JP2008060001A - 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】複数の単セルを有していても小型化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、導電性の多孔質基板１と、多孔質基板１の一方面に燃料極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、多孔質基板１の他方面に、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３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。

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、基板の面方向に沿ってと単セルを配置しているため、単セルの数だけ面方向に電池面積が大きくなり、電池が大型化するという問題がある。

そこで、本発明は、複数の単セルを有していても小型化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、燃料極及び空気極と、これらの間に配置された電解質とを有し、積層するように配置された複数の単セルと、隣接する前記単セルの間に介挿された少なくとも一つの導電性の多孔質基板と、を備え、前記多孔質基板を挟んで隣接する単セルにおいては、当該多孔質基板を挟んで異極同士が対向配置されている。

この構成によれば、燃料極、電解質及び空気極からなる複数の単セル間に、導電性の多孔質基板がそれぞれ介挿されており、この多孔質基板によって複数の単セルが電気的に直列に接続されている。そのため、一個の単セルの面積で複数個分の出力を得ることができ、電池のコンパクト化を図ることができる。なお、各単セルにおいて、多孔質基板に接触する電極は電解質に覆われているが、多孔質基板上に形成されているため、この多孔質基板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。

電池の構成は、種々の構成をとることができるが、例えば、一つの多孔質基板と、この多孔質基板の一方面及び他方面にそれぞれ配置された一対の単セルとで構成することができる。より詳細には、多孔質基板の一方面に燃料極、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、多孔質基板の他方面に、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、からなる２個の単セルで構成することができる。この構成により、一個の単セルの面積で二個分の出力を得ることができる。
上記電池における各単セルの燃料極、電解質、及び空気極は、印刷によって形成されていることが好ましい。これにより、電池を薄型化することができ、さらなるコンパクト化が可能となる。特に、電解質を薄く形成できるため、高い出力を期待することができる。また、板状やシート状の電極及び電解質を多孔質基板上に貼り付けるのに比べ、はがれを防止することかできるため、電池の信頼性を向上することができる。

上記燃料電池のスタック化は、種々の方法があるが、例えば、次のように構成することができる。すなわち、本発明に係る単室型固体酸化物形燃料電池のスタック構造は、一対の絶縁性の多孔質体と、前記一対の多孔質体の間に配置される複数の上記単室型固体酸化物形燃料電池と、前記各多孔質体において互いに対向する面上に配置され、複数の前記燃料電池を直列に電気的に接続する複数のインターコネクターと、を備え、前記各インターコネクターは、同一の前記多孔質体に対向する電極が異極同士となるように配置された一対の前記燃料地電池における前記異極同士を接続する。

この構成によれば、複数の電池を配置しても、少なくともその２倍の単セル分の出力を得ることができ、スタック構造のコンパクト化を図ることができる。また、一対の多孔質体の間に複数の上記燃料電池が配置されているため、多孔質体を介して、その間に配置されている電池にガスを供給することができ、単室型の固体酸化物形燃料電池として機能する。

本発明に係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よれば、複数の単セルを有していても小型化することが可能になる。

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、導電性の多孔質基板１と、その両面にそれぞれ配置されている第１及び第２の単セル２，３とを備えている。図１の上側に配置された第１の単セル２は、多孔質基板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、下側の第２の単セル３は、多孔質基板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。第１及び第２の単セル２，３における燃料極、電解質、及び空気極はほぼ同じ大きさにされている。また、多孔質基板１は、その両面に配置された電極にガスを供給する必要があるため、ガスが拡散する程度の厚さは必要であり、例えば、０．１〜１ｍｍにすることができる。この電池では、多孔質基板１が導電性を有していることから、第１及び第２の単セル２、３が直列に接続されていることになる。

図２は、上記燃料電池を複数個、直列接続したスタック構造の側面図である。同図に示すように、このスタック構造は、板状の一対の絶縁性多孔質体４、５と、その間に配置される４個の上記燃料電池１１〜１４とを備えている。ここでは、説明の便宜上、同図の左から右に向かって、第１，第２，第３，及び第４燃料電池と称することとする。４個の燃料電池１１〜１４は、同図の左右方向に一列に並び、上下が互い違いになるように配置されている。つまり、第１及び第３燃料電池１１，１３が、空気極２３を上方に向けるように配置され、第２及び第４燃料電池１２，１４が、燃料極３３を上方に向けるように配置されている。そして、各多孔質体４，５において互いに対向する面には、インターコネクター６１，６２，６３が配置されている。より詳細には、下側の多孔質体４には、第１燃料電池１１の下側に露出する燃料極３３と、第２燃料電池１２の下側に露出する空気極２３とを接続するインターコネクター６１が配置されるとともに、第３燃料電池１３の下側に露出する燃料極３３と、第４燃料電池１４の下側に露出する空気極２３とを接続するインターコネクター６２が配置されている。一方、上側の多孔質体５には、第２燃料電池１２の上側に露出する燃料極３３と、第３燃料電池１３の上側に露出する空気極２３とを接続するインターコネクター６３が配置されている。

