、前記電解質は、前記燃料極を覆いつつ前記多孔質体に接続され、前記電解質と多孔質体との間に前記燃料極が収容されており、
   前記第２の単セルにおいて、前記電解質は、前記空気極を覆いつつ前記多孔質体に接続され、前記電解質と多孔質体との間に前記空気極が収容されている、請求項１または２に記載の単室型固体酸化物形燃料電池。
4. 複数の請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池と、
   前記複数の燃料電池を電気的に接続する複数のインターコネクターと、を備え、
   前記複数の燃料電池は、互いに異なる電極が形成された前記多孔質体の端面同士が対向するように配置され、当該端面同士が前記インターコネクターを介して接続されている、単室型固体酸化物形燃料電池のスタック構造。