JP2008251241A - 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】導電性を有する固定部材を使用することのできる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】導電性を有し、少なくとも一つの貫通孔が形成された多孔質基板２と、基板２上に形成された燃料極３と、燃料極３を覆い、さらに基板２の貫通孔２１の内壁面を覆うように形成された電解質４と、電解質４上に形成され、電解質４上における貫通孔２１の形成されていない領域に配置された空気極５と、を備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、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。このような燃料電池は、複数の燃料電池をスタック化することで、その出力の向上を図っている。例えば、特許文献１には、空気極を基板とした単セルを複数積層したスタック構造が開示されている。このスタック構造では、空気極基板に形成された固定用の穴にボルト等の固定部材を通してナットを締め付けることによって、積層された単セルを固定している。
特開平６−３２５７７９号公報

しかしながら、上記スタック構造では、導電性材料のボルトを使用すると、ボルトを介して各単セルの空気極同士が短絡してしまう。このため、絶縁性のボルトを使用する必要があるが、一般的に絶縁性を有する材料からなるボルトは、金属などの導電性を有する材料と比較して強度面で劣るものが多く、材料選択の幅が狭まるという問題があった。

そこで、本発明は、導電性を有する固定部材を使用することのできる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課題とする。

本発明に係る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、導電性を有し、少なくとも一つの貫通孔が形成された多孔質基板と、前記基板上に形成された、燃料極あるいは空気極のどちらか一方の電極と、前記一方の電極を覆い、さらに前記基板の貫通孔の内壁面を覆うように形成された電解質と、前記電解質上に形成され、前記電解質上における前記貫通孔の形成されていない領域に配置された他方の電極と、を備えている。

このように構成することで、以下のような効果を得ることができる。すなわち、上記燃料電池は、通常、その出力向上のために複数の燃料電池がスタック化されて使用される。具体的には、積層された各燃料電池の基板に形成された貫通孔内にボルトなどの固定部材を通し、ナットなどで締め付けられることにより、複数の燃料電池は積層された状態で固定されてスタック化される。このとき、固定部材は貫通孔の内壁面と接触するが、この貫通孔の内壁面は絶縁性の電解質によって覆われている。このため、固定部材が導電性を有していても、各燃料電池の一方の電極同士が各基板から固定部材を介して短絡してしまうといったことを防止することができる。よって、導電性を有する材料から構成された固体部材を使用することが可能となり、固定部材の材料選択の幅を広げることができる。

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、上記基板の貫通孔の内壁面は、一旦、一方の電極で覆った後に、その上から電解質で覆うように構成することもできる。このように構成することで、反応場である一方の電極と電解質との接触面積を大きくすることができ、出力の向上を図ることができる。

また、本発明に係る固体酸化物形燃料電池のスタック構造は、上記課題を解決するためになされたものであり、上記いずれかの複数の固体酸化物形燃料電池であって、隣接する固体酸化物形燃料電池における一方及び他方の電極が対向し、且つ前記各基板の貫通孔が積層方向に整列するように配置された固体酸化物形燃料電池と、前記各燃料電池の基板における貫通孔内を延び、前記複数の固体酸化物形燃料電池を締結する固定部材と、を備えている。

このように、上記燃料電池のスタック構造は、各貫通孔内を延びる固定部材によって固定されている。そして、この固定部材が接触する貫通孔の内壁面は絶縁性を有する電解質によって覆われているため、固定部材が導電性を有していても、各燃料電池の一方の電極同士が基板から固定部材を介して短絡することを防止することができる。したがって、導電性の固定部材を使用することが可能となり、固定部材の材料選択の幅を広げることができる。

なお、上記「貫通孔の形成されていない領域」とは、ボルトなどの固定部材を貫通孔に通した際に、他方の電極が固定部材と接触しないような領域のことをいう。

本発明によれば、導電性を有する固定部材を使用することのできる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ができる。

以下、本発明に係る固体酸化物形燃料電池およびそのスタック構造の実施形態を添付図面に従って説明する。図１は、本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池の平面図（ａ）及びこの平面図（ａ）のＡ−Ａ線断面図（ｂ）である。

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１は、導電性を有する平面視矩形状の多孔質基板２を備えており、この基板２上に燃料極３，電解質４及び空気極５がこの順で形成されている。基板２には、図１（ａ）に示すように、その厚さ方向に貫通する貫通孔２１が四隅にそれぞれ形成されている。燃料極３は、基板２上に平面視矩形状で形成されており、４つの貫通孔２１で囲まれた領域内に収まるような大きさ、すなわち、貫通孔２１には届かないような大きさで形成されている。この燃料極３上に形成された電解質４は、平面視矩形状であって燃料極３全体を覆っている。また、電解質４は、４つの貫通孔２１で囲まれた領域まで延びるような大きさを有しており、貫通孔２１の内壁面を覆っている（図１（ｂ））。このように内壁面が電解質４で覆われた貫通孔２１は、後述するボルト６が挿通するような寸法に形成されている。空気極５は、電解質４上で燃料極３とほぼ同じ大きさの平面視矩形状に形成されている。また、空気極５は、燃料極３と同様、貫通孔２１には届かないように形成されている。