また、上側の多孔質体５には、２つの集電層、つまり第１燃料電池１１の上側に露出する空気極２３と接触する集電層７１と、第４燃料電池１４の上側に露出する燃料極３３と接触する集電層７２が配置されている。これら集電層７１，７２には、それぞれ導線８が接続されている。なお、インターコネクター６１〜６３は、メッシュ状、または一部に開口を有する形状にすることが好ましい。これにより、多孔質体４，５と対向する電極に、多孔質体４，５を通過したガスを接触させやすくなる。或いは、多孔質体４，５に対向する電極の全面にインターコネクター６１〜６３を配置するのではなく、その一部に配置することで、多孔質体４，５に対向する電極にガスが接触するようにすることもできる。

次に、上記燃料電池を構成する材料について説明する。導電性を有する多孔質基板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、多孔質基板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。また、多孔質体４，５も同様の気孔率を有することが好ましい。多孔質体４，５は、絶縁性を有するものであるため、その材料は、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。

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６１〜６３及び集電層７１，７２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６１〜６３及び集電層７１，７２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基板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、多孔質基板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、多孔質基板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成膜することが好ましく、例えばスパッタリング、溶射法等による低温成膜手法で形成することができる。

上記のように形成された燃料電池は、一対の多孔質体４，５の間に配置される。まず、多孔質体４，５の互いに対向する面に図２のようにインターコネクター６１〜６３及び集電層７１，７２を塗布する。続いて、両多孔質体４，５の間に、上記燃料電池を電極の向きが互い違いになるように配置する。こうして、燃料電池のスタック構造が完成する。

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、多孔質体４，５を介してその間に配置されている燃料電池１１〜１４に接触する。そして、多孔質体４，５と対向する電極２３、３３には、多孔質体４，５を介して進入するガスが接触する。一方、多孔質基板１と対向する電極２１、３１には、多孔質基板１の側端面から進入するガスが接触する。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、導電性の多孔質基板１の両面にそれぞれ単セル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。つまり、基板１によって２個の単セル２，３が直列に接続された電池が構成されている。そのため、一個の単セルの面積で２個分の出力を得ることができ、電池のコンパクト化を図ることができる。

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、上記実施形態におけるスタック構造では、複数の単セルを直線状に並べているが、これに限定されるものではなく、配置された燃料電池が電気的に直列に接続されるのであれば、種々の配置が可能である。また、インターコネクターも上記のように線状に配置しなくてもよく、単セルの配置によって適宜決定すればよい。また、多孔質体４，５も上記のように板状でなくてもよく、ガスを拡散できるのであれば、種々の形態が可能である。

また、上記実施形態では、一つの多孔質基板１の両面に単セル２，３をそれぞれ配置しているが、単セルを３つ以上用いることもできる。例えば、図３に示すように、図１に示す電池の上面、つまり第１の単セル２の上面に対し、さらに一組の導電性の多孔質基板９と第３の単セル８とを取り付ける。その作成方法としては、例えば、以下のものを挙げることができる。
(1)導電性多孔質基板９をアルミナ系接着剤（例えば、東亜合成株式会社製アロンセラミックスＤ）で第１の単セル２上に接着し、その上に燃料極８１、電解質８２、及び空気極８３からなる第３の単セル８を印刷によって形成する。
(2)導電性多孔質基板９上に印刷等により第３の単セル８を形成し、これを第１の単セル２の上面に対して押圧し固定する。
(3)導電性多孔質基板９が、導電性を有するセラミックスからなる場合は、燃料極、空気極、電解質同様、上記記載のスクリーン印刷法、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、スパッタリングや溶射法、或いは、いわゆるグリーン体を用いた方法で、第１の単セル２上に形成し、その上に、第３の単セル８を印刷などで形成する。

以上のいずれの場合も、多孔質基板９の上面に燃料極８１が配置されるようにする。これにより、３個の単セルが直列に接続された電池が構成され、一個の単セルの面積で、３個分の出力を得ることができる。なお、単セルの数は、４個以上にすることができるのは勿論であり、その際には、隣接する単セルの間にそれぞれ多孔質基板を介挿すればよい。また、このように単セルの数を増やした場合でも、図２に示すようなスタック化が可能であり、単に、図２に記載の電池を、上述したものに交換すればよいだけである。

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。 本発明に係る単室型固体酸化物形燃料電池の別の実施形態を示す断面図である。

符号の説明

１，９ 多孔質基板
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、５ 多孔質体
６１〜６３ インターコネクター
８ 第３の単セル
８１ 燃料極
８２ 電解質
８３ 空気極

Claims (4)

1. 燃料極及び空気極と、これらの間に配置された電解質とを有し、積層するように配置された複数の単セルと、
   隣接する前記単セルの間に介挿された少なくとも一つの導電性の多孔質基板と、を備え、
   前記多孔質基板を挟んで隣接する単セルにおいては、当該多孔質基板を挟んで異極同士が対向配置されている、単室型固体酸化物形燃料電池。
2. 一の前記多孔質基板と、
   前記多孔質基板の一方面及び他方面にそれぞれ配置された一対の前記単セルと
   を備えている、請求項１に記載の単室型固体酸化物形燃料電池。
3. 前記各単セルの燃料極、電解質、及び空気極は、印刷によって形成されている、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. 一対の絶縁性の多孔質体と、
   前記一対の多孔質体の間に配置される複数の請求項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と、
   前記各多孔質体において互いに対向する面上に配置され、複数の前記燃料電池を直列に電気的に接続する複数のインターコネクターと、を備え、
   前記各インターコネクターは、同一の前記多孔質体に対向する電極が異極同士となるように配置された一対の前記燃料地電池を接続する、単室型固体酸化物形燃料電池のスタック構造。