次に、上記燃料電池１を構成する材料について説明する。

多孔質基板２は、ガス透過性及びその強度を考慮すると、その気孔率が２０〜６０％の範囲にあることが好ましい。このように、気孔率を２０％以上とすることで、ガス透過性を確保することができる一方、気孔率を６０％以下とすることで、基板２と燃料極３との接着面積を確保し、基板２と燃料極３との剥離をより確実に防止することができる。このような要求を満たすため、基板２を構成する材料は、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔ等の導電性金属を用いることが出来、１種を単独で使用してもよいし、２種以上を混合してもよく、例えばステンレス系耐熱材料などが使用出来、具体的には、オーステナイト系ステンレス鋼、フェライト系ステンレス鋼、インコネルやハステロイなどのニッケル基の耐熱合金などを用いることができる。

燃料極３及び空気極５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３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３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３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５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。

電解質４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（ＧＤＣ）、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（ＹＳＺ）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。

上記燃料極３、電解質４は、例えばドライコーティング法によって形成することができる。ドライコーティング法としては、例えば、スパッタリング法を例示することができる。スパッタリング法を使用した場合、基板２をスパッタリング装置の基板ホルダーに設置し、成膜材料として、燃料極或いは電解質材料をバッフルプレート上に載置し、真空ポンプを用いて、チャンバー内を到達真空度３×１０^−４Ｐａまで減圧した後、金属基板を７００℃まで加熱し、導入管からチャンバー内へアルゴンガス（１ｓｌｍ）を導入すると共に、導入管からチャンバー内へ、それぞれ酸素（０．５ｓｌｍ）を導入する。続いて、パルス直流電源により成膜材料に２ｋＷの電力を印加して成膜材料を拡散させ、所定の厚みになるまで成膜を行う。なお、成膜時の雰囲気圧は１Ｐａに設定する。

空気極５は、例えば、スクリーン印刷によって形成することができるが、この場合、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。

次に、上述した燃料電池１の製造方法について図２を参照しつつ説明する。図２は、燃料電池１の製造方法を示す説明図である。

まず、上述した材料からなる多孔質基板２を準備する（図２（ａ））。

この基板２上に上述したドライコーティング法によって、基板２をその下面と貫通孔を除いて覆うように燃料極３を形成する（図２（ｂ））。
続いて、基板２の貫通孔の内壁面および燃料極３によって覆われた基板２をさらにその上から覆うように、上記と同様の手法によって緻密質電解質４を形成する（図２（ｃ））。

続いて、電解質４上に、空気極ペーストをスクリーン印刷法によって塗布し、所定時間及び温度で乾燥・焼結することにより空気極５を形成する。以上の工程により、固体酸化物形燃料電池１が形成される（図２（ｄ））。

また、上記実施形態では、燃料極３、電解質４の成膜法としてスパッタリング法、空気極の成膜法として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、電気泳動法、ゾルーゲル法、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。

次に上述した固体酸化物形燃料電池１を使用したスタック構造１０について図面を参照しつつ説明する。図３は、本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池のスタック構造の平面図（ａ）及びその平面図（ａ）のＡ−Ａ線断面図（ｂ）である。

図３に示すように、固体酸化物形燃料電池のスタック構造１０は、４つの燃料電池１を備えている。各燃料電池１は、空気極５が上方を向くように配置されるとともに、各基板２の４つの貫通孔２１が他の基板２の対応する各貫通孔２１と上下方向（積層方向）に整列するように配置されている。そして、この上下方向に整列された貫通孔２１内をボルト（固定部材）６が延びており、最下部に位置する燃料電池１の基板２の下面側からナット７を締め付けることによって、４つの燃料電池１を積層した状態で固定している。この積層された燃料電池１は、基板２が導電性を有しているため電気的に直列に接続されている。貫通孔２１内を延びるボルト６は、貫通孔２１の内壁面が電解質４によって覆われているため、基板２と直接接触していない。また、ボルト６は、空気極５が貫通孔２１まで届かないような大きさで形成されているため、空気極とも接触していない。上記ボルト６の材質は、導電性の材料を使用することができ、例えば、強度や熱膨張の観点から基板と同種の材料を使用することが好ましく、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｅ等の導電性金属を用いることが出来、１種を単独で使用してもよいし、２種以上を混合してもよく、例えばステンレス系耐熱材料などが使用出来、具体的には、オーステナイト系ステンレス鋼、フェライト系ステンレス鋼、インコネルやハステロイなどのニッケル基の耐熱合金などを用いることができる。

以上のように構成された燃料電池のスタック構造１０は、次のようにして発電が行われる。まず、燃料電池のスタック構造１０を密閉された空間内に収容し、その空間内に、水素やメタン、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℃）で導入する。すると、各燃料電池１の空気極５は露出しているために混合ガスが直接接触する。また、燃料極３は、電解質４によって覆われているため、多孔質の基板２を介して混合ガスが接触する。こうして、各燃料電池１の燃料極３及び空気極５がそれぞれ混合ガスと接触するため、各燃料電池１における燃料極３と空気極５との間で、電解質４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、各基板２の貫通孔２１の内壁面が絶縁性の電解質４によって覆われているため、導電性を有する材料からなるボルト６を使用しても、ボルト６と基板２とは電気的に接続しない。このため、各燃料極３同士が、基板２及びボルト６を介して短絡するおそれがない。したがって、導電性を有するボルト６を使用することが可能となり、ボルト６の材料選択の幅を広げることができる。

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。たとえば、上記実施形態では、単室型の固体酸化物形燃料電池１として説明したが、二室型の固体酸化物形燃料電池１として使用することもできる。この場合は、図４に示すように、各燃料電池１間にセパレータ８を配置することによって、各燃料電池１を隔離する。このセパレータ８は、上面に第１ガス流路８１が、下面に第２ガス流路８２が形成されており、基板２の貫通孔２１と対向する位置に貫通孔８３が形成されている。そして、このように構成された二室型の固体酸化物形燃料電池のスタック構造２０では、次のようにして発電が行われる。すなわち、各セパレータ８の第１ガス流路８１に燃料ガスを高温の状態で供給して、多孔質の基板２を介して燃料極３に燃料ガスを接触させる。また、各セパレータ８の第２ガス流路８２には酸化剤ガスを高温の状態で供給して、空気極５に酸化剤ガスを接触させる。このように各燃料電池１の燃料極３に燃料ガス、空気極５に酸化剤ガスを接触させることで、各燃料電池１における燃料極３と空気極５との間で、電解質４を介した酸素イオン伝導が起こり、発電が行われる。なお、セパレータ８は、導電性を有する材料のものを使用することによって、各燃料電池１を電気的に直列に接続させることができるが、この場合は、少なくとも貫通孔８３の内壁面を絶縁性材料によって覆うなどすることにより、ボルト６を介した短絡を防止している。

また、上記実施形態では、燃料極３は４つの貫通孔２１で囲まれた領域内に収まるように形成されているが、図５に示すように、燃料極３が上記領域よりも大きくなるように形成されている、すなわち、燃料極３が、基板２の貫通孔２１の内壁面を覆うように形成されていてもよい。この場合は、基板２の貫通孔２１の内壁面をまず燃料極３が覆い、その燃料極３の上から電解質４がさらに覆うように構成されている。

また、上記実施形態では、下から基板２、燃料極３、電解質４、空気極５の順に形成されているが、燃料極３と空気極５との順番を入れ替えて、基板２，空気極５，電解質４，燃料極３の順に形成することもできる。

また、上記実施形態では、固定部材をボルト及びナットとして説明したが、特にこれに限定されるものではなく、基板２の貫通孔２１内を上下方向に延びて、各燃料電池１を積層した状態で固定できるものであればよく、例えばバネ部材を使用することができる。

また、図６に示すように、２つの固定板９によって、積層された４つの燃料電池１を上下から挟むように構成することもできる。この各固定板９は、基板２の貫通孔２１と対応する位置に４つの貫通孔９１が形成されている。そして、この各固定板９の貫通孔９１内及び基板２の貫通孔２１内をボルト６が延びて、下側に配置された固定板９の下面からナット７を締め付けることで、４つの燃料電池１を積層した状態で固定している。

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（ａ）及びその平面図（ａ）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スタック構造の実施形態を示す平面図（ａ）及びその平面図（ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。 本発明に係る固体酸化物形燃料電池のスタック構造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スタック構造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 多孔質基板
２１ 貫通孔
３ 燃料極
４ 電解質
５ 空気極
６ ボルト（固定部材）
１０ 固体酸化物形燃料電池のスタック構造

Claims (3)

1. 導電性を有し、少なくとも一つの貫通孔が形成された多孔質基板と、
   前記基板上に形成された、燃料極あるいは空気極のどちらか一方の電極と、
   前記一方の電極を覆い、さらに前記基板の貫通孔の内壁面を覆うように形成された電解質と、
   前記電解質上に形成され、前記電解質上における前記貫通孔の形成されていない領域に配置された他方の電極と、
   を備えた、固体酸化物形燃料電池。
2. 前記一方の電極は、前記貫通孔の内壁面を覆うように形成されており、
   前記電解質は、前記一方の電極により覆われた貫通孔の内壁面をさらに覆うように形成されている、請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池。
3. 請求項１又は２に記載された複数の固体酸化物形燃料電池であって、隣接する固体酸化物形燃料電池における基板と他方の電極とが対向し、且つ前記各基板の貫通孔が積層方向に整列するように配置された固体酸化物形燃料電池と、
   前記各燃料電池の基板における貫通孔内を延び、前記複数の固体酸化物形燃料電池を締結する固定部材と、
   を備えた、固体酸化物形燃料電池のスタック構造。

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